海底电缆覆盖物清理的移动射流过程仿真分析

在实际工况中,高压喷嘴存在横向移动的速度,使得射流对土体的冲埋深度难以预测,导致海缆表面覆盖物清理不完全。针对此问题,建立了优化后的流场与冲埋深度预测理论模型,利用数值仿真对模型进行了验证。首先,建立了一种喷嘴流场优化模型,阐述了冲埋深度的预测方法;其次,建立了水射流破土数值仿真模型,选取射流压强、喷嘴直径、喷嘴横移速度以及土壤剪切强度4种控制参数,分析了不同参数对冲埋深度的影响。结果表明,随着射流压强、喷嘴直径的增大,冲坑深度逐渐增大;随着喷嘴横移速度和土体剪切强度的增加,冲坑深度逐渐减小。最后,理论结果和仿真结果进行对比,两者误差在允许范围之内。该模型可在一定程度上解决冲埋深度难以预测的问题,可为工程应用提供指导。

金沙江干热河谷冲沟区优先流影响下的土壤力学特性

为探究金沙江干热河谷冲沟区优先流与土壤力学的相关机理,揭示优先流影响下土壤抗剪强度特征规律,丰富干热河谷冲沟发育区沟侵蚀机理,为该地区进一步开展沟蚀治理提供理论依据。在典型冲沟发育区选择完整冲沟为研究对象,基于染色示踪、土壤理化、原状土直剪试验,利用RDA等统计方法分析优先流与土壤力学指标间的相关性,明晰优先流和抗剪强度的关系。结果表明:(1)由于冲沟发育使冲沟内由集水区到沟底优先流发育程度逐渐降低。土壤含水率、容重、总孔隙度、有机质含量均呈优先流区大于基质流区,机械组成分形维数整体上基质流区(2.680~2.874)大于优先流区(2.746~2.893)。(2)冲沟区优先流通过影响土壤黏聚力和内摩擦角进而对抗剪强度产生影响,一定程度上会降低土体抗剪强度。集水区、沟头抗剪强度大于沟床和沟底。优先流区黏聚力(1.24~2.65 kPa)小于基质流区黏聚力(1.91~4.27 kPa),优先流区内摩擦角(19.52°~22.47°)略大于基质流区内摩擦角(17.68°~22.35°),优先流区抗剪强度(36.66~43.68 kPa)整体小于基质流区抗剪强度(38.74~47.32 kPa)。(3)优先流与土壤黏聚力和内摩擦角有不同程度的相关性。土壤黏聚力与染色面积比、基质流深度呈显著负相关,内摩擦角与优先流百分数、优先流区染色面积比呈负相关;抗剪强度与染色面比、最大染色深度、优先流百分数、优先流区染色面积比呈负相关。

加气对水肥混合液细小泥沙絮凝沉降的影响

为探明加气对水肥一体化滴灌管网中泥沙沉降能力的影响,配置6种粒径泥沙和3种类型肥料(硫酸钾肥、复合肥、尿素,质量分数均为1.0%)组合的浑水,测定3种水流剪切强度(0,1.38和4.67 s^(-1))条件下加气前后的浑水浊度、泥沙中值沉速和沉降泥沙中值粒径.结果表明:加气加速水肥混合液中细小泥沙的絮凝沉降,尿素水肥混合液加气后泥沙中值沉速增幅最大,硫酸钾肥次之,复合肥最小,分别比未加气处理最高增加89.27%,52.74%和45.63%;加气加速泥沙絮凝沉降的作用随泥沙粒径的减小而增大,加气显著促进中值粒径D≤31μm泥沙的絮凝(P<0.05),沉降泥沙粒径较未加气处理增大3.22%~21.99%,加气显著加速中值粒径D≤53μm泥沙的沉降(P<0.05),中值沉速较未加气处理提高23.96%~89.27%;水流剪切强度越大,加气促进泥沙沉降的作用越小,当水流剪切强度小于4.67 s^(-1)时,加气处理的泥沙中值沉速比未加气处理显著提高9.38%~89.27%(P<0.05).泥沙粒径、肥料种类、水流剪切强度和加气处理相互作用,显著影响浑水泥沙的絮凝沉降,建议水肥气混合液滴灌时应定期冲洗灌溉管网,以减少沉降泥沙.

高应力和高渗压下饱和完整砂岩三轴剪切-渗流耦合特性试验研究

为研究高地应力和高水头压力下完整岩石的三轴剪切力学特性和渗透特性,更加真实地揭示三维压剪应力状态下重大岩石边坡在剪切-渗流耦合作用下的损伤破坏机制,采用Rock Top多场耦合试验仪,对饱和完整砂岩进行五组不同法向应力和渗压下的三轴剪切-渗流耦合试验,获得相应的三轴剪应力-应变-表观渗透率曲线和含有原岩屑的剪切单节理裂隙面,并开展单节理裂隙渗透试验。分析不同法向应力和渗压双因素耦合作用下岩石剪切破坏裂隙面的形貌特征,探究饱和砂岩的剪切强度和表观渗透率随法向应力、渗压的演变规律,探讨单裂隙砂岩的表观渗透率在剪应力逐渐减小过程中随渗压的演化特征。研究结果表明:1)剪切-渗流耦合作用下饱和砂岩表观渗透率表现出先减小后增大并逐渐趋于稳定的变化规律;2)剪切-渗流耦合下饱和砂岩剪切峰值强度和残余强度随着法向应力增大而增大,随着渗压的增大呈线性减小,并且在剪切过程中表观渗透率曲线渗流峰值滞后于剪切峰值强度;3)在剪应力缓慢降低过程中,单节理裂隙面的开度先降低后增大,其表观渗透率和渗流量呈现出先减小后增大的变化规律;4)采用Forchheimer方程拟合获得剪应力、渗压和法向应力作用下,贯穿单裂隙面的渗流量与渗压的关系式。

预开孔对钢铝热熔自攻丝接头力学性能的影响

热熔自攻丝技术(Flow Drill Screw,FDS)作为混合材料车身中单边连接的主要连接方式,在上层板材预开孔是其常用的辅助连接方法。以HC340/590DP高强钢和6063-T6挤压铝合金为研究对象,通过剪切拉伸实验,研究了上层板材厚度及预制孔尺寸对接头剪切强度及失效模式的影响。结果表明,当上层钢板厚度为0.8 mm,预制孔直径为5.5 mm时,FDS接头剪切峰值载荷及吸能能力大大降低。当预制孔直径小于5.5 mm时,相同预制孔直径下FDS接头吸收能量能力随上层板厚度增大呈减小趋势。此外,上层钢板厚度与预制孔直径之比f影响FDS接头失效模式及力学性能,当f大于0.27时,FDS接头失效模式为螺钉断裂,剪切峰值载荷基本不变;当f小于0.27时,FDS接头失效模式为上板撕裂,剪切峰值载荷随f增大而增大。

基于有效应力原理的泡沫改良粗粒土不排水残余剪切强度计算模型

泡沫常用于土压平衡盾构渣土改良,流动性良好的泡沫改良粗粒渣土有利于盾构进排土顺畅和土舱压力传递,进而避免地层过大变形和失稳。从泡沫改良粗粒土不排水压缩和剪切机理出发,推导了不排水条件下带压泡沫改良粗粒土流动大变形后的残余剪切强度统一理论模型。首先基于理想气体定律和土的有效应力-应变双曲线方程求解不排水一维压缩时的有效应力,然后推导不排水剪切引起的超孔隙压力和残余状态下剪切强度与有效应力的关系式,再构建剪切速率相关的残余剪切强度计算模型。采用不排水加压十字板剪切试验验证了计算模型的准确性,试验值与理论值的平均误差约10%,表明该计算模型可用于确定泡沫改良粗粒土连续流动时的残余剪切强度。最后开展了影响因素分析,竖向总应力增大能提高残余剪切强度,而泡沫注入比增加能降低残余剪切强度;残余状态下流动大变形泡沫改良粗粒土的屈服应力和塑性黏度均与竖向总应力呈正相关,而与泡沫注入比呈负相关。

强度变化对崩坡积体堆积机制及稳定性影响研究

利用颗粒流PFC2D建立了岩土体物理模型,在此基础上设计了均以物理模型折减计算初始模型和以前一折减计算结果为下次折减计算初始模型两类计算条件,每一类又设计了只对凝聚力折减、仅对内摩擦角折减、强度参数同时折减3种计算方案,每种计算方案又包含折减1.0、0.50、0.10、0.01、0.0倍等5个计算工况。经对坡面演替、监测点x方向速度变化曲线等计算结果的对比分析发现:凝聚力对于岩土体的直立特性起控制作用,破坏模式多为崩塌倾倒模式;内摩擦角对于稳定坡角具有重要影响;强度参数同时衰减时,强度参数弱化幅度较大情况下岩土体呈散体物质破坏模式,为滑移渐进破坏模式,其中凝聚力弱化0.1倍前后(约10kPa)后,破坏模式由崩塌破坏转变为滑移破坏。

几种水溶性聚合物抗拉伸流动剪切性能的评价

利用"十"字狭缝拉伸流动装置,以聚合物溶液相对黏度降低率为考核指标,对线型水解聚合物(LHPAM)、梳型抗盐聚合物(KYPAM)和疏水缔合聚合物(AP-P4)的抗拉伸流动剪切性能进行了初步评价。实验结果表明,随相对分子质量的增大,LHPAM的抗拉伸流动剪切性变化较小,而KYPAM的抗拉伸流动剪切性明显下降。当拉伸剪切速率小于80 000 s^(-1)时,AP-P4抗拉伸剪切性随其浓度的增加先增加后降低;当拉伸剪切速率大于80 000 s^(-1),分子间缔合较弱时AP-P4抗拉伸剪切性较好,分子间缔合较强时APP4抗拉伸剪切性较差;浓度同为1750 mg/L时,3种聚合物抗拉伸流动剪切性能高低的顺序为:KYPAM>LHPAM>AP-P4。

植被作用下土壤抗剪强度和径流侵蚀力的耦合效应

利用野外径流小区动态监测和人工模拟降雨试验,阐明了草被和灌木的减流减沙效应,从力学层面揭示了坡面侵蚀产沙的过程机理。结果表明,与裸地相比,野外坡面草地和灌木地径流量分别减少28.1%～56.5%和85.7%～100%、产沙量分别减少84.9%～90.7%和98.5%～100%;在人工模拟降雨强度下,草地和灌木地径流量分别减少51.9%～90.9%和61.7%～80.6%、产沙量分别减少93.6%～99.2%和95.5%～99.2%;植被具有明显的增强土壤抗剪强度的作用,不同植被坡面抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,且符合库仑定律;不同下垫面条件下土壤黏聚力与坡面径流量和侵蚀产沙量呈显著的负相关关系,随着黏聚力的增大,径流量和侵蚀产沙量呈下降趋势;草地和灌木地坡面侵蚀临界径流切应力分别为裸地的2.64～3.16倍和2.44～3.18倍,建立了不同被覆坡面临界径流切应力与土壤抗剪强度和黏聚力的关系。研究结果对定量评价植被减蚀作用和深化土壤侵蚀力学过程有一定的参考意义。

粗糙节理剪切性质的颗粒流数值模拟

在二维颗粒流程序PFC2D中生成粗糙节理剖面并模拟其剪切性质。通过数值直剪试验,从细观角度观察节理的宏观破坏过程。作为模型试验的一种补充,可以观测到粗糙表面微凸体的剪切破坏及微裂隙发育的情况。宏观剪切区域的产生主要是由细观剪裂纹的累积形成的,剪切破坏区域集中在爬坡效应显著的位置,即剪切应力集中的区域,剪切过程中形成的剪裂纹的数量在出现剪切峰值应力后显著增加,此时粗糙节理面的破坏最为显著。颗粒流数值试验能较好地再现模型试验的结果,采用PFC2D数值试验能部分替代真实岩石试样的模型试验,将其作为一种预测真实岩石节理抗剪强度的手段,从而解决天然粗糙节理形貌难以重复的问题。

不同接触状态下粗糙节理剪切强度性质的颗粒流数值模拟和试验验证

节理表面形貌和接触状态对节理剪切力学性质有重要的影响。用砂浆材料的单轴压缩试验和光滑节理直剪试验得到材料和光滑节理的宏观力学性质参数,对颗粒流数值模拟的节理细观力学性质参数进行标定。用颗粒流离散元数值软件(PFC2D)构建人工粗糙节理表面形貌,对不同表面形貌的节理在不同接触状态下的剪切强度性质进行颗粒流直剪数值模拟试验,获得其峰值剪切强度。同时进行人工材料节理直剪试验,与颗粒流直剪数值模拟试验结果进行对比分析,数值试验与直剪试验结果吻合较好,验证了颗粒流直剪数值模拟试验与直剪试验具有同等的精度,可以作为各种表面形貌的节理在不同法向应力水平下抗剪强度研究的一种补充方法,以解决节理直剪试验中表面形貌损失对其剪切强度的影响,也可以在少量节理直剪试验的基础上,预估相同形貌的节理在不同接触状态下的剪切强度性质,同时还可以在现场测定不同粗糙度的节理表面形貌,预估其在不同接触状态、不同法向应力下的剪切力学性质。从而解决节理直剪试验中在相同形貌节理试件取样和制备困难的问题,且具有经济、方便、快捷、可重复性强等特点。

一种测试海底泥流强度的新型全流动贯入仪

针对当前缺乏低强度、高含水率的海底泥流强度的有效测试技术这一现状,基于全流动的测量机制,开发了一种新型全流动贯入仪;通过对仪器构造和测力元件的全面改进,实现不排水剪切强度、不同扰动程度下残余强度等参数的有效测量.通过在100g离心模型实验和1g常规重力实验条件下的不排水剪切强度测试,验证了新型全流动贯入仪的可靠性和稳定性;将开发的新型全流动贯入仪应用于模拟细粒土海底滑坡形成的海底泥流的循环强度测试中,取得了较好的效果.

南海北部陆坡软黏土全流动强度试验研究

鉴于海底软黏土强度测试困难和精度不足的现状,研发了一种适用于低强度、高含水率土体强度测试的新型全流动贯入仪,并进行了有效性校验。在此基础上,针对南海北部陆坡区典型软黏土,开展了多组原状试样的全流动强度试验,分析了试验中初始阻力系数N与重塑阻力系数Nrem的取值范围,给出了软黏土扰动前后不排水剪切强度沿深度的分布特征及变化趋势,并结合微观孔隙面积比和宏观构造灵敏度,探究了研究区土体的强结构特征。最后,基于重塑不排水剪切强度与含水率/液限间的关联性分析,提出了适用于研究区土体的不排水剪切强度归一化模型,为南海北部陆坡区海底能源开发、海洋工程基础设计与地质灾害预测提供参考。

用均匀设计法制备性能优良的磁流变液

对磁流变液组成材料的选取及相互间的配比关系进行了研究.利用均匀设计配方设计来制备磁流变液,从而通过较少的试验获得了高屈服强度、低沉降性能的优良磁流变液,并分析了不同组分对磁流变液各方面性能的影响.

粗粒料湿化变形数值模拟研究

粗粒料湿化变形特性对土石坝静力稳定有着显著影响。目前开展的三轴试验和直剪试验研究,一般只能进行干样和饱和样的试验,而对于非饱和情况研究较少。基于粗粒料不同围压下湿化变形试验研究成果开展数值模拟研究,结果表明:湿化变形的影响可以通过改变细观剪切模量和细观摩擦系数来实现;随着颗粒破碎随饱和度和围压的增加,湿化后粗粒料的强度低、内聚力降低,但摩擦角变化不大。

非饱和紫色土三轴试验颗粒流宏细观参数关系研究

为确定非饱和紫色土颗粒流宏细观力学参数间关系,采用三维颗粒流软件(PFC^(3D))并结合控制变量法与莫尔-库仑破坏准则,对不同含水率(8%、10%、12%、14%、16%、18%)及围压(100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa)条件下的非饱和紫色土三轴固结不排水试验进行了数值模拟,并与室内结果进行对比。结果表明:重塑紫色土黏聚力随含水率增加呈先增后减的趋势,且存在临界含水率12%;内摩擦角与含水率呈一阶线性负相关。紫色土的宏观强度参数黏聚力与细观参数切向黏结强度呈线性正相关,而内摩擦角值由颗粒切向黏结强度及摩擦系数共同决定。建立了紫色土含水率与颗粒切向黏结强度、摩擦系数之间的定量关系,通过细观参数切向黏结强度及摩擦系数的改变来模拟不同含水率下紫色土的黏聚力与内摩擦角的变化,将数值模拟的应力-应变曲线与室内试验曲线进行对比,验证了该关系的正确性。利用PFC^(3D)内置的切片工具对含水率为12%,围压为200 kPa的数值试件进行剖切,可以较好地观察到紫色土三轴微观颗粒的运动情况及颗粒间接触力的分布特征,为深入探究紫色土的抗剪强度特性及应力-应变性状提供参考。

崩积混合体直剪试验与PFC^(2D)数值模拟分析

通过野外崩积混合体结构特征分析,考虑原样级配,开展对崩积混合体重塑样的室内大尺度直剪试验研究,结合PFC2D颗粒离散元仿真试验,分析了不同含石量情况下崩积混合体变形与强度变化规律及内在机理。将数值试验的成果与室内试验结果进行对比分析。结果表明,随着含石量的增加,崩积混合体的应变硬化效应显著。低法向应力下崩积混合体表现为剪胀,高法向应力下则表现为剪缩;当含石量低于40%时,崩积混合体的力学性质由土体控制,超过80%以后,其力学性质基本上完全由块石控制。

蒋家沟砾石土不同粗粒含量直剪强度特征

蒋家沟流域内大量泥石流由滑坡引发,滑坡转化为泥石流的3个过程中,首先是在斜坡体内大范围剪切破坏。在其物源区与沉积区内分布大量砾石土,其强度特征对于蒋家沟泥石流的起动机制具有重要意义。由于砾石土颗粒粗大,粗细粒配比和试验尺寸对强度特征有一定的影响。为此在室内现场两用大型直剪仪下进行蒋家沟砾石土不同粗粒含量下的直剪强度试验,结果表明:在干密度为2.0g/cm3、含水率为7%时,砾石土除在粗粒含量为74.31%的低垂直压力(50,100 kPa)时剪应力-水平位移关系有峰值外,其余土样没有明显峰值;同一粗粒含量试样在水平剪切应变值为0.02时的剪切模量G0.02随垂直压力增加而增大;在相同垂直压力下,G0.02随粗粒含量增加而增大,且在较低垂直压力下的G0.02随粗粒含量增长更为显著。内摩擦角值随粗粒含量增加而增大;黏聚力在粗粒含量为48.7%时最小。粗粒含量小于48.7%时,试样黏聚力值随粗粒含量增大而减小;当粗粒含量大于48.7%时,黏聚力随粗粒含量增加而显著增大。

加锚节理面的抗剪试验研究

通过一系列剪切模型试验,研究在不同法向力、预应力和锚固情况下锚索对平滑节理面抗剪性能的影响,利用对比试验将销钉力、预应力和轴力增量3种力的抗剪作用分离出来,着重探讨了在剪切过程中3种力对节理面的抗剪贡献,并分析了锚索模拟体的破坏形式。试验结果表明,预应力锚固明显提高了节理面剪切力-位移曲线初始段的抗剪力和剪切刚度,并使得曲线末段表现出塑性强化的特征;预应力大小对加锚节理面抗剪强度的影响与试验条件、节理面状况和锚固角等有关。试验和理论分析表明,剪切位移开始阶段预应力和销钉作用发挥了主要作用,杆体形成塑性铰后轴力增量则起了重要的作用,锚索的破坏一般发生在节理面附近,属于拉剪复合破坏模式。

海底泥流的流变试验及强度模型

海底泥流是海底斜坡发生失稳滑动后,经复杂的水土交换作用演变成的稀式海底滑坡体,表现出土体和流体的双重特征,而现有的测试方法难以获得低剪切应变率下连续变化的强度值,不能很好地揭示其综合强度特性。利用新型全流动贯入仪和RST流变仪,对模拟海底泥流在不同剪切应变率下的流变和强度特性进行了多组试验研究,并基于试验结果分析了不排水剪切强度、屈服应力和表观黏度与含水率的相关性。基于剪切稀化理论,提出分阶段拟合模式来描述海底泥流从低剪切应变率到中高剪切应变率的流变关系;通过多种常规流变模式拟合结果的对比分析,显示出新流变模式的适用性和优势。考虑强度软化的影响,建立了全剪切应变率范围内海底泥流的不排水剪切强度模型,为海底泥流运动过程的数值模拟和灾害评价提供科学依据。