地震作用下顺倾岩体边坡锚固界面剪切作用分析

基于FLAC 3D软件,尝试修正的cable单元建立全长黏结锚杆锚固顺倾岩体边坡数值分析模型,改进剪应力提取方法,分别模拟分析了锚杆-注浆体界面上和注浆体-岩体界面上的剪切作用及其演化。研究发现:注浆体-岩体界面上比杆体-注浆体界面上的剪应力小得多,且均以锚杆上的中性点为界方向相反,分布很不均匀,中性点附近大,锚杆两端小,随边坡地震响应增强锚固界面脱粘并向锚杆两端发展,直至全部脱粘致使锚固破坏。获得了地震波作用下边坡两锚固界面上剪应力及其分布和脱粘破坏过程,揭示了锚固界面上的剪切相互作用和锚固破坏机制,并得到了试验印证。为边坡锚固设计和施工提供了参考。     

地震作用下岩体边坡锚固界面剪应力分布及其影响因素分析

基于FLAC3D软件,尝试采用修正的cable单元建立全长粘结锚杆锚固顺倾层状岩体边坡数值分析模型,改进剪应力提取方法,分别模拟分析了锚杆杆体-砂浆界面上和砂浆-岩体界面上的剪应力分布及其影响因素。研究发现:砂浆-岩体界面上的剪应力比杆体-砂浆界面上小得多,且均以中性点为界方向相反,分布很不均匀,中性点附近大,锚杆两端小;不仅地震波幅值和频率对边坡锚固界面剪应力分布有很大影响,而且随地震波持时的增加锚固界面剪应力增大;锚杆长度也对锚固界面剪应力分布有很大影响,锚杆安设角度的影响则较小。获得了地震作用下锚固界面上剪应力分布,并揭示了地震动参数和锚固方式对剪应力分布的影响,为边坡锚固设计施工提供了重要参考。     

地震作用下软弱夹层参数对岩质边坡锚固界面剪切作用影响

利用FLAC~(3D)软件建立了含软弱夹层的锚固岩质边坡数值模型,研究了软弱夹层参数对边坡位移响应和锚固界面剪切作用的影响,并通过正交试验对软弱夹层参数进行了敏感性分析。研究结果表明:锚固界面上的剪应力随时间呈阶梯式变化,且与地震动能量密切相关;随着软弱夹层厚度增加,边坡永久位移和峰值剪应力都增大,随着黏聚力和内摩擦角增大,二者减小,随着倾角增大,二者则先增大后减小;软弱夹层参数对界面剪应力的敏感性由大到小依次是软弱夹层倾角、黏聚力、内摩擦角和厚度。     

基于Mindlin解地震作用下压力型锚索的拟静力分析

为了更加精确地研究地震作用下压力型锚索的锚固机理,基于Mindlin解推导出了圆形均布荷载作用下压力型锚索体系中注浆体受到的压应力表达式和注浆体与锚索孔壁之间的剪应力表达式,结合地震作用效应的拟静力简化方法,研究了锚索孔半径、承压板半径、岩土体的泊松比、锚索孔方向与水平线之间的夹角、预应力值大小、地震烈度等因素对压力型锚索加固效果的影响。研究结果表明:锚索孔半径、承压板半径、锚索孔方向与水平线之间的夹角、预应力值大小、地震烈度的影响结果较大,岩土体的泊松比影响结果较小。研究成果丰富了预应力锚索的抗震设计内容,可为边坡加固充分发挥压力型锚索良好的抗震性能提供参考。     

爆破动荷载作用下边坡锚杆加固效果分析

岩质基坑边坡的加固措施常采用全长粘结式锚杆。为了研究在爆破动荷载作用下的锚杆加固效果,根据南溪长江大桥北岸锚碇基坑北侧边坡的爆破开挖情况,采用FLAC3D对基坑边坡加设锚杆前后的动力响应进行了计算。应用Bishop-拟静力法计算基坑边坡的动力稳定性系数。通过分析计算结果得出以下主要结论:加设锚杆后可以改善边坡的应力分布,减弱边坡坡脚处的应力集中现象,防止由于应力集中而导致的局部破坏;在爆破动力作用下,锚杆的轴力和砂浆剪应力均随时间的增加而增大,且增大的速率基本相同;加设锚杆后边坡的动力稳定性系数由0.98提高到1.33,提升幅度为36%。     

铁路钢桥环氧沥青柔性保护层在特种活载作用下的力学响应

随着铁路钢桥跨径的增大,铁路采用柔性保护层的研究受到重视。从铁路钢桥桥面系的结构组成及荷载传递特点出发,建立高速列车-轨道-环氧沥青柔性保护层-桥梁耦合体系有限元模型。通过典型铁路钢桥面系算例分析可见,保护层竖向位移、横向拉应力、纵向拉应力及钢板与保护层间剪应力峰值均出现在ZK特种活载中心作用于距横隔板1/4跨处(定义两横隔板之间距离为一跨);最大竖向位移发生在荷载作用的中心区域;最大横向拉应力出现在轨枕两侧以及纵肋上方对应的区域;钢板和保护层间最大纵向剪应力分布在荷载下方轨枕对应的保护层区域。此外,通过室内试验,验证环氧沥青柔性防水保护体系的抗拉和抗剪切强度满足理论分析结果和规范的要求。列车荷载作用下环氧沥青柔性防水保护层的力学响应及其分布规律,可为同类铁路钢桥桥面系保护层设计提供理论依据。     

双向耦合效应对FPS隔震桥梁地震响应的影响

利用两正交水平方向力的作用条件下FPS支座非线性动力行为的双向耦合弹塑性恢复力数学模型,针对一典型大跨度FPS隔震连续梁桥,对比了在墩高、球面半径和支座屈服强度等参数变化的情况下,考虑和忽略FPS支座恢复力的双向耦合作用时桥梁的非线性时程响应结果。研究表明这种双向耦合作用对隔震桥梁的地震响应有着重要的影响,如果忽略双向耦合作用,会大大低估支座变形的峰值响应,这对隔震桥梁设计是不利的。     

地震激励下桩-土非线性耦合作用对桩基动力响应特性的影响

为探讨桩-土非线性耦合作用对桩基动力响应特性的影响,以桩-土-结构耦合系统为研究对象,建立三维非线性有限元模型。采用Drucker-Prager非线性土体本构模型,利用罚函数法实现桩-土-结构界面间的非线性耦合作用,引入无反射边界条件,并考虑重力因素,得到了水平和竖直方向组合地震激励下桩-土非线性相互作用对桩基地震响应的影响。结果表明,考虑桩-土接触非线性,桩基的加速度响应峰值减小,桩土之间出现明显的分离现象,桩基剪力和弯矩峰值有所增加。通过对桩基轴力的校核,桩基不承受拉力,不会发生拔桩现象。     

爆破振动荷载作用下3～4层房屋结构响应测试研究

目前,对爆破振动荷载作用下房屋结构的各层响应特性的研究较少。通过现场实测爆破地震波及其引起的3～4层房屋各层结构的振动响应,应用小波分析等工具对数据进行了分析处理,获得了爆破振动荷载作用下房屋各层结构的响应特性规律:随楼层增加,质点振动速度峰值放大系数为0.5～1.33;持续时间减小0.25%～28%;各楼层振动能量大部分集中在6Hz～25Hz频带上。研究成果可为房屋结构破坏的综合判据及抗震设计提供依据。     

高墩大跨径连续刚构桥抗震性能评估

高墩大跨径连续刚构桥的抗震性能评估既是桥梁抗震研究的热点又是抗震研究的难点。本文根据其特点提出了一种适合于其弹塑性地震响应的分析方法,利用提出的塑性铰单元和已有的有限元程序,实现了对罕遇地震作用下桥梁结构的地震响应模拟。使地震波峰值逐渐增大直至结构破坏,对西部某高墩大跨径连续刚构桥进行了弹塑性地震响应分析,得到了该种桥型的破坏形式、能够承受的最大地震等级等结论,为抗震设计提供参考。     

抗爆洞室预应力锚索受力特征试验

探索预应力自由式锚索抗爆加固效应及机理对提出预应力锚索抗爆洞室加固设计方法有着重要的意义。通过室内模型试验和数值模拟,研究了在集中装药爆炸波作用下预应力自由式锚索加固直墙圆拱式洞室围岩介质内应力波宏观变化特征和峰值应力衰减规律,分析了预应力锚索的索端张力变化特征和锚固段轴应变变化波形,结果表明设计参数合理的预应力自由式锚索可以实现较好的抗爆加固效果。采用显式动力分析程序得出的计算结果与试验数据的吻合性较好,进一步证实了模型参数和建模的有效性和正确性。     

地应力对岩石爆破开裂及爆炸地震波的影响研究

深部岩体爆破开挖是高地应力和炸药爆炸产生的动应力共同作用的结果。采用SPH-FEM耦合数值模拟方法,研究了地应力场对岩石爆破开裂及开裂区外地震波能量的影响。结果表明:随着地应力水平的提高,岩石爆破破碎区的范围缩小、裂纹扩展速度降低,非静水地应力场中破碎区内裂纹主要沿最大主应力方向扩展,但地应力对爆破粉碎区的形成几乎没有影响;地应力作用下爆破开裂区形态改变影响了爆炸地震波的能量及传播特性,随着地应力的增大,更多的炸药爆炸能转化为地震波能量,产生的高频地震波随距离衰减更快,且小主应力方向上的爆炸地震波能量更大。研究成果可为深部岩体爆破优化设计提供理论参考。     

周期性隔震基础的优化设计与试验验证

周期性隔震基础是利用周期性结构的衰减域特性,将地震动与上部结构自振频率接近的频率范围内的能量衰减,从而控制上部结构响应的新型隔震装置。周期性基础的隔震性能受到多方面因素的影响,包括局域共振子的调谐频率比、质量比、阻尼比、基体的刚度、上部结构与基础的相互作用以及地震动的频谱特性等。目前尚未有研究综合考虑上述因素的影响并提出周期性基础的设计方法。提出以一组地震动作用下上部结构峰值响应衰减率的平均值为目标函数,对周期性基础进行优化的设计方法。计算结果表明,按照该优化方法得到的周期性基础对上部结构在选取的44条地震动作用下,峰值响应的平均衰减率达30%。参数敏感性分析表明,优化设计得到的周期性基础对于自身参数的变化具有良好的鲁棒性。最后利用缩尺振动台试验验证了优化设计得到的周期性基础的隔震性能,证明了优化方法的有效性和优化结果的正确性。     

Dynamic strength around two interacting piezoelectric nano-fibers with surfaces/interfaces in solid under electro-elastic waves

Considerable efforts have been devoted to the characterization of the strength at the surfaces/interfaces of piezoelectric nanocomposites. In this paper, the multiple scattering of electro-elastic waves from two piezoelectric nano-fibers in piezoelectric matrix is considered and the dynamic stress at the interface is obtained. A decoupling function is introduced to solve the governing equation in piezoelectric materials. The displacement and electric potential are described by a wave function expansion method. The addition theorem for cylindrical wave function is used to obtain the total coupling wave field. The conventional surface/interface model of Gurtin and Murdoch is extended to the case of coupling stress and electric displacement. The dynamic stress concentration factor around two nano-fibers is obtained. Through numerical analysis, it is found that the interaction between the two nano-fibers has a significant effect on the coupling of stress and electric displacement at the interface, especially in the region of high frequency. The interacting effect of the two piezoelectric interfaces is also related to the properties of the nano-fibers and interface. To show the validity of the dynamic model, comparison with existing results is also given.     

受相邻上部结构影响的隧道-土体系振动台试验研究

为了研究在上部结构存在下隧道与土体的地震响应规律,以地表建筑结构和地下上下平行隧道体系为背景,在软土场地上进行了隧道-土-相邻上部结构体系振动台试验。先介绍了整体试验的概况,包括振动台性能和模型材料,模型各物理量的动力相似关系,模型结构的尺寸,并参照已有研究选定了模型箱内部的边界条件,模型中传感器的位置以及适合该场地的地震波和加载制度。然后,分别从加速度和变形两方面对上下平行隧道与土的地震响应进行分析。在上部结构存在条件下,试验数据表明:①土体加速度峰值沿深度整体自下而上增大,隧道上部土体的加速度增大明显,随着输入加速度峰值的增大,土体的加速度放大系数减小;②在地震波作用下,上隧道的加速度反应大于下隧道,且上隧道的拱腰、拱脚部分与下隧道的拱肩、拱脚部分应变峰值最大。     

预应力锚索抗爆洞室加固效果试验研究

研究爆炸波作用下预应力锚索抗爆洞室加固效果,对认识预应力锚索加固机理和完善洞室加固设计计算方法有着重要的意义。本文通过模型试验和数值分析,研究了在集中装药爆炸波的作用下,直墙圆拱式洞室围岩介质内爆炸波形宏观变化特征和峰值应力衰减规律,以及自由式锚索抗爆洞室周边围岩的受力变形状态和动力反应特征,结果表明抗爆洞室围岩抵抗变形能力得到一定提高。采用有限差分法分析得出的计算结果与试验数据吻合性较好,进一步证实了模型参数和建模的正确性。     

Shear failure behavior of granular-continuum interfaces

Particulate-continuum interfaces (e.g. soil-concrete, soil-steel, soil-geomembranes) determine the behavior of many geotechnical structures including deep foundations, synthetic impervious liners, trenchless technologies, and an assortment of earth retaining structures. Therefore, proper understanding of the localized shearing mechanisms that govern their behavior is essential if geotechnical design is to improve. This paper presents a summary of recent research on the coupled effect of surface roughness and hardness on interface shear behavior and strength. This was accomplished through performing a series of laboratory tests on a selection of sand-continuum material interfaces and through discrete element modeling of particulate-continuum interfaces.     

Effect of surface/interface on the dynamic stress of two interacting cylindrical nano-inhomogeneities under compressional waves

Based on the surface/interface elasticity theory, the effect of surface/interface on the dynamic stress of two interacting cylindrical nano-inhomogeneities under compressional waves is considered. The analytical solutions of displacement potentials are expressed by employing wave function expansion method and the expanded mode coefficients are determined by satisfying the boundary conditions at the interfaces. The addition theorem for cylindrical wave function is used to accomplish the superposition of wave fields in different coordinate systems. Analyses show that the effect of the interface properties on the dynamic stress is significantly related to the wave frequency of incident waves, the shear modulus ratio of the nano-inhomogeneities to matrix, and the relative position and distance between the two nano-inhomogeneities.