地震波交错网格高阶差分数值模拟研究

研究目的:地震波数值模拟技术是勘探地球物理学中的重要组成部分,研究通过弹性波一阶速度-应力方程,采用交错网格高阶有限差分法实现了地震波在各向同性介质中的高精度的数值模拟,并采用完全匹配层(PML)吸收边界来消除边界反射,可取得较好的效果。研究结论:通过模型的正演计算和复杂模型的处理结果表明,交错网格高阶有限差分法数值模拟是一种快速有效的地震波数值模拟方法。可用于为地震勘探选择采集参数,优化观测系统提供依据,以提高采集数据的质量,有效地解决铁路勘察过程中的地质问题。     

移动荷载作用下半无限弹性空间中地铁隧道动力响应的频域—波数域比例边界有限元法分析

基于比例边界有限元法与傅里叶积分变换,分析移动荷载作用下半无限弹性空间中地铁隧道动力响应。考虑到移动荷载运动方向与地铁隧道轴线方向的一致性,将半无限弹性空间动力控制方程进行频域—波数域的傅里叶积分变换;在变换域内,隧道径向采用比例坐标系,环向采用有限元意义离散,在计算域内利用Galerkin法,建立频域—波数域内的比例边界有限元方程,进而推导出半无限空间动力刚度的一阶微分矩阵方程;再利用高频渐近展开和傅里叶积分逆变换,得到时间—空间域系统的动力响应。该方法极大地减小了计算分析量,同时避免了无限边界的计算误差。利用该方法进行实例计算的结果表明:随着荷载移动速度的增大,地铁隧道振动波传播到土体表面,引起的土体振动有放大增强的现象,将会对地铁隧道上部结构的安全性造成一定影响。     

基于高阶谱差分的CAA模型预测高速列车过隧微气压波

高速列车以大于300km/h的速度穿越隧道时,在隧道出口形成的微气压波具有较强的非线性。该微气压波幅值的数量级达到102 Pa,难以用传统的CFD方法(2阶精度)精确模拟。基于高阶谱差分的CAA模型是一种值得尝试的方法。CAA方法能在强非线性区域保持流体变量和声学变量的传递精度,高阶谱差分方法能够融入非结构网格,获得较高的计算效率和几何灵活性。本文在动模型试验平台开展200~350km/h速度下的微气压波缩比试验研究;采用基于3阶谱差分的CAA方法,对轴对称圆管模型,数值研究了管口气压爆波的产生和近场辐射特性。数值结果和缩比试验结果的一致性,验证了该数值方法的准确性和可靠性。     

在营铁路路基结构拟模态分析及状态评估

基于波动方程的交错网格有限差分算法,建立力学模型对典型病害路基结构进行数值模拟,研究正常路基和病害路基结构的振动响应特征。研究结果表明:铁路路基结构模态响应或弹性波频响特征与病害介质力学性质密切相关,存在软弱层的铁路路基结构,其振动响应主频向低频方向偏移,加固后路基结构振动主频明显提高。某重载铁路瞬态地震映像实测数据分析结果与理论解析结论一致。铁路路基结构的拟模态响应分析方法对在营铁路路基快速无损检测和状态评估具有实用价值。     

高速列车突入隧道时的三维非定常流的数值模拟

给出高速列车突入隧道形成压力波的三维粘性流场数值模拟过程,控制方程三维粘性、可压缩、不等熵、非定常流的Navier Stokes方程。空间离散采用中心有限体积法格式,时间采用预处理二阶精度多步后差分格式进行离散,对列车与隧道之间的相对运动采用滑动网格技术。真实地描述列车进入隧道所形成压缩波的过程。计算结果与国内外的试验结果相符。计算结果表明:隧道内的压缩波呈现三维特性;同一断面上的压力变化的差异性与列车的运行方式有关。     

刚体与弹性半空间正向碰撞界面应力脉冲特征

通过对无限长圆柱体侧面与弹性半空间正向碰撞时的界面应力脉冲特征进行分析,基于圆柱体、接触界面以及弹性半空间的物理及几何参数,建立圆柱体的运动方程,得出圆柱体运动状态参数,推导界面及界面质点元应力脉冲表达式,揭示应力脉冲特征,研究成果可为有限边界的碰撞界面应力研究提供参考。     

高速列车穿越隧道的二维非定常流数值模拟

给出了高速列车穿越隧道压力波的二维粘性流场数值模拟过程,控制方程为二维粘性、可压缩、不等熵、非定常流的Navier Stokes方程,空间离散采用了中心有限体积法格式,时间采用预处理二阶精度步后差分格式进行离散,对隧道壁面采用壁面函数处理,计算结果与国外的实验结果进行比较,二者基本一致。     

隧道下穿运营机场跑道的爆破振动安全判据研究

以我国第一座采用钻爆法下穿运营机场跑道的隧道恩施金凤大道许家坪隧道工程为依托,开展对机场跑道的爆破动力安全判据的研究。首先基于应力波传播理论及极限拉应力准则,对爆炸应力波传播至机场跑道上表面(即自由面)处发生的反射进行理论分析,建立基于混凝土跑道结构安全的爆破振动速度判据模型,并提出跑道的爆破振动速度安全阈值;同时,基于数值模拟,从统计角度建立拉应力峰值与质点振动速度峰值之间的函数关系,求解得到机场跑道的爆破振动速度安全阈值。最后,将理论分析结果、数值计算分析与《爆破安全规程》进行对比分析,最终确定机场跑道的爆破振动速度安全判据,为在隧道下穿机场跑道爆破施工提供了依据。     

连拱隧道爆破荷载效应分析

针对连拱隧道设计、施工中存在的问题,采用三维有限差分程序FLAC3D2.0,对连拱隧道进行了爆破荷载数值模拟分析,分析结果表明:在相同条件下,爆破振动受围岩弹性模量E的影响较大,围岩越弱、振动越强烈,反之,围岩越硬、振动越小;爆破应力波最初以冲击波的形式向外传播,随着波阵面不断向外传播,冲击波发生衰减,逐渐从强冲击波衰减成弹性波和地震波,围岩越好、衰减速度越快;爆破振动对隧道的危害主要由一次齐爆最大单响装药量确定;爆破对临时支护的影响较显著,应采用有效措施保护中墙。     

高速列车通过连通开孔隧道的气动特性数值仿真研究

为了减缓高速列车通过隧道引起的压力波动,研究了联络通道对高速列车通过隧道时压力波特性的影响.建立了3节编组高速列车数值仿真计算模型,基于三维非定常可压缩Navier-Stokes方程,以及k-ε方程湍流模型和滑移网格技术,数值模拟了高速列车通过联络通道时隧道的气动特性,研究了设置联络通道对隧道压力波的影响及不同的通道间距对隧道压力波动的影响.研究结果表明:与无联络通道隧道相比,列车通过连通开孔隧道的气动特性得到明显改善;通道对初始压力上升、下降的抑制效果更为明显,对膨胀波的抑制作用更为突出.联络通道的设置使隧道压力波的波形呈现局部锯齿状.     

C1阶协调平行四边形薄板单元的构造

在板的有限元分析中,假定整体坐标系中的单元边界位移协调条件,即单元边界挠度沿边界方向三次分布,绕边界转角沿边界线性分布。通过常规的等参坐标变换将单元边界位移协调条件从整体坐标系变换到局部坐标系。在局部坐标系中直接根据协调边界位移条件,通过特殊的空间插值方法构造出一种新型的平行四边形协调薄板单元。理论证明,该薄板单元具有完备性和真正的C1阶连续性。从而较好地解决了薄板单元的C1阶连续性难题。数值分析结果表明,平行四边形协调单元的计算结果较非协调单元精确,收敛速度快。     

双向聚能非均布荷载作用下浅埋隧道动力响应

通过解析方法研究爆炸荷载下动力响应问题.模型假定在半空间弹性土体中衬砌隧道中心处发生爆炸,荷载简化为双向聚能的非均布瞬态周期荷载并作用在隧道边界上,根据弹性动力学理论和Hamilton壳体理论得到围岩运动方程和衬砌运动方程,通过Laplace变换、波函数展开法和Graf坐标变换法,得到频域下爆炸荷载作用下隧道衬砌及围岩位移和应力响应表达式.利用Laplace数值逆变换得到时域响应半解析解,分析隧道在不同位置、埋深、衬砌厚度和荷载集度的波动特性.数值计算结果表明:隧道顶部和底部响应的方向相反,不同位置处响应趋势都趋于一致,随时间推移,响应逐渐衰弱;随着隧道埋深的增加位移场响应幅值先增强后减弱,在应力场中,隧道侧向响应幅值变化较小,而在隧道顶部和底部产生的幅值变化较大;衬砌厚度增加,隧道周身响应随之减小,并且厚度增加对隧道顶部和底部响应幅值影响较大;当荷载集度增加隧道顶部和底部附近出现较大的环向位移,顶部径向位移增大底部减小,应力响应在隧道顶部衰减,环向应力响应在底部增强.     

基坑开挖引起的邻近地铁隧道纵向变形计算方法

为了分析基坑开挖对邻近地铁隧道纵向变形的影响,首先采用Mindlin解推导得到基坑开挖引起的隧道纵向附加应力计算公式;然后基于双面弹性地基梁模型建立地铁隧道的纵向变形方程,并应用有限差分法和MATLAB编程计算出隧道的纵向位移;最后通过有限元算例和工程实例对理论方法的合理性进行验证。结果表明:提出的理论计算方法与数值模拟结果和现场实测值均吻合良好;采用双面弹性地基梁模型分析隧道纵向变形比Winkler弹性地基梁模型更具优越性。     

降雨入渗条件下弃渣场边坡稳定性分析

针对一铁路沿线隧道施工弃渣场,现有相关的资料为基础,采用现场调研、试验研究、理论分析与数值模拟相结合的研究方法,查明了弃渣场的工程地质条件、变形破坏特征与边坡防护情况,并基于边坡地质模型分析了该弃渣场在降雨条件下的边坡稳定性。建议对该弃渣场未防护坡面采用浆砌石框架植被护坡措施进行防护。     

高速列车过隧道时对接触网安全性的影响分析

为研究高速列车过隧道时对接触网系统安全性的影响,采用数值模拟的方法,利用滑移网格技术,对不同编组的高速列车以350 km/h的速度分别通过单线隧道和双线隧道的过程进行仿真,通过监测吊柱位置处的气流速度和气体压力,得到隧道内活塞风特性;基于气动特性仿真结果,对接触线风振响应进行模拟仿真,得到隧道内接触线位移偏量范围。结果表明,列车编组越多,隧道断面越小,列车车速越大,形成的列车风速度越大,气动特性越显著;列车进入隧道入口瞬间,接触线有最大正向位移偏量为2.92 mm。     

隧道地质灾害地震波探测的高阶有限差分模拟研究

研究目的:研究隧道施工中不良地质灾害体反射波法探测机理问题. 研究结果:采用吸收边界和加阻尼边界的方法,边界反射基本上达到完全吸收的效果;采用交错网络的高阶有限差分计算,能够直观、准确的反映出非均匀岩层、溶洞、软弱夹层等隧道复杂构造和不良地质灾害体的地震波传播特征.     

高速列车经过路边建筑时的非定常湍流绕流数值模拟研究

高速列车经过路边建筑物时，由列车高速运动引发的列车与建筑物之间湍流绕流流动是一个十分复杂的非定常具有相对移动边界的湍流绕流问题，本文采用非定常湍流模型ｋ－ε双方程和Ｊｏｈｎｓｏｎ－Ｌａｕｎｄｅｒ壁面修正方法，利用协变速度分量为独立变量，采用曲线坐标系和交错网格系统，对这一复杂的流动现象进行数值模拟研究，初步的计算结果表明，本文的研究方法对解决这一问题是较为成功的，为进一步解决高速列车空气动力学问题     

探地雷达在隧道衬砌空洞检测的正演模拟应用研究

按照时域有限差分解麦克斯韦偏微分方程的思路,通过基于时域有限差分的数值模拟方法,利用Matlab语言,编制了隧道衬砌空洞的二维正演程序,正演探地雷达波形在隧道衬砌空洞中的传播规律,分析了探地雷达在探测隧道衬砌空洞的有效性以及衬砌空洞的雷达波反射特征。正演模拟结果表明:衬砌空洞雷达反射信号强,且呈现多次反射特征,通常呈现双曲线特征,振幅强,频率低,在空洞下部仍有强反射界面信号,上下界面两组信号时程差较大。借助于实例,将模拟结果与实际检测结果进行了对比分析,取得了良好的效果,说明数值模拟是探地雷达波形识别的一种有效手段,因而,可以采用该方法对隧道结构衬砌背后的空洞病害进行有效检测,以指导隧道的安全评估。     

线间距对交会压力波的影响研究

基于三维、非定常雷诺时均N-S方程和标准k-ε双方程湍流模型,采用滑移网格技术,对高速列车明线交会及隧道内交会时的空气流场进行数值模拟。研究不同线间距对高速列车交会压力波的影响。研究结果表明:明线交会压力波幅值随线间距的减小而增大,线间距从4.6 m变为4.4 m时,交会压力波幅值增大约8.3%;线间距从4.4 m变为4.2 m时,交会压力波幅值增大约8.5%;隧道交会压力波头波幅值随线间距的减小而增大,对非交会时段隧道压力波影响不大,线间距从4.6m变为4.4 m时,车体表面测点交会压力波头波幅值增大5.7%;线间距从4.4 m变为4.2 m时,交会压力波头波幅值增大5.8%;隧道壁面测点压力波幅值增加约2%,且隧道内2车交会,靠近交会位置的测点压力变化要远大于远离交会位置的测点。     

刚体与弹性半空间重力正向碰撞界面应力特征

刚体与弹性半空间在重力作用下无初速度的接触过程可用碰撞作用描述;碰撞(接触)界面几何形状由刚体接触部分的廓形决定,弹性半空间接触界面各质点元获得刚体重力作用的速度激励后形成应力波向半空间深部传播;碰撞全过程刚体在重力与接触界面反力共同作用下先后经历加速与减速阶段。通过对无初速度的无限长圆柱体在重力作用下侧面与弹性半空间正向碰撞过程的界面应力特征进行分析,推导界面及界面质点元应力脉冲形成过程及其时(碰撞作用时间)、域(界面宽度)规律,为恒定动力作用的有限边界正向碰撞界面应力研究提供参考。