冲击荷载下岩土介质非线性振动预测方法研究

水利工程作为国家重点保护的民生工程,可能会承受军事打击、恐怖袭击、爆破施工等潜在的冲击荷载,因冲击荷载作用的强非线性,现有振动预测方法均存在不足之处。基于理论分析,提出一种能够精确预测冲击荷载下非线性振动的方法,并建立冲击荷载下岩土介质振动预测模型,通过大量现场实验验证方法及模型的准确性和实用性,为水利工程的安全防护提供理论依据。

岩土介质中冲击震动波传播规律的微震试验研究

冲击矿压(岩爆)造成矿山巷道及开采空间的破坏,主要原因也是由于冲击震源产生的震动波传播扰动而引起的。采用TDS–6微震信号数据采集试验系统,通过地面不同场地介质进行的微震试验,得到沿传播距离各个拾震器位置的能量变化曲线,并对比分析不同场地介质中冲击震动波传播能量衰减指数的差异。试验结果表明,岩土介质中冲击震动能量沿传播距离呈乘幂关系衰减。能量衰减指数η在完整坚硬致密介质中很小,而在松散软弱孔隙介质中明显增大,而且能量初始衰减很快,到一定距离后则变得非常微弱。这些结论为进一步研究巷道围岩冲击震动破坏机制、巷道围岩防冲抗震的强弱强结构控制原理等奠定理论基础。

任意干湿路径下非饱和岩土介质的土水特征关系模型

土水特征曲线(SWCC)代表着基质吸力与含水量关系不是一一对应的,在反复干湿循环路径下该曲线呈现出循环滞回特性。岩土介质在经历反复干湿循环之后,部分气体会以气泡的形式残留于孔隙中;这种残留的气体会对土水特征关系和流体的渗透系数产生重要影响。基于毛细循环滞回的内变量理论和传统的土水特征关系经验模型,提出了一个能模拟在任意干湿循环路径下土水特征关系的数学模型。特别地,该模型考虑了介质中的残余含气量对循环土水特征关系的影响。在循环滞回边界给定的情况下,该模型只包含一个材料参数;该材料参数可以由任意一条一阶扫描线(或其上的一个数据点)来确定。利用所提出的数学模型结合欧拉迭代计算方法,对已有文献中的粉土、烧结玻璃珠、石灰岩及白云岩等不同岩土介质在任意干湿循环路径下的SWCC试验曲线进行了模拟。通过将预测结果与现有试验数据进行对比,验证了该模型对描述复杂干湿循环路径下的土水特征关系的有效性。

岩土介质三维快速拉格朗日数值分析方法研究

研究了FLAC3D(fast lagrangian analysis of continua in 3 dimensions)的特点,并与有限单元法作了比较。FLAC3D方法以结点运动方程为支配方程,追踪了介质从受荷到达到平衡状态的过程,而有限元法是根据介质力学平衡方程直接求解,这是二者主要区别。FLAC3D没有采用介质真实的阻尼特性和结点质量,给出的不是介质所经历的真实过程,不能正确反映过程的影响,因此给出的介质应力和变形计算结果的物理意义是不甚明确的。求解过程中的介质振动,是一种噪音,可引起弹塑性介质计算结果误差,而弹性介质的计算结果几乎不受影响。研究指出了FLAC3D方法的优缺点。还通过算例作了四个方面的研究:(1)Drucker-Prager屈服准则与Mohr-Coulomb屈服准则比较;(2)膨胀角取值对计算结果的影响;(3)大变形与小变形对计算结果的影响;(4)精度设置对计算结果的影响。研究表明,Drucker-Prager准则与Mohr-Coulomb准则结果差异颇大;膨胀角取值对结果的影响是敏感和显著的;一般情况下,取小变形模式是合适的,计算精度取10-5是足够的。

软化岩土介质的应变局部化研究进展——意义·现状·应变梯度

如何准确描述岩土的应变软化已是岩土力学研究的难题,而岩土介质的软化性状与应变局部化的产生和发展直接相关。阐述了研究岩土材料的软化性状的意义以及岩土材料的软化与应变局部化的关系。从实验研究、理论建模和数值模拟三方面综述应变局部化在岩土力学中的研究现状;说明应变局部化发生时考虑应变梯度的必要性;就应变局部化研究在岩土力学中的发展趋势提出初步看法。

某渣场污染物在非饱和岩土介质中的迁移模拟研究

为研究某渣场污染物对周边地下水的污染状况,通过对渣场场地非饱和土壤弥散、渗流特性试验,并运用模拟地下水溶质迁移的软件Comsol Multiphysics建立渣场污染物在非饱和岩土介质中的迁移模拟计算模型。试验结果表明:土壤水扩散率D(θ)和非吸附性溶质Cl-1的水动力弥散系数Dsh(θ)与土壤含水率θ成显著幂函数关系;同一吸力水头下,黏粒含量越高,储水能力越强,脱水速度越慢,即黏土②土样其持水性能远远高于熔炼渣①土样。100年内渣场污染物氟和锌的迁移污染对周边地下水污染浓度满足二类水标准;通过对渣场周边地下水试验结果表明:渣场现状下对周边地下水并未形成污染,这也验证了采用Comsol Multiphysics软件对渣场污染物迁移模拟分析的可靠性。

核电磁脉冲在岩土介质中的传播研究

综述了对非铁磁性、线性、各向同性介质中核电磁脉冲传播规律研究方面的一些成果。通过建立康普顿电流模型 ,采用 FDTD法 ,对地面核爆炸 SREMP数值分析的结果表明 ,厚度为几十米以上的具有一定导电性的岩土介质层 ,对于电磁脉冲峰值场强的衰减可达一个量级以上 ,且使脉冲上升沿变缓。采用两种模型对 HEMP的入地传播问题进行计算分析 ,将电磁脉冲模拟器架设于隧道顶上作试验研究 ,得出了类似的结论。

岩土介质中局部化变形研究的一些新进展

岩土中的剪切带产生通常是断裂和失稳的前兆,常引起滑坡等地质灾害,对油气或水合物等矿藏的开采容易导致压实带形成．压实带的产生使岩土孔隙减小,颗粒破碎,从而导致沉陷、对油气的挤压等．本文重点对剪切带的宽度和压实带的研究现状作综述,阐述在该问题的研究上从微观观测到宏观表述的重要性．通过分析,认为还有如下问题值得研究:怎样准确得出局部化变形带的宽度和方向?局部化变形带形成后孔隙水和油气的渗流会发生什么变化?颗粒层次的微结构特性是通过什么方式影响宏观表现的等等．

岩土介质动静力学参数与介质物理组构参数之间的关系

岩土体是地质历史的产物,有着特定的物质组分和结构构造,从而表现出复杂的工程力学性质。为研究岩土介质动、静力学参数与岩土介质物理组构参数三者的关系,文章结合工程岩土体勘察评价,对岩土介质进行了一系列物理力学测试和波动测试,取得了一定量的测试数据。分析中特别关注了岩土介质的弹性波速与介质密度之间的关系。研究发现,岩样和土样波速与密度测试值在波速-密度参数空间中展现出了几种相对性:整体有序与局部混沌的相对性、分布域位置和结构的确定与域内参数随机分布的相对性、在某一分布域内整体样本无序与各类子样本有序的相对性。把握这几种相对性对于岩土介质的理论研究和工程应用都十分有意义。

岩土介质的分形孔隙和分形粒子

岩土介质是晶粒状材料,存在大量的孔隙。这些孔隙的存在严重地影响岩土介质的力学、物理和化学性能。大量的研究表明,岩土介质的孔隙几何从原子尺度到晶粒尺寸范围内均表现出分形特征。目前分形几何已被广泛应用来研究岩土的孔隙率,输运特性和渗透性等等。本文从5个方面来讨论岩土介质的分形孔隙和分形粒子:①分形几何简介;②孔隙介质的分形模型;③岩土介质的分形孔隙特性和它们的分形量测方法;④岩土的分形粒子;⑤水土保持估计中的分形毛细管模型。

岩土介质强度参数相关性的敏感度分析

岩土介质的强度参数特别是Ｃ，Φ互相关性分析一直是岩土工程界研究的热点．本文在分析Ｃ，Φ互相关性和分布检验方法后，通过随机空间正交变换将具有互相关性的Ｃ，Φ变换得到独立随机变量，基于ＭｏｈｒＣｏｕｌｕｍｂ准则，详尽分析了Ｃ，Φ互相关性对准则可靠度的敏感度．并得出一些对工程可靠度设计有重要意义的结论．

基于TDR技术的多种岩土介质含水量试验研究

为寻求适合多种岩土介质含水量的测试方法,根据极化机理,建立了电磁波与混合介质相互作用模型,采用TDR(time-domain reflectometry)方法对粉土、砂土、粘土、纸、塑料、有机物及MSW(municipal solid waste)等多种岩土介质介电常数与材料类型、孔隙率及含水量之间的关系进行研究.结果表明,不同岩土介质的介电常数主要由其含水量及孔隙率决定,受介质类型的影响很小,本文模型对不同类型不同孔隙率的岩土介质均适用;介电常数的平方根与体积含水量呈线性关系,相同体积含水量条件下,介质介电常数与孔隙率负相关.TDR技术能在不破坏有机质的前提下测得有机质内部的水分.

岩土介质横观各向同性的模拟

评述了岩土介质横观各向同性模拟的进展状况，包括横观各向同性弹塑性及其屈服准则的模拟，并给出了相应的力学模型及其数学表达式．

岩土介质非稳态热固结耦合问题的热源函数法

考虑耦合效应的饱和土体热固结问题控制方程,利用Fourier变换、Laplace变换给出其在变换域上的解,将初始温度场分布视为虚拟的热源或者将热源等价为特定的初始温度分布,利用热源函数法给出瞬时线热源非稳态温度场、应力场和位移场的解析求解方法,通过在时间域和空间域上进行积分,给出有初始温度场分布以及有分布内热源存在且热源强度随时间变化条件下的热固结问题计算方法。对一无限大物体内存在有平面矩形域热源情况下周围介质的温度、孔隙水压力以及位移等的变化特征进行分析。研究表明,热源函数法可有效地求解一系列复杂情况下的热固结问题。

基于变截面孔隙模型描述岩土介质的渗透及持水特性

为研究孔隙变截面特征对岩土介质渗透及持水特性的影响,先构建了圆柱形孔喉–大孔隙联合体组成的变截面孔隙模型。其次,假定孔径分布服从分形分布,基于构建的变截面孔隙模型推得岩土介质的饱和渗透系数函数、相对渗透系数函数及滞回持水曲线的理论表达式。最后,利用已有文献中4种砂岩、8种土的饱和–非饱和渗透试验以及3种土的减、增湿持水试验(含一种黏土的补充持水试验)结果分别验证了理论表达式在表征饱和渗透率与孔隙率关系、相对渗透系数与有效饱和度关系以及滞回持水特性时的有效性,通过计算饱和渗透率及相对渗透系数的预测值与其实测值之间的均方根偏差,发现理论表达式在描述4种砂岩和8种土的饱和–非饱和渗透特性时优于Kozeny-Carman公式和Assouline模型。

岩土介质沉陷破坏过程中的混沌识别

针对岩石介质的天然属性、复杂的地质采矿条件及岩土介质沉陷破坏的本质特征,分析了岩土介质沉陷破坏的复杂性,揭示 了岩土介质沉陷破坏现象与非线性科学各分支学科的内在联系;研究了岩石介质破裂出现分岔并随机扩展而导致地层动态沉陷发生混 沌的实质,指出了应用混沌理论研究岩土介质沉陷破坏复杂性的可行性,分析了岩土介质沉陷破坏过程中的混沌识别和动态沉陷混沌 性的预测。

地下水与岩土介质相互作用的工程地质力学研究

地下水与岩土介质相互作用的工程地质力学研究周平根（地质矿产部环境地质研究所，北京，１０００８１）地下水是运动着的水流，它和周围的岩土介质不断进行着物理的、力学的、化学的作用，从而影响地下水流的性质和化学组成，同时也对岩土介质状态产生影响。水文地质学侧...

分层岩土介质爆炸效应的三维仿真模拟

分层岩土介质的爆炸效应是一个复杂的动力学问题,运用离散元框架内的三维梁–颗粒模型模拟分层岩土介质的爆炸效应。把介质用颗粒单元离散化,在相邻颗粒间添加梁,这样研究对象就成为一个由颗粒单元与梁网络形成的复合结构。梁的作用是使颗粒的集合体具有与初始对象近似的强度性质。用离散元法描述颗粒单元的运动,并通过相邻颗粒间的相对位移计算梁的变形,根据梁的强度准则判别梁是否存在;裂纹的产生及碎块的形成通过梁的消失来体现。然后采用矩阵位移法计算梁的受力,并反作用于对应的颗粒单元上。模拟结果表明,梁–颗粒模型可以克服以连续介质力学为基础的有限元等数值方法对于模拟大变形时的局限性,可以逼真地体现爆炸载荷下裂纹的生成、扩展以及碎块的形成及飞离母体等大运动特征,且模拟结果与试验结果基本一致,该方法可用于爆炸效应数值模拟,是一种有效的手段。

螺旋群锚在岩土介质中极限抗拔力的试验分析及工程应用

通过室内模型试验 ,初步探讨了在砂土中当螺旋群锚的间距改变时 ,其受力性能的变化 ;通过试验及分析 ;提出了计算螺旋群锚在不同间距时的极限承载力公式 ;