香港九龙大坑东地下蓄水方案数值研究

香港九龙大坑东地下蓄水方案(Tai Hang Tung Storage Scheme-THTSS)是香港西九龙渠道改善二期计划的一个重要组成部分,其目标是解决香港九龙繁华拥挤、人口稠密的商业中心旺角一带的洪水淹没问题。THTSS即是在经常洪水淹没区域(大坑东和界限街水渠交接处)上游足球场下面建立一个100 000 m3的地下蓄水池。本文建立了一个能处理明渠缓流和急流、封闭管道有压流、侧流堰和渠道汇合处过渡流于一体的一维水力数学模型,用1∶22正态物理模型恒定流下的结果进行验证。数值模型计算了在50年一遇暴雨下,非恒定洪水在不同的侧流堰方案下的流动过程。结合物理模型试验结果,选择最佳的地下蓄水方案。计算结果表明,大坑东地下蓄水方案确实能加强旺角地区地洪水控制能力,并能通过50年一遇暴雨的洪水。

住宅小区地下车库问题的几点思考

我国以密集型多层或高层为主的住宅小区,修建地下车库成为解决停车问题的方式。本文对地下车库中的法律争论、地下车库的规划和地下车库建设带来的各种安全问题三个方面进行了探讨,并提出了一些思考或解决办法。

打桩锤击模型的解析算法

桩的可打性研究需要模拟桩的锤击,计算出桩顶的应力波。该应力波可由数值或解析方法研究获得。针对桩锤、桩帽、锤垫、桩垫组成的锤击系统,提出了一种新的解析模型。该模型分别用不同的集中质量块表示桩锤、桩帽,用一并联的弹簧、阻尼器表示锤垫,用一弹簧表示桩垫,同时用一阻尼器表示桩,建立平衡方程,利用拉普拉斯变换推导出锤击力的解析解。该解析解均用无量纲量表示,可用来研究桩垫层材料的参数、桩帽与桩锤质量之比对锤击力的影响,并利用室内试验确定出桩垫材料的刚性系数,将理论计算值与实测值进行对比,理论值与实测值吻合较好,故该解析模型可用来研究参数的组合对锤击性能的影响。

隧道病害研究现状与进展

根据国内外隧道病害研究现状,笔者对隧道病害研究方法和特点进行了分析与综述,结合隧道健康诊断与维修加固需要,指出了目前研究中存在的问题,在此基础上,提出了病害研究的总体思路。

不同胶结厚度下粒间胶结力学特性的试验研究

为研究胶结物厚度对粒间胶结强度的影响,在蒋明镜等[1-4]已完成的0.6 mm厚度的环氧树脂和水泥微观胶结模型试验基础上,进一步选取1.0 mm和1.5 mm两种胶结厚度,通过一系列接触力学特性测试,并结合0.6 mm厚度的试验数据,分析了在不同胶结厚度和不同胶结物类型下,粒间胶结强度指标的变化规律。试验结果表明:随着胶结厚度的增加,峰值抗拉荷载增大,峰值抗压荷载减小;同一胶结厚度下,随着法向压力的增大,两种胶结物的峰值抗剪和抗扭荷载均先增大后减小,而同一法向压力下,随着胶结厚度的增加,二者的峰值抗剪和抗扭荷载均随之减小。在三维应力空间中(法向压力-扭矩-剪力),两类胶结强度包线分别为水滴状、橄榄球状且随胶结厚度的增加而缩小,但形状不发生变化。

复杂应力下两种胶结颗粒微观力学模型的试验研究

将胶结颗粒理想化为两铝棒在指定位置处形成胶结,根据铝棒间胶结物厚度的不同,分别定义为有厚度胶结颗粒和无厚度胶结颗粒,对上述两种胶结颗粒进行一系列力学试验(包括:拉伸、压缩、压剪、压扭和复杂应力试验),从而对理想胶结颗粒的微观力学特性进行试验研究。试验结果表明:胶结厚度和法向压力对胶结颗粒的力学性能影响显著,随着胶结厚度的增大,试样的抗拉强度和延性均增大,其抗压特性由塑性硬化向塑性软化转变。无厚度试样抗剪和抗扭强度始终随法向压力的增大而增大,而有厚度试样则先随法向压力的增大而增大,当法向压力超过某一数值后,其强度又随着法向压力的增大而减小。在三维应力空间中(法向压力–扭矩–剪力)无厚度胶结颗粒的强度包线呈椭圆抛物面状,而有厚度胶结颗粒强度包线呈水滴状。

考虑简化胶结模型的深海能源土宏观力学性质离散元数值模拟分析

根据蒋明镜等所提出天然结构性砂土微观胶结模型及微观胶结试验结果,将该模型引入离散元商业软件PFC2D,进行能源土双轴试验离散元数值模拟分析,并同Masui等[6]能源土三轴试验结果进行对比分析,结果表明,蒋明镜等所提出胶结模型能够较好的模拟水合物的微观胶结力学行为,水合物胶结的存在对能源土强度具有一定的贡献。

深海能源土微观力学胶结模型及参数研究

天然气水合物主要以胶结物形式存在深海能源土颗粒之间,对能源土强度影响显著,因此研究水合物胶结接触力学特性对能源土力学性质研究有重要作用,而其中的关键是水合物胶结模型及胶结参数的确定。首先,引入并讨论了一种微观胶结接触模型及其对于能源土胶结接触力学特性的适用性;其次,通过文献资料系统分析,获取不同温度、压力及水合物密度条件下天然气水合物的强度与弹性模量表达式;最后,进一步研究了水合物微观胶结模型中的胶结参数,该类水合物微观胶结参数取决于能源土中水合物埋藏深度(赋存环境压力)、温度、水合物密度,这些宏观参量容易确定。

基于微观破损规律的结构性土本构模型

在岩土破损力学理论的基础上,通过考虑土体结构性破损的微观机理,建立了结构性土的本构模型。通过定义与重塑土屈服面几何相似的结构性屈服面,模型可以反映结构性对土体力学特性的影响;通过引入表征结构性损伤的破损参数,确定了结构性土加载过程中的硬化规律。该破损参数基于岩土破损力学中应力应变分担的概念而提出,具有明确的力学意义;模型的硬化规律同时考虑了塑性体应变及塑性主应变的影响,可以更好地反映土体结构性损伤过程。将该本构模型用于结构性土室内固结试验及三轴压缩试验结果的模拟,初步验证了该模型的合理性。

深海能源土宏观力学性质离散元数值模拟分析

首先,引入笔者等[16-17]所提出的微观胶结模型用以反映能源土颗粒之间水合物微观胶结接触力学特性;其次,采用C++语言将模型程序化,建立同商业软件PFC2D的程序接口,将模型引入离散单元法中;然后,通过简化计算方法确定胶结宽度随水合物浓度的变化规律,进而确定水合物微观胶结参数;最后,根据所确定的胶结参数,针对不同水合物浓度试样进行能源土宏观力学特性离散元双轴试验模拟,并从应力应变、体积应变、水合物对能源土弹性模量的影响等方面与Masui等[4]所进行的能源土室内三轴试验进行对比分析。结果表明:所选择胶结模型及微观胶结参数能有效反映深海能源土宏观力学规律;能源土峰值强度、弹性模量均随水合物浓度增加而增加,体积膨胀随水合物浓度的增加越来越显著。

含抗转能力散粒体的宏微观力学特性数值分析

颗粒间抗转因素对散粒体宏微观特性的影响十分显著。本文采用离散单元法,将蒋明镜(2005年)等提出的抗转动接触模型植入离散元分析软件PFC2D中,模拟了大量刚性边界下的砂土双轴试验,研究了压缩过程中试样的宏观力学性质及部分微观参量的变化情况,用以定性分析颗粒间抗转作用对散粒体的宏微观力学特性的影响。研究表明:颗粒间的抗转作用对散粒体的宏微观特性影响显著。宏观上,抗转系数越大,试样的强度及剪胀越明显,抗转系数达到一定值时松砂试样亦会出现软化及剪胀现象,内摩擦角随抗转系数的增加而增大;微观上,同一围压下,抗转系数越大,砂土颗粒平均接触数即配位数稳定值越小,接触点方向性越明显。

深海能源土开采对海床稳定性的影响研究思路

深海天然气水合物大量赋存在深海沉积物中(即深海能源土)。天然气水合物的大规模开采将导致能源土力学性质劣化,从而引发海底滑坡和海床失稳等一系列海床稳定性问题。针对能源土开采所致海床稳定性问题,探讨现行相关研究方法的局限性;建议在宏微观土力学研究思路框架内,基于对能源土微观结构的深刻认识,以离散元为桥梁、以物理实验为依据,探究深海能源土的宏观力学变形特性,然后结合有限元数值模拟分析方法,研究海床稳定性问题。

试验反压对深海能源土宏观力学特性影响的离散元分析

在饱和土体三轴试验中,反压常被用于提高试样饱和度,其对常规土体强度特性无影响已广为认同,而已有试验资料表明反压对深海能源土强度、弹性模量等宏观力学参数均存在一定影响,成为困扰国际岩土界的一个难题。首先探讨了试验反压对能源土力学特性的影响机理,通过引入能源土微观接触模型的离散元双轴试验检验上述机理的合理性;然后结合20组离散元双轴试验,进一步探究能源土宏观力学特性随反压的变化规律。结果表明:试验反压对能源土力学特性的影响与水合物作用相关;反压能提高能源土强度,使应变软化和剪胀特性更加明显,并对其弹性参数有一定的影响;试验反压较大时,反压变化对能源土强度参数的影响难以忽略,但对弹性参数的影响可忽略。

一种考虑流体状态方程的土体CFD-DEM耦合数值方法

在离散元(DEM)商业软件PFC2D的基础上,通过将描述流体体变–压力非线性关系的Tait状态方程(EOS)引入计算流体动力学(CFD),建立模拟弱可压缩流体的CFD-DEM耦合计算模块。首先,推导CFD-DEM的控制方程:包括流体–颗粒相互作用力方程、流体运动方程、Tait状态方程和颗粒运动方程。接着,通过PFC2D自定义FISH语言和C++语言将离散化的CFD-DEM控制方程嵌入商业软件PFC2D中。最后,通过单颗粒水下自由沉降运动和一维单面排水固结试验的模拟验证该耦合模块的可行性。模拟结果表明单颗粒自由沉降速度和Stokes理论解接近,一维单面排水固结试验中孔压消散和固结度随着无因次时间因数Tv的变化均与太沙基固结理论符合较好。从而使得用离散元法全耦合分析土体不排水条件下的力学特性成为可能。

甲烷水合物三维离散元模拟参数反演初探

含填充型水合物的砂性能源土可视为特殊的散粒体材料(砂粒和水合物颗粒混合物),具有明显的非连续特征。在离散元中若采用团粒(胶结成团的颗粒组)模拟填充水合物颗粒则需合理确定团粒结构内颗粒间胶结模型参数。为此,基于前人的室内纯水合物三轴试验资料进行离散元建模与参数反演。结果表明,宜采用松散且颗粒间摩擦系数较小的试样模拟水合物块体,当颗粒间摩擦系数小于等于0.04时,可确保无胶结试样的内摩擦角小于室内试验获得的纯水合物内摩擦角。胶结刚度只需在较小范围变化即可反映相同温度不同围压条件下的弹性特性,且微观刚度参数与胶结强度参数的相互作用较小,可以假定二者相互独立。通过选取不同的微观胶结强度值进行不同围压下的三轴压缩试验,建立微观胶结强度参数与宏观参数(内摩擦角和黏聚力)之间的关系,从而确定与室内试验强度特性相符合的微观胶结强度值,实现甲烷水合物三轴试验离散元模拟;由体变规律可知,甲烷水合物在发生剪胀前均存在一个初始的体积收缩阶段,且剪胀特性随着围压的减小而呈现增强趋势。通过微观变量颗粒接触方向组构的分布图可知,随着轴向应变增大,颗粒间接触主方向朝竖直方向偏转,表现出明显的各向异性特性。随着轴向应变的增大,颗粒间胶结残余率变小,表明试样逐步破坏。

考虑砂土颗粒破碎的圆孔扩张半解析分析

圆孔扩张理论在岩土工程中应用较广。采用修正的临界状态模型来描述砂土三种不同压缩变形机制:颗粒重分布,颗粒破碎和拟弹性变形,结合空间滑动面(SMP)屈服准则和不相关联流动法则,通过编写Matlab微分方程求解程序,获得考虑砂土颗粒破碎的圆孔(柱孔和球孔)扩张问题的半解析解答。以加拿大Quebec砂土为例,将该圆孔扩张解答结果与基于常规临界状态模型的解答进行比较分析,结果表明:颗粒破碎对砂土在高应力及临界状态的应力解答及变形特征影响显著,在采用圆孔扩张理论解释静力触探试验及旁压试验时应考虑颗粒破碎的影响。

结构性砂土粒间胶结效应的二维数值分析

将理想胶结颗粒接触力学特性的测试结果引入到离散元胶结接触模型中,对结构性砂土粒间胶结效应进行离散元数值模拟。首先,胶结颗粒被理想化为两铝棒在指定部位形成胶结,通过一系列加载试验(拉伸、压缩、压剪)获得胶结铝棒在不同应力路径下的接触力学响应。随后,将测试结果提炼总结后引入到自行开发的二维离散元程序NS2D中,用以模拟不同初始密度和胶结强度的结构性砂土等向压缩试验。最后,通过与人工胶结砂土的试验数据进行比较,对文中的数值模拟结果进行验证。研究表明:离散元数值模拟能够有效的捕捉结构性砂土的主要力学特性,即屈服强度和体积模量均随初始密度和胶结强度的变化而变化,且胶结试样的屈服强度与试样内部颗粒间胶结点破坏率密切相关。

变胶结厚度下胶结颗粒微观模型的初步研究

粒间胶结厚度对胶结作用有一定的影响,在已有研究基础上针对不同胶结厚度,设计加工了适用于设定胶结厚度的胶样成型装置及复杂应力辅助加载装置,制备了胶结厚度为1.5mm的铝棒60对,经一定时间的养护后,对其进行了一系列拉伸压缩剪切等力学加载试验,并将试验结果与蒋明镜等人[8]的无胶结厚度及胶结厚度为0.6mm的相应试验结果进行对比分析,得出不同胶结厚度对铝棒间胶结物力学特性的影响。结果表明:随着胶结厚度的增加,抗拉强度增大,抗压强度减小,抗剪强度也减小。

岩体分级的多分类有序因变量Logistic回归模型

将多分类有序因变量的Logistic回归分析引入到岩体质量分级问题中.从工程岩体实测数据出发,以影响岩体质量的单轴抗压强度、岩体声波纵波速度、体积节理数等6个因素为自变量,有序多分类的岩体级别为响应变量,建立岩体分级判别公式.检验模型拟合优度及预测能力.结果表明,Logistic回归模型性能良好,回判估计的误判率为零,预测准确率高.相比距离判别分析和线性回归分析,Logistic回归分析对变量分布无要求,理论上更适于响应变量为有序多类别的岩体分级问题;模型可以输出岩体属于各级别的概率,为工程设计人员提供更多的岩体质量信息.因而Logistic回归模型是一种更优的工程岩体分级方法.

两种位移模式下挡墙主动土压力的离散元模拟

挡土墙位移模式是影响挡土墙土压力问题的关键因素之一,位移模式不同,土压力大小、分布也不同。文章用离散元软件PFC2D模拟了不同位移模式下墙后填土为砂土时挡墙土压力问题,分析了总土压力随位移变化情况,土压力分布情况及土体滑裂面形状、顶宽等问题。研究结果表明:土压力分布,大小与挡土墙位移模式有关,挡土墙背离土体平移即T模式下土压力分布呈线性、而绕墙底转动即RB模式下土压力基本呈线性分布,挡土墙位移较小时,土体便能达到主动极限状态;T模式下滑裂面为通过墙底的平面,而RB模式下滑裂面为未通过墙底的平面,T模式下滑裂面顶宽大于RB模式下相应值。