碎屑流冲击下柔性防护网的力学简化模型

柔性防护网是一种广泛应用于碎屑流防治的防护结构,目前缺乏综合考虑碎屑流冲击荷载组成特征及支撑绳受力特征的力学模型对其防护特性进行评估。基于碎屑流冲击拦挡结构的2种冲击模式,并考虑动、静及摩擦冲击荷载的组成,构建碎屑流的冲击荷载计算模型,并在考虑碎屑流不同冲击阶段和冲击模式的基础上,结合索结构力学,建立考虑碎屑流荷载组成和支撑绳受力特征的柔性防护网力学简化模型。对比碎屑流冲击柔性网的室内滑槽模型试验结果发现,底部支撑绳冲击荷载计算结果比试验值偏大,坡面堆积工况下的冲击荷载和柔性网受力计算结果基本符合试验结果,而连续冲击工况的计算结果大于试验结果。总体上,力学理论模型可以有效地描述其余支撑绳上所受荷载的非线性分布特征,且计算结果偏保守。     

碎屑流被动柔性防护网的结构与安装特征研究

被动柔性网广泛应用于崩塌碎屑流等地质灾害的防护工程中.但是碎屑流被动防护网的结构和安装形式在工程和研究中仍不统一,容易造成实际工程中的选型错误以及计算理论在工程应用中误用.将碎屑流灾害划分为坡面碎屑流和沟道碎屑流两种灾害类型,对这两种灾害类型对应的柔性网结构和安装特征进行了野外调查和力学理论分析.分析结果表明,柔性网主...     

颗粒离散元方法中黄土强度参数研究

颗粒离散元方法是离散元方法的一种,其研究对象的强度参数确定过程是非常繁琐的,常规方法必须进行数值计算和室内试验的标定。本文基于PFC软件,编写直接剪切试验程序,通过室内直剪试验和模拟试验对比分析,研究颗粒离散元方法中大孔隙,疏松的黄土强度参数。分析得到重力条件、颗粒密度、刚度和模型尺寸效应对强度曲线的影响,其中尺寸效应影响明显,通过多次计算提出了不同尺寸模型的参数换算公式。研究土体抗剪强度粘聚力c和离散元中接触黏结强度bond之间的线性关系,拟合得到二者的计算公式,通过公式可以快速标定得到颗粒离散元方法中黄土的强度参数,这为黄土地区地质灾害的离散元数值分析提供参数基础。     

基于连续介质模型的离散元方法中弹簧性质研究

地质体材料的破坏演化过程是地质灾害防治工程中亟待解决的关键科学问题，也是力学的前沿课题。基于连续模型的离散元方法是研究该问题的一种数值方法。用求矩阵特征值的方法，推导基于连续介质模型的离散元方法中三维有限元刚度矩阵转化为离散元弹簧刚度的解析表达式，给出了不同条件下离散元弹簧的取法。研究立方体八节点单元中离散元弹簧的性质，得到棱弹簧、面对角线弹簧以及体对角线弹簧的刚度和方向表达式，给出这些弹簧刚度以及方向与泊松比的关系图。最后，将基于连续介质模型的离散元方法模型与Gusev模型、二维链网模型进行比较。对于泊松比为0．25时的平面应变问题，对于泊松比为1／3时的平面应力问题，基于连续介质模型的离散元方法模型与二维链网模型一致。在块体内部，基于连续介质模型的离散元方法模型与Gusev模型一致。且基于连续介质模型的离散元方法模型能模拟链网模型和Gusev模型都不能模拟边界单元，证明基于连续介质模型的离散元方法模型更具普遍性。     

颗粒离散元方法中接触模型的开发

 在对颗粒离散元方法的理论基础进行深入研究的基础上,推导了广义Kelvin模型颗粒间接触力的理论解和数值解;采用面向对象的程序技术,通过颗粒离散元程序的接口,研制了广义Kelvin接触模型颗粒离散元计算程序;通过算例,验证了程序编制的正确性。在此基础上,以某深埋隧洞为例,计算不同接触本构模型条件下岩体的开裂破坏情况。结果表明,相对于弹性接触关系,采用广义Kelvin接触模型得出的结果与由Hoek-Brown强度准则得出的计算图更为接近。     

三维离散元计算参数选取方法研究

简要分析了岩体力学计算中比较重要的几何参数和物理参数的选取问题。通过对几种离散元方法接触关系的比较，讨论了在不同的计算模型中结构面刚度所代表的物理意义。指出在刚性块体模型中，结构面的刚度是包含了岩块和结构面物理特性的等效刚度，而在可变形块体模型中，只有当块体间的接触弹簧刚度取足够大时，才能客观地反映岩体的特性。太大的接触刚度影响计算的可靠性，为此给出了一种简单的处理方法。通过量纲分析的方法给出了岩体结构振动的阻尼表达式，指出可以通过岩体的振动实验确定阻尼比，并进而给出特征时间。量纲分析得到的特征时间为计算时间步长提供了参考值。最后，介绍了离散元法的计算控制及滑动与失稳的判据。     

基于围压柔性加载的土石混合体大型三轴试验离散元模拟研究

综合运用计算机三维扫描与随机模拟技术,建立了不同块石含量和空间分布的土石混合体三维随机细观结构模型和离散元模型,考虑围压柔性加载,基于柔性黏结颗粒膜方法,采用颗粒流程序对不同土石混合体试样进行了不同围压下的大型离散元三轴试验模拟,研究了块石含量和空间分布对土石混合体力学特性和变形破坏规律的影响。数值模拟结果表明:土石混合体的强度和抵抗变形的能力随含量和围压的增大而增强,且在相同含石量下,受内部块石空间分布的影响,试样的内摩擦角和黏聚力虽会表现出一定的离散性,但总体上,内摩擦角随着含石量增加基本呈线性增加,而黏聚力却随着含石量增加逐渐减小;在围压柔性加载下,土石混合体试样表现为鼓胀变形破坏,破坏后形成的剪切带为一个曲折条带,形态上呈非对称的X形分布,厚度约为试样高度的1/3～1/2倍,且试样的破坏形态及内部剪切带大小和分布形态不仅受块石含量和空间分布影响,而且也取决于围压大小;土石混合体试样在破坏过程中内部剪切带的形成是伴随局部颗粒的转动开始的,在应变到达峰值应变时,局部发生转动的颗粒相互连接贯通,此时剪切带已基本形成,此后随着应变继续增加,受峰后鼓胀变形的影响,试样内部颗粒的转动仍会发生一定的变化,同时伴随着剪切带大小和分布形态也发生相应的变化。     

沥青混合料三维离散元几何模型重构研究

离散元数值模拟在沥青混合料试验中得到了越来越多的应用,随着科学设备的发展及学者对数值模拟与真实情况相吻合程度的要求越来越高,将CT扫描技术与三维离散元数值模拟相结合受到了很多学者的关注。文中依托PFC3D基于CT技术,建立沥青混合料三维离散元几何模型。     

基于离散元方法的PDC钻头破岩仿真研究

针对前人对PDC(聚晶金刚石复合片)钻头破岩仿真研究多采用有限元法,忽略了岩体的各向异性、不均匀性以及不连续性等问题。提出了采用离散元法来研究PDC钻头的破岩仿真过程,利用离散元软件PFC3D建立了虚拟单轴压缩实验和虚拟巴西劈裂法实验,推导出了岩石的三维离散元模型的细观参数,确定了岩石的本构模型。在此基础上建立了PDC单齿切削岩石的离散元模型,讨论了侧倾角对切削力的影响关系,并与单齿切削岩石的有限元模型进行了对比。结果表明:离散元模型与有限元模型结果比较接近,离散元数值模拟的求解时间为有限元数值模拟的1/3,离散元方法具有潜在的高效率。在单齿切削岩石的离散元模型的基础上建立了全钻头破岩离散元模型,研究了PDC钻头动态破岩过程中各切削齿所受扭矩和钻压的分布规律。并通过全钻头破岩室内台架实验对模型的准确性进行了验证。     

基于离散单元法的单层网壳结构冲击破坏#br# 数值模拟研究

基于传统离散单元法的接触模型,通过能量守恒定律推导适用于杆系结构的离散元模型接触刚度。将分层梁理论引入到离散单元法中,给出接触的塑性判断准则以及推导接触进入塑性后的刚度系数,从而可以应用离散元方法解决杆系结构的弹塑性问题。通过定义离散单元法基于应变的断裂准则,将其应用于解决杆件的断裂问题。选取适用于碰撞问题的赫兹模型,给出赫兹模型刚度的设置方法。最后应用改进后的离散单元法对单层网壳冲击试验进行了考虑弹塑性、断裂、碰撞的全过程模拟,验证了该方法的正确性。并对Kiewitt单层球面网壳单点冲击和多点冲击进行数值模拟研究,分析了单点和多点冲击下单层网壳的破坏模式、冲击力、节点位移和支座反力的异同点。     

基于三维柔性薄膜边界的土石混合体大型三轴试验颗粒离散元模拟

为了有效模拟土石混合体室内大型三轴试验侧向柔性乳胶膜的力学行为,提出了一种可行的三轴试验侧向柔性薄膜边界的三维离散元模拟方法,即三维组合墙法。结合已开发的不规则块石及土石混合体三维离散元建模方法,建立了可考虑柔性薄膜边界的土石混合体大型三轴试样三维离散元模型。引入平行黏结模型以更好地模拟胶结土石混合体中颗粒间的胶结作用,通过开展大型三轴数值试验逐一全面地标定了无胶结土石混合体和胶结土石混合体数值模型的细观力学参数。分析了无胶结土石混合体和胶结土石混合体数值试样的变形破坏过程及特征,并与室内试验结果进行了对比。结果表明:所提出的三维柔性薄膜边界建模方法原理简单,参数较少,易于实现,且能节省计算资源;基于三维柔性薄膜边界的土石混合体大型三轴试验颗粒离散元模拟能较好地再现土石混合体的应力–应变特征、无胶结土石混合体的鼓肚变形破坏特征、胶结土石混合体变形局部化的过程及其剪切带的细观结构特征。     

Numerical study on liquefaction characteristics of granular materials under Rayleigh-wave strain conditions using 3D DEM

In liquefaction analyses, liquefaction is conventionally assumed to originate from the vertical propagation of shear waves. However, some field and theoretical evidence has demonstrated that the risk of liquefaction may be induced or increased by surface waves. In this study, the liquefaction characteristics of K₀-consolidated granular materials under Rayleigh-wave strain conditions, ideal deformation conditions under the assumption of constant volume, were investigated by the three-dimensional discrete element method (3D DEM). The results indicate that Rayleigh-wave strain conditions combine pure and simple shear modes. As the ratio of the shear strain amplitude to the normal strain amplitude (RSN) increases from 1 to +∞, granular materials tend to have a slower liquefaction rate and higher liquefaction resistance; however, the difference in the undrained responses is negligible when the RSN is less than 1. The distribution of the magnitude and orientation of the contact forces also varies with the RSN, while it is similar when the RSN is less than 1. The degradation of the skeleton structure and the evolution of the structural anisotropy accelerate the liquefaction of granular materials. Moreover, in situations with the same accumulated equivalent strain per cycle, the Rayleigh-wave strain condition with a low RSN value will make granular materials more vulnerable to liquefaction compared with Love- and SH-wave strain conditions.     

基于颗粒离散单元法的获取任意相对密实度下级配颗粒堆积体的数值方法

土体的密实程度对土体的工程性质影响很大。获得给定相对密实度下的初始颗粒堆积体,是利用离散单元法进行土体细观力学分析的重要前提。基于离散单元法,首先获得颗粒在自重作用下稳定后的最松散堆积体。其次提出采用减小压实过程中颗粒间摩擦系数的拟振动压实法来模拟现实中的振动压实作用,并验证了其可行性。当压实过程中颗粒间摩擦系数为0时获得最密实堆积体。研究了拟振动压实过程中颗粒间摩擦系数与压实稳定后的堆积体孔隙率的关系。最后根据该关系可估算出获得任意给定相对密实度堆积体所需的压实过程中颗粒间的摩擦系数。研究结果表明:颗粒的配位数与粒径近似满足指数关系;通过减小压实过程中颗粒间的摩擦系数能较好的模拟振动压实效果;压实过程中颗粒间的摩擦系数与堆积体孔隙率满足负指数关系;该方法可获得任意相对密实度下的颗粒堆积体,可以为土体细观力学的数值模拟提供初始颗粒堆积结构。     

双剪类流动模型的非圆形颗粒离散元数值验证

双滑移自由转动模型、双剪模型和双滑移转动率（DSR²）模型这3种双剪类模型均是基于运动理论的塑性模型,其关键区别在于转动率参量的选取。采用改进后的NS2D离散元程序,对长短轴比例分别为1.4和1.7的椭圆颗粒试样进行不排水单剪试验以验证上述双剪类模型中转动率参量选取的合理性。数值试验结果表明：①双滑移自由转动模型中的限定条件因未考虑能量消散过程中颗粒转动的影响而过于严格;②双剪模型中转动率参量为主应力方向变化率的假定与数值试验结果差距显著;③DSR²模型中采用平均纯转动率（APR）可很好地预测转动率参量的变化,且该模型可用于砂土非共轴微观机制的研究;④参量APR能考虑剪切过程中颗粒转动对能量耗散的影响,可将离散介质力学和连续介质力学有机结合起来,是运动模型中合理且重要的参量。     

分形粒径分布对颗粒流粒径分选的影响规律

高速远程滑坡反粒序及其形成机制是目前研究的热点问题,为进一步探讨该问题,以高速远程滑坡分形粒径分布特征为依据,通过物理模型实验与数值模拟方法,研究不同分形维数颗粒流堆积体的粒径分布特征及其对应的颗粒分选过程,结果表明:随着颗粒流分形维数的增大,细颗粒含量的增加,颗粒流运动过程中不同粒径颗粒的分选作用减弱,导致堆积体中反...     

石笼拱柔性拦截坝新技术及其数值模拟

针对常见的泥石流拦挡结构被冲击破坏的问题,提出了柔性石笼拱拦截坝新技术。柔性石笼拱以石笼为主要材料,砌筑成拱形,上游面铺设废旧轮胎防冲垫层,拦截泥石流。利用ANSYS LS-DYNA软件,分析了柔性石笼拱结构对泥石流冲击的动力响应,并与刚性浆砌石结构进行对比。通过MIDAS GTS软件计算,分析了石笼拱拦蓄泥石流后孔隙水压力变化及静力稳定特性。数值计算结果表明,柔性石笼拱结构能合理地优化结构受力,变形自适应,减小巨石冲击荷载以及饱和泥石流的浆体压力对结构的不利影响。     

三开间单跨柔性棚洞在落石冲击作用下的试验研究

为克服钢筋混凝土结构式棚洞施工难度大,费用高等不足,满足快速抢修抢建要求,提出一种由型钢拱架和金属网组成的柔性棚洞。由于三开间单跨柔性棚洞的传载耗能特点与单开间单跨柔性棚洞存在区别,为此在现有单开间单跨柔性棚洞研究的基础上,提出三开间单跨柔性棚洞的设计方案,制作1∶1试验模型,并进行了25kJ、50kJ、100kJ和250kJ的落石冲击试验。宏观试验现象表明：①当落石能量在100kJ范围内时,柔性棚洞能够成功的对其进行拦截,而不需要对结构进行维护;②当落石能量在250kJ时,柔性棚洞在成功对其进行拦截的情况下,仅需要经过简单的维护即可继续投入使用;③柔性棚洞内的净空满足安全要求。此外,采用应变片、荷载传感器和高速摄像机等对落石冲击过程和柔性棚洞中钢拱架的动力反应进行了测试,综合试验测试数据,对柔性棚洞的变形特点、传载耗能机理和破坏特点进行了分析,指出了柔性棚洞中易发生破坏的薄弱部位,提出了下一步柔性棚洞的改进措施。     

考虑尾隙的盾构隧道土压力离散元数值分析

采用改进的离散元商业软件PFC2D对砂土层中管片周围的土压力进行了大量的数值模拟,重点研究了埋深、尾隙等因素对管片周围土压力分布的影响。研究结果表明:尾隙存在时,隧道顶部的土体产生了不均匀沉降,导致压力拱效应的产生;隧道顶部至地表出现转动加剧区域;应力路径变化过程表明,隧道周围土体经历了先卸载后加载的变化过程;在应变路径变化曲线上可将管片周围土体的变形划分为三个变化阶段。     

Numerical investigation of the effects of pedestrian barriers on aeroelastic stability of a proposed footbridge

A numerical investigation into the aerodynamic characteristics and aeroelastic stability of a proposed footbridge across a motorway in the north of England has been undertaken. The longer than usual span, along with the unusual nature of the pedestrian barriers, indicated that the deck configuration was likely to be beyond the reliable limits of the British design code BD 49/01. In particular, the investigation focussed on the susceptibility of the bridge due to flutter, and to assess if the design wind speeds could be met satisfactorily. The calculations were performed using the discrete vortex method, DIVEX, developed at the Universities of Glasgow and Strathclyde. DIVEX has been successfully validated on a wide range of problems, including the aeroelastic response of bridge deck sections. The proposed deck configuration, which incorporated a pedestrian barrier composed of angled flat plates, was found to be unstable at low wind speeds with the plates having a strong turning effect on the flow at the leading edge of the deck. DIVEX was used to assess a number of alternative design options, investigating the stability with respect to flutter for each configuration. Reducing the number of flat plates and their angle to the deck lessened the effect of the barrier on the overall aerodynamic characteristics and increased the stability of the bridge to an acceptable level, with the critical flutter speed in excess of the specified design speed.     

基于DEM的泥石流堆积物产量计算方法的探讨

分析、讨论了泥石流堆积物产量的各种计算方法,并基于DEM法的计算原理,针对新疆乌恰县境内泥石流堆积物产量进行了实际计算,证明了DEM法在计算泥石流堆积物产量中的可行性。