冻结土壤温度场数值模拟的改进

针对土壤冻结过程的数值分析,基于显热容法用有限差分法构造出热传导方程变空间步长的半隐格式和全隐格式.结合实例分析了FEM和FDM方法造成的'相变遗漏',提出一种自调节时间步长、半隐和全隐格式交替使用的方法,使模型求解迭代大为简化,有效避免了'相变遗漏'引起的温度场分析误差.该方法能够较为精确求解冻土温度场,是对传统方法的有效改进,也为土体冻结及冻胀融沉过程的精确分析创造了条件.

立井井筒地层注浆加固实测数据分析

针对某矿地层注浆治理立井井壁破裂工程期间获得的大量实测数据,分析处理得出相应无量纲影响因子以及任意注浆段注浆活动对井壁中任意监测点竖向应变改变量的影响关系式。结果表明,注浆孔位与监测点的空间相对位置、注浆压力及注浆量对监测点的竖向应变改变量的影响均属非线性,其中竖向相对位置影响较为显著。

高应力水平下深部黏土力学特性微观分析

深部黏土在不同应力水平作用下会表现出不同的力学特性,已有试验结果表明高应力水平下正常固结饱和深部黏土的压缩指数和内摩擦角均小于中常压下相应值。为揭示深部黏土力学性质发生上述变化的内在机理,首先利用现有基于双电层理论推算高压黏土压缩曲线的计算方法对试验结果进行验证计算,发现其低估了深部黏土在高压下的压缩性,分析表明原有的两黏土薄片中点无量纲势函数与黏土薄片无量纲距离参数的对数假设关系存在不合理之处,利用新提出的假设以及相应的计算方法获得的预测计算结果能够很好地与试验结果相吻合。然后利用弹性黏着摩擦理论对内摩擦角随应力水平变化进行了计算分析,结果表明在0.2 MPa作用下土的摩擦系数是1.6 MPa相应值的2倍,与实测结果基本一致。

基于水动力学模型冻土冻胀数值模拟的改进

基于水动力学冻胀模型,对变化的边界条件下土体的冻胀量进行了大量计算．结果表明:由于水动力模型的控制方程中耦合源项在计算遣代步之内总是被不合理地估算,易于产生数值振荡以致整个计算难以收敛;利用土壤冻结特性曲线及计算出的负温和未冻水含量之间的特定关系,可以明确判断出迭代步计算所得耦合源项变化是偏大或偏小．据此,本文提出在迭代步内直接对含冰量变化进行合理修正的改进算法,并编制了基于有限体积法的自调节时间步长计算程序,该算法能够加速收敛、消除数值振荡,且与实测结果相当吻合,适用于复杂多变边界条件下土体的冻胀计算．

重塑黏土的高压次固结特性初探

利用自行研制的高压固结试验系统,对重塑黏土试样进行了竖向压力从0.25 MPa到12.00 MPa的一维固结试验;并利用三轴设备对该土样进行了0.3~2.5 MPa的等向固结试验。试验结果表明:一维固结试验获得的各级压力固结曲线均有明显的次固结阶段,重塑黏土的次固结系数随竖向压力增大而非线性变化;具体而言,当固结压力小于2 MPa,次固结系数随竖向压力增大而显著减小,当固结压力大于2 MPa后,次固结系数则几乎不变;等向固结试验获得的次固结系数则远小于一维固结试验获得的相应值,其随固结压力的变化规律也与一维固结不同。此外,从微观角度对试验结果进行的分析表明,高压下黏土次固结变形的物理机制不同于低压。即低压下黏土次固结变形的主因是颗粒间的相对滑移,而高压下则是结合水膜的蠕变;而且低压下偏应力对次固结变形有控制性影响,但高压下其影响很小。

一种易于产生冻胀的冻结模式

选取青藏铁路沿线粉质黏土,进行了一维土样在连续、分步两种不同冻结模式下的冻胀响应试验和数值模拟研究,得到并分析其温度梯度场及土样冻胀量的演变规律。结果表明,与连续冻结模式相比,分步冻结模式更易产生较大冻胀量,其机制主要在于该冻结模式使得冻结缘内温度梯度较大。

考虑黏土特性的离散元程序开发

黏土的宏观力学性质与其微观结构密切关联,而离散单元法是研究岩土材料力学行为宏微观联系的重要工具。但是目前绝大多数离散元程序主要针对无黏性颗粒土而开发,能用于黏土研究的离散元程序十分少见。介绍了自主开发的考虑黏土颗粒的薄板形状以及颗粒间复杂物理-化学作用力的黏土离散元模拟程序,以及程序中碰撞检测和颗粒间双电层斥力、范德华力以及Born斥力的计算模块。最后,给出了一个基于该程序的简单模拟实例,初步验证了其合理性。

高压下饱和黏土B系数研究

为了对高压与常压固结后饱和黏土B系数之间存在差异性与否,及其影响因素展开研究,利用GDS三轴试验机开展了固结压力为2 MPa的饱和黏土等向固结试验,其中特别设计进行了高压固结前后的B系数检测试验。试验结果表明:"饱和"黏土高压固结B系数明显小于1的原因在于试样无法达到饱和度100%的理想饱和状态,而并非先前研究报道的高压固结后黏土样内孔隙水以物理性质明显不同于自由水的结合水为主。另外,饱和黏土高压固结过程中,孔压完全消散明显滞后于常规体积变形–时间对数曲线上主固结完成点的出现;高压固结后饱和黏土B系数达到稳定的时间明显长于常压相应值。

承台宽度对疏桩复合基础影响的数值模拟

疏桩是一种新兴的桩基形式,影响疏桩承载性状的因素很多。工程设计中承台宽度是一项重要的因素。通过ANSYS数值模拟,计算了薄软土层条件下承台宽度在0.5～3.0m范围内变化时,疏桩复合基础承载性能的差别,桩和土承载性能的分担比等,得出合理的承台宽度值。

条基-疏桩现场实测试验研究

条基-疏桩复合基础是一种新型的桩基形式,介绍了其在某住宅小区的应用,阐述了试验模型、加载系统及测试系统的设计,通过有说明力的现场实测数据分析了条基-疏桩的承载性能,研究了条基-疏桩复合基础的荷载-位移性状、条基的位移及应力性状、桩的轴力分布以及条基-疏桩的荷载分担比。为疏桩的理论研究和设计工作提供了实测对比资料。

土力学本科教学有限元仿真软件的开发与应用

土力学课程具有理论与实践并重的特点。然而由于教学条件的限制,目前无法实践土力学教学中诸如平板载荷试验等重要内容,因此难以达到理想的教学效果。文章基于有限元方法开发了适用于本科土力学教学的虚拟仿真软件,学生利用其能够进行平板载荷试验以及不同排水条件下的三轴剪切试验等。教学实践表明,该软件可以补充本科土力学实践教学的资源,达到了工程专业教育中以虚补实的目的。

土力学课程有限元软件的优化与应用

为了弥补当前土力学课程实践教学环节的不足,在前期开发的土力学教学有限元仿真软件基础上,新增了三个计算模块,使得该软件涵盖了平板载荷试验、三轴试验、恒定渗流、简单边坡稳定性和挡墙土压力分析等土力学课程中所有重要问题的分析。另外,在每个仿真模块中添加了关于该模块的土力学原理、有限元基本理论和实现方法,以及模型计算参数的含义与经验取值范围的介绍,提高了软件的易用性。优化后的软件涵盖内容全面,具有更好的容错性和易用性,能够服务于土力学课程的本科教学,达到以"虚"补"实",激发学生学习兴趣和提高学生学习能力的目的。

深部黏土的土力学内涵及关键试验技术初探

深部黏土地层是深部岩土工程中的常见土层,然而目前对其力学性质的认识尚落后于工程实践。首先通过与浅部硬黏土、浅部非硬质黏土等工程概念的对比分析,表明深部黏土具有独特的土力学内涵,即处于高压工况的饱和正常高压固结硬黏土,同时指出了无论是非硬质正常固结黏土或者是硬质的严重超固结黏土,其相关理论并不适合于少量已获得的正常高压固结硬黏土的力学性质;其次介绍了系统开展正常高压固结黏土力学试验的技术瓶颈在于高压固结阶段的严重耗时特点,分析了将高压固结阶段与后续剪切阶段分开进行的必要性;最后介绍了用于批量制备高压固结黏土试样的大尺寸高压固结试验系统的研制与初步应用实例。

土力学课程教学中平面试验台的研制与应用

土力学课程具有理论与实践并重的特点,其核心教学内容譬如地基承载力理论通常采用与工程实际并不一致的假设。然而由于教学条件的限制,该课程类似教学内容无法得以实践,教学效果也就难以保证。为了弥补这一不足,文章介绍了适用于本科土力学课程教学的平面综合试验台的研制与应用。利用该试验台,可以完成对包括地基承载力、土压力和边坡等重要土力学问题的模拟研究。实践表明,该试验台具有传统教学无法替代的功能。

变冷端温度的人工冻土冻结试验研究

针对人工冻土边界温度变化迅速的特点展开了变冷端温度的人工冻结试验研究,结果表明采用的试验方法可以较好地控制人工冻土冷端边界温度和土样的初始温度场,这为冻土试验的可重复性提供了保证。

裂缝封堵层结构形成与演化机制

采用耦合计算流体力学-离散元(CFD-DEM)方法模拟了裂缝封堵层结构形成过程,采用自主研制的表征封堵层细观力链网络的光弹实验系统模拟了裂缝封堵层结构承压演化过程,揭示了裂缝封堵层结构形成与演化机制,形成了堵漏材料优选与堵漏配方设计新方法,为提高裂缝性储集层漏失控制效果提供理论依据。CFD-DEM模拟结果表明,架桥概率是决定封堵层结构形成和裂缝封堵效率的关键因素。提出了临界架桥与绝对架桥加量指标,作为架桥材料加量设计的依据。随着绝对架桥加量的增加,架桥模式由材料粒径主导向粒径-摩擦力共同主导转变。光弹实验结果表明,细观力链网络是裂缝封堵层结构承压演化的内在机制并决定宏观封堵层强度,堵漏材料性能参数影响力链网络结构和强力链占比,进而影响封堵层承压稳定性。根据研究结果优选了新型高封堵强滞留堵漏材料、优化了堵漏配方,室内裂缝封堵实验结果表明可有效提高裂缝封堵效率与封堵强度。

图像处理技术在分凝冰演化规律研究中的应用

通过一维开放系统的不同温度梯度人工冻土连续冻结试验,采用动态图像采集和数字分析技术,实现了在冻结过程中获取的分凝冰生长信息在空间和时间分布上的一致性。根据试验中获得的即时图像信息,经过二值化处理后,可以定量的确定分凝冰形成的时间、位置、厚度及发展规律等主要信息。结果表明,图像分析获得的分凝冰厚度与位移计测得的冻胀量基本吻合,分凝冰演化过程可以划分为3个主要阶段:初始阶段几乎不产生分凝冰;第二阶段冻结锋面推进速度减缓,分凝冰以不连续薄冰层形式少量出现;第三阶段冻结锋面趋于稳定,分凝冰的产生主要为末透镜体的生长。在连续冻结试验中,温度梯度与末透镜体的形成时间近似成线性关系,温度梯度越大,出现末透镜体的时间越早。

钠蒙脱土晶层间水分子结构分子动力学模拟

对晶层间不同含水量的蒙脱土-水-离子体系以及NaCl水溶液进行分子动力学模拟,并比较了矿物晶层间水分子及离子特性与水溶液中的差别。模拟结果表明:层间补偿阳离子受蒙脱矿物同晶置换位置影响,而层间水分子则与四面体氧原子形成氢键配位,沿矿物表面定向排列;层间水分子及离子受黏土矿物几何限制及表面电荷的影响,其沿zz方向的扩散系数很小,且总扩散系数也要小于NaCl水溶液;层间水分子中氢、氧原子间及其与钠离子间的径向分布函数峰值强度要高于水溶液,也说明了晶层间水的聚合程度更高。以上结果定量描绘了晶层间水分子的结构形态,同时也充分说明了晶层间水分子的结构明显不同于自由水,为下一步研究黏土的高压力学特性奠定了基础。

深厚表土层非均质冻结壁黏弹性分析

建立了符合深厚表土层多圈管冻结凿井的非均质冻结壁力学模型。基于黏弹性理论和Newton-Cotes数值积分法,推导了非均质冻结壁应力场和位移半解析表达式,并对非均质和均质冻结壁进行验算。结果表明,非均质和均质冻结壁径向应力分布规律基本一致,径向应力绝对值由内到外非线性增加;均质冻结壁环向应力绝对值由内到外非线性减小,非均质冻结壁环向应力在内外圈冻结管圈径处会形成明显突变点;非均质和均质冻结壁径向位移由内到外均非线性衰减;井帮径向蠕变位移速率随时间增加呈先快后慢趋势,并逐渐趋于稳定;同一时刻相同位置处,非均质冻结壁径向蠕变位移比均质冻结壁大。

基于Weibull分布的土-结构接触面统计损伤软化本构模型

以法向应力为0.8-1.0 MPa条件下的土-结构接触面剪切力学特性及变形性态为依据,从土-结构接触面抗剪强度的随机性出发,将接触面上的整体剪切破坏视为有限个微元的剪切破坏的组合,提出了基于平面应变条件下Mohr-Coulomb屈服准则的土-结构接触面微元强度表达式,在假定微元强度或微元破坏服从双参数Weibull分布的基础上,建立了土-结构接触面统计损伤软化本构模型.结果表明,模型能够较好地反映土-结构接触面变形破坏的全过程,尤其是剪切过程中所表现出的应变软化特性,其模拟与试验结果曲线的相关系数达0.99以上.