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A modified smoothed particle hydrodynamics method considering residual stress for simulating failure and its application in layered rock mass

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Journal of Mountain Science 2024年第6期21卷 2091-2112页

作者： xia chengzhi SHI Zhenming KOU Huanjia Department of Geotechnical Engineering College of Civil EngineeringTongji UniversityShanghai 200092China Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education Tongji UniversityShanghai 200092China

Residual strength is an indispensable factor in evaluating rock fracture,yet the current Smoothed Particle Hydrodynamics(SPH)framework rarely considers its influence when simulating *** improved cracking strategy considering residual stress in the base bond SPH method was proposed to simulate failures in layered rocks and slopes and verified by experimental results and other simulation methods(i.e.,the discrete element method).Modified Mohr–Coulomb failure criterion was applied to distinguish the mixed failure of tensile and *** fracture markψwas introduced to improve the kernel function after tensile damage,and the calculation of residual stress after the damage was derived after shear *** simulations were carried out to evaluate its performance under different stress and scale conditions and to verify its effectiveness in realistically reproducing crack initiation and propagation and coalescence,even fracture and *** results indicate that the improved cracking strategy precisely captures the fracture and failure pattern in layered rocks and rock *** residual stress of brittle tock is correctly captured by the improved SPH *** improved SPH method that considers residual strength shows an approximately 13%improvement in accuracy for the safety factor of anti-dip layered slopes compared to the method that does not consider residual strength,as validated against analytical *** infer that the improved SPH method is effective and shows promise for applications to continuous and discontinuous rock masses.

关键词： Smoothed particle hydrodynamics Cracking strategy Residual stress Layered rock Crack propagation

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Sensitivity analyses of random cave groups on karst tunnel stability based on water–rock interaction using a novel contact dynamic method

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Underground Space 2024年第5期18卷 162-186页

作者： chengzhi xia Zhenming Shi Huanjia Kou Shaoqiang Meng Maomao Liu College of Civil Engineering Tongji UniversityShanghai 200092China Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education Tongji UniversityShanghai 200092China

This paper concentrates on the sensitivity and dynamic simulation of randomly distributed karst cave groups on tunnel stability and connectivity extended ratio based on water–rock interaction using a novel contact dynamic method(CDM).The concept of karst cave group connectivity extended ratio during tunneling and water inrush is *** effects of cave shape and spatial distribution on Qiyueshan tunnel are *** deformation and damage index,and connectivity extended ratio with uniform random karst cave groups are *** results demonstrate that the connectivity extended ratio is verified as a crucial judgment in predicting the safe distance and assessing the stability of the tunnel with the karst cave *** model captures the fracture propagation and contact behavior of rock mass,surface flow,as well as the bidirectional water–rock interaction during the water inrush of Qiyueshan tunnel with multiple caves.A larger cave radius and smaller minimum distance between the cave and tunnel increase the deformation and damage index of the surrounding *** the cave radius and cave area ratio increase,the failure pattern shifts from overall to local *** findings potentially have broad applications in various surface and subsurface scenarios involving water–rock interactions.

关键词： Karst tunnel stability Contact dynamic method Connectivity extended ratio Karst cave groups Qiyueshan tunnel Water-rock interaction

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基于DEM-FDM耦合的顺层岩质边坡强震动力响应及破坏模式分析

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地球科学 2024年第8期49卷 2799-2812页

作者：刘毛毛石振明李博夏成志同济大学土木工程学院上海200092

基于DEM-FDM耦合,考虑结构面的三维延展情况,分区建立不同岩体结构的顺层岩质边坡数值模型,输入双向地震动,分析强震下不同岩体结构顺层岩质边坡的动力响应及破坏模式,得出了如下结论:(1)地震作用下,边坡加速度存在一定的高程放大效应,... 详细信息

基于DEM-FDM耦合,考虑结构面的三维延展情况,分区建立不同岩体结构的顺层岩质边坡数值模型,输入双向地震动,分析强震下不同岩体结构顺层岩质边坡的动力响应及破坏模式,得出了如下结论:(1)地震作用下,边坡加速度存在一定的高程放大效应,边坡底部水平向放大效应强于竖直向放大效应,顶部水平与竖向放大效应不相上下;(2)在32.5~42.5 m高程范围内,层面和节理等结构面的存在,对于地震波的传播有一定阻隔作用.坡肩相对于其他部位放大效应更强,且节理越发育,坡肩放大效应越强,相比倾向180°的节理,倾向90°的节理对放大效应影响更大;(3)具有不同岩体结构的4个模型分别呈现稳定、局部开裂、滑移—拉裂破坏及滑移—溃散破坏等不同的变形破坏特征,倾向90°的节理是顺层边坡稳定性的主控结构面.通过与以往研究结果对比可知,耦合方法能较好地揭示不同岩体结构顺层岩质边坡的动力响应及破坏模式,为强震区相关边坡工程提供了一定参考.

关键词： DEM-FDM耦合顺层岩质边坡强震动力响应破坏模式工程地质

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Kernel broken smooth particle hydrodynamics method for crack propagation simulation applied in layered rock cells and tunnels

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Underground Space 2023年第3期10卷 55-75页

作者： chengzhi xia Zhenming Shi Hongchao Zheng xiaohan Wu School of Civil Engineering Tongji UniversityShanghai 200092China College of Environmental Science and Engineering Tongji UniversityShanghai 200092China

Understanding the cracking process of layered tunnels requires a high-fidelity *** smooth particle hydrodynamics(SPH),termed kernel broken SPH(KBSPH),was implemented to simulate the crack propagation and deformation of layered rock cells and field layered tunnels with dip angles of 0°–90°,and the results were compared with those of the laboratory *** attempts,including the bedding angle,interlayer distance,and lateral pressure coefficient,were made to investigate the crack propagation and deformation of layered ***,the pros and cons of the KBSPH method applied in the rock field were compared with those of other *** results indicate that the KBSPH can explicitly reproduce crack propagation by improving the kernel function with a totally damaged symbol,and the deformation responses have been captured *** infer that this method is effective and rapid in crack propagation and large deformation simulation for other types of rock tunnels.

关键词： Smooth particle hydrodynamics Kernel broken Layered rock tunnel Crack propagation

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FLUIDIZATION COOLING OF RETURN SANDS AND ENERGY ANALYSIS

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Chinese Journal of Mechanical Engineering 1998年第3期11卷 26-32页

作者： Wang chengzhi xia Wuyong Liu Zhiming Department of Material Engineering, Shenyang Institute of Technology Nomura Hiroyuki Nagoya University, Nagoya, 64 Japan Nagoya Univ Nagoya Japan

In order to find out the optimal operation condition for return sands cooler, a cooling model including heat and mass transfer is constructed, and computer simulation is carried out. The results are compared with the operation data obtained from a fluidized bed sand cooler. A method is proposed for the evaluation whether the practical cooling system provides a reasonable energy cost performance. Several key points are discussed concerning enhancement of particles to air heat removal and improvement of energy effciency for cooling.

关键词： Fluidization cooling Return sands Computer simulation

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Extensive numerical simulations on competitive growth between the Edwards–Wilkinson and Kardar–Parisi–Zhang universality classes

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Chinese Physics B 2024年第6期33卷 298-307页

作者：余成志刘潇唐军夏辉 School of Materials Science and Physics China University of Mining and TechnologyXuzhou 221116China

Extensive numerical simulations and scaling analysis are performed to investigate competitive growth between the linear and nonlinear stochastic dynamic growth systems, which belong to the Edwards–Wilkinson(EW) and Kardar–Parisi–Zhang(KPZ) universality classes, respectively. The linear growth systems include the EW equation and the model of random deposition with surface relaxation(RDSR), the nonlinear growth systems involve the KPZ equation and typical discrete models including ballistic deposition(BD), etching, and restricted solid on solid(RSOS). The scaling exponents are obtained in both the(1 + 1)-and(2 + 1)-dimensional competitive growth with the nonlinear growth probability p and the linear proportion 1-p. Our results show that, when p changes from 0 to 1, there exist non-trivial crossover effects from EW to KPZ universality classes based on different competitive growth rules. Furthermore, the growth rate and the porosity are also estimated within various linear and nonlinear growths of cooperation and competition.

关键词： competitive growth scaling behavior discrete growth model Kardar–Parisi–Zhang universality class

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一种改进的光滑粒子动力学法在地震条件下岩质边坡中的验证与应用

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地球科学 2022年第12期47卷 4469-4483页

作者：夏成志石振明李博郑鸿超刘毛毛同济大学土木工程学院上海200092

开发一种改进损伤框架的粒子流算法,被称为核断裂的光滑粒子流法(kernel⁃broken smoothed particle hydrodynamics,KBSPH),用于模拟地震条件下岩质边坡的裂纹扩展和变形破坏过程.在KBSPH中,提出一种改进的损伤框架,通过引入断裂标志来... 详细信息

开发一种改进损伤框架的粒子流算法,被称为核断裂的光滑粒子流法(kernel⁃broken smoothed particle hydrodynamics,KBSPH),用于模拟地震条件下岩质边坡的裂纹扩展和变形破坏过程.在KBSPH中,提出一种改进的损伤框架,通过引入断裂标志来改进损伤粒子的核函数,使损伤粒子的虚拟应力键直接断裂,裂纹在断裂的应力键间生成,从而模拟岩石的裂纹扩展过程.在地震边界上采用了双层边界,将动力输入边界与黏滞边界分离.首先通过薄板振动实验验证KBSPH的动力特性.其次以单裂隙岩体单轴压缩试验验证KBSPH的断裂力学特性.最后模拟地震条件下多节理岩质边坡中裂纹扩展过程和动力响应.薄板振动实验验证了KBSPH的动力特性的准确性.单裂隙岩体单轴压缩试验,证明了KBSPH可以正确模拟预制裂隙尖端的翼型裂纹.通过对比以往数值模拟方法和现场案例,表明KBSPH正确揭示了加速度放大效应以及地震条件下岩质边坡的裂纹扩展过程.KBSPH避免了传统算法的网格畸变,损伤粒子应力分量重新分配的问题,降低了编程难度,提高了运行速率,可为SPH在地震条件下岩石力学中的应用和理解岩石断裂机理提供一定的参考.

关键词：光滑粒子流法岩质边坡动力响应裂纹扩展岩土工程

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基于柱坐标系的隧道空间全波场数值模拟与分析

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铁道科学与工程学报 2020年第2期17卷 388-395页

作者：鲁光银罗帅朱自强石克亮夏成志中南大学地球科学与信息物理学院

不同于地面地震,隧道空间的特殊结构使得其波场十分复杂,基于实际隧道模型的全波场数值模拟是有效认识隧道空间内波场传播规律的重要手段。关于这方面的研究以往多是基于直角坐标系,而隧道作为类似空气柱的特殊地质模型,采用柱坐标系下... 详细信息

不同于地面地震,隧道空间的特殊结构使得其波场十分复杂,基于实际隧道模型的全波场数值模拟是有效认识隧道空间内波场传播规律的重要手段。关于这方面的研究以往多是基于直角坐标系,而隧道作为类似空气柱的特殊地质模型,采用柱坐标系下的全波场数值模拟对认识隧道空间的波场特征更有意义。基于柱坐标系下的一阶弹性波速度-应力方程,推导任意偶数阶交错网格差分格式,设计了人工截断边界和隧道自由边界,对岩性分界面、断层破碎带、溶洞等隧道典型不良地质模型进行数值模拟与波场特征分析。研究结果表明:基于柱坐标系下的一阶弹性波速度-应力方程,采用交错网格有限差分算法结合FCT技术,可实现隧道空间全波场高精度数值模拟,波场特征符合波的运动学与动力学特征,为隧道空间复杂波场特征的认识和资料解译提供有效的依据。

关键词：超前预报隧道空间柱坐标系全波场数值模拟

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基于喷动床技术的超临界CO2聚氨酯珠粒发泡工艺

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工程塑料应用 2020年第5期48卷 63-68页

作者：夏成志陈弋翀许志美宗原刘涛赵玲华东理工大学化学工程联合国家重点实验室上海200237

以热塑性聚氨酯为原料,超临界CO2为发泡剂,通过喷动床发泡技术制备了热塑性聚氨酯发泡珠粒,考察了CO2流速、饱和温度、饱和压力、泄压速率对珠粒发泡行为的影响。结果表明,珠粒发泡均匀性先随着CO2流速上升而上升,之后基本不变,表明形... 详细信息

以热塑性聚氨酯为原料,超临界CO2为发泡剂,通过喷动床发泡技术制备了热塑性聚氨酯发泡珠粒,考察了CO2流速、饱和温度、饱和压力、泄压速率对珠粒发泡行为的影响。结果表明,珠粒发泡均匀性先随着CO2流速上升而上升,之后基本不变,表明形成稳定喷动后流速的提升对珠粒发泡均匀性无改善作用。珠粒发泡倍率随着饱和温度和饱和压力的提高先上升后下降,随着泄压速率的提高而提高。饱和温度的提高使泡孔密度下降,泡孔直径增大,饱和压力和泄压速率的提高使泡孔密度上升,泡孔直径下降。当CO2流速为0.012 m/s、饱和温度为150℃、饱和压力为10 MPa、泄压速率为20 MPa/s时,珠粒发泡倍率最大,达到9倍,泡孔密度为1.13×107个/cm3,平均泡孔直径为82.3μm。

关键词：喷动床超临界CO2 珠粒发泡热塑性聚氨酯发泡均匀性

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四川盆地一次西南低涡影响下的飑线天气特征及其成因

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气象 2024年第7期50卷 777-790页

作者：邓承之周国兵李强刘伯骏夏蘩中国气象局气候资源经济转化重点开放实验室重庆401147 重庆市气象台重庆401147 重庆市气象局重庆401147

2019年6月4日夜间到5日白天,四川盆地东部出现一次西南低涡影响下的飑线过程,采用多源观测及欧洲中心再分析资料,分析此次飑线过程的特征及成因。结果表明:飑线形成前四川盆地中部已出现暴雨,该对流性暴雨在高空低槽和暖性西南低涡的环... 详细信息

2019年6月4日夜间到5日白天,四川盆地东部出现一次西南低涡影响下的飑线过程,采用多源观测及欧洲中心再分析资料,分析此次飑线过程的特征及成因。结果表明:飑线形成前四川盆地中部已出现暴雨,该对流性暴雨在高空低槽和暖性西南低涡的环流背景下产生,相应的对流层大气湿层深厚且具有一定对流有效位能。飑线发生在冷空气翻越秦岭进入西南低涡后部的显著锋生过程中,在高空低槽、西南低涡及强冷锋的共同影响下,冷锋垂直环流与西南低涡垂直环流合并,锋区抬升机制显著增强,为飑线在重庆西部形成提供了有利的动力抬升条件。重庆西部的大气环境有利于飑线形成,具有较大的对流层中下层垂直减温率、对流有效位能及深层垂直风切变,且对流层中层干空气特征显著。雷达上表现为冷切变线形成的线状对流与西南低涡锋生区中的强降雨对流合并发展,在重庆西部形成“人字形”回波,回波后部边界层内由前期暴雨形成的冷区在冷锋南下和锋后干空气中的雨滴蒸发冷却作用下进一步降温形成冷池出流,利于飑线的形成;弓状飑线在形成之后维持了约1.5 h。冷锋后部强低空水平动能的向南及向下输送,以及地面冷暖空气间位温梯度的显著增强,均有利于地面大风的形成。

关键词：强对流飑线弓形回波西南低涡冷锋

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