干湿循环作用下红壤土孔隙结构与强度特性试验研究

【目的】周期性库水位升降使三峡库区消落带土体受反复干湿交替过程,为了分析干湿循环作用对土体的孔隙结构和强度特性的影响,【方法】针对三峡库区某滑坡消落带红壤土,开展反复干湿循环下的三轴试验和扫描电镜、核磁共振测试,分析干湿循环作用对红壤土微细观孔隙结构与强度特性的影响,研究土体孔隙结构演化规律及其与强度特性之间的关系。【结果】结果显示:干湿循环对消落带土体强度有明显弱化作用,随着干湿循环次数增加,土体剪切强度逐渐减小并趋于稳定;在干湿循环作用下,孔隙扩张向大孔隙演化,土颗粒间距增加,裂隙发育后团聚体崩解、分散为微小团聚体,孔隙间连通性增强,原有微观孔结构基本丧失,逐渐形成新的稳定孔隙结构状态。【结论】土体结构呈现明显的双重分形特征,土体黏聚力和内摩擦角与中巨孔隙分形维数呈现明显关联关系,干湿循环作用使中巨孔隙分布复杂程度降低,孔隙结构更松散,颗粒间咬合作用降低,黏聚力和内摩擦角减小。

基于孔隙分形特征的水泥基毛细吸力预测模型

为深入理解水泥基毛细吸力与含水量的关系,采用分形几何学方法和毛细管理论提出了考虑孔隙分形特征的水泥基毛细吸力预测模型。该模型通过建立分形模型参数与试样配合比的拟合关系,实现了不同配合比水泥基毛细吸力的快速预测。基于相对湿度法开展了水泥基孔径分布测量验证试验,结果表明:不同配合比(水、灰、砂)水泥基试样孔隙均具有明显分形特性,可用Menger海绵体分形模型较好描述;毛细吸力模型预测结果与验证试验测试结果的偏差主要集中在±20%以内,模型可以较为准确地预测水泥基毛细吸力与含水量的关系。

不同干密度下黄土孔隙分形特征及其对基质吸力的影响

基于分形几何学方法建立了土体孔径分布的描述,并结合Young-Laplace理论提出了考虑孔隙分形特征的非饱和土基质吸力模型。针对陕西地区的黄土收集了不同干密度的土水特征曲线并分析了干密度对孔隙分布特征及基质吸力的影响。结果表明:黄土孔隙具有明显分形特性,可采用Menger海绵体分形模型良好描述。模型孔隙特征参数分析发现随着干密度增大,分形维数D近似线性增大,而最大孔径L呈幂函数减小;通过函数拟合,进一步建立黄土孔径分布与干密度的特征关系,进而实现了对不同干密度下的黄土基质吸力快速预测。

基于水气两相流理论的降雨入渗强度调控方法研究

降雨入渗强度是海绵城市建设中的关键指标,入渗强度受土体渗透性和驱动力的联合控制,但以往多关注前者,而较少研究驱动力的调控方法。因此,结合土柱降雨入渗模型试验和数值模拟,探究孔隙气对雨水入渗的驱动效应。通过对试验模型底部进行抽气、注气调控土体内部气压力,发现雨水入渗强度对孔隙气压力具有显著依赖性;底部注气增压时,气压力梯度与入渗方向相反,阻滞雨水入渗;而抽气减压时,其与入渗方向相同,驱动雨水入渗。通过模拟底边界不同气压条件的入渗过程,发现在抽气减压条件下入渗强度与底边界气压力呈线性关系。因此,改变孔隙气压力能调控雨水入渗,特别是在抽气减压条件下降雨入渗强度明显增大,为海绵城市的建设及城市内涝的治理提供了一种新思路。

基于水气两相流的海拔高程对某电站溢洪道泄洪雾化的影响分析

海拔高程增加所引起的气象条件的改变会对泄洪水舌的运动产生影响,进而影响泄洪雾化风场及雨场的时空分布。为此,基于水气两相流理论,考虑不同海拔高度的环境压强、温度、粘滞性及空气密度等参数的变化,采用数值模拟的方法研究了海拔高程对泄洪雾化的影响。结果表明,相同泄洪条件下,泄洪稳定后的压强值随海拔升高无明显增加趋势,然而海拔越高,水舌空中运动所受空气阻力越小,相同条件下落水点压强增幅越大;温度降低带来的水的粘滞性增加对水雾运动影响较小,海拔高程越高,雾化风速到达最大值的时间越早,所能达到的最大值也越大;泄洪稳定时近地表雾化降雨强度随海拔高程的增加而增大,与海拔高程呈近似线性关系,此外强降雨范围随海拔的升高而逐渐扩大。

改进的斜坡降雨入渗与坡面径流耦合算法研究

大气降雨时坡面径流与非饱和入渗的耦合计算,是降雨诱发滑坡及水土流失等研究中的重大问题之一。从坡面径流和降雨入渗控制方程着手,建立了基于有限元方法的耦合方程求解模型,实现了耦合问题的直接求解。该耦合计算模型与求解方法避免了坡面径流和降雨入渗间的迭代计算,也不需计算两者间的流量交换,较大程度地提高了计算效率和计算精度。算例表明,该方法正确可行,计算效率高,稳定性好。

三背河水利枢纽面板堆石坝应力应变分析

应用邓肯Ｅ—Ｂ模型，研究了长阳三背河水利枢纽混凝土面板堆石坝的工作性态，并对堆石体的稳定性作出了评价，为三背河水利枢纽面板堆石坝的优化设计提供了依据．

复杂边坡三维地质可视化和数值模型构建

复杂边坡三维地质可视化和数值模型的构建是岩土工程和水利水电工程中常常遇到的关键问题。三维地质可视化可以展示边坡结构面的空间组合,揭示边坡的宏观破坏模式;可视化模型与数值模型的结合和转换可以反映地质信息的仿真性和动态可修改性。基于AutoCAD平台,借助AutoLisp语言,采用滑动最小二乘法插值拟合,构建三维可视化模型,同时讨论可视化模型与数值模型的转入。优点在于结合了AutoCAD优越的图形编辑功能和ITASCA公司数值软件(FLAC3D和3DEC)的计算功能,并可根据地质信息的变化更新可视化模型和数值模型。该技术与三维可变形离散元法相结合,在白鹤滩水电站进水口高边坡三维可视化和应力变形分析中进行了应用。同时针对3DEC软件前后处理的不足,结合3DEC内嵌的FISH语言和AutoCAD的AutoLISP语言进行编程,探讨3DEC加锚方法、三维合位移等值线云图和塑性区可视化实现。

多相流传输THM全耦合数值模型及程序验证

基于连续介质力学原理和混合体理论,导出多孔介质多相流THM全耦合数学模型。该模型从固、液、气三相系统的动量、质量及能量守恒出发,考虑应力–应变、水体流动、气体传输、蒸气传输、热能传输和孔隙率演化等6个过程的耦合作用,实现对相变、溶解、热驱动、湿度传输和吸湿膨胀等物理现象的模拟,确保THM耦合控制方程组的封闭性和协调性。该模型在THM耦合体系中纳入气体及蒸气传输过程,摒弃以往采用基质吸力和绝对温度定义相对湿度的传统方法,从而使描述介质气体和蒸气运移特性以及THM耦合特性的相对湿度在严格的物理意义上加以定义。通过选取位移、水压、气压、蒸气压、温度和孔隙率为基本未知量,建立有限元数值计算格式,研发三维八自由度多相流THM全耦合有限元程序THYME3D,并采用法国原子能委员会开展的膨润土THM耦合Mock-up试验对数值模型和计算程序进行验证,揭示试验过程涉及的多场耦合机制。研究结果深化对多相流THM全耦合控制方程组、本构关系及计算参数特性的理解,从而为进一步研究THMC全耦合问题奠定基础。

糯扎渡水电站^#2导流洞三维非线性有限元反分析

糯扎渡水电站#2导流隧洞开挖经过F3断层,开挖过程中,F3断层影响带附近的岩体力学参数直接控制着围岩的变形和应力分布。为了评判后续Ⅱ、Ⅲ层开挖围岩的稳定性,需要反演出F3断层附近围岩的岩体力学参数和初始地应力场。对于隧洞开挖反分析问题,考虑到现场位移监测数据与隧洞开挖之间的相互关系,采用开挖位移增量形式进行反分析,并且分析了三维非线性有限元以开挖位移增量的均方误差作为目标函数的反分析计算过程。为了减少现场的位移量测数据对反分析结果的影响,改善其规律性,采用多元线性回归模型对位移监测数据进行整理,有效的提高了反分析计算结果的精度。最后,利用上述方法反演得到了#2导流隧洞F3断层附近岩层的岩体力学参数和初始地应力场。

糯扎渡水电站1^#导流隧洞三维非线性有限元开挖模拟分析

糯扎渡水电站1#导流隧洞开挖经过F3断层,开挖过程中,F3断层影响带附近的岩体力学参数直接控制着围岩的变形和应力分布。为了评判后续Ⅱ,Ⅲ层开挖围岩的稳定性,首先利用隧洞第Ⅰ层开挖的位移监测数据反演出F3断层附近围岩的岩体力学参数和初始地应力场;然后,利用反演得到的初始地应力场和岩体力学参数进行Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ层开挖模拟分析,得到了F3断层附近围岩的应力变形情况。计算结果表明:随着开挖的不断进行,隧洞F3断层周围岩体的约束逐渐解除,围岩的应力逐渐增大,隧洞周边的位移也不断增大,并且隧洞周围应力变形在F3断层中心区域有明显的错动现象,说明F3断层对隧洞的开挖影响比较大,有必要对此区域后期变形加强观测和分析。

降雨条件下清江古树包滑坡体稳定性有限元分析

位于清江岸边的古树包滑坡曾使水布垭面板堆石坝工程对外交通一度中断。依据古树包滑坡体的地质背景与工程地质特征,在对其成灾原因进行研究的基础上,应用非线性有限元方法对降雨条件下古树包滑坡体的稳定性进行了研究。探讨了降雨在坡体中形成的暂态饱和区对滑坡体稳定性的影响,研究了该滑坡体再次启动的条件,并对其加固措施提出了建议,为该滑坡体的防治工程提供了重要参考。

抗滑桩与滑坡体相互作用的非线性有限元研究

应用三维非线性有限元方法对滑坡在抗滑桩加固前后的稳定性进行计算,分析了抗滑桩的 加固效果;并结合工程实例,计算分析抗滑桩受力、变形及其截面应力等工作效应,为同类工程计 算及措施选择提供参考.

基于挤压边墙技术水布垭面板堆石坝应力-应变研究

混凝土挤压边墙技术是混凝土面板堆石坝上游坡面施工的新方法。挤压边墙技术与传统方法相比,在施工方面有明显的先进性,新工艺对工程质量的提高、进度的加快以及增加导流度汛的安全性等方面产生的效果是显而易见的,且比传统工艺简化了施工工序,降低了施工费用。但是,在结构性能方面,挤压边墙对面板堆石坝特别是对面板的应力-应变的影响,目前还很不清楚。以水布垭面板堆石坝工程为对象,采用先进的网格离散技术和大型方程求解方法,研究了基于挤压边墙技术水布垭面板堆石坝的应力-应变。计算结果表明,挤压边墙不仅可以替代传统工艺中垫层料的超填、削坡、修整、碾压以及坡面防护等工序,加快了施工进度,使得施工质量得到了保证和提高,而且还对改善面板的受力状态是有利的,对面板的变形也起着改善作用。

混凝土面板堆石坝施工度汛断面坝坡稳定性研究

本文应用非线性有限单元法对堆石坝在施工期洪水作用下坝体渗流场进行模拟的基础上 ,对坝坡的稳定性进行了研究 ,并结合工程实例验证了本文方法适用性及有效性 ,为混凝土面板堆石坝施工期临时渡汛坝体的坝坡稳定安全问题的研究提供了一种行之有效的分析方法。

董箐混凝土面板堆石坝地震响应特性研究

针对董箐混凝土面板堆石坝的抗震安全性要求,采用三维非线性动力有限元方法,考虑堆石料的动力非线性及地震时坝体动水压力作用,采用等效线性模型求解坝体的地震反应,获得了该坝在EI-Centro地震波作用下及峰值加速度时坝体和面板的加速度反应、位移反应、应力反应、垂直缝与周边缝位移反应及坝体地震残余变形等地震动力反应特性,揭示了董箐面板堆石坝的地震反应规律与特点,分析了坝体的抗震安全性,论证了设计方案的合理性。

土体初始饱和度对降雨入渗的影响

基于水、气两相流理论,采用有限单元法计算了壤土在不同饱和度下的降雨入渗过程,以研究初始饱和度变化对降雨入渗的影响。数值模拟结果表明:降雨入渗初期孔隙气压会逐渐增大,入渗强度会因孔隙气的顶托作用逐渐减小并最终趋于稳定。稳定后的降雨入渗强度主要取决于土体基质吸力和渗透特性,与土体初始饱和度大小直接相关;入渗强度存在最大、最小值,最大值通常会出现在初始饱和度为0或1时,而最小值所对应的饱和度与土体非饱和特性有关;受土体基质吸力和水、气渗透性的双重影响,入渗强度会先随饱和度的增大而逐渐减小,当降至最小值后,入渗强度又会随饱和度的增大而增大。根据计算结果,提出了一个可计算相对稳定入渗强度的公式。

基于水气两相流的水布垭电站泄洪雾化有限元分析

泄洪雾化实际上是水气两相流体混合运动的过程。笔者从描述流体运动的质量守恒以及动量守恒方程出发,建立描述泄洪雾化的数学模型,采用有限元法求解模型。求解过程中采取了相应的非线性项求解策略,解决了求解过程中的数值收敛性与稳定性问题。通过与传统的方腔驱动流动算例进行对比,验证了模型的正确性。根据水布垭电站溢洪道及河谷地形地貌建立了三维有限元计算网格,并对其泄洪过程进行了数值模拟,通过与泄洪实测数据对比发现,该数值方法对泄洪雾化过程中的风场、雨场具有较强的预测能力。

鄂西清江古树包滑坡灾害形成机理探讨

根据古树包滑坡体的地质背景及工程地质特征,对影响滑坡灾害形成的各项因素进行了分析与计算,探讨了该滑坡灾害形成的机理,为今后工程建设中滑坡灾害的防治提供了参考。

通气和封气条件下降雨对粘性土入渗速率、含水率及孔隙压力的影响试验

通气条件是影响整个降雨入渗过程的重要因素之一。通过自主设计的降雨入渗试验模型、模拟降雨系统及数据自动采集系统,分别进行通气、封气条件下的人工降雨模拟试验,从而研究气相对降雨入渗的影响。对比通气和封气条件下的试验数据可知,封气条件下气体不能自由排出,对雨水下渗的阻滞作用明显,雨水入渗速率较小,坡体内饱和区变化缓慢;坡体内孔隙气压力随着降雨入渗的进行先增大后在10cm水头上下波动。研究成果为原位试验的展开及数值模拟提供了数据支撑。