“岩土工程数值方法”课程思政教育探索

课程思政建设不仅是实现“三全育人”的重要环节,也是落实立德树人根本任务的关键所在。针对工科专业课程“岩土工程数值方法”开展课程思政建设进行了初步探索。首先对课程背景、教学内容和课程思政的现状进行了阐述,系统论述了课程思政建设的必要性。然后,从培养使命感和责任感、树立正确的辩证观和人生观、学习人生哲理、培养工程素养等四方面提出了“岩土工程数值方法”课程实施课程思政的策略,并给出了具体的教学案例,为在课堂上有效地实施思想政治教育提供了新的思路,为工科专业课程思政建设提供了参考。

微塑料的老化及其对水环境中抗生素的吸附行为研究进展

微塑料(microplastics,MPs)和抗生素作为新兴污染物,经常在水环境中能被同时检测到,并且水环境中的抗生素也经常在MPs表面被发现。MPs可以通过表面吸附和迁移,吸收、聚集并携带水环境中的各类有机污染物而受到广泛关注。与原始MPs相比,老化后的MPs因粒径变小、比表面积增大,从而吸附位点增多,而具有更强的吸附能力。主要从MPs的环境老化方式、老化后MPs对水环境中各类抗生素的吸附行为展开了综述,总结了老化MPs的老化方法及吸附抗生素的影响因素及吸附机理,并对MPs老化问题及对抗生素的吸附影响提出展望。

全吸力范围红黏土干湿循环土–水特征曲线

采用轴平移法、滤纸法以及饱和盐溶液蒸汽平衡法3种方法相结合,对单峰(泥浆土)和双峰(压实土)孔隙结构的重塑红黏土土样进行了一系列室内试验,研究了全吸力范围内(0~286.7 MPa)孔隙结构和初始孔隙比对土–水特征曲线(SWCC)的影响,分析了干湿循环下两种土的滞回性及体积变化规律。试验结果表明:不论泥浆土还是压实土,初始孔隙比对SWCC的影响均主要体现在低吸力阶段;孔隙结构对SWCC影响显著,压实土和泥浆土的SWCC分别呈现'双台阶'和'单台阶'特征;初始孔隙比相同时,泥浆土的进气值更大,持水性能更好;干湿循环下压实土的滞回性明显小于泥浆土,但泥浆土的体变更大。

砂质黄土土–水特征曲线的试验研究

针对取自浩吉铁路阳城隧道的砂质黄土土样,采用张力计法、滤纸法和露点水势仪(WP4C)法,得到了宽广吸力范围内不同干密度砂质黄土的土–水特征曲线(SWCC)。采用vanGenuchten模型对SWCC试验结果进行拟合,确定其进气值。基于扫描电镜试验,对不同干密度和含水率砂质黄土的微观孔隙结构进行了观测,从宏微观角度分析了不同干密度土样SWCC的初始饱和含水率、失水速率以及进气值的变化规律。试验结果表明:砂质黄土的体积含水率随基质吸力的增加逐渐减小;随着干密度增加,土体内部的孔隙结构由较多的架空孔隙转化为较均匀的中等孔隙,初始饱和含水率和失水速率逐渐降低,进气值逐渐增大。

土力学理论需要发展与变革

土力学经过90多年的发展,已经成为岩土工程中不可缺少的理论分析工具。但土力学目前仍然处于半理论、半经验的状态,其理论预测结果具有非常大的不确定性。如何克服这些不足,使土力学理论不断向前发展和变革,是土力学研究者不可推卸的责任。首先,基于土的易变性与敏感性论证了土是一种非常复杂的、难以用简单的一、两个变量进行精确定量描述的材料;其次,揭示了土力学目前是一种简化的理论,忽略了很多影响因素,难以描述土的复杂性质,由此产生了非常大的不确定性;第三,指出有效应力原理实质上是一种等效的近似方法,并就有效应力的定义、表述、理解和作用及其局限性进行了研究和探讨;最后,针对土力学目前存在的不足以及发展、变革的需求,提出了建立考虑多因素相互作用和影响的土力学理论的观点,提倡用多个因素（或多场）作用的观点研究和描述土的性质和行为。

有砟轨道路基翻浆冒泥模型试验系统的研发与应用

为研究既有线有砟轨道路基的翻浆冒泥机理,自主研发了一套能够模拟循环荷载–湿化耦合作用的模型试验系统。模型试样直径500 mm,由厚度分别为350 mm的路基土和200 mm的道砟组成,整个试样在高强度透明有机玻璃模型筒中制备完成。模型试验系统配备有监测荷载、位移、体积含水率和孔隙水压力的4种传感器,并通过高清相机对颗粒迁移过程进行图像捕捉。基于所研发的试验系统,针对辛泰铁路典型翻浆冒泥病害路段土样,开展翻浆冒泥模型试验。试验结果表明:动孔隙水压力是导致翻浆冒泥病害产生的关键因素。随着体积含水率的增加,动孔隙水压力引起的颗粒迁移量逐渐增加;在饱和状态下,会引起大量颗粒迁移,翻浆冒泥现象显著。试验结束时,道砟污染指数达到25%,在实际工程中已严重影响铁路的正常运营,有必要对污染道砟进行换填。

全吸力范围的盐渍土持水特性的试验研究

盐渍土中含有大量易溶盐,含水率和吸力变化对其工程性质产生重要影响。现有针对盐渍土持水特性的研究较少,尚未得到全吸力范围内统一、明确的土-水特征曲线试验觃律。采用压力板法、蒸汽平衡法和冷镜露点法3种方法测量盐渍土的基质吸力和总吸力,并通过试验手段探究压实度和含盐量对盐渍土持水特性的影响觃律。试验结果表明:在低吸力阶段,随着压实度的增加,土样的饱和体积含水率降低,进气值提高;持水能力随着压实度和孔隙溶液浓度的增加而提高,并且低压实度时孔隙溶液浓度对基质吸力影响明显。在高吸力阶段,含盐量较高时压实度对土样土-水特征曲线的影响明显,并且土体的持水能力随含盐量增加而增强。

双孔结构非饱和压实土微观结构演化模型

在最优含水率干侧压实的黏土一般具有明显的双孔结构,其集聚体间孔隙(又称宏观孔隙)和集聚体内孔隙(又称微观孔隙)对土体宏观水力和力学特性影响差异显著,同时,水-力耦合作用下两种孔隙的演化规律也存在明显不同。双孔结构非饱和土对应的孔径分布函数为双峰孔径分布形式,该分布函数可通过叠加宏观孔隙和微观孔隙的单峰孔径分布曲线得到,并通过平移量、缩放量和分散度3个演化参数对双孔结构土的孔隙演化规律进行描述。通过构建在力学及水力加、卸载过程中演化参数与孔隙比之间的关系,提出了适用于描述变吸力下非饱和压实土的微观结构演化模型。分别基于所开展的桂林红黏土压汞试验数据和文献中的米尼亚卢博瓦膨胀土试验数据,对所建立的微观结构演化模型进行参数标定,并通过模型预测结果与试验结果的对比,验证了所建立模型的适用性。

非饱和土热–水–力全耦合本构模型及其验证

在地热资源开发与利用、核废料地质处理、垃圾填埋场等诸多岩土工程领域都需要考虑温度对非饱和土性质的影响。为了更为全面描述非饱和土在热–水–力耦合条件下的变形及持水特性,以平均土骨架应力、修正吸力和温度为应力变量,以比体积和饱和度为应变变量,建立了一个非饱和土热–水–力全耦合本构模型。模型通过屈服面方程及屈服面之间的耦合规律来反映热–水–力之间的相互影响,主要包含温度和饱和度对力学特性的影响,吸力和超固结比(应力历史)对热变形的影响,密度、温度和滞回效应对持水特性的影响,温度、应力和滞回效应对干化及湿化变形的影响。利用建立的模型,对不同应力路径下的试验进行预测。通过预测与试验结果的对比,验证了模型的适用性。

考虑微观孔隙结构的非饱和土水–力耦合本构模型

非饱和土在应力和水力路径的作用下均会产生微观孔隙结构的变化,同时,不同的孔隙类型和结构也会对非饱和土宏观水力、力学特性产生不同的影响,尤其是在膨胀土、压实黏土等双孔结构土中,这种影响尤为显著。以Wheeler建立的非饱和土水–力全耦合模型（GCM）为理论框架,引入有效饱和度来描述土体内部宏观和微观孔隙对水–力特性的不同影响,提出考虑孔隙结构影响的Bishop有效应力表达式,建立了各向等压状态下考虑微观结构的非饱和土水–力耦合本构模型,并实现了模型的预测功能。通过与非饱和土等向压缩试验结果的对比,初步验证了所建立模型的合理性和有效性。

考虑颗粒黏结效应的非饱和土水-力耦合边界面模型

颗粒间黏结效应对非饱和土水-力耦合特性影响显著,建立考虑黏结效应的非饱和土本构模型,对于准确分析非饱和土的水-力耦合特性具有重要意义。在边界面塑性理论框架下,建立了一个同时考虑基质吸力、饱和度和孔隙结构对黏结效应影响的非饱和土水-力耦合模型。对于力学部分,选取有效应力与黏结变量作为本构变量,建立了黏结变量与e/es之间的关系,并基于边界面塑性理论对非饱和土变形特性进行描述;对于水力部分,建立了考虑变形影响的水力滞后土-水特征曲线方程。利用膨润土-高岭土混合土、重塑高岭土的试验结果对所建立的模型进行了参数标定和模型验证,结果表明,所建立模型能够合理预测非饱和土的水-力耦合特性。

一个统一描述饱和-非饱和土温度效应的热-弹塑性本构模型

地热资源开发与利用及核废料地质处理等诸多岩土工程问题,都需要考虑温度对饱和土和非饱和土应力、应变特性的影响。为了综合反映温度和吸力对土的先期固结压力的影响,提出了不同温度下土的先期固结压力的表达式。将此表达式与黏土–砂土统一状态参数模型屈服面相结合,考虑了温度和吸力对正常固结线及临界状态线的影响,提出了一个统一描述饱和–非饱和土温度效应的热–弹塑性本构模型。该模型分为饱和段(吸力小于某一温度下的进气值或排气值)与非饱和段(吸力大于某一温度下的进气值或排气值)。模型预测与试验数据的对比表明,该模型能够较好地定量描述不同温度下饱和土和非饱和土的应力、应变特性。

适用于弹黏塑性本构模型的修正切面算法

针对弹黏塑性本构模型将原始切面算法进行了修正。该弹黏塑性本构模型结合了修正剑桥模型和过应力理论。首先对弹黏塑性本构模型的应力–应变关系式进行了调整,基于过应力理论给出了动态加载面硬化参数的演化方程。其次,利用切面算法对整理后应力–应变关系式进行了数值实现。在弹性试算过程中,该算法假设黏塑性应变率为常数,以此确保时间增量引起的当前应力点与动态加载面间的偏离。在塑性修正过程中,对动态加载面函数进行泰勒级数展开,依此获得黏塑性应变率增量。再次,提出了一种自动分步方法,有效地稳定了大应变步情况下算法的计算精度和收敛性。最后,对变应变率的固结试验和三轴剪切不排水试验进行了模拟,分析了修正切面算法的计算能力。

含水率对砂质Q3黄土抗剪强度影响的试验研究

实际工程中,含水率对土的抗剪强度影响较大,探究含水率对非饱和黄土抗剪强度的作用对于工程的安全十分重要。对不同含水率、不同干密度的非饱和黄土试样进行直剪试验以研究非饱和黄土的抗剪强度,并采用露点水势仪与滤纸法相结合的方法测定非饱和黄土的土–水特征曲线。结合对非饱和黄土的微观结构的研究,分析含水率对微观结构的影响。试验结果表明:随着含水率的增加,土的抗剪强度降低,含水率的增加降低了土的黏聚力,也降低了内摩擦角,但对内摩擦角的影响较小。在此基础上,根据试验结果分析含水率与非饱和土抗剪强度指标之间存在的函数关系,再通过分析土–水特征曲线中含水率与基质吸力的函数关系,建立了以基质吸力为变量的抗剪强度公式。

高等土力学课程教学改革与实践

高等土力学作为岩土工程、隧道与地下工程等专业的必修课程,是一门富含理论又具有工程属性的课程。文章结合北京交通大学岩土工程专业研究生高等土力学教学的实际情况,在分析岩土工程专业、高等土力学课程教学主要特点的基础上,从课程设置、教学方法、课程实践等方面探讨了存在的问题。依据人才培养的目标,从课程资源、教学思路、教学评价方法等方面提出了今后研究生高等土力学课程教学改革的思路和指导思想。

考虑抗拉强度剪断的非饱和土无限边坡稳定性分析

基于Fredlund强度理论提出了抗拉强度包线部分截断的非饱和土非线性强度准则(C-F准则)。该准则允许土体破坏过程中产生剪切破碎。然后建立无限边坡在稳定渗流作用下,考虑抗拉强度部分剪断的无限边坡稳定性分析方法框架,给出非线性强度包线下安全系数的求解方法。该方法可以考虑抗拉强度部分剪断和渗流作用对边坡稳定性的影响规律。分析结果表明,C-F准则较Fredlund强度准则所得安全系数会有降低,对渗流高陡非饱和土边坡稳定性分析的影响会更加显著。

非饱和土的峰值强度特性及破坏包线模型

针对非饱和压实土,在不同含水率下,通过三轴压缩试验及抗拉强度试验,研究了非饱和土的峰值破坏点及破坏包线。基于试验结果,讨论了非饱和土破坏包线模型的构成方法。首先,按照土体的破坏模式,破坏包线可表征为两段Mohr–Coulomb型直线。其次,非饱和状态对峰值强度的影响主要表现为剪胀作用和颗粒间作用力两方面,按照非饱和时峰值强度的主要组成部分及其表示方法,给出了黏聚力–剪胀作用型和颗粒间作用力–剪胀作用型两种物理意义明确的曲线型破坏包线。基于分段线性破坏包线,讨论了曲线型破坏包线参数的确定方法。最后,给出并分析了非饱和时不同含水率下土体的破坏包线及其变化特性。

改进屈服面和旋转硬化准则的各向异性黏土弹塑性模型

基于临界状态理论和旋转硬化法则提出了改进的各向异性模型。首先从恒定应力比加载试验结果出发,采用对数型插值函数描述土体的变形特性,通过增加参数n,推导出可以呈现多种形状的各向异性土屈服面表达式。屈服面在n>1,n<1和n=1时分别呈现泪滴形、子弹头形和椭圆形。然后提出了恒定应力比加载时旋转硬化法则边界值表达式,在各向同性和临界状态下,该表达式的值最终为0。该模型在n=1且不考虑屈服面旋转时,可以退化为经典的修正剑桥模型。最后运用显示积分算法实现模型的数值化,并采用恒定应力比加载试验、变换应力路径试验、排水三轴压缩试验、不排水三轴压缩试验和不排水三轴伸长试验对模型进行验证。结果表明,所提出的各向异性模型能较准确地描述黏性土在一系列应力路径下的体积变形特性、剪切特性和强度特性。

一种凸极式永磁同步电机闭环MTPA控制策略研究

针对基速以下时采用最大转矩电流比控制的闭环矢量控制系统中,当给定转矩或负载转矩突变时,因电流调节器饱和而导致电机动态跟踪过程中实际工作状态脱离MTPA的问题,对凸极式永磁同步电机的MTPA控制、控制器饱和限幅等方面进行了研究。提出了一种d轴电流环优先响应的控制器限幅策略,以优化系统动态跟踪过程中的电流跟踪轨迹提升稳定性;在此基础上,提出了一种采用q轴反馈电流在线修正d轴给定电流的闭环MTPA控制策略;利用Matlab/Simulink搭建了系统仿真模型,并利用基于TMS320F28335的电机控制系统对闭环MTPA控制策略进行了实验研究。研究结果表明:该控制策略在转矩突变时,d轴给定电流可以实时修正,并迅速跟踪,维持电机在动态跟踪过程中实际电流矢量在MTPA附近。

食品搬运机器人工作空间仿真与轨迹规划

目的:提高食品搬运机器人连续平稳运动时对轨迹插值点位的追踪控制能力。方法:分析食品搬运机器人的组成结构,建立运动学模型并通过MATLAB进行验证,对机器人工作空间进行建模求解,给出食品搬运台的合理布置位置;结合食品搬运任务要求,提出3段五次多项式插值方法对机器人末端轨迹进行规划,通过MATLAB仿真计算与采集试验数据进行验证。结果:食品搬运台的合理布置空间为z>0 mm且200 mm<r<500 mm的区域,3段五次多项式轨迹规划的方法可以使机器人平稳地执行食品搬运任务,提高了对机器人运动过程中的点位、速度、加速度的准确控制。结论:3段五次多项式轨迹规划的方法对于机器人执行食品搬运任务是有效的。