变形加固理论及高拱坝整体稳定与加固分析

发展和完善了变形加固理论;提出结构失稳的严格定义及其集合逻辑表述,发展了基于塑性余能及其变分的结构稳定性判剧;完善了最小塑性余能原理的证明,指出它是结构平衡条件、变形协调条件和本构关系的集中体现.提出结构整体稳定性可以用结构整体安全度与塑性余能的关系曲线来描述的新思路,并应用于高拱坝整体稳定性评价.结果表明,变形加固理论为评价高拱坝的整体稳定性、坝踵开裂、坝趾锚固、断层加固等高拱坝关键技术问题提供了统一和实用的理论框架和基础.     

基于模型试验与变形加固理论的高拱坝整体稳定性判据研究

高拱坝结构作为超静定的岩体工程结构,在破坏过程中,首先发生局部起裂,然后整体进入非线性变形阶段,最后发生整体破坏,因此难以用单一的稳定性判据衡量高拱坝的整体稳定性。使用超水荷载法研究拱坝的稳定性,分析拱坝整体结构在超载过程中的破坏过程。对基于地质力学模型试验的三安全度(K1,K2,K3)评价标准和基于非线性数值模拟的超载倍数-塑性余能曲线评判标准进行对比分析。同时,利用变形加固理论能够近似模拟结构发生局部破坏后应力、位移情况的优势,提出基于变形加固理论的拱坝三安全度评判标准K-1,K-2,K-3。通过对模型试验和数值计算的结果归纳分析,分别论述模型试验的 K1,K2,K3与数值计算的 K-1,K-2,K-3之间的联系。结果表明,基于地质力学模型试验的三安全度评价标准K1,K2,K3与所提出的基于变形加固理论的三安全度评价标准K-1,K-2,K-3具有较高的一致性,两者之间可以互相验证。     

三峡船闸边坡反分析以及稳定性和整体安全储备能力评价

基于三峡船闸高边坡的稳定和变形问题的重要性,采用弹－粘弹塑性西原模型,依据监测成果和开挖揭露的地质资料,对边坡岩体力学参数进行了反馈分析,并根据反演分析得到的力学参数,对三峡船闸进行了三维非线性有很元分析,对其稳定性和整体安全储备能力进行了评价。     

基于IPSO-BP混合模型的TBM掘进参数预测

通过TBM上升段数据预测稳定段的掘进参数,可以在每个掘进循环的起始阶段预测出各掘进参数的建议值,辅助进行TBM掘进参数的设置和优化调整。提出一种基于改进粒子群算法优化BP神经网络(Improvedparticle swarm optimization-back propagation,IPSO-BP)的TBM掘进参数预测模型,采用自适应惯性权重对标准PSO算法进行改进,并基于改进PSO算法对BP网络的连接权值和偏置进行优化。基于吉林引松工程TBM3标段802 d的TBM运行数据对训练集和测试集进行划分。选取TBM掘进上升段前30 s的刀盘扭矩、贯入度、刀盘功率、推进速度、总推进力5个掘进参数变化特征(均值和线性拟合斜率),以及岩性、围岩分级和地下水活动情况3个地质参数作为模型的输入,并通过试验法确定模型的3个关键超参数(隐含层节点数、学习率和粒子群种群规模),预测稳定掘进时的推进速度v、总推进力F和刀盘扭矩T。结果表明,所提出的模型对TBM稳定掘进段参数的预测拟合优度均达0.85以上,平均绝对百分误差均小于12.68%,相比于BP模型和PSO-BP模型具有更高的预测精度。     

白鹤滩高拱坝坝趾锚固研究

 高拱坝坝趾区域是加固设计的重点关注区域。为了对其锚固进行研究,进一步阐述基于变形加固理论的高拱坝坝趾锚固机制。给出坝趾锚固区域不平衡力的计算方法和坝趾锚固的基准状态。将这一机制应用于白鹤滩高拱坝坝趾锚固数值分析中,得到锚固所需的最小加固力和最优锚固角,并分析坝趾不平衡力分布规律的原因。同时,对白鹤滩高拱坝进行大比例尺(250∶1)下的地质力学模型试验研究。通过对加载过程中的位移、应变和开裂的监测和分析,得出坝趾区域随荷载增加过程的破坏规律。通过对地质力学模型试验与数值分析结果的对比分析表明,两种研究方法的结论是相一致的,白鹤滩高拱坝左岸坝趾较右岸坝趾更为薄弱。研究结果表明,变形加固理论为坝趾锚固分析和评价,提供科学的理论基础和实用的分析方法。     

适宜PCG方法的水工结构有限元刚度矩阵形成、组集和存储的新方法

针对水工结构有限元分析中刚度矩阵存储量大且易变动的特点,在分析目前常用的预处理共轭梯度法（PCG）算法特性基础上,提出适宜于PCG方法的水工结构有限元刚度矩阵形成、组集和存储的新方法.该新方法中,以＂节点＂为中心的刚度矩阵形成方法取代以＂单元＂为中心的刚度矩阵形成组集方法.针对预处理共轭梯度法中零元素不参与计算,提出只需存储非零元素及其在总体刚度矩阵的相应位置的记位存储策略.与传统方法相比,新方法在形成、组集时间和存储规模上均能更好地满足PCG算法的需求.     

特高拱坝非平衡演化的变形稳定控制理论及应用

与一般拱坝相比,特高拱坝坝体及坝基应力高且复杂,卸荷松弛、边坡时效变形等非平衡演化问题贯穿特高拱坝建设的全过程。高地应力区平衡态的岩体结构受到开挖、浇筑和蓄水等扰动后,平衡态被打破,产生损伤和大变形等非平衡演化问题,进而影响工程的建设、运行。建立了岩体结构非平衡演化的变形稳定控制理论框架,通过时效塑性余能范数反应岩体结构偏离平衡状态的程度,可用于岩体工程的稳定性评价;时效不平衡力的分布和大小,可用于局部破坏分析与评价。该理论已经在特高拱坝等岩体工程结构的较多关键问题中得到成功应用,     

杨房沟高拱坝建基面嵌深优化的分析与评价

高拱坝建基面嵌深方面尚未形成具有普适性的评价体系,以杨房沟拱坝建基面嵌深的定量分析与评价为目标,在常规拱坝变形受力分析的基础上,使用三维非线性有限元(TFINE程序)对杨房沟拱坝的可行性研究阶段和施工图阶段的两种建基面嵌深方案进行坝体关键参数、位移、应力和拱端推力的变形应力对比分析。采用塑性屈服区、不平衡力和余能范数评价坝体的整体稳定性和坝踵开裂风险,并基于多重网格法进行坝肩抗滑稳定分析。结果表明,杨房沟拱坝施工图阶段的建基面外移方案较可行性研究方案整体上改善了坝体的变形应力、稳定性和安全度等指标,具有良好的经济效益。研究成果论证了杨房沟拱坝施工图阶段建基面优化设计方案的合理性,同时也可为其他类似工程优化设计的安全分析与综合评价的量化分析提供参考。     

基于变形加固理论的结构稳定和加固分析

 对结构稳定的概念和评判标准进行论述,指出以塑性余能作为结构稳定评判标准的内在含义。基于非平衡态热力学的约束平衡概念,提出变形加固理论,采用超出屈服面的不平衡力对失稳结构的力学行为进行分析。采用Drucker-Prager屈服准则,利用塑性余能作为评价标准,同时与理论解、ABAQUS和TFINE的求解结果对比,对柱体和均质边坡的稳定性进行分析。基于重力坝模型,研究网格尺寸对塑性余能计算的影响。采用和不平衡力大小相等、方向相反的加固力,对柱体和条形基础在加固前后的承载力进行分析,并和理论解进行对比。计算结果表明,塑性余能是塑性应变在整体结构上的标量范数,是结构偏离稳定状态的距离。可以作为结构稳定性的评价指标,而基于不平衡力的加固计算可以同时确定给定结构安全度下的加固区域和加固力大小,由此确定的加固方式的加固效率是很高的,指导加固设计是很有效的。     

基于变形加固理论的盐岩库群时空演化分析

 针对能源储备盐岩库群长期稳定性评价,将弹–黏弹–黏塑性损伤模型引入到变形加固理论,考虑时效变形和损伤演化,发展考虑时空演化的变形加固理论,建立基于T-?E关系曲线的库群长期稳定性评价和破坏时空演化的关键判据,其中,T为时间,?E为塑性余能。塑性余能是超屈服力的标量范数,其大小表征库群长期稳定的总体演化趋势;超屈服力是非平衡时空演化的内在有效驱动力,明确展现库群时效变形,损伤演化及破坏的部位和模式。研究双储库以及金坛盐矿油气储库群的长期稳定性和破坏时空演化规律。研究表明,考虑时空演化的变形加固理论为储库群长期稳定性评价和破坏时空演化分析提供一套实用而有效的理论和方法。