根土复合体力学效应及其模型构建研究进展与展望

[目的]为探究根土复合体的力学效应机理及模型方法应用。[方法]采用文献分析和对比分析法,归纳分析根土复合体概念和内涵、根土复合体力学效应及力学模型原理、优缺点以及适用范围。[结果](1)根土复合体是根系与土体之间力学耦合效应的复合整体,根系在土体中交叉缠绕,起到加固作用;(2)根系与土体力学关系实质上是根土复合体土力、水力和复合力学特性作用的结果,土力特性、水力特性分别侧重研究根系对土体的影响和土中水分对土体和根系的影响,复合力学特性侧重于根土复合体自身特性对植物根系特征以及结构的直接影响,从而通过三者作用使根系与土体的力学关系处于动态平衡之中;(3)根土复合体复合力学模型研究较土力和水力学模型略少,土力学和水力学模型都是根据量化参数,通过参数间对比来衡量固土效果,但复合力学特性同时涉及土力特性和水力特性,考虑全面,应是未来研究的重点方向。[结论]未来在开展冻融循环、干湿交替、干热循环对不同地区根系与土体相互作用的影响、多类型植物混种抗剪强度、化学作用和微生物作用对土水特性影响机理及复合模型构建等方面有待深入研究。研究结果可为生态脆弱区植被恢复、水土保持和可持续发展等提供重要的理论价值和工程借鉴意义。

基于血流动力学效应优化的体外反搏闭环反馈调控研究

目的 本文旨在实现针对不同的患者个体,以较优的血流动力学效应为目标,实现个性化的体外反搏(enhanced external counterpulsation,EECP)的闭环反馈调控数值模拟。方法 通过集中参数模型模拟研究EECP反搏模式对不同的适应症的影响机制,根据PID控制系统的反馈调节原理,将其应用于体外反搏的研究中,把血液循环系统的闭环式0维集中参数模型作为被控对象,用于个性化体外反搏血流动力学仿真。结合体外反搏局部血流动力学效应评价模型为不同适应症(冠心病或脑卒中)患者设定血流动力学效应优化的个性化目标值,根据设定目标值和当前血流动力学指标之间的误差,通过设置适当的增益系数与误差进行运算来调节不同反搏模式(压力幅值或加压时长)使当前血流动力学指标达到设定目标值。结果 反搏压力对于冠状动脉血流动力学指标的增加更加明显。加压时长对于脑动脉的血流动力学效应的影响最为显著。因此对于冠心病患者设定优化目标值舒张压/收缩压(D/S),通过反馈调节反搏压力使当前D/S达到设定D/S,最终使它们之间误差e的绝对值降低至0.06(均<5%),并得到此时的压力幅值。对于脑卒中患者设定目标值脑血流量(cerebral blood flow,CBF),调节系统输入加压时长减小误差,控制系统的输出当前CBF达到设定CBF,使误差e的绝对值降低至0.06(均<5%)并得到此时的加压时长。结论 数值模拟中血流动力学指标达到优化目标值时应施加的压力幅值和加压时长可为临床体外反搏优化治疗提供理论依据。

斜扳手法对人体腰椎间盘退变后三关节复合体的力学效应

背景:斜扳法治疗腰椎间盘退变的生物力学研究主要集中于纤维环、髓核及骨性结构的应力及位移分析,对腰椎间盘退变后三关节复合体的力学研究目前较少见。目的:通过有限元分析斜扳手法对腰椎间盘退变后三关节复合体生物力学的影响。方法:将人体腰部CT图像导入到Mimics、Geomagic studio、solidworks、Hypermesh等有限元软件,构建L、L椎体、椎间盘、韧带、关节囊等有限元模型。根据腰椎间盘退变材料属性的不同分别给予赋值,建立正常及轻度、中度退变腰椎模型,分析斜扳法对不同退变程度腰椎间盘三关节复合体的力学分布影响。结果与结论:(1)斜扳手法作用后,正常及轻度、中度退变椎间盘的最大应力分别为0.78,3.21,3.94 MPa,而对应的椎间盘最大位移逐渐减少;(2)斜扳手法作用后,正常及轻度、中度退变椎间盘的纤维环应力逐渐增大,中度退变椎间盘的纤维环应力明显增加;正常及轻度、中度退变椎间盘髓核内的最大应力分别为0.87,0.56,0.44 MPa,关节囊的最大拉伸高度分别为1.74,2.48,3.10 mm;(3)结果表明,正常椎间盘能减少腰椎三关节复合体的应力加载,起到保护作用;斜扳手法对中度退变椎间盘的操作是安全的,其最大应力值不会造成腰椎组织的破坏。

TEN术后可塑性夹板对治疗儿童尺桡骨骨折的疗效及力学效应分析

目的分析弹性髓内针(titanic elastic nailing,TEN)术后可塑性夹板在儿童尺桡骨骨折中的应用价值及力学效应。方法选取2021年11月—2023年3月重庆市中医骨科医院的60例儿童尺桡骨骨折患儿作为研究对象,按抽签法随机分为治疗组和对照组,各30例。对照组通过弹性髓内针术后联合石膏外固定进行治疗,治疗组通过弹性髓内针术后联合可塑性夹板固定进行治疗,对比两组临床疗效及力学效应。结果治疗组愈合优良率(93.33%)高于对照组,差异有统计学意义(χ^(2)=5.455,P<0.05)。治疗组并发症发生率低于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。治疗4、6、8、12周后,治疗组X线评分均高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。治疗组中立位、屈肘握拳位时扎带张力、扎带对小夹板的压力均高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。结论与传统石膏相比,可塑性夹板在儿童尺桡骨骨折的治疗中具有明显的力学效应优势,而且固定效果良好,有利于预防术后并发症的发生,对患儿预后具有重要意义。

诱导轮不同流体介质空化热力学效应研究进展与展望

针对诱导轮内不同流体介质空化热力学效应,从理论、试验和数值模拟等方面进行了总结.在理论研究方面,详细介绍了热力学效应的形成机理以及表征空化热力学效应的相关参数,指出深入挖掘低温介质空化热力学效应动力学特性及相关机理是理论研究的发展方向.在试验研究方面,详细评述了诱导轮内不同流体介质空化热力学效应的研究进展,指出诱导轮内低温介质非稳态可视化试验是未来的研究方向.在数值模拟研究方面,对考虑热力学效应的空化模型和湍流模型进行了总结,并且详细阐述了诱导轮内不同流体介质空化热力学效应的数值模拟研究进展,认为针对热力学效应对不同空化形态影响的定量研究是未来的发展方向之一.最后基于诱导轮内不同流体介质空化热力学效应的研究现状,对该发展方向进行了探讨与展望.

上软下硬浅埋暗挖大跨地铁车站施工力学效应研究

为研究初支拱盖法在上软下硬浅埋暗挖大跨地铁车站开挖中的适应性,基于ANSYS有限元软件进行了二次开发,依托青岛地铁湛山车站建立计算模型,开展了洞室开挖各施工工序下“围岩-支护”系统的施工力学效应研究。结果表明:车站洞室各开挖工序下围岩变形均呈突增态势,当开挖完成上部拱盖后,前6步围岩位移占总变形的70%;洞室围岩应力随着开挖工序的进行在不断调整,最大主压应力总体上呈较高水平,且在整个开挖过程中均维持在-2MPa附近;塑性区面积随着开挖工序的不断进行而调整,最大进深为3.21m;钢拱架的弯矩随着开挖工序的不断进行而调整,在开挖中最大达108kN·m,当拱盖开挖并支护封闭后,钢拱架中的最大弯矩呈下降态势;车站洞室的开挖将引起地表一定程度的沉降致使形成“沉降槽”,隧道轴线正中的地表最大沉降达13.4mm,然后沿其两侧逐渐降低,在距隧道中心位置约4倍跨度的区域外,沉降值近于0。

水土化学力学效应研究现状与展望

水溶液在入渗土体过程中会发生水土化学作用,进而影响土体力学性质,该作用在土质滑坡孕育阶段扮演重要角色,是诱发滑坡形成的关键因素。本文研究系统性地总结和梳理了水土化学作用对土体力学性质、微观结构影响,以及土体强度变化机理与力学模型等方面的研究现状。在近50年的研究历程中,水土化学作用力学效应研究不断深入,从力学性质影响规律的定性描述到初步建立水土化学力学效应模型,从细微观结构变化的唯象认识到土体强度变化机理性研究,但由于土体物质组成复杂,影响因素较多,现有研究成果还不足以指导土质滑坡的预报和防治工作。为进一步有效指导土质滑坡预报、预警和防治工作,根据现阶段研究状况,提出有必要就土体抗剪强度本构模型、水土化学作用下非饱和土体黏聚力变化定量模型、水土化学作用机理应用等深层次问题,持续展开深入细致的研究。

不同锚固长度下巷道锚杆力学效应分析及应用

为研究不同锚固长度对巷道围岩的控制效果,从理论方面推导了锚杆应力分布规律,建立了不同锚固长度下巷道围岩力学分析模型,考虑分析了锚杆直径、围岩强度参数、锚固长度、预紧力、布设间距等影响因素,给出了巷道锚杆支护设计的工程建议措施,并通过开展现场试验验证了本文理论研究成果的正确性。研究表明:锚杆受力主要集中在锚固段端头1/3范围内,且沿长度方向杆体剪应力与轴力不断递减;在软岩中更利于锚杆锚固作用的发挥;施加高预紧力,并留设一定的自由段长度,有利于锚杆预紧力在围岩中扩散,可形成有效的锚固围岩承载结构,充分发挥杆体支护潜力;当锚杆布设间距较大时,可通过提高预紧力、适当减少锚固长度来增加预紧力对围岩的控制效果。

寒旱环境黄土区灌木根系护坡力学效应研究

文章采用原位拉拔试验，测定了生长2年的灌木柠条锦鸡儿、四翅滨藜、霸王、白刺的抗拔力，研究了根系的分布特征，并分析了上述植物的护坡效果。试验结果表明：4种灌木的根系分布类型均以主直根型为主，根系发达，侧根主要集中在地表以下20—80cm的土层中；4种灌木的原位抗拔力依次为四翅滨藜〉柠条锦鸡儿〉白刺〉霸王，抗拔力与根径符合幂函数关系，与根系数量符合线性关系，与株高符合指数函数关系；随着生物指标的增加，四翅滨藜和柠条锦鸡儿的抗拔力递增幅度明显高于霸王和白刺；从根系分布特征和力学效应考虑，四翅滨藜和柠条锦鸡儿可作为寒冷干旱半干旱黄土地区的优势护坡灌木种。

水-岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究

为了研究水-岩化学作用对岩石的宏观力学效应,在常温常压、不同循环流速条件下,对不同化学性质的水化学溶液作用下的花岗岩、红砂岩和灰岩进行了单轴抗压强度试验,取得了时效性的定量结果。结果表明:水化学作用后,3种岩石的强度均出现了不同程度的下降。分析发现:(1) 水溶液对岩石的力学效应与水-岩化学作用密切相关;(2) 岩石的化学损伤与水-岩化学反应强度成正比;(3) 水-岩化学作用对岩石的力学效应具有很强的时间效应;(4) 影响岩石化学损伤的主要因素有:岩石的物理性质和矿物成分、水溶液的化学性质、岩石的结构或物质成分空间分布的非均匀性、水溶液通过岩石的流动速率和岩石的成因及演化历史等5个因素。

寒旱环境灌木植物根–土相互作用及其护坡力学效应

通过在试验区将4种护坡灌木植物种植在PVC管内,分别对土体、4种灌木根–土复合体试样做直接剪切试验,对比非含根土体与4种灌木含根系土体抗剪强度指标,评价试验区生长时间为1 a灌木根系的护坡力学效应;通过对比4种灌木根–土复合体抗剪强度,评价生长时间为1 a的4种灌木根–土复合体的护坡力学强度增强效应。试验结果表明:(1)4种灌木根–土复合体当其含根量、含水量一定时,抗剪强度随垂直压力的增大而呈线性增大,表明试验区灌木根–土复合体抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,且符合库仑定律;(2)4种灌木根–土复合体的黏聚力显著大于素土的黏聚力,而内摩擦角?的变化不显著;(3)四翅滨藜、柠条锦鸡儿、霸王、白刺灌木根–土复合体的黏聚力与素土相比,其增长幅度分别是76.3%,62.7%,45.8%,22.0%。试验区灌木根–土复合体剪应力与剪切位移关系反映出灌木根–土复合体受剪力作用开始段近似线性,接近剪破时呈圆滑曲线,达到剪破后近似为水平线,灌木根–土复合体剪应力随着垂直压力的增大而呈显著增加趋势;剪应力的增大开始阶段基本呈线性,接近剪破时呈非线性。根据试验区4种灌木植物根–土复合体强度,它们的护坡贡献按由大至小分别是:四翅滨藜、柠条锦鸡儿、霸王、白刺。

环境侵蚀下水泥土的力学效应试验研究

土木工程中广泛使用的软土地基加固方法主要有水泥土搅拌法、旋喷法、注浆法等,其原理主要是形成具有一定强度和稳定性的水泥土加固体。在我国广大地区地下水受工农业、生活以及海水等环境因素的影响,常含有一些具有侵蚀性的离子,如?24SO,?Cl,?23HCO等。通过模拟试验的方法,探讨了各种侵蚀性的离子在不同浓度和不同pH值条件下对水泥土的力学效应,并对环境侵蚀机理进行了探讨。试验结果表明,水化学作用对水泥土的力学性质具有明显的影响,对水泥土在复杂地质环境条件的设计和工程应用具有重要意义。

植被须根护坡力学效应的三轴试验研究

依托浙江省武义县平头村山体高边坡,基于常规三轴固结不排水试验,探究植被须根含量和含水量对重塑非饱和粉质黏土抗剪强度指标的影响规律。试验结果表明:(1)土样的主应力差–轴向应变关系曲线中,主应力差随轴向应变的增加而增大,试验曲线基本表现为硬化型,且随着围压的增加,土体强度增加。(2)含水量对土的抗剪强度指标影响很大,黏聚力与含水量的变化关系呈抛物线型,存在一个界限含水量19%,高于或低于此含水量时,土样黏聚力较小;随含水量的增加,内摩擦角减小,二者近线性递减。(3)植被须根可以提高土体抗剪强度,但与土的含水量和须根含量大小有关,含水量为19%时,植被须根可以显著提高素土的黏聚力,且须根体积含量5%时土体黏聚力较大,但对内摩擦角影响较小。以上研究结果为浙江武义平头村山体高边坡的失稳预警与滑坡防治提供量化资料,同时也为其他植被护坡工程设计准备必要的参考。

高煤级煤基质力学效应与煤储层渗透率耦合关系分析

基于吸附膨胀物理模拟实验,揭示了瘦煤至无烟煤阶段煤基质的自调节特征,分别探讨了煤层气排采过程煤基质收缩和有效应力变化对煤储层渗透率的影响,构建了有效应力、煤基质收缩与煤储层渗透率之间耦合的数学模型,揭示出高煤级煤储层渗透率在煤层气排采过程中的递减变化规律,并讨论了这一发现的地质意义。

交错既有隧道次生力学效应三维模型试验

为分析交错新建隧道施工对既有隧道的影响,采用公路隧道结构与围岩综合试验系统对交错隧道进行三维物理模型试验。测试的内容包括新建隧道开挖引起既有隧道围岩内部压应力、围岩内部位移及支护结构内力的变化规律。试验结果表明,既有隧道拱顶径向压应力和拱腰切向压应力具有增加趋势,拱顶切向压应力和拱腰径向压应力具有减小趋势;拱顶围岩内部位移表现为压缩变形,拱腰围岩内部位移为拉伸变形;既有隧道支护结构的轴力和弯矩全为增加,右拱腰的弯矩受到的影响最大;新建隧道施工对既有隧道L8截面的影响较小,对L1和L4截面的影响非常明显,当间距小于L8截面情况时应采取加固措施。

寒旱环境植物护坡力学效应与根系化学成分响应

该项研究以试验区两种生长期为6a的灌木植物柠条锦鸡儿、霸王为例,分析了根系中所含半纤维素、木质素、纤维素和果胶质4种主要化学成分及其含量,并探讨了根系力学强度与其化学成分及其含量变化之间的关系。结果表明:柠条锦鸡儿根系平均抗拉强度为28.36～34.75MPa,霸王为4.53～6.61MPa,即柠条锦鸡儿根系平均抗拉强度显著大于霸王,且这两种灌木根系所含的4种化学成分由多至少依次为半纤维素、木质素、纤维素、果胶质,其中柠条锦鸡儿根系半纤维素含量为17.8%～29.03%,木质素为3.41%～5.36%,纤维素为2.3%～2.79%,果胶质为1.45%～2.15%;霸王根系半纤维素含量为15.6%～23.04%,木质素为3.69%～4.89%,纤维素为2.1%～3.06%,果胶质为1.92%～2.37%。两种灌木根系纤维素含量与根径、根系抗拉强度之间均表现出一定相关性;霸王根系半纤维素含量与其根系根径、抗拉强度之间呈相关性;柠条锦鸡儿根系果胶质含量与其根径、根系抗拉强度间均呈相关关系。本项研究可为进一步分析植物根系力学强度及其效应与根系组成特性之间的变化关系提供理论依据。

水-岩化学作用之岩石断裂力学效应的试验研究

在常温常压、不同循坏条件下,对不同化学性质的水溶液作用下的两种花岗岩和两种砂岩进行了断裂力学指标KIc和d c的三点弯曲试验。结果表明:(1) 水-岩化学作用对岩石裂纹的断裂指标有显著的影响,并且具有时间效应。不同岩性、不同浸泡方式及不同水溶液流动速率对岩石断裂力学指标的影响存在着较大差异。总体上,水化学作用对断裂力学指标的影响程度与水-岩化学反应的强度成正比。(2) 岩石中的含铁离子或钙离子的矿物及胶结物成分是水-岩化学作用力学效应的关键物质成分,其中含铁离子物质对水-岩反应的断裂力学效应具有正反两方面的力学效应。

强脉冲离子束辐照金属材料表面热力学效应计算

简要讨论了强脉冲离子束与金属靶材料相互作用的理论模型 ,以此为基础应用数值计算的方法模拟计算了离子能量为 1 .0 Me V和 3 0 0 ke V,束流密度分别为 1 0 A/ cm2 ,50 A/cm2 和 1 0 0 A/ cm2 的质子束与金属铝靶材料相互作用时的热力学效应 ,给出了铝在辐照后内部的温度分布、温度梯度分布 ,以及温度变化速率 (加热速率与冷却速率 )、热激波的产生与传播过程及应力等模拟计算结果。

荆门膨胀土的水稳定性及其力学效应

本文针对湖北襄荆高速公路膨胀土,在室内开展了原状土在脱湿吸湿过程的无侧限抗压强度演化特征与击实土的胀缩性状及力学效应试验研究,发现原状膨胀土的工程性状同时受含水率与裂隙性的耦合影响,耦合程度随裂隙发育程度和膨胀潜势等级而各异;膨胀土的CBR值随其含水率的变化规律类似于击实曲线,但CBR峰值含水率大于最佳含水率,并非压实度最大时CBR值也最大,CBR值取决于击实膨胀土浸水膨胀后的含水率与干密度以及结构所处状态;膨胀土路堤填筑除考虑压实度与CBR值要求外,尚需考虑胀缩总率的影响,为深入认识膨胀土的工程特性提供了帮助。

黄河源玛沁地区高寒草地植物固土护坡的力学效应

通过对试验区草本植物根系的力学强度试验,研究了黄河源玛沁地区高寒草地植物护坡的力学效应,即通过研究未退化、轻度退化、重度退化的草地的主要优势种植物的单根抗拉力、抗拉强度和根-土复合体的抗剪强度等评价其固土护坡能力与贡献。研究所选取的未退化草地的优势种植物主要有小嵩草(Kobresia pygmaea C.B.Clarke)、紫花针茅(Stipa purpurea Griseb.),轻度退化草地的优势种植物包括矮火绒草(Leontopodium nanum(Hook.f.et Thoms.)Hand.-Mazz.)、二裂委陵菜(Potentilla bifurca L.),重度退化草地的优势种植物为细叶亚菊(Ajania tenuifolia(Jacq.)Tzvel.)、盐地风毛菊(Saussurea salsa(Pall)Spreng)。由单根拉伸试验结果表明,单根抗拉强度平均值由大至小依次为紫花针茅>小嵩草>矮火绒草>二裂委陵菜>细叶亚菊>盐地风毛菊;室内根-土复合体原状试样直接剪切试验表明,根-土复合体的抗剪强度由大至小依次为小嵩草>紫花针茅>矮火绒草>二裂委陵菜>细叶亚菊>盐地风毛菊。研究成果对进一步探讨黄河源高寒地区植物固土护坡机理,以及试验区及其与试验区条件相似的其他地区,科学防治坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害的发生具有重要理论指导意义。