瑞利波作用下考虑竖向荷载影响的单桩在饱和软土中的水平动力分析

桩在竖向荷载和瑞利波共同作用下产生水平振动,竖向荷载会因二阶效应导致水平位移增大。为研究桩在饱和软土地基中的水平动力响应,建立瑞利波作用下单桩动力响应的计算模型。基于Biot理论计算均匀自由场中饱和软土地基的水平动力响应。利用边界条件求得土体阻力封闭解。基于Timoshenko梁理论建立桩基动力微分方程,得到桩的水平位移、弯矩和转角的解析解。通过数值算例验证模型正确性,分析竖向荷载、无量纲频率对桩水平振动的影响。研究发现竖向荷载和桩长对水平振动影响较大。

分数阶黏弹性饱和地基中大直径管桩竖向动力响应分析

管桩作为一种常用的桩基础,在实际工程中被广泛应用,其动力响应分析具有重要研究价值。基于弹性动力学原理和黏弹性饱和土模型,考虑了土骨架的非流动黏性和管桩的横向惯性效应,研究了分数阶黏弹性饱和土中大直径管桩在竖向动载荷作用下的动力特性。首先,基于Biot动力固结理论和分数阶标准线性固体(fractional-order standard linear solid,简称FSLS)模型,建立了分数阶黏弹性饱和土在柱坐标系下的波动方程。其次,基于Rayleigh-Love杆模型并考虑管桩的横向惯性效应,推导了管桩的桩顶动阻抗解析解答。最后,通过算例分析,研究了分数阶模型参数、管桩横向惯性效应、桩长和土体渗透力对管桩桩顶动阻抗的影响规律。结果表明:饱和土体骨架FSLS模型参数中分数阶数和应变松弛时间的增大以及应力松弛时间的减小都会增大桩顶动阻抗;管桩的横向惯性效应在高频区段对降低桩顶动阻抗尤为明显;缩小管桩外半径和扩大其内半径以及增加桩长,降低土体渗透性均有助于提高桩顶动阻抗。

隔水透气隔断层对寒旱区盐渍土水盐迁移及变形特性的影响

针对寒旱区盐渍土水盐迁移引起的盐冻胀变形病害问题,本研究提出了一种新型的隔水透气膜隔断层处理方法,并开展了相应的理论分析和室内试验研究。基于多孔介质理论和连续介质力学理论,通过考虑温度变化下孔隙水盐相变等因素,建立了非饱和盐渍土的水-热-盐-力多场多相耦合模型。在水盐补给条件下,采用数值模拟和室内模型试验研究了非饱和硫酸盐渍土的水盐迁移和盐冻胀变形特性,并验证了模型的有效性。重点分析了设置隔水透气膜对非饱和硫酸盐渍土热质迁移及变形行为的影响。研究结果表明:隔水透气层对液态水和溶解盐的迁移具有明显的阻滞作用。同时,由于隔断层的透气特性,可有效地解决传统土工膜隔断层下气体聚集现象。研究成果可为盐渍土路基处理提供技术与理论基础。

盐渍土在蒸发过程中的水盐相变行为研究

伴随蒸发过程,盐渍土孔隙内的溶液会产生汽化及结晶现象,且两种不同的相变间存在相互依赖性。为了揭示蒸发过程中的水盐相变特性,对盐渍土在蒸发过程中的汽化和盐结晶行为进行了理论和试验研究。首先,从热力学理论出发,通过考虑相间化学势平衡和Young-Laplace方程给出了起始结晶半径的理论表达,并分析了起始结晶半径与温度和相对湿度的关系。结合Van Genuchten土水特征曲线模型,建立了孔隙溶液浓度在不同状态下盐的溶解-结晶模型,并分析了温度和初始含盐量对盐结晶行为的影响规律。最后,通过开展控制温度和初始含盐量的蒸发试验结果对理论模型进行了验证。结果表明:环境湿度降低的过程中,土体温度以及初始含盐量对孔隙溶液中的水分和盐分相变有着显著的影响,土体温度越高,孔隙溶液中水分蒸发越快,液相最终饱和度越低;随着初始含盐量的增加,液相最终饱和度下降,盐晶体体积比增加。初始含盐量还会改变盐的盐析湿度,并且盐晶体的产生会抑制水分的蒸发。

基于土−水特征曲线的非饱和冻土未冻水含量预测

对非饱和土体在冻结温度以下土中未冻水含量进行了理论分析,给出了一种简便的预测方法及其数学模型。基于非饱和土孔隙中气液两相的化学平衡和力学平衡关系,结合土−水特征曲线,给出了以Van Genuchten土−水特征曲线模型参数表示的土体孔隙体积分布密度函数,且水分冻结与土体孔径分布密切相关。根据初始有效饱和度对应的液态水填充的最大孔径和一定冻结温度对应的起始结晶孔径之间的关系,分析了土体孔隙中冰水相变的特征及其临界有效饱和度。当初始有效饱和度超过临界结晶饱和度后,冻结现象才会发生。给出了非饱和土体在冻结温度以下土中未冻水饱和度的预测公式,并通过已有的试验结果对其有效性进行了验证。

基于分形理论的Bingham型浆液柱形扩散模型研究

为解决被注多孔介质的孔隙率和孔隙通道的多变性对现有注浆理论与试验结果误差的影响问题,引入分形理论相关知识,建立Bingham型浆液在分形多孔介质中柱形扩散的数学模型,并推导出分形渗透注浆扩散方程的解析解。通过室内注浆试验、传统注浆理论与本文理论对比验证该模型的有效性,并通过参数分析被注介质的体积分形维数和迂曲分形维数对多孔介质和浆液的影响。结果表明:1)分形渗透率常数和分形孔隙率常数与体积分形维数呈正相关、与迂曲分形维数呈负相关关系;2)随着孔隙最大直径的增加,分形渗透率常数和分形孔隙率常数也不断增加;3)随着注浆时间的增加,浆液的扩散半径、扩散速度与注浆压力和浆液的水灰质量比呈正相关、与地下水头压力和迂曲分形维数呈负相关关系;4)迂曲分形维数对浆液的扩散半径起重要作用,在直管极限条件下,浆液的扩散半径最大,随着迂曲分形维数的增加,浆液的扩散半径迅速减小。

粗颗粒硫酸盐渍土水盐迁移规律及变形特性研究

针对封闭系统下粗颗粒硫酸盐渍土在冻结过程中的水盐迁移和变形特性开展了理论和试验研究。基于非饱和多孔介质热弹性理论,考虑孔隙水盐相变,建立了适用于粗颗粒盐渍土水-热-盐-力多场耦合模型,并对单向冻结条件下粗颗粒盐渍土的温度场、水分场、盐分场和位移场分布进行了数值模拟。通过配制含硫酸盐的细砂作为土样开展了单向冻结条件下的室内试验,测定了冻结过程中的温度、水分、盐分以及变形的分布,并与数值结果进行了比较,验证了理论模型的有效性。结果表明:砂土结构孔隙更大,水分和盐分更容易渗透和迁移,在单向冻结试验中,水盐迁移速度更快;细砂的轴向位移呈现先下降后上升的变化趋势,且收缩变形持续时间较黏土更长;由于暖端水分向冷端迁移致使暖端土体孔隙减小,下部土体变得更加密实,土柱下部侧壁压力大于上部。

西部高校土木工程专业课程思政一体化建设与评价研究

以西部高校土木工程专业课程为研究对象,探讨土木工程专业课程思政一体化建设的内涵、实施路径和效果评价,旨在为提升西部高校土木工程专业课程思政一体化建设质量提供理论和实践指导。通过分析土木工程专业课程思政一体化建设的内涵,提出明确课程目标、优化课程内容、创新教学方法和加强师资队伍建设等课程思政一体化建设的实施路径,同时,分析土木工程专业课程思政一体化建设效果评价中存在的不足。为了提升评价质量,提出建立明确的评价标准、采用多元化的评价方法、完善反馈机制和关注长期效果等建议。

课程思政与工程伦理教育融合策略探究——以西部高校土木工程专业为例

课程思政是新时代高等教育的重要任务,旨在将思想政治教育贯穿专业课程教学全过程,提高学生的思想政治素质和综合能力。工程伦理教育是工程教育的重要组成部分,旨在培养工程师的道德意识和责任感,提高工程师的社会价值和职业素养。以西部高校土木工程专业为例,探讨课程思政与工程伦理教育的融合实践,分析二者融合的价值,并指出融合实践中存在的不足,提出提升融合实践质量的策略。开展课程思政与工程伦理教育的融合实践,有利于提高土木工程专业学生的思想政治素养,培养他们的工程伦理意识和责任感,促进他们的全面发展和成长成才。

青藏高原降雨增加和气温升高对多年冻土水热动态贡献研究

在人类活动和全球气候变化驱动下,青藏高原气候整体呈现暖湿化变化趋势,由此引发的多年冻土活动层水热变化对寒区生态环境和寒区工程稳定性产生显著影响。目前,温度升高对多年冻土的影响机制较为明确,但降雨增加、降雨增加与气温升高共同作用下的多年冻土水热响应过程和机制尚不明确。在考虑雨水感热作用的地表能水平衡-冻土水热耦合模型的基础上,对比研究气温升高、降雨增加单一作用及其共同作用对活动层水热影响机制。结果表明:相比气温升高和降雨增加单一作用,暖湿化复合作用导致地表净辐射通量和蒸发潜热通量增长显著,地表感热降低更加明显,雨水感热影响较小,地表土壤热通量呈增加趋势;暖湿化复合作用下温度梯度液态水通量增长显著,基质势梯度液态水通量在浅层增幅也大于单独升温作用,但小于单一降雨增加作用,暖湿化导致暖季土壤含水率增幅小于单独降雨作用;暖湿化作用下活动层热传导通量在冷季增加显著且增幅小于单独升温作用,而液态水对流传热在暖季增加明显且增幅小于单独湿化作用;降雨增加促使土体暖季降温显著,暖湿化与单一气温升高均导致土体在冷季升温效果高于暖季;气温升高1.0℃引起多年冻土上限下移10cm,降雨增加100 mm促使上限抬升8 cm,暖湿化共同作用导致冻土上限下移6 cm;在暖湿化作用下,降雨增加对冻土降温作用较小,气温升高对冻土的升温效应仍占据主导。

基于核磁共振技术的土体冻结特征曲线试验研究

冻结特征曲线描述了土中未冻水含量随温度变化的规律,给出适用不同土质的冻结特征曲线计算模型具有重要的工程价值。利用核磁共振技术对6种土体的冻结特征曲线进行了测试,给出了描述土体冻结特征曲线的Michalowski模型参数的确定方法,分析了初始含水率和土体性质对冻结特征曲线的影响,利用Michalowski模型参数的特征对模型进行了改进。研究表明,冻结特征曲线与初始含水率无关,冻结过程中不同初始含水率土体的冻结特征曲线相同。在不考虑温度影响时,模型参数wa近似等于土中最大结合水含量,可以作为分析和评价黏性土特性的重要指标参数。改进后的单参数Michalowski模型可实现对未冻水含量的良好预测,降低了模型的复杂性,提升了模型的实用价值,但模型的适用范围,有待验证。

黏弹性非饱和土中劲性复合桩纵向动力响应分析

劲性复合桩作为一种新型桩基,其动力响应分析具有重要的实际意义。基于弹性动力学理论和三相多孔介质模型,考虑劲性复合桩的特殊结构和非饱和土体骨架的非流动黏性特征,利用理论推导和参数分析,分析了分数阶黏弹性非饱和地基中劲性复合桩的纵向振动特性。首先,通过力学平衡推导,建立了劲性复合桩的纵向振动方程,并利用已有的非饱和土体运动控制方程描述桩周土体的动力响应,其中采用分数阶标准线性固体(fractional standard linear solid,简称FSLS)模型表征土体骨架的非流动(频率相关)黏性;然后,经过严格的理论推导,得到了劲性复合桩的桩顶动阻抗解析解答;最后,通过计算案例和参数敏感性分析,讨论了桩和土体参数对劲性复合桩的桩顶动阻抗的影响规律。结果表明:水泥土桩的横截面占比以及桩长的增大均会提高桩顶动阻抗;分数阶数和应变松弛时间的增大以及应力松弛时间的减小均有助于提高桩顶动阻抗;增大土体饱和度或减小土体固有渗透系数亦将提升桩顶动阻抗。

快压缩P_(1)波在饱和冻土与弹性基岩分界面上的能量传输特性

基于弹性波在冻结饱和多孔介质与单相弹性介质中的传播理论,选取了饱和冻土中传播速度最大的快压缩P 1波入射在饱和冻土与弹性基岩分界面上的能量传输问题。根据分界面上的边界条件,推导出了快压缩P 1波从饱和冻土介质入射到弹性基岩分界面上透反射振幅比和能量率的解析表达式。研究了快压缩P_(1)波入射在饱和冻土与弹性基岩分界面上的能量与入射角度,入射频率,温度(含冰量),孔隙率,胶结参数以及接触参数的关系。研究结果表明:当入射角度为0°时仅存在压缩波,达到临界角后透射P波消失;各种波在达到临界角时出现不同程度的脉冲,其中反射P_(1)波最为显著;随着胶结参数,孔隙率,接触参数的增大,临界角越早出现;入射频率仅对反射P_(2),P_(3)和S_(2)波的能量反射率影响较大;当温度和含冰量较低或较高时,均不利于反射S_(2)波的能量产生。

非饱和盐渍黏土物理化学作用的应力依赖特性

为了揭示物理化学作用对含盐溶液非饱和黏土压缩行为的影响及其与应力水平的依赖特性,对孔隙含蒸馏水、氯化钠和硫酸钠溶液及控制基质吸力条件下的试样进行了一维压缩试验。然后,根据试验结果测定了不同条件下黏土的压缩指数、次固结系数和屈服应力,并标定了它们随基质吸力和渗透吸力的变化规律。此外,对不同基质吸力和渗透吸力下非饱和盐渍黏土主、次固结行为展开了深入分析,明确了非饱和盐渍黏土物理化学作用的应力依赖特征,并对非饱和盐渍黏土的LC屈服行为进行了探索。结果表明:不同物理化学力下非饱和盐渍黏土的次固结系数与压缩指数的比值C_(a)/C_(c)以及屈服应力可以使用基质吸力和渗透吸力来统一描述;由塑性加载区压缩曲线斜率以及特征参量、C_(a)/C_(c)与竖向应力的相关性指出非饱和盐渍黏土物理化学作用与应力水平息息相关;此外,化学-水力-力学耦合作用下非饱和盐渍黏土的LC屈服曲线是由MLC屈服曲线和OLC屈服曲线组成的一条光滑曲线。

P波入射下饱和冻土自由场地地震地面运动分析

地震波的放大或衰减受场地条件的影响,因而选择符合实际情况的场地模型来分析地震地面运动极为重要。为了研究西部高寒地区冻土场地的地震地面运动特征,基于弹性波在单相弹性介质与冻结饱和多孔介质中的传播理论,建立了P波入射下基岩上覆饱和冻土自由场地模型,求得了平面P波入射情况下基岩上覆饱和冻土自由场地地震地面运动的解析解答。通过数值计算,分析了平面P波在不同入射角度下,入射频率、孔隙率、介质温度、胶结参数和接触参数等物理力学参数对饱和冻土自由场地地震地面运动的影响规律。分析结果表明:平面P波的入射频率对基岩上覆饱和冻土自由场地地表位移有显著影响。基岩上覆饱和冻土自由场地的水平位移随着平面P波入射频率增大而减小,竖向位移随入射频率增大而增大;孔隙率的增大也会导致饱和冻土自由场地水平位移增大,但其增幅随着平面P波入射角度的增加先增大后减小,竖向位移也增大,但增幅随入射角度增加逐渐减小;冻土场地中介质温度的降低会导致饱和冻土自由场地的水平位移和竖向位移减小。这表明冰相对于冻土场地中地震波传播具有重要影响;此外,泊松比也会对自由场地的位移产生一定影响,水平位移随泊松比增大而减小,增幅随平面P波入射角度增加先增大后减小。随着泊松比增大,饱和冻土自由场地的竖向位移显著增大,增幅随平面P波入射角度增加逐渐减小;接触参数的增加会导致自由场地的水平位移增大,增幅先增大后逐渐减小。同时,地表竖向位移也会增大,但增幅逐渐减小。

湿空气对开放块石层湿热特性影响的试验研究

青藏高原暖湿化趋势日益加剧,空气中的水汽质量分数随季节变化差异较大致使空气物性参数、焓值等产生变化,可能会间接影响块石路基的换热过程。本文基于模型试验及空气热力学理论,对等压条件下干、湿空气中块石层内湿热特性进行了分析。结果表明:在等压条件下干、湿空气温差与水汽质量分数呈正相关关系,且水汽质量分数变化速率低于温差变化速率8%。基于地表能量平衡方法计算了考虑水汽影响的块石表层感热通量,发现两种空气条件下的感热通量差值与水汽质量分数也呈正相关关系,此时水汽质量分数变化速率高于感热通量差值变化速率9.8%。日出后干、湿空气与深层块石的对流换热差值主要受空气相对湿度控制,日落后由于干、湿空气温差较大则受空气温差影响。水汽质量分数较低时,干、湿空气焓值差变化速率高于水汽质量分数变化率约87%,焓值差变化率高于水汽质量分数变化率约21%,该现象随着水汽质量分数下降而愈加明显。研究结果对于评价和预测湿空气条件下块石结构路基的长期热稳定性具有重要工程意义。

层状地质条件下注浆模型渗流场解析解

基于地下水动力学,将隧道注浆过程与地下水向完整井运动类比,并建立层状地质条件下渗流模型;通过保角变换法,将求解问题由平面径向流转换为平面均匀流,求解了层状地质条件渗流场解析解。在此基础上,将隧道注浆模型简化为三层地层,求解了隧道渗流量、注浆圈外水压力、衬砌外水压力解析解。为验证解的有效性,以团结隧道为背景,采用等效面积法进行数值模拟。结果显示:在注浆圈厚度增加、注浆圈渗透系数与衬砌渗透系数减小的情况下,隧道的涌水量及衬砌外水压力会减小,堵水率和注浆圈外水压力将增加。通过误差分析发现,与解析解相比较,同心圆断面误差随着注浆圈厚度误差增加,六心圆断面误差减小,模拟解两断面涌水量结果接近59%;随着注浆圈渗透系数的减小,模拟解与解析解涌水量相对误差均较大;随着衬砌渗透系数的减小,涌水量与衬砌外水压力的模拟解均大于解析解。

单向冻结条件下硫酸盐渍土热质迁移及变形特性研究

对水盐补给条件下硫酸盐渍土中的热质迁移、孔隙流体相变过程以及硫酸盐渍土盐冻胀变形进行了理论和试验研究。基于非饱和土力学和热弹性连续介质理论,建立了非饱和硫酸盐渍土中水-热-盐-力多物理场耦合的数学模型,其中考虑了孔隙内相变对热力学和水力学参数的影响,通过数值模拟分析了开放系统单向冻结条件下土体内部温度场、水分场、盐分场及应力场的变化过程,并利用室内降温试验对理论模型的有效性进行了验证。研究结果表明:盐分在结晶时所析出的潜热会直接影响到水分冻结成冰的过程;土体孔隙溶液浓度在开放系统单向冻结条件的影响下随时间先快速增长至峰值而后逐渐下降,最终趋于稳定;在负温的影响下,土体内部水分相变成冰,并逐渐形成冻结锋面,随着冻结锋面的下移,土体盐冻胀程度越来越大。

平面弹性波入射下空沟隔振的解析分析

基于复变函数理论和保角映射方法,采用波函数展开法及多级坐标变换技术,解析求解了半无限空间中空沟对平面SH波和平面P波的隔振问题。首先,通过设虚源法和大圆弧假定法分别给出了平面SH波和平面P波入射半无限空间时的散射场。然后由空沟边界及大圆弧边界处的应力自由边界条件建立无穷阶线性方程组,并通过对该方程组的求解给出了空沟对平面SH波和平面P波散射的解析解答。最后,参数分析了激励频率、空沟深度等因素对隔振效果的影响规律。结果表明,空沟对平面SH波和平面P波的隔振效果随着入射波频率的增大而增大,随着空沟深度增大而增大。

变分极限平衡法对土质边坡稳定性的精确分析

基于变分法和极限平衡法的基本原理,对土质边坡的稳定性分析进行了理论研究。首先,通过极限平衡法建立了问题的基本平衡方程,通过引入拉格朗日乘子构造出约束条件下等周问题的辅助泛函;其次,联合欧拉方程得到了以潜在滑动面、滑面正应力、滑动体内力、安全系数以及拉格朗日乘子为基本未知量的一阶常微分方程组,并通过引入辅助变量将边坡稳定性分析转化为固定边界条件下的两点边值问题;最后,利用打靶法对算例进行了数值求解,得到了滑动面位置、滑动面上正应力分布以及边坡稳定性系数的精确解答,并与条分法和有限元强度折减法得到的结果进行了比较,验证了所提方法的有效性。分析结果表明,提出的土质边坡稳定性分析方法可有效避免传统计算中对滑面位置的搜索优化过程,能精确得到边坡滑面形状、滑面上的法向应力以及条间力分布,可为边坡的稳定性分析提供科学合理的计算方法。