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。     

基于离心试验与离散元模拟的滑坡碎屑流冲击效应研究

滑坡碎屑流物质组成的复杂性造成其对工程结构的冲击效应尚未被完全理解,特别是粒径大小与级配特征如何影响冲击力及其组成,以及拦挡结构设计中如何考虑粒径特征的影响,当前仍缺乏深入的研究。针对这些问题,开展了一系列离心试验与离散元模拟分析,研究结果表明滑坡碎屑流的颗粒粒径控制着冲击力的波动行为,即随着粒径的增大,总冲击力的峰值越来越明显,且伴随着显著的离散冲击力值。小粒径颗粒对大粒径颗粒存在明显缓冲效应,且小颗粒在冲击过程中更容易进入大颗粒的孔隙,进而贡献作用力,因此粒径和级配特征同时控制着冲击力的绝对值。不同粒径特征控制着颗粒尺度上动量传递机制,进而改变了滑坡碎屑流的冲击效应,由此造成冲击动压力系数α随着Savage数的增大基本上呈现出递增的关系,因此建议采用Froude数与Savage数作为双控指标,辅助确定冲击动压力系数α。此外,通过分析冲击力合力作用位置,发现工程设计中可按总冲击力峰值及矩形分布荷载进行考虑。     

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。     

四川茂县叠溪镇新磨村滑坡特征与成因机制初步研究

滑坡碎屑流物质组成的复杂性造成其对工程结构的冲击效应尚未被完全理解,特别是粒径大小与级配特征如何影响冲击力及其组成,以及拦挡结构设计中如何考虑粒径特征的影响,当前仍缺乏深入的研究。针对这些问题,开展了一系列离心试验与离散元模拟分析,研究结果表明滑坡碎屑流的颗粒粒径控制着冲击力的波动行为,即随着粒径的增大,总冲击力的峰值越来越明显,且伴随着显著的离散冲击力值。小粒径颗粒对大粒径颗粒存在明显缓冲效应,且小颗粒在冲击过程中更容易进入大颗粒的孔隙,进而贡献作用力,因此粒径和级配特征同时控制着冲击力的绝对值。不同粒径特征控制着颗粒尺度上动量传递机制,进而改变了滑坡碎屑流的冲击效应,由此造成冲击动压力系数$alpha $随着Savage数的增大基本上呈现出递增的关系,因此建议采用Froude数与Savage数作为双控指标,辅助确定冲击动压力系数$alpha $。此外,通过分析冲击力合力作用位置,发现工程设计中可按总冲击力峰值及矩形分布荷载进行考虑。

     

中巴喀喇昆仑公路冰川泥石流

针对柔性防护网在黏性泥石流通过时的透水效应问题,在柔性环连网等效薄膜有限单元(FEM)的基础上,结合S-ALE和Ergun公式的欧拉-拉格朗日耦合算法,提出了Structured-ALE-FEM耦合算法（简称S-A-F方法）,实现了考虑透水效应的泥石流柔性防护网耦合分析。结合USGS的泥石流柔性防护模型试验,开展了泥石流柔性防护全过程动力学分析,并与试验结果进行了对比分析。研究表明：提出的耦合方法可再现泥石流冲击、爬高及渗透堆积的全过程;与试验相比,泥石流堆积高度和堆积宽度的最大误差分别为11.9%和10.3%,泥石流浆体通过量最大差量为3.2%;柔性防护网关键部件动力响应与试验相比,右侧拉锚绳、左侧拉锚绳及网片最大变形量时程曲线误差分别为3.2%,16.4%,14.4%。与不考虑阻水效应的两种理论算法相比,S-A-F方法在泥石流冲击力峰值和泥石流浆体通过量准确度较同类其他方法提升了4.69%和17.50%。提出的S-A-F耦合方法可用于黏性泥石流柔性防护工程的设计计算。

     

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。     

散粒介质三维应力-组构解析与破坏分析

基于散粒体宏-微观力学分析,首先提出了3类张量的概念,推导了散粒体三维应力-组构关系,接着给出了二维和轴对称条件下的应力-组构解析表达式,并采用双轴和三轴离散元（DEM）模拟结果对解析解进行了验证分析。最后基于应力-组构解析,采用“真应力”的概念分析了散粒体的强度问题。研究结果表明：散粒体中的应力分布受3类张量的共同影响,双轴与三轴的离散元模拟与解析关系较吻合。在略去了高阶项后,二维应力-组构关系式与Rothenburg等提出的表达式一致。进一步的分析表明：散粒材料强度受控于“真应力”,表观活动摩擦角的变化实质是颗粒摩擦和各向异性组构共同作用的结果。研究成果可以用于分析散粒体各向异性强度特征和本构关系。     

不同流态对好氧污泥颗粒化的影响

采用圆柱形、球形和方柱形序批式反应器,在摇床内培养好氧颗粒污泥,应用粒子成像测速(PIV)系统进行分析和Flow-3D软件模拟,考察不同流态对好氧污泥颗粒化的影响.结果表明:三个反应器均能培养出好氧颗粒污泥;方柱形反应器内的颗粒污泥粒径相对较小、密实、数量多且均匀;在反应器内形成具有漩涡流特性的二次流和一定强度的紊动性,有利于形成密实和强度高的好氧颗粒污泥.     

粒状材料临界状态的颗粒级配效应

采用理想颗粒材料（DEM理想球体）、人工颗粒材料（玻璃球）和天然颗粒材料（Hostun砂）,通过数值和室内常规三轴排水试验研究了颗粒材料级配对其应力-应变响应和临界状态的影响规律。试验结果表明：在相同加载初始条件下（e₀ = 0.574,p₀' = 400 kPa）,随着不均匀系数C_u（d₆₀/d₁₀）的增大,试样在q-ε₁平面上从剪胀变为剪缩,在ε_v-ε₁平面上表现出由应变软化转变为应变硬化的特性。通过不同围压下的三轴排水试验,在e-p'和q-p'平面上分别对不同级配的颗粒材料集合体绘制了临界状态线,e-p'平面随着C_u的增大临界状态线往下偏移,而在q-p'平面上临界状态线不随C_u的改变而改变。     

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。     

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。     

钢筋混凝土防撞护栏实车冲撞试验研究

扼要介绍上海市内环线高架桥快速道路防撞护栏足尺模型的静力水平加载试验、重锤冲击试验、实车冲撞试验.试验取得了理想效果.根据研究成果已完成二期工程全部护栏设计工作,并投入使用,迄今已远营五年,证实选型设计合理可靠.     

强射流对堰塞湖冲击引流的特性研究

为避免堰塞湖传统引流泄洪应急处置措施导致次生灾害的发生,提出了强射流冲击引流的新方法,简析了强射流的特性和影响因素,计算了射流冲击力的理论数值,通过大量实地试验和数据分析对比,验证了采用强射流冲击引流技术在堰塞湖坝体上快速冲击形成一定规模的引流泄洪槽具有一定的可行性。强射流冲击引流技术对迅速、有效、安全地进行堰塞湖引流泄洪,减少人员伤亡和经济损失具有非常重要的现实意义。