极端天气下轨道交通水害致灾因子时空分布特征

近年来,在与气候变化相关的多种极端天气因素的相互作用下,洪涝事件对城市及轨道交通系统造成了严重影响。以粤港澳大湾区典型沿海城市洪涝事件为例,研究了轨道交通水害的主要致灾因子(极端降雨和台风风暴潮)及相关特征参数,揭示了其时空分布特征。研究表明:①近年来,广州市降雨量、降雨强度均明显增加,但降雨历时减少,降雨整体呈现增多且趋于集中的极端化趋势。广州市降雨时间分布在年内存在两个极值区间,第一极值区间与广州市“龙舟水”相关,第二极值区间主要受台风影响。广州市降雨空间分布不均,主要受季风及地理位置影响。②近10 a影响广东省的29场台风风暴潮灾害集中发生在7~10月,该时间与降雨第二极值区间重合。在对近年广东省典型轨道交通水害事件进行总结后发现,水害高发期与两个极值区间重合。虽然广东省台风强度存在缓慢降低趋势,但由于广东省沿海城市遭受台风风暴潮灾害的频次不断上升,且粤中地区密集分布有广东省全部的地下轨道交通系统,未来广东省轨道交通系统水害风险将随着极端天气时空分布特征的变化进一步加大。研究成果可为未来城市轨道交通水害致灾特征研究提供依据,为城市防灾减灾提供参考。

侧限条件下钙质砂颗粒破碎与蠕变特征

通过侧限条件下的蠕变试验,基于近景摄影测量技术对试验过程的动态捕捉,探讨了钙质砂的颗粒破碎与蠕变特征。侧限条件下,钙质砂的蠕变随时间的增加而增加,蠕变变形与时间关系符合Burgers模型,蠕变变形可分为减速蠕变阶段和稳态蠕变阶段,即,蠕变速率随时间增加先减小,后稳定。钙质砂的蠕变特性受应力条件和粒径影响。轴向应力越大,蠕变速率和蠕变量越大;低应力下,蠕变量随粒径增大而减小;高应力下,受颗粒破碎的影响,钙质砂的蠕变以及蠕变速率均随粒径增大而增大。与硅质砂相比,钙质砂的蠕变在较低应力(≤0.1 MPa)时,由于钙质砂具有多棱角特性,颗粒间嵌固力较大,限制颗粒间位移产生,蠕变较小;随着应力增大,钙质砂开始产生颗粒破碎,增加了钙质砂试样变形,蠕变逐渐显著并超过硅质砂的蠕变。钙质砂的颗粒破碎特性随粒径和应力增大而增大,其中粒径>5 mm的试样在竖向应力0.7 MPa附近开始破碎;蠕变过程中的试样变形由完整颗粒和破碎后的颗粒沿裂隙和内外孔隙移动提供。

剪切过程中钙质砂的颗粒破碎与能量演化

颗粒破碎是影响钙质砂宏观力学变形特征的重要因素,亦会导致微观上的能量耗散机制发生改变。为研究剪切过程中钙质砂的颗粒破碎与能量演化的关系,本文基于PFC2D软件,建立考虑了颗粒破碎的钙质砂离散元模型进行剪切试验模拟,阐释剪切过程中钙质砂的颗粒破碎与能量演化的关系。结果表明,在整个剪切过程中钙质砂颗粒持续破碎,但随着剪切的进行产生同样的破碎将需要更大的输入功,颗粒破碎逐渐集中于剪切带内,破碎率的增加会分散颗粒破碎带的集中程度。摩擦耗能在整个剪切过程中起主要作用,颗粒破碎不仅影响应变能的积累,亦对摩擦耗能的分布产生影响,低破碎率钙质砂摩擦能主要由剪切带内颗粒重排产生,高破碎率钙质砂颗粒破碎产生子颗粒的运动提供了摩擦耗散。能量的变化亦与宏观应力应变的发展相对应,破碎能量的增加使得应变能减少,颗粒运动跃迁的能量减少,最终密砂的剪切响应向松砂转变。

侧限条件下密实砂土蠕变的颗粒运动特征

任何构筑物长久安全稳定的重要性使得土的时间效应成为该领域学者最为关心的问题之一。基于3D打印杆件的等效砂土颗粒,通过侧限条件下的蠕变试验,采用近景摄影测量与粒子图像测速(particle image velocimetry,简称PIV)技术,从单颗粒运动与颗粒间接触运动的角度出发,探究密实砂土蠕变的内部颗粒运动特征及其与宏观蠕变变形的关系。试验结果表明,3D打印杆件能够很好地反映密实砂土蠕变的宏观变形特性,侧限条件下蠕变变形随时间的增加而增加,随蠕变应力的增加而减小,蠕变变形呈现出蠕变速率减小并趋于稳定的初始蠕变阶段与稳态蠕变阶段。其原因为蠕变最初阶段颗粒整体向下平动,并发生较大转动,颗粒间孔隙明显减小,蠕变变形主要由颗粒间孔隙的压密提供;而后颗粒间孔隙减小不明显,趋于稳定,颗粒发生不规则方向平动,蠕变变形主要由局部的颗粒位置调整与重排列控制,揭示了宏观的蠕变变形与微观的颗粒平动变化有着密切联系。颗粒间的接触运动随着蠕变时间的增加而明显增大。蠕变过程中,接触滚动和接触滑动同时发生,并逐渐集中在某些易发生移动的接触点上。强运动接触点的平均滑动距离与平均滚动距离存在着良好的线性关系,随着时间的增加,平均滑动距离逐渐大于平均滚动距离,表明颗粒间滑动产生体积收缩,控制宏观蠕变变形。

钙质砂压缩过程中颗粒破碎的细观特征

本文采用自设计的透明模型箱,通过侧限压缩试验,结合近景摄影测量技术,探究了钙质砂的压缩与颗粒破碎特征。试验表明,钙质砂的压缩变形可以分为三个阶段:低应力下的初始压密阶段,变形以颗粒位置调整使得颗粒间孔隙被压缩为主;中等应力下的研磨和棱角破裂阶段,变形以颗粒研磨和棱角破裂的破碎模式为主,一定程度上破坏了钙质砂颗粒间的咬合力和摩擦强度,使得变形进一步发生;高应力下的整体破碎阶段,钙质砂颗粒以整体破碎的模式主导钙质砂试样的变形,钙质砂颗粒整体破裂成大量的小颗粒,钙质砂内孔隙被大量释放,钙质砂试样进一步被压密。不同粒径的钙质砂压缩破碎的模式不同,在试验应力条件下(σ;<6 MPa),粒径大于5 mm的钙质砂试样压缩过程中会经历上述完整的三个阶段。