Effects of rainfall infiltration on the stability of soil slopes

Slope failure due to rainfall is a common geotechnical problem. The mechanics of rainfall induced landslides involves the interaction of a number of complex hydrologic and geotechnical factors. This study attempts to identify the influence of some of these factors on the stability of soil slope including rainfall intensity, hydraulic conductivity and the strength parameters of soil.

DC dielectrophoretic focusing of particles in a serpentine microchannel

Focusing particles into a tight stream is usually a necessary step prior to separating and sorting them. We present herein a proof-of-concept experiment of a novel particle focusing technique in DC electrokinetic flow through a planar serpentine microchannel. This focusing stems from the cross-stream dielectrophoretic motion induced within the channel turns. The observed particle focusing behavior is consistent with the predicted particle trajectories from a numerical modeling.

Three-dimensional models of mantle convection : influence of phase transitions and temperature-dependent viscosity

Two of the most important questions in mantle dynamics are investigated in three separate studies: the influence of phase transitions (studies 1 and 2), and the influence of temperature-dependent viscosity (study 3).

(1) Numerical modeling of mantle convection in a three-dimensional spherical shell incorporating the two major mantle phase transitions reveals an inherently three-dimensional flow pattern characterized by accumulation of cold downwellings above the 670 km discontinuity, and cylindrical 'avalanches' of upper mantle material into the lower mantle. The exothermic phase transition at 400 km depth reduces the degree of layering. A region of strongly-depressed temperature occurs at the base of the mantle. The temperature field is strongly modulated by this partial layering, both locally and in globally-averaged diagnostics. Flow penetration is strongly wavelength-dependent, with easy penetration at long wavelengths but strong inhibition at short wavelengths. The amplitude of the geoid is not significantly affected.

(2) Using a simple criterion for the deflection of an upwelling or downwelling by an endothermic phase transition, the scaling of the critical phase buoyancy parameter with the important lengthscales is obtained. The derived trends match those observed in numerical simulations, i.e., deflection is enhanced by (a) shorter wavelengths, (b) narrower up/downwellings (c) internal heating and (d) narrower phase loops.

(3) A systematic investigation into the effects of temperature-dependent viscosity on mantle convection has been performed in three-dimensional Cartesian geometry, with a factor of 1000-2500 viscosity variation, and Rayleigh numbers of 10^5-10^7. Enormous differences in model behavior are found, depending on the details of rheology, heating mode, compressibility and boundary conditions. Stress-free boundaries, compressibility, and temperature-dependent viscosity all favor long-wavelength flows, even in internally heated cases. However, small cells are obtained with some parameter combinations. Downwelling plumes and upwelling sheets are possible when viscosity is dependent solely on temperature. Viscous dissipation becomes important with temperature-dependent viscosity.

The sensitivity of mantle flow and structure to these various complexities illustrates the importance of performing mantle convection calculations with rheological and thermodynamic properties matching as closely as possible those of the Earth.

Frictional properties of faults : from observation on the Longitudinal Valley Fault, Taiwan, to dynamic simulations

Faults can slip either aseismically or through episodic seismic ruptures, but we still do not understand the factors which determine the partitioning between these two modes of slip. This challenge can now be addressed thanks to the dense set of geodetic and seismological networks that have been deployed in various areas with active tectonics. The data from such networks, as well as modern remote sensing techniques, indeed allow documenting of the spatial and temporal variability of slip mode and give some insight. This is the approach taken in this study, which is focused on the Longitudinal Valley Fault (LVF) in Eastern Taiwan. This fault is particularly appropriate since the very fast slip rate (about 5 cm/yr) is accommodated by both seismic and aseismic slip. Deformation of anthropogenic features shows that aseismic creep accounts for a significant fraction of fault slip near the surface, but this fault also released energy seismically, since it has produced five M_w>6.8 earthquakes in 1951 and 2003. Moreover, owing to the thrust component of slip, the fault zone is exhumed which allows investigation of deformation mechanisms. In order to put constraint on the factors that control the mode of slip, we apply a multidisciplinary approach that combines modeling of geodetic observations, structural analysis and numerical simulation of the "seismic cycle". Analyzing a dense set of geodetic and seismological data across the Longitudinal Valley, including campaign-mode GPS, continuous GPS (cGPS), leveling, accelerometric, and InSAR data, we document the partitioning between seismic and aseismic slip on the fault. For the time period 1992 to 2011, we found that about 80-90% of slip on the LVF in the 0-26 km seismogenic depth range is actually aseismic. The clay-rich Lichi M\'elange is identified as the key factor promoting creep at shallow depth. Microstructural investigations show that deformation within the fault zone must have resulted from a combination of frictional sliding at grain boundaries, cataclasis and pressure solution creep. Numerical modeling of earthquake sequences have been performed to investigate the possibility of reproducing the results from the kinematic inversion of geodetic and seismological data on the LVF. We first investigate the different modeling strategy that was developed to explore the role and relative importance of different factors on the manner in which slip accumulates on faults. We compare the results of quasi dynamic simulations and fully dynamic ones, and we conclude that ignoring the transient wave-mediated stress transfers would be inappropriate. We therefore carry on fully dynamic simulations and succeed in qualitatively reproducing the wide range of observations for the southern segment of the LVF. We conclude that the spatio-temporal evolution of fault slip on the Longitudinal Valley Fault over 1997-2011 is consistent to first order with prediction from a simple model in which a velocity-weakening patch is embedded in a velocity-strengthening area.

Valley evolution by meandering rivers

Fluvial systems form landscapes and sedimentary deposits with a rich hierarchy of structures that extend from grain- to valley scale. Large-scale pattern formation in fluvial systems is commonly attributed to forcing by external factors, including climate change, tectonic uplift, and sea-level change. Yet over geologic timescales, rivers may also develop large-scale erosional and depositional patterns that do not bear on environmental history. This dissertation uses a combination of numerical modeling and topographic analysis to identify and quantify patterns in river valleys that form as a consequence of river meandering alone, under constant external forcing. Chapter 2 identifies a numerical artifact in existing, grid-based models that represent the co-evolution of river channel migration and bank strength over geologic timescales. A new, vector-based technique for bank-material tracking is shown to improve predictions for the evolution of meander belts, floodplains, sedimentary deposits formed by aggrading channels, and bedrock river valleys, particularly when spatial contrasts in bank strength are strong. Chapters 3 and 4 apply this numerical technique to establishing valley topography formed by a vertically incising, meandering river subject to constant external forcing—which should serve as the null hypothesis for valley evolution. In Chapter 3, this scenario is shown to explain a variety of common bedrock river valley types and smaller-scale features within them—including entrenched channels, long-wavelength, arcuate scars in valley walls, and bedrock-cored river terraces. Chapter 4 describes the age and geometric statistics of river terraces formed by meandering with constant external forcing, and compares them to terraces in natural river valleys. The frequency of intrinsic terrace formation by meandering is shown to reflect a characteristic relief-generation timescale, and terrace length is identified as a key criterion for distinguishing these terraces from terraces formed by externally forced pulses of vertical incision. In a separate study, Chapter 5 utilizes image and topographic data from the Mars Reconnaissance Orbiter to quantitatively identify spatial structures in the polar layered deposits of Mars, and identifies sequences of beds, consistently 1-2 meters thick, that have accumulated hundreds of kilometers apart in the north polar layered deposits.

基于统计光学的无透镜鬼成像数值模拟与实验验证

作为量子信息领域分支的鬼成像,由于物体的像将出现在不包含物体的光路上的特点,使得这一领域的研究引人入胜。一度认为,只有基于纠缠态双光子的纠缠光源,才能实现鬼成像;但近年来的研究表明,经典热光场也能实现这一过程。从经典统计光学入手,建立了热光场的数值模型,模拟符合热光特性的光场变化、光场传播、以及物体透射函数对热光场的调制,进而从光强度起伏的关联函数中,分别重现振幅型物体和纯相位型物体的傅里叶变换图像;通过与真实实验结果的对比,表明基于统计光学原理的该数值模型所预测的实验结果,与真实的实验结果完全一致。

Battery-Powered RF Pre-Ionization System for the Caltech Magnetohydrodynamically-Driven Jet Experiment: RF Discharge Properties and MHD-Driven Jet Dynamics

This thesis describes investigations of two classes of laboratory plasmas with rather different properties: partially ionized low pressure radiofrequency (RF) discharges, and fully ionized high density magnetohydrodynamically (MHD)-driven jets. An RF pre-ionization system was developed to enable neutral gas breakdown at lower pressures and create hotter, faster jets in the Caltech MHD-Driven Jet Experiment. The RF plasma source used a custom pulsed 3 kW 13.56 MHz RF power amplifier that was powered by AA batteries, allowing it to safely float at 4-6 kV with the cathode of the jet experiment. The argon RF discharge equilibrium and transport properties were analyzed, and novel jet dynamics were observed.

Although the RF plasma source was conceived as a wave-heated helicon source, scaling measurements and numerical modeling showed that inductive coupling was the dominant energy input mechanism. A one-dimensional time-dependent fluid model was developed to quantitatively explain the expansion of the pre-ionized plasma into the jet experiment chamber. The plasma transitioned from an ionizing phase with depressed neutral emission to a recombining phase with enhanced emission during the course of the experiment, causing fast camera images to be a poor indicator of the density distribution. Under certain conditions, the total visible and infrared brightness and the downstream ion density both increased after the RF power was turned off. The time-dependent emission patterns were used for an indirect measurement of the neutral gas pressure.

The low-mass jets formed with the aid of the pre-ionization system were extremely narrow and collimated near the electrodes, with peak density exceeding that of jets created without pre-ionization. The initial neutral gas distribution prior to plasma breakdown was found to be critical in determining the ultimate jet structure. The visible radius of the dense central jet column was several times narrower than the axial current channel radius, suggesting that the outer portion of the jet must have been force free, with the current parallel to the magnetic field. The studies of non-equilibrium flows and plasma self-organization being carried out at Caltech are relevant to astrophysical jets and fusion energy research.

Finite-Element Simulations of Earthquakes

This thesis discusses simulations of earthquake ground motions using prescribed ruptures and dynamic failure. Introducing sliding degrees of freedom led to an innovative technique for numerical modeling of earthquake sources. This technique allows efficient implementation of both prescribed ruptures and dynamic failure on an arbitrarily oriented fault surface. Off the fault surface the solution of the three-dimensional, dynamic elasticity equation uses well known finite-element techniques. We employ parallel processing to efficiently compute the ground motions in domains containing millions of degrees of freedom.

Using prescribed ruptures we study the sensitivity of long-period near-source ground motions to five earthquake source parameters for hypothetical events on a strike-slip fault (M_w 7.0 to 7.1) and a thrust fault (M_w 6.6 to 7.0). The directivity of the ruptures creates large displacement and velocity pulses in the ground motions in the forward direction. We found a good match between the severity of the shaking and the shape of the near-source factor from the 1997 Uniform Building Code for strike-slip faults and thrust faults with surface rupture. However, for blind thrust faults the peak displacement and velocities occur up-dip from the region with the peak near-source factor. We assert that a simple modification to the formulation of the near-source factor improves the match between the severity of the ground motion and the shape of the near-source factor.

For simulations with dynamic failure on a strike-slip fault or a thrust fault, we examine what constraints must be imposed on the coefficient of friction to produce realistic ruptures under the application of reasonable shear and normal stress distributions with depth. We found that variation of the coefficient of friction with the shear modulus and the depth produces realistic rupture behavior in both homogeneous and layered half-spaces. Furthermore, we observed a dependence of the rupture speed on the direction of propagation and fluctuations in the rupture speed and slip rate as the rupture encountered changes in the stress field. Including such behavior in prescribed ruptures would yield more realistic ground motions.

Estudo do efeito das cargas de nutrientes no reservatório APM-Manso: uma abordagem através da modelagem numérica tridimensional.

Os gestores de recursos hídricos estão encarregados da gestão de longo prazo, a regulação e a proteção dos recursos hídricos. No entanto, reconhece-se que a estes gestores devem levar em conta a multiplicidade de usos dos recursos hídricos que são apresentadas pelas partes interessadas, tais como agricultores, fornecedores de água e grupos de ambientalistas. Dada a complexidade do sistema hidrológico, o desenvolvimento e a utilização de modelos matemáticos são muitas das vezes necessários. Neste contexto a modelagem ambiental é frequentemente realizada para avaliar os impactos da degradação do ecossistema devido à ação humana. Essa aplicação orientada a investigações proporciona um importante meio pelo qual os cientistas podem interagir e influenciar nas políticas a nível local, regional, nacional e internacional. No Mato Grosso, durante a implantação da hidroelétrica de Aproveitamento Múltiplo de Manso foram adotadas medidas de mitigação dos impactos socioeconômicos causados. Essas medidas geram uma tendência de aumento populacional associado a uma mudança das características sócio-econômicas, para toda a região do entorno do Reservatório, o que agrava o problema de poluição por nutrientes e denota que existe uma necessidade proeminente de estudos do impacto que estas cargas causariam no ecossistema do reservatório. Utilizando o modelo hidrodinâmico e termodinâmico tridimensional ELCOM, associado ao modelo biogeoquímico Caedym, este trabalho tem a finalidade de criar uma modelagem representativa das cargas dos principais nutrientes causadores da eutrofização cultural, sendo eles: a amônia (NH4), o nitrato (NO3) e o Ortofosfato (PO4), com a finalidade de estudar os efeitos das dinâmicas espaciais e temporais destas cargas no estado trófico deste reservatório no em torno dos pontos de lançamento de esgoto e na sua totalidade.

Comportamento dos aterros que compõem a obra do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro.

O presente trabalho tem como objetivo a análise do comportamento dos aterros instrumentados que compõem a obra do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro. Os resultados da instrumentação de campo serão discutidos e retroanalisados, juntamente com dados disponíveis na literatura, buscando-se a definição de parâmetros confiáveis, representativos do comportamento da argila compressível da região em estudo. O Arco Metropolitano do Rio de Janeiro é uma rodovia projetada que servirá como ligação entre as 5 principais rodovias que cortam o município do Rio de Janeiro. Dada a magnitude da obra e a ocorrência de significativas espessuras de solos moles em alguns trechos da região, determinados aterros que compõem a rodovia foram instrumentados com placas de recalque e inclinômetros, instalados em diferentes estações de monitoramento, no intuito de avaliar os deslocamentos verticais e horizontais dos aterros durante o processo construtivo. De posse de parâmetros confiáveis, procede-se à simulação numérica do processo construtivo de um dos aterros, a partir do programa PLAXIS, de elementos finitos. Os resultados numéricos são confrontados com a instrumentação de campo (fornecida por placas de recalque) e com os resultados de previsões teóricas (teoria de adensamento unidimensional). Em projetos de aterros sobre solos compressíveis, a instrumentação geotécnica é de grande importância, pois permite acompanhar o desenvolvimento de todo o processo construtivo, e as deformações decorrentes da sobrecarga imposta pelo lançamento de camadas de aterro. A imposição de um carregamento sobre solos de alta compressibilidade e baixa resistência pode acarretar em grandes deformações ao longo do tempo, além de rupturas indesejáveis do solo de fundação. Os resultados comprovaram que a modelagem numérica mostrou-se uma ferramenta adequada para a previsão dos recalques totais e tempos de adensamento. A definição de parâmetros representativos, com base em ensaios executados em amostras de boa qualidade, é o primeiro passo para a previsão coerente da evolução dos recalques com o tempo. A retroanálise do comportamento de aterros sobre solos moles permite a reavaliação das premissas de projeto, uma vez que as limitações das teorias de análise e a dificuldade na seleção de parâmetros, muitas vezes acarretam em estimativas de recalque incoerentes com as observações de campo.

Análise da resposta dinâmica experimental de uma passarela tubular mista, aço-concreto, submetida ao caminhar humano.

Este trabalho de pesquisa apresenta como objetivo principal o desenvolvimento de investigação experimental dinâmica sobre estrutura real de uma passarela tubular mista aço-concreto. O sistema estrutural objeto deste trabalho corresponde a uma passarela composta por três vãos (32,5m, 17,5m e 20,0m, respectivamente) e dois balanços (7,50m e 5,0m, respectivamente), com comprimento total de 82,5m. A passarela com estrutura contínua de aço com as ligações soldadas se apoia em quatro pórticos também de aço. Estruturalmente está constituída por duas treliças planas que se interligam através de contraventamentos horizontais fixados na corda superior e inferior da treliça e lajes de concreto, formando um sistema misto com interação completa. A estrutura está submetida correntemente à travessia de pedestres e ciclistas. Testes experimentais foram realizados sobre o sistema estrutural e confrontados com resultados numéricos. Para a modelagem numérica do sistema são empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos (MEF), por meio do programa ANSYS. Os resultados experimentais são analisados de acordo com a metodologia desenvolvida, sendo realizada análise modal experimental para a determinação das propriedades dinâmicas: freqüências, modos e taxa de amortecimento, enquanto que os resultados da estrutura, em termos de aceleração de pico, são comparados com os valores limites propostos por diversos autores, normas e recomendações de projeto, para uma avaliação do desempenho da estrutura em relação a vibração quando solicitada pelo caminhar dos pedestres no que diz respeito a critério para conforto humano.

Análise numérica do comportamento de juntas entre aduelas de vigas protendidas.

Diversos pesquisadores têm estudado o comportamento e o emprego de aduelas de concreto, que constituem as vigas segmentadas em sistemas estruturais, de maneira especial pontes e viadutos. Por esta razão, inúmeros trabalhos têm sido publicados nos últimos anos respaldados por testes experimentais e análises numéricas. O comportamento destas vigas contrasta com as clássicas vigas monolíticas em diversos aspectos, pois, a estrutura é composta de partes de elementos de concreto pré-moldado que, após serem posicionados no local definitivo, são protendidos. A protensão pode ser aderente ou não aderente. A principal vantagem deste sistema de construção é a rapidez e o alto controle de qualidade, por isso é largamente utilizado, havendo uma demanda de estudo de previsão do seu real comportamento No presente trabalho apresenta-se uma modelagem numérica via elementos finitos, para simular o comportamento de vigas compostas por aduelas justapostas sem material ligante entre as juntas. A protensão aplicada é aderente e a análise considera a não linearidade da região da junta. Assim sendo, o objetivo desta investigação é dar uma contribuição ao estudo do comportamento estrutural estático de vigas segmentadas, atentando para o comportamento das juntas, utilizando um programa comercial. Para o modelo são empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos (MEF), por meio do programa de elementos finitos SAP2000[93]. O modelo proposto é constituído de elementos de placa próprios para concreto para representar a viga, a protensão é introduzida por meio de barras bidimensionais que transferem as tensões ao longo de seu comprimento e as juntas são implementadas utilizando elementos de contato. A analise é bidimensional e considera os efeitos das perdas de protensão. Este trabalho de pesquisa objetiva também o estudo de elementos de contato especialmente as características de deformação para esta ferramenta computacional. A definição dos parâmetros para o modelo foi feita com base em dados experimentais disponíveis na literatura. O modelo numérico foi calibrado e confrontado com resultados experimentais obtidos em ensaios de laboratório.

Modelagem numérica de ligações viga-coluna em aço sob momento fletor e força normal.

As ligações desempenham um papel fundamental no comportamento global das estruturas de aço. Inúmeros trabalhos de pesquisa têm sido desenvolvidos para entender o comportamento real de uma ligação e sua influência na resistência global dos pórticos. Atualmente, a Norma Brasileira de estruturas de aço de edificações, NBR 8800, considera o comportamento das ligações entre duas situações extremas: rígidas, onde não ocorre nenhuma rotação entre os membros conectados, transferindo momento fletor, força cortante e força normal; ou flexíveis, caracterizadas pela liberdade de rotação entre os membros conectados, impedindo a transmissão de momento fletor. Outras normas de projeto de estruturas de aço, consideram que as ligações apresentam um comportamento intermediário, ou seja, semi-rigídas, que podem estar submetidas a uma combinação de momento fletor e esforço normal. Porém, mesmo com a combinação, estas normas não consideram a presença de esforço normal (tração e/ou compressão). Uma limitação empírica de 5% da resistência plástica da viga é a única condição imposta no Eurocode 3. Para o estudo da ligação semi-rigída será utilizada a filosofia do Método das Componentes, que verifica a resistência da ligação e sua classificação quanto à rigidez rotacional, desenvolvida através de modelos mecânicos (modelos de molas). O objetivo deste trabalho é descrever alguns resultados de caracterização de ligações viga-coluna com placa de extremidade ajustada à altura da viga obtidos através de um modelo de elementos finitos. Para tal, será realizada uma análise não-linear geométrica e de material. Esta análise possibilitará avaliar os principais parâmetros que influenciam no comportamento deste componente no que diz respeito a sua avaliação em termos de distribuição de tensões e deformações no modelo de forma global.

Simulação numérica do processo de alteamento de áreas de deposição de resíduos pelo método a montante.

A previsão do comportamento de resíduos constituiu-se em um desafio geotécnico, uma vez que estes materiais apresentam uma resposta distinta dos materiais usualmente encontrados em depósitos naturais. A análise dos recalques da fundação, decorrentes da sobrecarga imposta pelo alteamento, é complexa, tendo em vista que o adensamento de resíduos pressupõe grandes deformações, invalidando o uso de teorias clássicas de adensamento. Atualmente, no Brasil, a técnica de disposição de resíduos de bauxita prevê uma operação inicial de lançamento no interior de lagos artificiais, em forma de polpa. Após o esgotamento do lago e ressecamento do resíduo, inicia-se o lançamento pelo método a montante. Neste método, a polpa é lançada sobre o resíduo pré-existente, que se encontra em processo de adensamento. O presente trabalho tem como objetivo reproduzir numericamente o comportamento de áreas de resíduos durante a etapa de alteamento a montante. A pesquisa tem como enfoque 2 áreas de resíduos de bauxita. Uma delas encontra-se em fase de reabilitação e dispõe de instrumentação de campo (recalques e deslocamentos horizontais). A outra se encontra em fase de operação do alteamento e dispõe de dados experimentais. Desta forma, a metodologia consistiu na reprodução numérica do processo de alteamento da área instrumentada e comparação dos resultados com a instrumentação de campo, com objetivo de avaliar o modelo numérico e os parâmetros do resíduo. Posteriormente, realizou-se a previsão do comportamento do resíduo de fundação da área em fase de alteamento. Os parâmetros geotécnicos foram definidos a partir de um extenso programa de ensaios de campo e laboratório, executado no local em estudo, fazendo-se uso de um tratamento estatístico dos dados experimentais. Os resultados numéricos mostraram a potencialidade do programa na previsão do comportamento de áreas de resíduos durante o alteamento a montante, com previsões de recalques e deslocamentos horizontais coerentes com a instrumentação de campo.

Análise de critérios de dimensionamento de carga em dutos de concreto instalados em vala na situação de recobrimento mínimo.

Perante diversas situações da engenharia são utilizadas formulações empíricas de dimensionamento baseadas em dados de campo e experiência profissional que definem muito o caráter subjetivo da metodologia padrão de projeto. O presente trabalho de pesquisa aborda os diversos métodos de obtenção dos esforços gerados em dutos enterrados submetidos a cargas dinâmicas e estáticas e sua posterior reavaliação através de modelagem numérica com o programa Plaxis 3D. Os métodos analíticos não convencionais foram comparados com o método padrão de cálculo sendo que o mesmo demonstrou ter uma boa precisão mesmo sem considerar outros fatores importantes como a parcela de resistência devida à coesão do solo e sua deformabilidade. A modelagem numérica demonstrou o conservadorismo do método de Marston e o subdmensionamento do espraiamento em prisma devido aos efeitos locais ocasionados pela adoção do recobrimento mínimo e sobrecarga dinâmica elevada. Também se observou, através da modelagem 3D, que a utilização dos dois métodos clássicos favorecem a obtenção de resultados dentro da razoabilidade.Verificou-se também, como resultado desta pesquisa, que a proposta de um método clássico modificado permite uma melhor aproximação da carga que atinge o duto.