盐渍土在蒸发过程中的水盐相变行为研究

伴随蒸发过程,盐渍土孔隙内的溶液会产生汽化及结晶现象,且两种不同的相变间存在相互依赖性。为了揭示蒸发过程中的水盐相变特性,对盐渍土在蒸发过程中的汽化和盐结晶行为进行了理论和试验研究。首先,从热力学理论出发,通过考虑相间化学势平衡和Young-Laplace方程给出了起始结晶半径的理论表达,并分析了起始结晶半径与温度和相对湿度的关系。结合Van Genuchten土水特征曲线模型,建立了孔隙溶液浓度在不同状态下盐的溶解-结晶模型,并分析了温度和初始含盐量对盐结晶行为的影响规律。最后,通过开展控制温度和初始含盐量的蒸发试验结果对理论模型进行了验证。结果表明:环境湿度降低的过程中,土体温度以及初始含盐量对孔隙溶液中的水分和盐分相变有着显著的影响,土体温度越高,孔隙溶液中水分蒸发越快,液相最终饱和度越低;随着初始含盐量的增加,液相最终饱和度下降,盐晶体体积比增加。初始含盐量还会改变盐的盐析湿度,并且盐晶体的产生会抑制水分的蒸发。

基于分形理论的Bingham型浆液柱形扩散模型研究

为解决被注多孔介质的孔隙率和孔隙通道的多变性对现有注浆理论与试验结果误差的影响问题,引入分形理论相关知识,建立Bingham型浆液在分形多孔介质中柱形扩散的数学模型,并推导出分形渗透注浆扩散方程的解析解。通过室内注浆试验、传统注浆理论与本文理论对比验证该模型的有效性,并通过参数分析被注介质的体积分形维数和迂曲分形维数对多孔介质和浆液的影响。结果表明:1)分形渗透率常数和分形孔隙率常数与体积分形维数呈正相关、与迂曲分形维数呈负相关关系;2)随着孔隙最大直径的增加,分形渗透率常数和分形孔隙率常数也不断增加;3)随着注浆时间的增加,浆液的扩散半径、扩散速度与注浆压力和浆液的水灰质量比呈正相关、与地下水头压力和迂曲分形维数呈负相关关系;4)迂曲分形维数对浆液的扩散半径起重要作用,在直管极限条件下,浆液的扩散半径最大,随着迂曲分形维数的增加,浆液的扩散半径迅速减小。

粗颗粒硫酸盐渍土水盐迁移规律及变形特性研究

针对封闭系统下粗颗粒硫酸盐渍土在冻结过程中的水盐迁移和变形特性开展了理论和试验研究。基于非饱和多孔介质热弹性理论,考虑孔隙水盐相变,建立了适用于粗颗粒盐渍土水-热-盐-力多场耦合模型,并对单向冻结条件下粗颗粒盐渍土的温度场、水分场、盐分场和位移场分布进行了数值模拟。通过配制含硫酸盐的细砂作为土样开展了单向冻结条件下的室内试验,测定了冻结过程中的温度、水分、盐分以及变形的分布,并与数值结果进行了比较,验证了理论模型的有效性。结果表明:砂土结构孔隙更大,水分和盐分更容易渗透和迁移,在单向冻结试验中,水盐迁移速度更快;细砂的轴向位移呈现先下降后上升的变化趋势,且收缩变形持续时间较黏土更长;由于暖端水分向冷端迁移致使暖端土体孔隙减小,下部土体变得更加密实,土柱下部侧壁压力大于上部。

基于核磁共振技术的土体冻结特征曲线试验研究

冻结特征曲线描述了土中未冻水含量随温度变化的规律,给出适用不同土质的冻结特征曲线计算模型具有重要的工程价值。利用核磁共振技术对6种土体的冻结特征曲线进行了测试,给出了描述土体冻结特征曲线的Michalowski模型参数的确定方法,分析了初始含水率和土体性质对冻结特征曲线的影响,利用Michalowski模型参数的特征对模型进行了改进。研究表明,冻结特征曲线与初始含水率无关,冻结过程中不同初始含水率土体的冻结特征曲线相同。在不考虑温度影响时,模型参数wa近似等于土中最大结合水含量,可以作为分析和评价黏性土特性的重要指标参数。改进后的单参数Michalowski模型可实现对未冻水含量的良好预测,降低了模型的复杂性,提升了模型的实用价值,但模型的适用范围,有待验证。

快压缩P_(1)波在饱和冻土与弹性基岩分界面上的能量传输特性

基于弹性波在冻结饱和多孔介质与单相弹性介质中的传播理论,选取了饱和冻土中传播速度最大的快压缩P 1波入射在饱和冻土与弹性基岩分界面上的能量传输问题。根据分界面上的边界条件,推导出了快压缩P 1波从饱和冻土介质入射到弹性基岩分界面上透反射振幅比和能量率的解析表达式。研究了快压缩P_(1)波入射在饱和冻土与弹性基岩分界面上的能量与入射角度,入射频率,温度(含冰量),孔隙率,胶结参数以及接触参数的关系。研究结果表明:当入射角度为0°时仅存在压缩波,达到临界角后透射P波消失;各种波在达到临界角时出现不同程度的脉冲,其中反射P_(1)波最为显著;随着胶结参数,孔隙率,接触参数的增大,临界角越早出现;入射频率仅对反射P_(2),P_(3)和S_(2)波的能量反射率影响较大;当温度和含冰量较低或较高时,均不利于反射S_(2)波的能量产生。

非饱和盐渍黏土物理化学作用的应力依赖特性

为了揭示物理化学作用对含盐溶液非饱和黏土压缩行为的影响及其与应力水平的依赖特性,对孔隙含蒸馏水、氯化钠和硫酸钠溶液及控制基质吸力条件下的试样进行了一维压缩试验。然后,根据试验结果测定了不同条件下黏土的压缩指数、次固结系数和屈服应力,并标定了它们随基质吸力和渗透吸力的变化规律。此外,对不同基质吸力和渗透吸力下非饱和盐渍黏土主、次固结行为展开了深入分析,明确了非饱和盐渍黏土物理化学作用的应力依赖特征,并对非饱和盐渍黏土的LC屈服行为进行了探索。结果表明:不同物理化学力下非饱和盐渍黏土的次固结系数与压缩指数的比值C_(a)/C_(c)以及屈服应力可以使用基质吸力和渗透吸力来统一描述;由塑性加载区压缩曲线斜率以及特征参量、C_(a)/C_(c)与竖向应力的相关性指出非饱和盐渍黏土物理化学作用与应力水平息息相关;此外,化学-水力-力学耦合作用下非饱和盐渍黏土的LC屈服曲线是由MLC屈服曲线和OLC屈服曲线组成的一条光滑曲线。

湿空气对开放块石层湿热特性影响的试验研究

青藏高原暖湿化趋势日益加剧,空气中的水汽质量分数随季节变化差异较大致使空气物性参数、焓值等产生变化,可能会间接影响块石路基的换热过程。本文基于模型试验及空气热力学理论,对等压条件下干、湿空气中块石层内湿热特性进行了分析。结果表明:在等压条件下干、湿空气温差与水汽质量分数呈正相关关系,且水汽质量分数变化速率低于温差变化速率8%。基于地表能量平衡方法计算了考虑水汽影响的块石表层感热通量,发现两种空气条件下的感热通量差值与水汽质量分数也呈正相关关系,此时水汽质量分数变化速率高于感热通量差值变化速率9.8%。日出后干、湿空气与深层块石的对流换热差值主要受空气相对湿度控制,日落后由于干、湿空气温差较大则受空气温差影响。水汽质量分数较低时,干、湿空气焓值差变化速率高于水汽质量分数变化率约87%,焓值差变化率高于水汽质量分数变化率约21%,该现象随着水汽质量分数下降而愈加明显。研究结果对于评价和预测湿空气条件下块石结构路基的长期热稳定性具有重要工程意义。

平面弹性波入射下空沟隔振的解析分析

基于复变函数理论和保角映射方法,采用波函数展开法及多级坐标变换技术,解析求解了半无限空间中空沟对平面SH波和平面P波的隔振问题。首先,通过设虚源法和大圆弧假定法分别给出了平面SH波和平面P波入射半无限空间时的散射场。然后由空沟边界及大圆弧边界处的应力自由边界条件建立无穷阶线性方程组,并通过对该方程组的求解给出了空沟对平面SH波和平面P波散射的解析解答。最后,参数分析了激励频率、空沟深度等因素对隔振效果的影响规律。结果表明,空沟对平面SH波和平面P波的隔振效果随着入射波频率的增大而增大,随着空沟深度增大而增大。

变分极限平衡法对土质边坡稳定性的精确分析

基于变分法和极限平衡法的基本原理,对土质边坡的稳定性分析进行了理论研究。首先,通过极限平衡法建立了问题的基本平衡方程,通过引入拉格朗日乘子构造出约束条件下等周问题的辅助泛函;其次,联合欧拉方程得到了以潜在滑动面、滑面正应力、滑动体内力、安全系数以及拉格朗日乘子为基本未知量的一阶常微分方程组,并通过引入辅助变量将边坡稳定性分析转化为固定边界条件下的两点边值问题;最后,利用打靶法对算例进行了数值求解,得到了滑动面位置、滑动面上正应力分布以及边坡稳定性系数的精确解答,并与条分法和有限元强度折减法得到的结果进行了比较,验证了所提方法的有效性。分析结果表明,提出的土质边坡稳定性分析方法可有效避免传统计算中对滑面位置的搜索优化过程,能精确得到边坡滑面形状、滑面上的法向应力以及条间力分布,可为边坡的稳定性分析提供科学合理的计算方法。

激振荷载作用下桩基础动力响应的现场试验分析

为了研究水平和竖向激振动力荷载作用下单桩和群桩的承载特性,设计了水平和竖向激振荷载下单桩、两桩、三桩和四桩在多层土中的动力试验方案。对现场试验数据采集得到了单桩、两桩、三桩和四桩的桩头位移,分析了桩头位移随着激振频率和桩数的变化规律。基于试验结果,给出了单桩、两桩、三桩和四桩的水平和竖向刚度,分析了桩头刚度随着桩数和激振频率的变化规律。并采用刚度得到了群桩动力效率系数,分析了动力效率系数随着群桩桩数和振动频率的变化规律。试验结果给出了位移、桩头刚度和群桩相互作用系数的变化规律,为简化理论计算方法和验证计算模型提供了宝贵的数据。

水平荷载作用下饱和土与单桩的相互作用动力响应分析

为了研究饱和土的特性对桩的水平动力刚度的影响,建立了饱和土与桩的相互作用计算模型。首先,基于饱和多孔介质的Biot理论,考虑土体的竖向位移和竖向应变的存在,使用Helmholtz分解定律引入势函数,得到饱和土的位移和应力的解析解。其次,利用饱和土与桩的相互作用关系,建立桩-饱和土耦合的振动微分方程,进而得到桩的阻抗和阻尼的解析解。通过数值算例,与现有计算模型进行比较,验证了本文计算模型的结果;并通过参数分析,研究了饱和土的孔隙率、压缩系数和液体体积模量对桩头的动力阻抗及其对应的阻尼的影响。研究发现饱和土的孔隙率、压缩系数和液体体积模量对桩头的动力刚度及其对应的阻尼影响较大。

温度梯度作用下非饱和土中铅离子迁移机理研究

基于多孔介质理论及连续介质热弹性力学,研究了温度梯度作用下重金属离子在非饱和黄土中的迁移机理。首先,通过非等温吸附试验确定了黄土颗粒对铅离子的吸附模型;其次,以固、液、气三相系统中各组分质量、能量以及动量守恒方程为基础,建立了表征温度梯度下非饱和土中污染物迁移的多场耦合数学模型,模型考虑了重金属离子的吸附、孔隙流体的迁移及相变、温度梯度下土体的变形等因素,以温度、孔隙率、孔隙水压、孔隙气压、重金属离子浓度、吸附浓度、土体骨架位移为基本未知量,较全面反映了非饱和土体中热质迁移规律及变形特点;最后,开展非饱和黄土中铅离子迁移土柱试验,验证理论模型的可靠性,并分析了各因素对铅离子迁移规律的影响。结果表明:Langmuir非线性吸附模型比较符合黄土颗粒对铅离子的吸附特征,最大吸附量随温度升高而降低,温度梯度对非饱和黄土中污染物迁移有较明显促进作用;不计土体湿陷效应时,温度梯度及吸湿膨胀使土柱产生拉伸变形,重力、孔隙水压及孔隙气压共同作用使土柱产生压缩变形,后者影响大于前者,故土柱整体为压缩变形;污染物迁移随时间增长而减弱,吸附作用是长期过程,时间增长对其影响不显著。

空沟-波阻板联合隔振屏障的试验研究与数值分析

采用模型试验和数值模拟相结合的方法研究了空沟-波阻板联合隔振屏障对竖向简谐荷载的隔振效果。首先,对比了空沟-波阻板联合屏障与空沟屏障的隔振效果,试验结果表明:空沟-波阻板联合屏障在各个激振频率下的隔振效果均优于空沟屏障,在低频段最为明显。然后,结合完全匹配层吸收边界,利用COMSOL建立了简谐荷载作用下弹性半空间中设置空沟-波阻板联合隔振屏障的三维有限元模型,并通过加速度振幅衰减系数来评价隔振效果,研究了空沟-波阻板联合屏障的几何参数对其隔振效果的影响。结果表明:空沟-波阻板联合屏障的几何参数对其隔振效果影响较大。其中,空沟深度越大,隔振效果越好,但在频率较低时有所不同;波阻板深度以及屏障长度越大,联合屏障的隔振效果越好。此外,空沟-波阻板联合屏障更适用于近场主动隔振。

季节降雨特征对青藏高原中部冻土活动层的水热影响

降水作用会导致冻土活动层的水热状态发生明显变化,并且青藏高原地区的降水也表现出明显的季节性差异。为了分析季节降雨特征对冻土活动层内部水热状态的影响效果,对青藏高原中部北麓河地区的气象资料以及活动层内部的热通量、含水量、温度变化开展了原位监测。研究结果表明:北麓河地区是以小雨事件为主,中雨事件为辅的降雨特征,小雨事件占3-11月降雨事件的90%左右。并且,夏季还会发生大雨事件,秋季出现持续降雨事件。其中,各个季节降雨事件导致地表净辐射整体呈现减小的趋势,且夏季大雨事件对净辐射的影响效果更加明显,秋季持续降雨事件导致净辐射表现出先增加后减小的趋势,土壤热通量的变化规律与净辐射的变化基本一致。降雨作用通过影响地表净辐射改变了土壤热通量的变化,进而引起土壤内部水分场及温度场发生改变。其中,夏季大雨及中雨事件会显著增加浅层土壤含水量,而春季和秋季降雨对土壤含水量影响较小;各个季节小雨事件对土壤温度的影响可以忽略,但中雨、大雨及持续降雨事件会显著缓解浅层土壤升温趋势,且随着深度增加,降雨事件对于缓解土壤升温趋势逐渐减弱。研究结果对于多年冻土区的区域生态环境问题以及工程建筑物病害防治问题的解决具有一定的指导意义。

基于实体重构的块石夹层路基非热平衡效应研究

大粒径块石结构对多年冻土地基有重要的“热防护”作用,建立能准确反映其内部换热机理的数值模型对评估青藏铁路块石路基的长期热稳定性至关重要。依托北麓河非正线试验段块石夹层路基实体工程,通过改进建模方法,建立能反映块石内部结构特征的实体模型,在验证和对比分析其与传统热平衡模型计算结果差异的基础上,进一步分析块石结构层的局部非热平衡效应。研究结果表明:热平衡模型浅层土体存在14.4%的温度误差,主要原因是高估了块石层上下壁面热流及内部空气焓值,评价其短期降温能力时误差小,长期则会产生较大误差;块石内部非热平衡状态是普遍状态,随季节变化仅在小范围会趋近于热平衡状态,该区域流固温差为0.01~0.8℃。考虑块石骨架内流固及壁面边界处非热平衡效应的模型可实现更精细化求解。

波阻板对平面P-SV波的散射及其隔振性能分析

在二维弹性地基的有限深度处埋设波阻板,采用复弹性理论分析波阻板对平面P-SV波的散射及其隔振效果。首先,通过保角映射技术给出矩形波阻板的映射表达式;其次,根据复弹性理论建立问题在复数域上的动力学控制方程和应力边界条件,并结合波函数展开法得到动力响应解答;最后,引入振幅衰减系数,并通过其变化曲线分析平面P-SV波作用下埋置深度、剪切模量比、弹性波入射角度以及弹性波频率等对隔振效果的影响。结果表明:剪切模量比对波阻板隔振效果影响显著,且随着模量比增大,隔振效果增强;波阻板埋深越大,隔振效果越差;随着入射波角度和频率增大,隔振效果也随之降低。

梯度波阻板的地基振动控制研究

波阻板(wave impeding block,WIB)隔振体系是一种有效的振动污染治理措施,虽逐渐被应用在工程实际中,但以往的研究多集中于单相固体均质材料的情形,而对材料特性沿空间连续变化的非均匀固体材料的波阻板隔振性能的研究相对较少.基于功能梯度材料(functionally graded material,FGM)特点,本文提出了以功能梯度波阻板作为隔振屏障的一类新型的地基振动控制体系.考虑在弹性地基内部设置梯度波阻板,基于线弹性理论,利用傅里叶积分变换,根据Helmholtz矢量分解原理,建立了弹性地基在动载荷作用下的回传射线矩阵法(reverberation ray matrix method,RRMM)计算列式.假设梯度波阻板的物理力学性质沿深度方向按幂函数连续变化,采用数值傅里叶逆变换获得了弹性地基的位移和应力等物理量的数值解.通过数值算例,与单相固体均质波阻板进行了对比,并分析讨论了梯度波阻板的材料梯度因子、埋深以及梯度波阻板厚度等物理力学参数对地基隔振性能的影响规律.结果表明,梯度波阻板能有效降低振动的振幅,与单相固体均质波阻板相比,梯度波阻板具有更好的减振隔振效果.地基的位移幅值和应力幅值随着梯度因子的增大而减小.梯度波阻板的隔振效果随着波阻板厚度的增大而提高,而随着梯度波阻板埋深的增大而降低.

非饱和土力学行为的三维离散元分析

基于离散单元法颗粒流理论,采用Hill接触模型考虑土体颗粒单元间的接触作用,建立非饱和土的强度模型,对固结排水三轴剪切试验进行离散元模拟,分析不同围压和吸力下试样的应力-应变发展过程.研究结果表明:试样的抗剪强度随围压和吸力的增大而提高;随着吸力的增大,应力-应变曲线由应变软化向应变硬化发展,且黏聚力和内摩擦角均呈非线性增加.应用Hill接触模型的颗粒流模型可较好地模拟非饱和土的力学行为,可为非饱和土的强度理论分析和工程实践提供参考.

平面SH波作用下衬砌隧道对地下地震动的影响

以地下隧道对附近场地动力特性的影响为研究目标,基于弹性波动理论,利用波函数展开法和镜像法,分析了弹性半空间中圆形衬砌隧道对平面SH波入射产生的散射问题,得到了地下圆形衬砌隧道附近场地位移的级数解答。通过数值算例分析了地下圆形衬砌隧道对场地动力响应的影响,重点考察了SH波入射角度、入射频率和隧道埋深、衬砌刚度对隧道周围土体动力响应随深度变化的影响规律。结果表明,地下隧道对沿线场地的地下地震动影响显著。

多空沟对弹性波的散射及隔振性能分析:SH波入射

在地基振动控制中,采用单空沟由于衍射效率低而使隔振效率并不理想,而多空沟隔振屏障对振动波的传播进行多次阻断来达到理想的隔振效果。根据弹性动力学基本理论,在复数域上进行波函数展开,由空沟周边应力自由边界条件并借助保角映射理论和多极坐标变换技术建立无穷阶线性方程组,并给出了多空沟对弹性SH波散射的解析解答。以双空沟为例,参数分析了激励频率、空沟长度和间距等因素对隔振效果的影响规律。结果表明,双空沟的隔振效果明显优于单空沟的隔振效果,并且随着空沟长度和空沟间距的增加,屏蔽区域面积明显增大。