墙顶支撑对开挖前抽水引发基坑变形控制效果研究

基坑内抽水可诱发基坑围挡向坑内偏转并进而导致坑外土体随动沉降;在基坑土方开挖前,由于基坑内的支撑体系尚不能被完整架设,仅坑内土体可起到约束围挡变形的作用,此时,坑内抽水引起的围挡偏转十分明显。本文系统研究了围挡顶部支撑对土方开挖前抽水引发基坑变形的控制效果,首先通过抽水试验探究了坑内外强水力连通时墙顶支撑对抽水引发基坑变形的影响,并建立了三维数值计算模型,研究了若干典型参数(如,坑内降水深度等)对围挡顶部支撑控制基坑变形效果的影响。研究发现,围挡顶部支撑仅能有效限制浅埋范围内的围挡侧移(本文约埋深11 m范围内),对深埋位置围挡侧移的限制效果十分有限,且随着降水深度的增加,变形控制效果越弱;对于开挖前抽水深度较大的工程,仅采用围挡顶部设置支撑的方法可能无法有效限制围挡侧移的发展;另外,围挡顶部支撑仅能有效限制基坑围挡后方一定范围内(本文约10 m)的地表沉降,且当坑内外有水力联系时,由于坑外水位下降是引起地面沉降的主导因素,围挡顶部支撑并不能明显体现限制坑外最大地面沉降的作用,此时,应结合坑外地下水回灌进行沉降控制。

邻近深埋地铁车站水-土阻隔效应及其对基坑抽水致沉的影响

既有地下结构会阻隔地下水渗流(阻水效应)和其周边土体运动(阻土效应),使得该条件下的基坑抽水致沉规律与无邻近地下阻隔时不同。以实际基坑抽水试验为工程依托,以基坑外既有地铁车站结构的水−土阻隔效应为例,通过建立不同车站位置、车站埋深及基坑抽水强度的系列三维数值仿真模型来研究不同水−土阻隔效应条件下的基坑抽水致沉规律。研究表明:当基坑外存在车站结构时,基坑抽水沉陷被加剧或被限制,这取决于阻水和阻土效应孰强孰弱,而车站与基坑间距D的远近将决定阻水和阻土效应的相对强弱,进而决定基坑抽水沉陷是被加剧还是被限制;车站埋深H只会单一影响阻水或阻土效应的发挥强度,不会决定阻水和阻土效应谁起主导作用。工程中应针对基坑外邻近车站的具体位置和埋深考虑其水−土阻隔效应的影响,从而更准确地评估该条件下的抽水致沉规律。

开挖前抽水条件下基坑围挡两侧非极限土压力计算模型

基坑开挖前的坑内抽水可引起围挡发生厘米级的侧移,但现行基坑设计理论仅提出了基于弹性支点法的土方开挖诱发围挡受力变形的计算方法,却并未提出如何计算基坑开挖前抽水引起的围挡侧移。若要沿用弹性支点法进行抽水侧移的计算,则如何确定抽水过程中围挡两侧土压力分布成为关键。为了提出基坑开挖前抽水条件下围挡两侧土压力的计算模型,首先提出了基坑开挖前抽水过程中围挡两侧土体受扰动区形态与范围;然后探明了扰动区内土体应变分布规律并提出土体应变分布模式;进一步地,建立了土体应变与围挡侧移的数学方程,并结合土体应力−应变方程最终构建了开挖前抽水条件下考虑基坑围挡侧移影响的土压力计算模型。所提出的土压力模型能够反映基坑开挖前抽水过程中围挡侧移对土压力的非线性影响,公式形式简单,参数取值方便,可为后续预测抽水引起的基坑围挡侧移提供重要基础。

钠冷快堆关键热工水力问题研究现状及展望

钠冷快堆因其高热效率、高燃料利用率和固有安全性,以及能够实现闭式燃料循环以减少长寿命放射性废物的独特优势,被认为是第四代核能系统的首选堆型,也是目前国际核能领域的研究热点。本文概述了国际钠冷快堆及热工水力领域的发展历程和未来方向,并指出了当前钠冷快堆热工水力领域发展所面临的主要问题。结合我国的发展现状和挑战,本文针对热工水力研究领域的三个关键核心方面进行了深入分析:冷却剂钠的流动换热特性、堆芯热工水力分析方法,以及自然循环余热排出的设计与验证。总结了国际范围内的研究成果,分析了遇到的技术挑战和未来研究的发展趋势,并探讨了我国在这些领域的研究现状及未来的研究方向。这些分析和总结旨在为中国钠冷快堆技术在提高安全性和经济性方面的技术挑战提供指导,同时也为未来钠冷快堆的热工水力设计和优化提供重要的参考依据,以推动我国钠冷快堆技术的进一步发展。

池式钠冷快堆堆内自然循环余热排出设计研究

基于装量功率比约为1 t/MW的较典型池式钠冷大功率快堆的堆内自然循环设计,采用ERAC程序,对两组4种不同事故余热排出系统(DHRS)输入条件下,反应堆在紧急停堆后堆内的自然循环余热排出特性进行分析。结果表明,从DHRS启用到其对堆芯产生显著冷却效应,需要较长时间,在千秒量级。在该段时间内,堆芯余热的排出依靠反应堆固有的热工流体安全特性。随后,在堆内关键温度上升到限值之前启用DHRS带出池内热量,使堆内关键温度处于下降趋势即可满足安全要求;相比将独立热交换器(DHX)布置在冷池,将其布置在热池时,热池温度及主容器壁温相对要低,这有利于主容器的温度控制,其效果要优于布置于冷池。另外,不同布置会对堆芯盒内、盒间流流量产生影响,但总体上对堆芯的冷却效应影响不大;池式钠冷快堆余热排出设计中,要充分利用固有热工流体安全特性,降低对DHRS的时效性要求。可以考虑将全部的DHX都布置在热池,并缩小设备体积、降低散热功率设计值,或在不降低安全性的前提下选用其他更经济便捷的有效方式等,以此大幅降低余热排出设备投入成本,降低反应堆运行成本,提高经济性。本文研究结果可为我国后续的商用快堆、一体化快堆等池式液态金属堆的堆内自然循环设计提供重要参考。

绕丝棒束组件过渡流摩擦阻力实验研究

绕丝棒束组件低流速下摩擦阻力是钠冷快堆堆芯热工水力研究的重点内容之一。通过对现有组件摩擦阻力系数公式应用于过渡流存在的问题、现有组件摩擦阻力实验在低流速时出现的不同摩擦阻力特性的分析讨论,以及对一个37棒组件低流速摩擦阻力的实验研究,提出了组件内流动的转捩特性和提高经验公式在低流速时计算准确性的有效策略。研究结果表明:绕丝棒束组件内流动转捩并不是同时发生,而是在部分子通道的局部先发生,随着流速的增加扩散到整个组件,只有当一定数量子通道都发生转捩时,棒束的平均摩擦阻力才会显著增加。绕丝棒束组件摩擦阻力系数公式应尽可能使用小的层流向过渡流转捩的临界Re和插值指数,使公式尽早开始转捩,并平滑向过渡流过渡。

既有地下结构水-土阻隔效应对基坑抽水引发地层变形影响机制

当基坑邻近既有地下结构时,基坑降水引发的坑外地下水渗流与地层运动均会受到地下结构阻隔(阻水效应与阻土效应);因此,在有/无邻近地下结构情况下,降水引起的基坑变形规律应是不同的。依托实际基坑工程开展了现场抽水试验,实测得到了基坑抽水引起的坑外不同含水层水位变化及围挡与土体变形规律;并基此建立了考虑邻近地下结构阻隔影响的基坑抽水三维流固耦合数值模型,以基坑与邻近地下结构间距D、基坑降水深度Hd为变化参数,探究了邻近地下结构阻隔作用对基坑抽水引发基坑变形的影响。研究发现:当基坑与既有地下结构间距较小时(如D<20m),地下结构对基坑变形的阻隔作用以阻土效应为主,减小了坑外地面沉降(相对于无邻近地下结构而言,以下类同);当基坑与既有地下结构间距较大时(D>20 m),地下结构对基坑变形的阻隔作用以阻水效应为主,增大了坑外地面沉降;而随着间距进一步增大(D>40 m),阻水与阻土效应均逐渐减弱,坑外地面沉降分布向无地下结构时的情况趋近。基坑设计时应考虑邻近已有地下结构阻水、阻土效应耦合作用的影响以更准确地计算地层损失与围挡侧移,从而更好地优化基坑支护方案。

动车组塞拉门控制系统故障监测与响应策略的时效研究

高速动车组车门系统因其对气密性要求高,多采用单开塞拉门,塞拉门功能的实现和使用性能直接影响到列车的运营效率,由于轨道交通的时序特性要求,不当的功能故障可能造成动车组的积压延误和乘客的人身安全。因此,就铁路行业来说,对列车塞拉门故障监测与响应策略的时效研究具有重大意义。

坑内隔墙高度对基坑挖前抽水测试引发围挡偏转的影响

基坑挖前抽水可诱发明显围挡变形,而常用的墙顶支撑方案尚不能很好地防控围挡深部位置变形。近期,有学者针对软土地区基坑施工常用的“坑内布设隔墙的分区段施做方法”,提出了“考虑隔墙支护效应”及“优化布置隔墙”的变形防控理念,实现了基坑挖前抽水引发变形的有效控制。为进一步优化坑内隔墙的布置,本文开展了隔墙高度对挖前抽水引发变形的影响研究。针对某具体基坑工程,通过一系列数值分析,探究了在不同抽水深度、隔墙高度条件下挖前抽水引发的基坑围挡变形特性,并基此提出了隔墙在深度方向的优化布置方案。研究表明,隔墙在深度方向的布置范围对其变形控制效果有很大影响,具体地,在降水深度范围内布设隔墙可显著减小抽水引发的围挡侧移,而降水深度以下的隔墙布设对围护结构侧移的控制作用十分有限。为兼顾经济性与变形控制效果,建议将隔墙顶面设置在降水深度(H_(d))以上0.33~0.67 H_(d)位置处,隔墙底面设置在H_(d)处;但当坑外存在对变形敏感的深埋结构时,可将隔墙底面进一步向下延伸1/3 H_(f)(H_(f)为降水深度至围护结构底面距离)以达到控制深埋结构变形的目的。

池式钠冷快堆固有热工流体安全特性研究

本文提出池式钠冷快堆具有一种重要特性,即固有的热工流体安全特性,分析其形成机理,并采用实际反应堆和钠工质台架的自然循环试验数据,以及不同系统程序的预测计算,对其进行论证。结果表明,池式钠冷快堆具有固有的热工流体安全特性。在事故紧急停堆初期,池式钠冷快堆仅依靠该固有安全特性即可保证堆芯安全,后期只需要在堆内温度上升到安全限值之前建立堆外有效热阱即可。有效热阱可以是专门设置的余热排出系统也可以是堆容器常规热损失项;对于将换热器布置在热池或冷池的较典型事故余热排出系统,从其启动到对堆芯发挥冷却作用需要相对较长时间。此时段,反应堆需依赖固有的热工流体安全特性来抑制堆芯温升,保证堆芯安全。

多含水层体系基坑抽水诱发邻近建筑桩基受力变形特性

深基坑抽水常可导致多含水层水位同时下降,并由此诱发邻近桩承建筑明显沉降;然而,基坑抽水施工时却难以获取邻近建筑桩基的荷载传递数据,该条件下的桩基受力变形特性与桩-土相互作用机理尚不十分清楚。为此,文章在天津某多含水层基坑工程场地开展了现场抽水试验,分析抽水过程中邻近桩承建筑沉降的发展规律,并基此建立三维有限元模型,进一步研究不同抽水工况下邻近群桩受力变形特性与荷载传递规律。研究表明:多含水层体系基坑抽水过程中,邻近桩承建筑沉降随时间的发展相对于坑内水位下降来说呈现出明显的非同步性和滞后性,这是由于基坑外各含水层在其间弱透水层的水力阻隔作用下呈现出不同步的水位下降(浅层水位下降滞后于深层水位下降),相应地,浅层含水层中桩侧摩阻力(或负摩阻力)发挥也将滞后于深层含水层中桩侧摩阻力发展,因而导致了桩承建筑在坑内水位稳定后的持续沉降,桩身轴力也为此不断增大。另外,研究还发现基坑抽水可引起邻近建筑群桩发生偏向基坑的侧移,且群桩中不同位置基桩的侧移模式不同,靠近基坑的基桩呈悬臂式侧移,而远离基坑的基桩呈鼓肚式侧移,由此而引发不同位置基桩产生不同程度的附加弯矩。在密集城市环境中的建筑桩基结构设计中,若该建筑周边已明确规划有大型建筑设施时,可适度考虑放大先建建筑桩基结构设计弯矩与轴力以确保建筑结构在后续邻近地下施工过程中的稳定安全,但与此同时,应更加注重后建基坑的变形监测与控制。

坑外群桩阻隔效应对基坑内抽水引发变形影响机制

城市已有地下结构会对地下水流动和地层运移带来阻隔作用,该条件下的基坑设计与施工应考虑该阻隔效应的影响,但传统研究尚未充分揭露邻近结构阻隔作用对地下水渗流及基坑变形的影响机制。依托天津某地铁车站基坑工程开展了室内模型试验,通过在基坑-土-邻近结构(以桩基结构为例)物理模型中布设应力与变形传感器以全过程实时监测基坑抽水过程中坑内外水位变化、围护结构侧移、坑外地表沉降和围护结构两侧水土压力,探讨了有/无桩基结构时基坑降水引起的围护结构及周边土体变形规律,并揭示桩基结构阻隔效应对基坑抽水引发变形的影响机制。研究发现:①当基坑外存在桩基结构时,由于其对地下水运动的阻隔效应,较小的基坑涌水量可引起较大的坑内水位下降,此时,可适当减少坑内降水井的数量来实现同样的降水效果;②邻近桩基结构对地层运动的阻隔效应将导致基坑抽水过程中围护墙墙前侧向总压力更大、围护墙墙后侧向总压力更小,为此,抽水引起的围护结构侧移及坑外地面沉降更小。基坑设计时应考虑邻近结构对基坑施工环境效应的影响,从而得到更合理的基坑支护与施工方案。

含绕丝棒束低流速时阻力特性的实验研究

钠冷快堆含绕丝棒束组件低流速时的摩擦阻力特性,是设计钠冷快堆非能动事故余热排出系统的重要参数。使用水作为测量介质,采用改进的液柱测压方法,准确测量了一个有机玻璃材质37棒绕丝棒束组件雷诺数Re=200~1 100时的摩擦阻力特性。结果表明,被测量组件从层流向湍流转捩的临界Re为370。组件的入口段长度随着流速的增加而增大,随着流动开始向湍流转变而减小。现有的绕丝棒束摩擦阻力系数经验公式中,UCTD公式与实验值最接近:在层流区,UCTD公式高估了约7%,在层流向湍流转换区,UCTD公式计算值与实验值基本一致。同时,UCTD和CTS公式还高估了组件从层流向湍流转捩的临界Re。

柔性基底上金属薄膜的失效行为及界面能测试方法研究进展

沉积在柔性聚合物基底的金属薄膜复合结构同时具有聚合物和金属的优势,包括聚合物的灵活性和轻质性,以及金属的优良导电率和电磁波屏蔽等特点。柔性基底-金属薄膜系统以其高延展性、高柔性、高制作效率、良好的电学特性和生物相容性等优点而受到青睐,在微机电系统、航空航天、生物材料、柔性电子等领域有广阔的应用前景。在所有应用中,柔性基底-金属薄膜系统的性能、可靠性和耐久性都直接与薄膜和基底之间良好的界面粘附能密切相关,良好的界面粘接性能往往能提高薄膜抑制失效的能力。膜-基结构的力学性能和界面结合性能对相关器件的使用性能和服役寿命起着至关重要的作用。然而,在实际应用中,薄膜-基底复合结构承受着复杂的载荷,如拉伸、扭转、弯曲等,虽然柔性基底可以承受较大的变形,但金属薄膜则不能,这可能导致膜-基结构发生各种形式的破坏。其中三种主要的失效形式包括界面脱层、薄膜屈曲和薄膜断裂。一方面,这些破坏将严重影响薄膜的电、磁、光等物理性能,而膜-基间的界面粘附性能对薄膜失效的发生和发展起着关键作用。另一方面,针对不同的失效模式,可以充分利用其测试薄膜的力学性能和界面粘附能。近几年来,柔性基底上的单层膜、双层膜和纳米多层膜系统的失效行为和界面粘附能测试等问题引起了学者们的广泛关注。对于柔性基底上的单层薄膜体系,学者们已经针对薄膜和界面的各种失效行为和断裂机理进行了深入研究;对于多层金属薄膜体系,不同性质金属层的组合可以提高体系的附着力、耐腐蚀性或热稳定性。多层膜的尺寸效应影响机制、不同材料层间组合以及界面力学响应问题是近几年学者关注的热点。以往,对膜-基界面粘附能的研究主要针对硬基底,近几年来,学者们针对柔性基底-金属薄膜系统的界面粘附能的测试提出了新的有效方法。本文综述了柔性基底上微纳米金属薄膜的失效行为和界面破坏问题的最新研究进展,重点介绍了薄膜及界面的破坏模式、尺寸效应、多层薄膜的破坏失效等问题;特别讨论了如何利用薄膜的屈曲破坏来测量薄膜性能以及确定界面粘附能;最后,针对这一领域的研究面临的问题和前景进行展望,以期为制备新型柔性膜-基系统的材料选择和结构设计提供参考。

开挖前降水引发基坑变形特性及控制方法

随着邻近已运营高铁、地铁的深基坑工程越来越多,准确预测基坑施工全过程引起的环境变形并进行毫米级的控制成为深基坑建设的重要需求和挑战。工程实测资料表明,开挖前降水引起的基坑变形即可达厘米级,并可导致已运营高铁、地铁的变形超过允许值。本文针对这一问题,结合已有文献分析,阐述了开挖前降水引发基坑变形的机理,总结了基坑宽度、降水深度、降水时间、土层渗透性等对降水引发基坑变形特性的影响规律,提出了降水井错位排布以控制开挖前降水引发基坑变形的方法,在此基础之上,对基坑开挖前降水引发变形问题的后续研究方向进行了探讨。

软物质力学:行为特性、理论模型和测试方法

软物质已成为物理学、化学、材料、力学和生命科学重要的前沿研究课题,在技术和生产上有广阔的应用前景,是国际上普遍重视的多学科交叉研究领域,更是通向研究生命体系的桥梁。软物质力学是力学的一个新兴方向,其研究对推动多学科的交集协同发展有着极其重要的作用。然而,软物质组成复杂,常是多相集合体,且往往涉及与硬物质的界面相互作用,其运动和变化规律与一般流体和固体迥异。软物质中结构单元之间的作用力弱,在一般流体和固体中作用较小的力,如表、界面作用力、范德华力等,可能在软物质中起到主导作用,传统的流体/固体理论已无法全面刻画软物质所呈现的许多独特现象。软物质的本构关系比较复杂,涉及到流变、大变形、熵等新概念。目前,除了软物质物理、化学、生物等相关研究以外,研究者们开始从力学的角度对软物质的行为特性及其理论分析模型与测试方法进行深入探索,在生物力学、界面和接触力学、胶体力学、实验力学等领域取得了丰硕的成果。近几年来,学者们对生物组织、细胞和生物大分子、水凝胶、形状记忆聚合物、活性软材料、柔性电子器件、颗粒、液晶等多种软物质体系进行了力学分析、模拟及实验,探索了软物质微结构形成的物理机制和动力学引起的新生长规律。也有学者将软物质的不稳定性和自组装行为用于开发低成本、高性能的新材料和新设备。还有许多学者考虑学科交叉,从新的角度研究软物质材料,将连续介质力学中的本构关系、计算技术和建模方法引入到软物质模拟计算中,实现对软物质的自组装行为及表面不稳定性的理论分析,并将综合的力学测试方法和技术带入到软物质力学实验中,实现对软物质复杂力学响应的小尺度性能测试。本文论述了软物质材料的力学行为及特性:包括复杂力学响应、自组织行为和表面不稳定性及其相关研究进展;重点讨论了软物质在生物力学、界面和接触力学、胶体力学和实验力学等力学领域的研究发展;对软物质力学的发展前景做了展望,提出了值得进一步研究的方向,以期推动国内软物质力学学科的发展。

日本文殊原型快堆堆芯出口腔室热分层现象数值模拟

本文利用商业CFD程序STAR-CCM＋，采用合理的网格生成技术及物理模型，对日本文殊原型快堆堆芯出口腔室建立近似1∶1的模型，模拟分析40％额定功率停堆过程中堆芯出口腔室的瞬态工况，获得腔室内较为完整的热分层进程。结果表明：停堆2 min后腔室内出现稳定热分层现象；10～21 min时热分层通过上升桶桶顶位置；10～140 min热分层处于上升筒顶端位置附近期间，腔室内流型不稳定；140 min后热分层完全处于上升桶顶，桶内流型稳定且接近于停堆前。模拟结果与实验数据对比表明，停堆初期4 min内两者符合较好，表明本文模拟方法适用于停堆工况堆芯出口腔室热分层进程模拟；之后模拟进程明显快于实验，分析其偏差主要来自模拟边界及结构与实际的差异。

CEFR堆芯燃料区出口稳态热工数值模拟

应用通用计算流体力学软件STAR-CD,对中国实验快堆(CEFR)堆芯出口区域进行详细的三维热工流体数值模拟,研究了该区域内钠搅混状况,获得了堆芯出口流场和温场。计算结果为堆芯出口温度测点布置的合理性评价和分析温度波动和流动扰动对控制棒导向管的影响等问题提供依据和参考。

中国实验快堆堆芯出口区域温度监测点布置计算验证

借助通用计算流体力学软件STAR-CD,对中国实验快堆堆芯出口区域进行稳态热工数值模拟。利用模拟计算结果,对堆芯出口钠温监测点布置的合理性及对燃料组件内发生局部堵流监测的可行性进行了研究。结果表明:这些检测点的布置位置是合理的;应用这些监测点监测组件堵流是可行的。