水合物开采模拟超重力试验装置的研发及应用

天然气水合物是突破世界能源瓶颈的重要潜在能源,广泛分布于深海沉积物和陆域永冻土。水合物赋存在高压低温环境下,储层厚度达数十至百米,大尺度储层重力场显著影响其开采时的液气渗流、储层变形和传热过程,进而影响开采产气效率且可能诱发工程灾变。研发了一套能够在超重力场下模拟大尺度水合物储层长历时开采演变过程的离心模型试验装置,主要由高压釜系统、水合物制备模块、水压力控制模块、水合物开采模块、监测与响应模块组成。该装置能够在100g超重力下伺服调控高压釜内气液压力和温度环境,在模型尺度上有效再现水合物储层应力、温度和荷载条件。在系统介绍装置研发思路和技术特色的基础上,通过100g下水合物储层模型降压分解试验探析了原位等效重力场下储层不同深度处孔压演化规律及开采产气特性,再现了Nankai海槽原位试采产气速率峰值模式,为揭示水合物储层开采相变多相多场耦合机制和灾变防控提供了新的研究手段。

地震液化离心机振动台模型试验与LEAP研究进展

离心机振动台模型试验是研究地震液化问题的重要手段,一方面可重现场地地震响应和揭示液化致灾规律,为发展工程设计方法提供依据;另一方面可以作为特定边值问题的标准模型试验数据,验证数值方法与土体本构模型及其参数选取的合理性。介绍了离心机振动台模型试验的试验原理,回顾了离心机振动台模型试验在地震液化领域的主要研究进展。围绕由中国、美国、日本和英国等国家高校与研究所联合开展的国际合作项目“液化试验与分析”(LEAP),重点介绍了若干为提高离心机振动台模型试验可重复性而发展的物理模拟新技术,包括离心机振动台的台面振动控制技术、模型土体弹性波速测试技术和基于图像分析的动态位移监测技术等。最后针对地震液化领域的若干工程和研究需求,探讨了离心机振动台模型试验领域的发展趋势。

砂砾土振动体变评价方法与离心机模型试验验证

2008汶川地震出现了砂砾土大范围液化致灾现象,现场震害调查表明砂砾土场地存在砾石效应影响,现有砂土场地的震后沉降评价方法不适用于砂砾土场地。对此,在“张-社本”振动体变评价方法的基础上进一步发展了考虑砾石含量的砂砾土振动体变评价方法,然后开展动三轴试验确定评价方法中的相关参数,最后开展3组典型砾石含量的砂砾土地基离心机振动台模型试验对评价方法的可靠性进行验证。试验结果表明,砾石含量越高,振动引起的场地沉降变形越小;砂砾土振动体变评价方法可以较为准确地预测新近沉积砂砾土场地的震后沉降,但对存在地震历史影响的砂砾土场地,本文提出的评价方法较为保守,建议进一步发展考虑地震历史效应的砂砾土振动体变评价方法。

强震损伤格栅墙处理地基抗液化性能离心模型试验研究

水泥土格栅墙能有效减缓被围束土体在地震作用下的剪切荷载及变形,已广泛应用为一种高效的抗液化对策。针对其长期服役过程,开展了两组超重力离心模型试验以研究强振历史对水泥土格栅墙内被围束土体液化响应的影响。两组模型均由15 m厚的易液化含黏粒砂土和2.5 m厚的粗砂层组成。其中,一组模型采用水泥土格栅墙对易液化层进行加固;另一组模型则未进行处理,作为自由场地对照组。两组模型均经历振幅为0.15g的振动事件,且在0.15g振动事件前,对两组模型施加振幅为0.4g的振动事件作为强振历史。试验结果表明,格栅墙在强振下主要的损伤模式表现为竖向贯穿型裂缝,并部分伴随有局部斜向裂缝,且外侧格室对于中心格室表现出类似于群桩基础的“遮蔽效应”。强振历史后,格栅墙中心格室内被围束土体的超静孔压显著低于自由场地,损伤后格栅墙仍具有良好的抗液化效果。同时,格栅墙由于强振后整体刚度的削弱,其与下卧粗砂层间的剪切变形显著减小。

ZrO_(2)(AlN)/h-BN复合陶瓷性能研究及超重力凝固坩埚研制

凝固是制备材料很基本的成型技术之一,但超重力凝固时,高转速产生的离心力克服合金熔体在坩埚孔隙处产生的表面张力,极易在超重力凝固过程中发生熔体渗漏或坩埚破碎,导致实验失败。本工作采用热压烧结工艺制备ZrO_(2)/h-BN和AlN/h-BN复合陶瓷,测试其物理和力学性能,择优选材加工成坩埚。结果表明,AlN/h-BN的热导率优于ZrO_(2)/h-BN,其高温压缩强度明显高于ZrO_(2)/h-BN。基于超重力凝固时坩埚损伤的力学分析,选用低密度、高热导率、高压缩强度的AlN/h-BN制备坩埚,通过50炉超重力凝固实验,验证其性能满足超重力凝固的需要。

生活垃圾填埋场渗滤液渗漏场地污染风险评价体系

为应对生活垃圾填埋场渗滤液渗漏导致的场地污染问题以及分析对周边环境和人类健康的影响,本研究综合考虑了自然和社会影响因素,采用“源−途径−受体”全过程分析法,建立了包括潜在危险、场地环境脆弱性和敏感目标在内的风险评价指标体系,并确定了各指标评分标准。通过对生活垃圾填埋场污染防控领域的权威专家进行问卷调查,并运用层次分析法确定了各指标的权重,应用加权求和法计算了风险指数,将污染风险分为“高”“中”“低”三级。此外,选取了国内6座典型生活垃圾填埋场(包括3座简易型和3座正规型)进行风险评价和验证。结果表明:①3座简易型(1~3号)和3座正规型(1~3号)生活垃圾填埋场的风险等级依次为高(7.14)、高(7.79)、中(5.35)、中(5.56)、中(5.86)、中(6.29)。②通过与现有方法和实际情况进行对比验证,证明了本研究所建的风险评价体系合理可行,在指标代表性和评价结果有效性方面优于现有体系。③本研究充分利用了地表水、地下水、渗滤液监测及水文地质调查等场地调查数据,提高了评价的准确性。研究显示,提出的风险评价体系适用于我国生活垃圾填埋场的高厨余特征,能够有效地识别渗滤液渗漏场地污染风险的关键环节,本文可为场地分级管理提供指引,并为渗滤液渗漏场地污染的治理、修复、监测及管理提供有力依据。

填埋场振动台试验及渐进式损伤能量识别

为了探讨地震作用下含导排衬垫层填埋场的损伤变形特性,开展了含导排衬垫层的填埋场边坡的大型振动台试验,并根据填埋场各处动态响应规律,提出了一种基于希尔伯特-黄(HHT)和边际谱的能量识别方法。该方法能够用于识别填埋场整体损伤和局部损伤,并根据实测位移值对该方法的有效性进行了讨论。试验结果表明,在输入波峰值加速度为0.3g时,坡脚正位移峰值及坡中负位移峰值突变;希尔波特谱峰值(PSHEA)随着高度的增加而增加,填埋场固废层希尔伯特能量大于衬垫及导排系统;输入波峰值加速度为0.3g及0.4g时,导排衬垫界处抗剪强度低面及中老固废交界震陷,边际谱峰值(PMSA)发生突变,能量传递异常。填埋场在地震作用下的损伤主要分为3个阶段:0.1g~0.2g未发生破坏阶段,0.3g~0.4g局部损伤阶段,破坏由导排及衬垫系统开始,0.5g整体破坏阶段填埋场边坡进入塑性变化;输入波幅值达到0.3g时衬垫导排层先产生滑移,峰值时刻固废交界处发生破坏。研究成果可为填埋场在地震作用下的损伤预测及填埋场抗震减灾技术设计提供参考依据。

城市固废填埋场开挖筛分再利用碳排放评估

本文评估了填埋场开挖筛分再利用的碳排放和碳减排效益,该研究有利于健全我国在城市固废处理领域的碳排放计算体系.首先从流程角度分析,分类整理了每个过程的排放因子和减排因子等参数.其次,选取我国东部某大型城市固废填埋场为研究对象,运用蒙特卡罗模拟进行了分析.结果显示,该填埋场的开挖减排量超过排放量,陈腐垃圾净排放平均值为-235.22kgCO_(2)-eq/t.此外,分析了排放与减排的主要来源,发现轻质物焚烧是排放的主要贡献者,而焚烧产生的电能和热力的回收是减排的主要来源.最后通过参数的敏感性分析,发现能量转化效率和净减排因子对减排结果有显著影响.

服役条件下高铁路基桩网结构土工格栅张拉试验研究

桩网结构路基已经在软土地区的高速铁路建设中取得了广泛的应用,服役期地基过大沉降、地下水淹没桩顶等引起桩网结构不合理受力,甚至导致格栅张拉破坏,目前仍缺乏深入的针对性观测和分析。建立一个全比尺的桩网结构路基模型试验,开展正常路基、桩间土过大沉降、路基浸水和路基水位下降4组典型工况的试验。同时采用前期研发的高速铁路路基动力效应试验装置施加车速达360 km/h、轴重为17 t和25 t的列车移动荷载,利用沉降板加位移传感器测量桩土的沉降变形量,利用光纤传感器测定了每组工况下的格栅拉力变化和空间分布规律,研究不同工况下相同的列车长期荷载对土工格栅拉力的影响。试验结果表明:在列车荷载作用下正常路基的桩网结构格栅最大拉力为5.9 kN/m,位于桩帽边缘处,为格栅抗拉强度的11.8%;桩间土发生过大沉降后格栅拉力最大值仍位于同一位置即桩帽边缘处,为11.85 kN/m,为格栅抗拉强度的23.7%。水位上升后桩网结构格栅拉力下降,但在列车荷载作用下格栅拉力又迅速增长,最大拉力为12 kN/m,水位下降后在列车荷载作用下格栅最大拉力为10.5 kN/m。桩网结构路基的规范设计中对格栅拉力的计算偏于保守,模型试验结果对实际工程中桩网结构路基的设计以及理论方法的验证有一定的指导和借鉴意义。

船舶撞击近海风机群桩基础的离心模型试验

建立船舶撞击近海风机群桩基础的离心模拟系统.在饱和密砂中开展了4组2×2群桩的撞击试验,包括水平撞击和撞击点距承台中心4.5倍桩径的水平偏心撞击群桩基础试验以及水平撞击和水平偏心撞击装有上部风机的群桩基础试验.重点考察承台上部风机存在与否以及船舶撞击位置对船舶撞击力和群桩基础动力响应的影响.试验结果表明,风机与群桩基础之间存在明显动力相互作用.承台的振动带动风机发生水平摆动和扭转振动;风机分担和消耗一部分经船舶撞击传递给群桩基础的能量,导致在自由振动阶段承台的振幅快速衰减.撞击承台的位置对撞击力和群桩内力有明显影响.对比水平和水平偏心撞击群桩试验,虽然偏心撞击工况下的撞击速度比水平撞击工况下的大26%,但偏心撞击的撞击力峰值比水平撞击的小20%;在群桩受偏心撞击工况下各基桩桩头弯矩峰值相差最大达3.2倍.偏心撞击更易引发群桩破坏.

考虑沉积时间效应的原位砂土抗液化强度剪切波速评价

剪切波速是评价饱和砂土抗液化强度的常用指标之一。在基于初始液化标准的砂土抗液化强度剪切波速表征模型(即“周-陈模型”)的基础上,进一步引入考虑沉积时间效应的修正系数,分别对原位测得的剪切波速和重塑砂土抗液化强度进行修正,使得“周-陈模型”能适用于原位砂土抗液化强度评价。针对云南巧家县某工程场地,进行原位剪切波速测试、现场取样并开展室内单元体试验,得到了“周-陈模型”的关键表征参数,据此建立了相应的地震液化剪切波速判别方法。利用该判别方法对该工程场地砂土层不同钻孔土层进行了地震液化判别,并与国内外其它液化判别方法进行比较,发现判别结果基本一致。本文发展的考虑沉积时间效应的剪切波速表征模型为评价实际工程场地原位砂土抗液化强度提供了有效手段。

基于OpenGeoSys的天然气水合物降压开采热-水-力耦合分析模型

天然气水合物是突破世界能源瓶颈的重要潜在途径,降压法是目前公认最经济有效的开采方法。降压开采时会引起固相水合物分解、液气产生与运移、热量传递及沉积物骨架变形,表现出温度场、液气渗流场、应力应变场间强烈的热-水-力(T-H-M)耦合响应,易诱发开采井倾斜、储层塌陷等灾变。基于开源有限元平台Open Geo Sys及其已有的饱和土T-H-M耦合模型,通过嵌入水合物动力分解方程表征固相水合物分解为气液相过程,引入水气质量守恒描述液气相变特性;在此基础上采用非线性互补方法(nonlinear complementary problem,简称NCP)结合特殊主变量选取严格框定液气饱和度范围,并将水合物动力分解速率与控制方程源汇项予以关联;构建了开源的水合物开采T-H-M耦合分析模型。通过与室内降压分解试验和大尺度数值模型对比,验证了该模型的适用性和正确性,并探讨了水合物开采过程中孔隙水压缩性对沉积物T-H-M耦合过程的影响。结果表明:本模型求解水合物分解引起的固液气相变与液气相生成或消失等强非线性问题时稳定性好;降压开采过程中水合物由近及远逐渐分解,产生气液逐渐向边界处运移并逐渐达到稳定运移状态,气、液相饱和度渐趋稳定;受气相溶解的影响,气相饱和度发展滞后于液相饱和度;高孔隙压力下孔隙水压缩性对远端孔压与骨架变形影响显著。

超重力下CuAg合金熔体在石墨多孔介质中的非线性渗流

合金熔体的超重力浸渗是制备金属基复合材料最重要的工艺之一。高温熔体在超重力浸渗过程中极易发生坩埚渗漏,严重影响合金凝固过程的传热和形核,进而影响材料的凝固组织。本文借助超重力凝固工艺,研究超重力下Cu-8%Ag合金熔体在石墨坩埚多孔介质中的渗流过程,分析超重力下Cu-8%Ag合金熔体在石墨坩埚多孔介质中渗流的影响因素,揭示超重力下CuAg合金熔体在石墨多孔介质中的非线性渗流机理,提出抑制超重力下高温熔体在多孔介质中渗流的预防措施。

基于微流控芯片模型的渗流实验与数值模拟

基于微流控芯片加工技术,采用显微镜-微观模型实验装置,通过制作准二维微流控芯片模型来模拟多孔介质内部的骨架及孔隙结构,开展多孔介质渗流实验.通过测量芯片模型两端的压降并进行修正,计算芯片模型的渗透率.采用计算流体力学方法(CFD)对渗流过程进行数值模拟,并与实验结果进行对比分析.结果表明:在相同条件下,相对于微柱方形排列的芯片模型,微柱错开排列的芯片模型在微观上表现为迂曲度增大,增大的幅值为5.1%~7.9%;在宏观上表现为流阻和压降更大,渗透率更低,降低的幅值为4.5%~7.4%.芯片模型渗透率不仅与内部孔隙通道结构和孔隙率有关,还与颗粒直径和颗粒排列方式相关.当模型孔隙率为0.327~0.900时,数值模拟方法所得的微流控芯片模型的渗透率与实验所测结果接近,误差为9.78%~28.43%.Kozeny-Carman(KC)公式不能准确预测实验结果,并且最大误差为73.97%.提出修正平行板间导管流(平板流)渗流公式预测准二维微流控芯片模型渗透率,预测渗透率曲线与数值模拟和实验数据具有很好的一致性.

基于渗透原理的可吸水模型根系研发与性能研究

为了模拟自然植物根系的吸水过程,探究其对周边土体水文力学特征的影响机制,利用3D打印技术,设计并制造基于正渗透原理的新型可吸水模型根系.模型根系采用中空结构,侧壁开孔,外覆半透膜.当内部灌注聚乙二醇(PEG)溶液时,PEG溶液和土中水分间存在的渗透压梯度驱使了模型根系吸水.常重力模型根系吸水试验结果表明,在含砂粉质黏土中,循环浓度等效1 500 kPa渗透压的PEG溶液可在根系附近土体中产生最大约120 kPa的基质吸力,该基质吸力超过了真空法模型根系的理论最大产生吸力.通过在适当范围内调整PEG溶液的质量摩尔浓度,并控制溶液循环特征,模型根系可以具备不同的吸水能力,从而模拟不同的现实工况.

盾构掘进引起土体扰动的数值模拟与现场验证

为了研究结构性软土中盾构掘进过程对土体扰动的影响,引入了修正结构性剑桥模型考虑土的结构性,在Abaqus中编写了该模型的子程序并建立了盾构掘进的三维有限元模型,以模型中结构强度参数为评价指标建立了盾构掘进引起土体扰动评价方法。以宁波地铁1号线二期工程邱隘东站到五乡站左线盾构隧道项目为例,分析了盾构推进过程中的土体变形、超孔压分布及土体扰动情况。结果表明,土体结构性变化对预测结果的准确性有较大影响,当考虑土体结构性的影响时,预测结果更接近实测值;数值模拟得到隧道底部土体扰动度大致呈三角形分布,最大值为31%,影响范围达3.0m,与采用静力触探锥尖阻力扰动评价结果基本一致。对盾构施工控制参数进行分析,开挖面的支护压力对土体扰动的影响较大,当增大0.5倍支护压力时,隧道底面扰动度从31%增加至40%,影响范围从3.0 m增大到4.0 m。

医养模式背景下老年人对虚拟养老院需求的研究——以徐州地区为例

目的:以徐州地区为例,基于老年人自身角度,对虚拟养老院的需求及影响因素进行探究。方法:采用分层整群抽样的方法,随机选取徐州市5个社区中符合纳入标准的400名老年人进行问卷调查。进行描述性分析、二分类logistic回归分析、聚类分析。结果:徐州地区老年人对虚拟养老院认识程度低,需求大。聚类分析结果显示,需求集中在医疗护理保健服务和精神慰藉方面,年龄、婚姻状况、居住状况、收入来源、医疗保险状况、养老保险状况是虚拟养老服务需求的影响因素,年龄和居住状况是老年人虚拟养老院服务需求的重要影响因素。结论:人口老龄化进程下,徐州地区社区居民对“虚拟养老院”及可提供的上门医疗护理服务的接受度好,需求多样化,此种医养模式可推动徐州地区养老发展。

ZJU400离心机研制及其振动台性能评价

土工离心机可以产生与原型相同的自重应力,保证模型破坏机制与原型一致,是解决岩土工程、水利工程和环境工程等领域复杂问题的理想试验模拟手段。搭配机载振动台系统,离心机还可以在原型应力条件下探讨地震引起的建构筑物变形和稳定特性。鉴于离心机振动台的科研价值,浙江大学建造了有效旋转半径为4.5 m、负载能力400 gt的双吊篮臂式离心机,可开展150g重力加速度下的静态试验和100g重力加速度下的动态试验,吊篮尺寸达1500mm×1200 mm×1500 mm。同时,离心机配置了最大振动幅值为0.6 cm、最大振动加速度为40g的振动台系统,可进行有效负重小于500 kg水平单向地震动响应模拟。静动力试验使用的刚性模型箱和层状剪切模型箱的最大尺寸分别为1.2m×1.0 m×1.0 m和600 mm×350 mm×449 mm。通过饱和砂土地基建筑物震陷试验,初步检验了离心机振动台系统的整体性能。

环境岩土工程研究综述

地下水土环境污染评估、控制及修复已成为我国环保领域的重大需求。利用岩土工程的手段来解决水土环境污染问题是最为经济、最符合国情的途径之一,也是环境岩土工程工作者的优势所在。结合我国水土环境污染控制方面重大需求及现阶段我国迫需解决的环境岩土工程问题来阐述环境岩土工程研究及工程实践进展,主要包括城市固体废弃物可持续填埋处置,废弃泥的工程特性、工程处置及资源化利用,土体和地下水污染评价与防治和土工合成材料在环境岩土工程中应用。

城市固体垃圾填埋场边坡稳定分析

结合某城市固体拉圾填埋场在填埋过程中曾经发生滑坡的工程实例，进行了现场静力触探和室内试验。研究了垃圾填埋体的组成成分、物理性质指标、不固结不排水和固结不排水抗剪强度指标。在此基础上，对实际工程垃圾填埋体的边坡稳定进行计算，分析了填埋体中淋滤液的饱和度、边坡坡角和浸润线埋深对垃圾边坡稳定的影响。