工程结构中失稳传播的抑制机理与分析方法研究

本项目成功地解决了三个问题：1、在止屈器存在的条件下，抛弃拟静态假设，计及梁的惯性和材料屈服后的线性强化作用，建立了梁屈曲后的动态有限元方程。2、通过不断改变止屈器的宽度和刚度，大量计算止屈器相应的止屈效率，然后借助最优化方法，在指定止屈器效率的情况下得到了止屈器几何参数的最优匹配曲线，这是止屈器几何参数的最优匹配曲线，这是止屈器优化设计的基础。计算结果表明考虑梁惯性后止屈器的止屈效率比前人结果明显低。3、当梁屈曲时的应力峰值超过屈服限，计算发现了止屈器的止屈效率随着强化阶段杨氏模量的降低而下降。另外，为了加快迭代收敛速度，还提出了一种带预测的弧长控制法，它和常规的弧长控制法相比效率显著。多篇学术论文在国内著名期刊及其英文版上发表。 2100433B

边坡失稳是水利水电工程、交通工程和城市建设中常见的工程地质灾害，也是工程地质和岩土工程领域的研究热点。土质边坡失稳因周围土体约束的空间效应而呈现明显的三维特征，加固体的存在将进一步强化三维效应。由于数学模拟与力学分析方面的局限，二维分析方法仍是边坡稳定分析中的常用手段。本项目针对三维土质边坡的稳定性问题，采用模型试验和解析分析相结合的方法开展系统研究，探索土坡三维失稳的机理及其极限分析方法。通过三维边坡失稳的压载试验和离心试验确定其破坏机制和滑动面特征，分析土体参数的影响规律；基于所得滑动面，研究三维土质边坡稳定性的极限分析方法，进而提出考虑加固体刚度与强度作用的三维分析理论，结合模型试验探讨土坡与加固体共同作用机理。研究成果对于阐明三维边坡失稳与加固机制具有重要意义，提出的试验方法和设备可应用于相关研究，三维极限分析和加固评估方法的建立为边坡稳定的分析设计与减灾控制提供科学依据。

边坡稳定问题一直是岩土工程领域研究的热点，普遍存在于水利水电工程、公路工程、铁路工程、矿山工程、城市建设与改造等工程建设中。边坡稳定性分析逐渐从二维分析向更符合实际情况的三维分析迈进。坡顶荷载是堆土填方、基坑工程、铁路边坡、公路边坡、坡顶建设活动等稳定性分析中不可忽略的因素。因此，准确的分析和评价三维边坡在顶部荷载下的失稳机制和滑动特征，以满足工程边坡和开挖工程稳定性分析的精确要求，是岩土工程研究中的重要课题之一。本项目以细砂边坡为研究对象，采用模型试验和数值模拟的分析方法，深入研究坡顶荷载下细砂边坡失稳机制和滑动特征，讨论坡面几何形态和坡体初始含水率对边坡失稳规律的影响。（1）设计了坡顶荷载下三维边坡失稳模型试验系统和测量系统，借助模型系统对三维边坡进行模型试验；（2）模型边坡在坡顶荷载下触发失稳破坏，坡顶位移计、坡内土压力盒分别记录坡顶位移和坡内土压力的变化。利用数码相机和白砂层模型分别获取边坡外部破坏过程、形态和滑动面特征，并且考虑坡面形态（平、凸、凹）和坡体初始含水率对边坡破坏的影响，深入认识边坡破坏机制；（3）对比模型试验结果，分析坡面形态和坡体初始含水率对边坡破坏过程、破坏模式、破坏整体形态、滑动面特征、滑面深度、滑动范围、破坏难易程度等的影响；（4）采用SVOffice岩土工程数值分析软件，模拟边坡的稳定性和破坏形态，分析坡体初始含水率、坡顶荷载、坡面形态对稳定性和破坏形态的影响。土体含水率越高，抗剪强度越低，边坡更易触发失稳。坡顶荷载加重边坡的负担，边坡更容易破坏。相同坡高、坡角下，凹坡最稳定，平坡次之，凸坡最不稳定。 2100433B

工程实践已表明，山岭隧道洞口段在强震作用下易发生变形及失稳破坏。本项目拟针对隧道洞口段在强震作用下的动力响应、破坏规律和分析方法进行研究。通过理论分析、数值模拟和振动台模型试验：①提出结合突变理论的位移失稳判据，与塑性区贯通失稳判据相对比，建立适用于隧道洞口段的动力强度折减法失稳判据；②在该判据的基础上，对计算条件和强度折减的实施步骤进行研究，建立隧道洞口段在强震作用下的三维动力强度折减法计算方法；③结合汶川地震现场回访、数值计算结果和振动台模型试验，给出隧道洞口段围岩变形失稳的演化规律、边坡失稳的空间特征、洞口段衬砌及洞门结构的受力和变形特征等，对隧道洞口段失稳破坏全过程的力学机理进行深入的分析。最终建立适合隧道洞口段在强震作用下失稳的分析方法。该方法对类似工程的理论研究和设计、设防等工程实践具有重要的参考价值。