Regression analysis of initial stress field around faults based on fault throw by displacement discontinuity method

The back analysis of initial stress is usually based on measured stress values, but the measuring of initial stress demands substantial investment. Therefore, amounts of underground engineering have no measured initial stress data, such as tunneling engineering. Focusing on this problem, a new back analysis method which does not need measured initial stress data is developed. The fault is assumed to be caused by initial load, the displacement discontinuity method (DDM) which considered non-linear fault is adopted to establish a numerical model of the engineering site, and the multivariable regression analysis of the initial stress field around the faults is carried out based on the fault throw. The result shows that the initial stress field around the faults is disturbed significantly, stress concentration appears in the tip zone, the regressive fault throw matches the measured values well, and the regressive initial stress field is reliable.     

图像分块下的隧道裂缝识别方法

针对隧道衬砌表面不均匀光照、渗水和噪声等强视觉干扰,设计了基于图像分块的隧道衬砌裂缝检测算法;根据中国西部地区的地理特征和隧道衬砌的外观病害,研制开发出一种快速、自动化的非接触式智能隧道结构物外观检测系统; 以非均匀光照下隧道图像数据集为研究对象,在图像分块的基础上提出一种适用于隧道裂缝特征提取的图像识别算法;研究了电子元件产生的噪声,并分析和总结了隧道衬砌的灾害特征;根据裂缝特征和分辨率将图像矩阵划分为适当数量的区域块,根据区域块的灰度特征将原始图像划分为目标背景区、目标病害区、病害背景区和其他区域,通过最大类间方差法和局部阈值法分割得到了隧道裂缝的粗图像,在此基础上进行了粗图像裂缝特征提取;对原始图像的每个区域块进行了对比度受限的自适应直方图均衡操作和局部阈值分割,得到了细节图像;将细节图像和粗图像的重叠区域设为理想裂缝二值化图像;结合隧道结构物外观检测系统对不同方向的裂缝图像进行了二值化试验,并通过隧道裂缝定位和投影法得到了隧道衬砌图像中裂缝的位置信息和方向。研究结果表明：提出的算法对隧道裂缝识别的准确值、召回率和F值可分别达90.34%、98.78%和94.37%,既可以保证隧道裂缝的完整性,也可以在非均匀光照下最大程度地保留目标裂缝的细节,可用于处理一般灰度图像的二值化问题。     

车削加工过程的三维数值分析

利用三维有限元方法.按照实际加工条件建立了切削模拟模型,得到了温度分布、切削力变化和应力场分布等结果.结果表明相对于二维模拟,三维模拟更加真实地揭示了刀具和工件的切削状态,同时也为研究金属切削理论和开发新的刀具提供了一个更加有效的方法.     

复杂地形条件下桩顶水平位移监测方法

结合长沙某地铁站施工监测工程实际,利用建筑物墙角等特征点作为基准点,观测目标.通过坐标系转换,建立垂直于基坑方向的监测坐标系.利用误差传播定律,确定其观测精度及其在工程实际中的可行性.     

高速轮轨水介质接触数值分析方法

将多重网格法引入水介质存在时高速轮轨黏着问题的数值求解中, 研究了轮轨间存在水介质和不考虑轮轨表面粗糙度时, 速度与载荷对水膜厚度的影响。数值分析结果表明: 水膜厚度与轮轨表面粗糙度处于同一等级, 粗糙度的影响不可忽略。基于数值分析结果, 应用部分膜润滑理论研究了考虑表面粗糙度与轮轨间存在水介质时的接触机理, 分析了轮轨黏着系数随速度变化的情况。计算结果表明: 随着速度的提高, 黏着系数急剧降低, 其数值低于0.1。JD-1试验速度在60、90、120km·h^-1时, 黏着系数的试验结果与数值结果吻合较好, 最大相对误差不超过8%, 因此, 利用数值方法可较好地预估黏着系数。     

沥青路面裂纹扩展数值模拟及影响因素分析

应用线弹性断裂力学理论结合同时考虑交通与温度载荷的有限元方法来研究沥青路面裂纹扩展路径.采用1/4等参奇异性单元模拟裂纹尖端的应力奇异性,运用窗口移动技术模拟裂纹扩展路径,并发展了沥青路面裂纹扩展模拟程序.应用该程序模拟了不同荷载作用位置下路面结构中表面和基层底面裂纹的扩展情况,同时研究了路面结构层模量组合对沥青路面裂纹扩展的影响.模拟表明,该方法能较好地模拟裂纹扩展行为,有助于更好地了解沥青路面的开裂行为.     

沥青路面裂纹扩展数值模拟及影响因素分析

应用线弹性断裂力学理论结合同时考虑交通与温度载荷的有限元方法来研究沥青路面裂纹扩展路径.采用1/4等参奇异性单元模拟裂纹尖端的应力奇异性,运用窗口移动技术模拟裂纹扩展路径,并发展了沥青路面裂纹扩展模拟程序.应用该程序模拟了不同荷载作用位置下路面结构中表面和基层底面裂纹的扩展情况,同时研究了路面结构层模量组合对沥青路面裂纹扩展的影响.模拟表明,该方法能较好地模拟裂纹扩展行为,有助于更好地了解沥青路面的开裂行为.     

钢桥面沥青混凝土铺装疲劳裂缝扩展数值分析

为揭示钢桥面沥青混凝土铺装裂缝行为机理, 分析了铺装层疲劳裂缝扩展阻力曲线, 利用复合梁疲劳试验数据, 采用三维有限元方法, 研究了铺装层裂缝启裂、扩展直至失稳的全过程。结果表明: 疲劳裂缝扩展阻力曲线形式与材料类型和“铺装层+钢板”复合结构有关系; 当天然初始裂缝长度为0时, 疲劳裂缝扩展一般存在3个阶段: 起始扩展区、稳态扩展区和失稳扩展区, 此时复合梁的疲劳寿命接近800万次; 当初始裂缝长度为10 mm时, 疲劳裂缝扩展直接进入失稳扩展区, 疲劳寿命约为200万次; 裂缝增长率与荷载作用次数之间存在良好的非线性关系。可见, 钢桥面铺装层宜选用空隙率小、易密实的铺装材料, 同时可根据荷载作用次数推断出铺装层疲劳裂缝的状态。     

准静态条件下三维脱轨系数临界值简化计算方法

根据轮轨系统坐标系间的变换关系, 在准静态条件下建立了轮轨接触斑三维受力分析模型, 推导了考虑轮对摇头角与轮轨蠕滑力的三维脱轨系数计算公式, 得到了脱轨临界状态时三维脱轨系数临界值的计算方法; 以LMA车轮踏面与CHN60钢轨廓形为例, 分析了轮对摇头角与摩擦因数对三维脱轨系数临界值的影响规律, 并与Nadal脱轨系数临界值进行了对比; 为简化三维脱轨系数的计算方法, 根据Shen-Hedrick-Elkins蠕滑模型讨论了不同轮对摇头角、摩擦因数与垂向力条件下Kalker线性合成蠕滑力与3倍库伦摩擦力间的比值关系; 分析了横向蠕滑力与纵向蠕滑力的比值随轮对摇头角与摩擦因数的变化规律, 提出了一种准静态条件的三维脱轨系数简化计算方法, 并与精确公式计算结果进行了对比。分析结果表明: 与三维脱轨系数临界值相比, 当轮对摇头角在1.5°以内时, 纵向蠕滑力在切向力中的占比要明显大于横向蠕滑力, 造成Nadal脱轨系数临界值具有一定的保守性, 但在轮对摇头角较大时, 横向蠕滑力在切向力中的占比达到了90%以上, Nadal与三维脱轨系数临界值计算结果基本相同; 车轮脱轨临界状态下轮轨接触斑内已达到纯滑动状态, 横向蠕滑力和纵向蠕滑力的比值基本不受摩擦因数影响, 并与轮对摇头角存在强线性关系; 与精确公式相比, 三维脱轨系数简化计算方法的误差在±5%以内, 可以满足工程应用的要求。     

Numerical simulation of rock fracturing under uniaxial compression using virtual internal bond model

A multi-scale virtual internal bond (VIB) model for the isotropic materials has been recently proposed to describe the material deformation and fracturing. During the simulation process of material fracturing using VIB, the fracture criterion is directly built into the constitutive formulation of the material using the cohesive force law. Enlightened by the similarity of the damage constitutive model of rock under uniaxial compression and the cohesive force law of VIB, a VIB density function of rock under uniaxial compression is suggested. The elastic modulus tensor is formulated on the basis of the density function. Thus the complete deformation process of rock under the uniaxial compression is simulated.     

三维潮流数值预报方法

为了满足船舶驾驶员在航海活动中及时获取沿海潮流信息的需要, 采用Backhaus三维非线性分层潮流数值模型, 计算了黄海与渤海7000余计算点不同深度的潮流调和常数, 开发了黄海与渤海三维潮流数值预报软件。实验结果表明, 该软件可以在船上即时预报黄海与渤海任意点、任意时刻不同深度的潮流信息, 同时可以在电子海图上显示出海区的潮流场, 预报的表层潮流流向、流速曲线与实测海流曲线变化趋势一致, 拟合良好, 精度较高, 达到了实用的程度, 可以较好地为航海活动提供服务, 保障船舶航行的安全。     

水平往复大位移作用下整体桥台后土压力计算方法

为研究强震和温度作用下,整体桥台产生的水平往复大位移对桥台与台后填土相互作用的影响,进行了整体桥台-H形钢桩-土相互作用拟静力试验,并基于试验结果研究了大位移作用下整体桥台后土压力的分布规律;根据台后土压力分布,提出了台后土压力合力作用点位置与加载位移之间的关系式,并在现有研究的基础上给出了改进的整体桥台后土压力计算方法。研究结果表明：正向加载(桥台挤压台后土)时,台后各处土压力随加载位移的增加先增大后减小;台背处和台后20%桥台高度处土压力受桥台位移的影响更大,沿深度方向呈梯形分布;台背处土压力分布中,由于台底H形钢桩的约束,最大土压力位于入土深度0.875 m处,台底位置的土压力则略有减小;台后60%桥台高度和1.4倍桥台高度处土压力受桥台位移影响较小,沿深度方向呈三角形分布;负向加载(桥台背离台后土)时,台后土压力沿深度方向呈三角形分布,且台后各处土压力与加载位移不相关,其值相对于正向加载时可忽略;水平往复大位移作用下,整体桥台后土会产生脱空现象,脱空范围超过桥台高度的37.5%;台后土压力沿纵桥向呈指数型衰减,且相比小位移作用下衰减得更快;台后土压力合力作用点位置随加载位移的增大而逐渐降低,且台后土压力系数与加载位移具有明显的非线性关系,呈现先增大后减小的规律;现有土压力计算方法未考虑桥台位移的影响或认为台后土压力在桥台发生小位移时随桥台位移的增大而增大,发生大位移时则基本不变;提出的土压力拟合公式的判定系数为0.92,计算值与试验值的相对误差为6.2%,可作为现有土压力计算方法的有益补充。     

三维气泡运动的数值模拟

文章基于VOF模型,借助FLUENT软件,对单个三维气泡在近自由面运动进行了数值模拟。采用了VOF的PLIC界面重构方法,追踪气泡运动过程中气泡表面的变化。监测了气泡上升速度变化以及气泡运动对自由液面的影响。通过对直径不同的气泡数值模拟,得出了气泡运动的一些基本规律。本文数值模拟结果与实验值对比分析,三维数值模拟数据与试验结果吻合较好。     

Back-analysis of the response of shield tunneling by 3D finite element method

This paper presents a numerical back-analysis of the response of a shield tunnel during construction. An important issue in the construction of shallow tunnels, especially in soft ground conditions, is the surface settlement caused by shield tunneling. The tunnel test system with 10 m length, 7 m width and 6.7 m height, which was completed in China in 2009, is a research shield tunnel system. Using shield tunneling technique known as earth pressure balance (EPB) and slurry shield method, it could be excavated in a region consisting of original soft soils, such as silty clay, and different types of underlain soft soils. Based on the test results, the real-life tunnel response can be analyzed by back-analysis technique. The back-analysis technique is adapted to the three-dimensional finite element method (FEM). Parameter analyses are calibrated to study the behavior of the multi-scale diameter tunnel under various conditions. The suggested multi-scale model results show a well agreement between the prediction and the measurement.     

Numerical analysis of the soil compaction degree under multi-location tamping

Dynamic compaction (DC) is an efficient soil improvement technique. The previous numerical studies mainly focus on the soil response of single location tamping, but ignore the soil compaction degree under multilocation tamping. In this study, a numerical investigation of multi-location tamping in granular soils is carried out using three-dimensional (3D) finite element model (FEM). The behaviors of the granular soils are described by means of the viscoplastic cap model. The constitutive relationship of the soils is implemented into LS-DYNA and is integrated with 3D FEM for numerical investigation. Then utilizing the field data from the previous studies, we investigate the soil compaction degree at different stages by a case of two basic patterns, and discuss the cause of soil response. Lastly, we evaluate the effect of construction parameters on soil compaction. The simulation results show that the previous tamping affects the soil compaction degree beneath the adjacent tamping location, and the effect is greater near the side of previous location. Meanwhile, the soil compaction degree around the existing tamping crater weakens due to the adjacent tamping. Moreover, the rational selection of DC construction parameters can improve the soil compaction degree, and some hints on the effect of soil compaction are given.     

承重型3D板墙体抗震性能数值模拟

为研究承重型3D板墙体的抗震性能,同时考虑单纯采用拟静力等抗震性能试验存在试验周期较长、成本较高等问题,采用有限元分析方法对承重型3D板墙体的抗震性能进行模拟计算,并将计算结果与试验结果进行对比,在验证数值模型准确合理的基础上,进一步分析高宽比、混凝土层厚度及强度对其抗震性能的影响,以此节约试验时间和成本. 研究结果表明:随着高宽比的增大,构件趋于弯曲破坏,有利于增加构件的延性及耗能能力. 增加混凝土层厚度对墙体极限承载力具有一定的提高作用,当单侧混凝土层厚度由30 mm增加至40、50 mm时,墙体极限承载能力由208 kN增加至253、279 kN;墙体的极限承载能力随着混凝土层强度的提高略有提升,当混凝土层强度由C25增加至C30、C35时,构件的极限承载力由236 kN增加至253、260 kN.      

三维机翼尾涡面卷曲的数值模拟

采用离散涡环法来模拟三维机翼的升力效应，机翼尾涡面由双曲四边形面元进行离散．每个面元上布置线性偶极子分布，由尾涡面上的运动学条件来确定三维涡面卷曲形状，在诱导速度计算中引入了非奇异化的光滑参数，数值模拟结果显示了本方法的有效性，与试验结果和其他数值方法相比是吻合的．     

武汉阳逻水道三维流场数值模拟试验研究

采用曲线正交网格处理复杂边界问题,在环境流体动力学模型的基础上,建立了长江流域武汉阳逻水道段水流模型,对该区域拟建设的武汉阳逻港区在建设前后的水流流态进行数值模拟,并结合模拟的结果提出合理化的建议。     

深基坑开挖与锚杆支护FLAC3D数值模拟分析

运用FLAC3D软件对某市影视城及商办综合楼深基坑进行了开挖与支护的模拟.计算中采用摩尔-库伦弹塑性模型.通过计算得出深基坑的竖直位移、土体水平位移、锚杆的内力、土体应力应变分布,并与实测值进行了比较,最后采用强度折减法对基坑开挖和支护的稳定性进行了评价.可为工程设计与施工提供参考.     

浅埋隧道开挖引起地层位移的双极坐标求解法

基于双极坐标系和Mohr-Coulomb准则,考虑剪胀特性,在Jeffery和Massinas半无限空间圆形隧道围岩应力解的基础上联立平衡方程,推导了浅埋隧道施工拱顶方向的地层位移弹塑性解,并通过Peck公式、Park公式、Loganathan-Poulos公式和实测数据进行验证,揭示了地层变形机理和既有研究之间的联系,给出了考虑地层参数和施工因素影响的经验参数(地层损失率和间隙参数)定量取值方法。研究结果表明：弹塑性解的假定条件更少,与Peck公式、Park公式的差值在2%以内,与Loganathan-Poulos公式的差值为9.5%;双极坐标求解法从弹塑性分析的角度进一步解释了地层变形机理、Peck公式和各类修正弹性公式,即浅埋隧道开挖也会引起地层弹性和塑性变形,以Peck公式为代表的经验公式法在计算地层变形时,地层损失率在不同地区和施工控制条件下的取值分别对应着不同地层参数(黏聚力、内摩擦角、泊松比、重度和弹性模量)和施工边界条件(埋深、开挖半径、支护力)下的地层弹塑性变形;以Park公式、Loganathan-Poulos公式为代表的各类修正弹性解也可近似看作通过断面椭圆化和下沉等手段的修正来抵消理想弹性解与弹塑性解之间的差值。可见,弹塑性解与既有公式结合能更好地指导现场施工。