不同推进比下螺旋桩在砂土中安装力的离散元研究

螺旋桩作为一种颇具潜力的海上风电基础形式,其安装问题是螺旋桩能否成功应用在海上风电工程中的关键。基于离散元方法,采用PFC^(3D)模拟分析了螺旋桩在不同推进比下安装时的桩身受力情况以及对周围土体的影响。宏观上,研究了螺旋桩在不同推进比下安装时螺旋桩连杆侧壁、连杆端部、螺旋叶片上下表面的受力变化规律;微观上,分析了螺旋桩安装过程中桩周土体孔隙率、配位数及应力变化规律。研究表明:随着推进比的减小,螺旋桩安装时受到的竖向力与扭矩也随之降低,对桩周土体的扰动也更小;螺旋桩在推进比为1时安装与在推进比小于1时安装存在两种不同的安装机制。研究结果对进一步确定螺旋桩在不同推进比下的安装条件具有一定意义。

单、双孔隙结构非饱和黏土孔隙分布变化规律试验研究

由于孔隙分布曲线的复杂性,在非饱和过程中黏土的孔隙结构变化规律尚不明晰,这导致基于孔隙分布模型计算土-水特征曲线存在较大的误差。针对这一问题,基于干缩试验与压汞试验,对单孔与双孔结构重塑黏土在脱湿过程中孔隙分布曲线的变化规律进行了定量分析。研究表明:在脱湿过程中孔隙分布曲线存在平移、缩放等变换。构建了t分布和双t分布函数,提取了孔隙分布曲线的自由度、峰值、峰值对应的孔隙直径作为特征参数来表征孔隙分布变化规律,发现了特征参数和土样孔隙比之间存在较好的线性关系。基于试验结果,建立了含水率-孔隙比-孔隙分布曲线关系,提出了一个考虑孔隙结构变化的重塑黏土土-水特征曲线计算框架。最后,与试验测得的土-水特征曲线进行比较,验证了所提出的计算方法的准确性。

水平排水板真空脱水-固化联合方法处理疏浚淤泥的试验研究

疏浚淤泥的含水率高、渗透性低、压缩性高、承载力低,难以快速高效地处理和处置。对此,介绍了一种复合方法,即基于水平排水板的真空脱水-固化联合方法,简称PHDVDS,并通过模型试验研究了PHDVDS方法处理高含水率疏浚淤泥的脱水减量效果和加固效果。模型试验分别采用石灰激发高炉矿渣微粉和水泥为固化剂,并与单一真空脱水方法(无固化剂)和直接固化方法(无真空脱水,以水泥为固化剂)的处理效果进行了对比。在模型试验真空脱水阶段,监测了真空脱水量和淤泥体积变化,即减量效果;在真空脱水结束后,取固化土样进行养护并测试了不同养护龄期土样的无侧限抗压强度,并结合固化土微观结构(XRD、SEM和MIP试验)分析了PHDVDS方法的作用机理。结果表明,与单一真空脱水法和直接固化法相比,PHDVDS方法的脱水减量效果和加固效果均更加优越。仅2d真空脱水后,PHDVDS比单一真空脱水法的减量效果提高了7%~43%;其固化土样60d无侧限抗压强度比直接固化法增大了6~54倍。

高地应力作用下岩石和地下硐室的动态力学行为和响应

采用基于FEM和连续损伤力学的RFPA数值模拟软件,首先从实验室尺度出发,建立了模拟的SHPB(split Hoplinson pressure bar)数值模型,分析了不同初始地应力作用下岩石材料的动态力学特性。数值模拟结果表明,岩石的动态压缩强度随着埋深与初始水平地应力与垂直地应力比值K的增加而增加。随后,从岩石工程尺度,考虑岩体内的不连续节理面的影响。建立动荷载作用下节理岩体地下洞室数值模型,系统分析了柱面波和平面波在节理岩体内部的传播规律以及节理力学性质和空间分布对地下洞室动态响应的影响。研究表明,除节理面处透反射和岩体损伤破坏导致的波衰减外,柱面波存在额外的几何衰减。同时,节理的力学性质与空间分布直接决定了应力波在节理面处的透反射规律,从而进一步影响了地下硐室的破坏程度与硐室壁处PPV(Peak particle velocity)结果。

非饱和砂土及黏土的水–力耦合双屈服面模型

使用精细的本构模型来同时分析非饱和砂土和黏土水力耦合特性依旧是一个挑战。提出了一种包含加载湿陷及剪切滑移双重塑性机制的水–力耦合模型。力学模型中选取Bishop应力作为应力变量,采用孔隙比和有效饱和度作为状态变量。模型中给出了孔隙比–平均土骨架应力的半对数坐标系内依赖于有效饱和度的临界状态线的表达式,其与剪切滑动屈服面的非关联流动准则的结合保证了模型可以更合理地预测非饱和土(包括砂土和黏土)的剪胀和剪缩性质。通过模拟粉砂和高岭土的三轴试验,对该模型预测非饱和土主要特征的能力进行了分析。

紫外/TiO_2/芬顿复合工艺增强在近中性pH值下对布洛芬的降解能力（英文）

药品及个人护理品(PPCPs)造成的潜在环境污染已引起广泛关注.布洛芬(IBP,2-(4-异丁基苯基)丙酸)作为苯丙酸类非甾体抗炎药物,是一种在水环境中广泛检测到的PPCPs类物质.水环境中的IBP主要来自制药企业排放和人体代谢物,因IBP具有不易挥发、物理性质稳定、半衰期较长和不易被生物吸收等特点,其在环境的残留浓度较高且污染风险大.目前,传统的水处理工艺并不能有效治理水中的IBP,比如:混凝剂和絮凝剂对IBP的去除效率低,吸附和膜处理运行成本过高且不能矿化IBP.近年兴起的光催化技术利用OH和O2儃等强氧化性活性物种降解水中有机污染物,将其彻底矿化,实现污染物的无害处理.光催化技术适用于常温、常压和中性pH环境,该环境特点与污水环境十分匹配,适合应用.但异质光催化通常发生在催化剂表面,有效反应活性位少,反应速率不够高.相比而言,同质芬顿反应能够均匀、快速地在整个溶液中发生反应,但芬顿反应必须在酸性条件下才可以进行.本文整合了异相光催化和均相光-芬顿反应的优点,设计了紫外/TiO_2/芬顿(PCF)复合工艺,评估了在中性pH下对典型的PPCPs布洛芬的降解效果.对比实验结果表明,PCF复合工艺对IBP的降解速率比传统的UV,UV/H_2O_2,Fenton,光-Fenton和光催化快得多.动力学分析发现,IBP的降解遵循两阶段的一级反应动力学,且速率常数k_1>k_2.本研究进一步优化了运行参数,确定IBP降解的最佳条件为:pH=4.2,[Fe^(2+)]_0=0.20 mmol/L,[Fe^(2+)]_0/[H_2O_2]_0=1/40,[TiO_2]_0=1.0 g/L.pH值的增加造成IBP降解速率略微降低,但在30 min反应时间内,中性pH(6.0–8.0)与最佳pH条件下的降解效率完全相同,证明PCF在中性pH下进行水处理切实可行.数据分析发现,lnk_1和lnk_2均与1/pH0,[IBP]0,[H_2O_2]_0,[H_2O_2]_0/[Fe^(2+)]_0和ln[TiO_2]_0线性相关,据此建立了IBP去除效率的数学预测模型,通过验证发现,动力学模型曲线与实验数据高度契合,表明模型的有效性高.

适用于弹黏塑性本构模型的修正切面算法

针对弹黏塑性本构模型将原始切面算法进行了修正。该弹黏塑性本构模型结合了修正剑桥模型和过应力理论。首先对弹黏塑性本构模型的应力–应变关系式进行了调整,基于过应力理论给出了动态加载面硬化参数的演化方程。其次,利用切面算法对整理后应力–应变关系式进行了数值实现。在弹性试算过程中,该算法假设黏塑性应变率为常数,以此确保时间增量引起的当前应力点与动态加载面间的偏离。在塑性修正过程中,对动态加载面函数进行泰勒级数展开,依此获得黏塑性应变率增量。再次,提出了一种自动分步方法,有效地稳定了大应变步情况下算法的计算精度和收敛性。最后,对变应变率的固结试验和三轴剪切不排水试验进行了模拟,分析了修正切面算法的计算能力。

盐辅助-超生喷雾热分解法合成中空Bi_2WO_6纳米微球去除NO的应用（英文）

氮氧化物(简称NO_x,包括NO和NO_2等)是形成二次有机气溶胶的重要前体物,其存在会严重影响空气质量并危害人类健康.目前用于NO_x的去除的方法主要有过滤、物理吸附、热催化等.然而,这些技术存在高能耗及产生二次污染等缺点,严重制约其实际应用.近年来,光催化技术作为一种有效处理NO_x的环保技术,因其具备在常温下高效处理低浓度NO_x(大气污染浓度水平)的优点而获得广泛关注.最近,Bi_2WO_6光催化剂因其独特的层状结构以及特有的催化性质,表现出良好的可见光催化性能.Bi_2WO_6光催化性能与催化剂的形貌及尺寸大小密切相关,目前报道的Bi_2WO_6的形貌有片状、颗粒状、花状、中空微球等.其中,由小纳米颗粒堆积成的中空Bi_2WO_6微球因其大的比表面积和高的荷质传输速率,表现出显著优于其它形貌的光催化性能.目前已有少量关于中空结构Bi_2WO_6微球的制备方法的报道,这些方法均需引入纳米球状的"核"作为模板,并在其上生长Bi_2WO_6胶体颗粒,然后去除"核",从而得到中空结构.譬如,Shang等采用碳纳米球作为"核"制备出Bi_2WO_6微球,再通过煅烧手段去除碳"核".Thillai与合作者用硅球作为"核",为了得到中空结构Bi_2WO_6微球,用NaOH将硅"核"刻蚀.然而这类方法均涉及到复杂的制备过程和高昂的运行成本.超生喷雾热分解法是一种常见的制备尺寸可控的纳米球的方法.在之前的工作中,本研究组成功使用超声喷雾热解法制备出具有优良光催化活性的Bi_2WO_6实心微球.我们首次加入NaCl盐为模板,使用简单的超声喷雾热分解方法制备出具有中空结构的Bi_2WO_6微球光催化剂,合成过程无需采用复杂的除"核"手段.一系列表征表明:该微球由直径为41-148 nm的纳米片自组装而成,并在表面形成了不均匀分布的孔结构;并对Bi_2WO_6中空微球的生长机制做了详细的研究,考察了所制备Bi_2WO_6催化剂去除NO的效率.生长机制研究结果表明,NaCl盐在中空Bi_2WO_6微球的形成过程中发挥着关键性作用:(1)NaCl盐溶液在超生喷雾热分解法的高温过程中形成NaCl单晶并作为"核"模板,参与中空Bi_2WO_6微球的形成;(2)Na^+离子有助于Bi_2WO_6微球的微结构-纳米片的生长;(3)Cl^-离子有利于Bi_2WO_6微球表面微孔的形成;(4)NaCl模板水洗后留下中空结构的Bi_2WO_6微球;(5)NaCl盐也充当着多孔诱发剂,其水洗溢出过程会造成Bi_2WO_6微球表面的孔结构.性能测试表明,以NaCl盐为模板所制备的中空Bi_2WO_6微球表现出优异的光催化性能,其在模拟太阳光下去除NO的效率是未添加模板的1.7倍、以KCl为模板的1.5倍、以Na_2SO_4为模板的1.2倍.BET和DRS分析表明,中空结构Bi_2WO_6微球具有大的比表面积和高的可见光吸收,对提高催化性能起到重要作用.ESR测试结果表明,·OH和·O_2^-是中空Bi_2WO_6微球的光催化反应过程的主要活性物种,·O_2^-的产生有助于提高光催化剂降解NO的耐受性.

计算压力注浆土钉峰值摩阻力的理论模型

为研究土钉的峰值摩阻力与一些主要参数的关联性,量化灌浆压力、上覆土压力以及土体剪胀角对土钉峰值摩阻力的影响,首先,利用小孔扩张理论提出土钉周围破坏面与土钉灌浆压力的关联性;其次,根据土体的摩尔破坏理论推导土钉峰值摩阻力与土体破坏面正应力的关系;然后,利用室内试验结果验证提出模型的有效性;最后,根据土钉峰值摩阻力的计算简化模型展开参数研究,深入分析不同参数对土钉峰值摩阻力的影响.参数分析证明:土钉的峰值摩阻力同时受到灌浆压力、上覆土压力以及破坏面距离的相互作用影响,且土钉峰值摩阻力的增加幅度在无注浆压力比存在注浆压力时要快.该模型较为简化且利于设计中进行考虑计算.

全吸力范围的盐渍土持水特性的试验研究

盐渍土中含有大量易溶盐,含水率和吸力变化对其工程性质产生重要影响。现有针对盐渍土持水特性的研究较少,尚未得到全吸力范围内统一、明确的土-水特征曲线试验觃律。采用压力板法、蒸汽平衡法和冷镜露点法3种方法测量盐渍土的基质吸力和总吸力,并通过试验手段探究压实度和含盐量对盐渍土持水特性的影响觃律。试验结果表明:在低吸力阶段,随着压实度的增加,土样的饱和体积含水率降低,进气值提高;持水能力随着压实度和孔隙溶液浓度的增加而提高,并且低压实度时孔隙溶液浓度对基质吸力影响明显。在高吸力阶段,含盐量较高时压实度对土样土-水特征曲线的影响明显,并且土体的持水能力随含盐量增加而增强。

一株氢自养反硝化菌去除地下水硝酸盐的实验研究

从厌氧污泥中分离出一株氢自养反硝化细菌S1,通过模拟地下水环境,考察了硝酸盐浓度、碳源投加量、pH、温度、SO_4^(2-)浓度对该菌株脱氮性能的影响。结果表明,菌株S1为陶厄氏菌属,反硝化过程中最适碳源投加量为0.5 g/L。当NO_3^--N质量浓度>100 mg/L,pH=6或SO42-质量浓度>90 mg/L时,菌株对NO_3^--N的去除均受到抑制。pH在7～10范围内,随着pH升高,菌株反硝化速率增大;温度在10～30℃范围内,温度越高,菌株反硝化速率越快。

粗粒土边界面塑性模型及其积分算法

粗粒土的强度、变形特性对土石坝、边坡和路基等工程的安全性与稳定性有着至关重要的影响。针对粗粒土在复杂应力状态下的强度和变形特性,在边界面塑性理论和临界状态理论框架下,通过引入状态参数和动态临界状态线建立了粗粒土状态相关边界面塑性模型。模型不仅能够模拟粗粒土的应变硬化和体积收缩行为,还能描述应变软化和体积膨胀特性。基于ABAQUS的二次开发平台,结合带误差控制的改进欧拉积分算法编写了边界面塑性模型的UMAT子程序。通过设置不同的应变增量步和误差容许值,对改进欧拉积分算法的精确性和收敛性进行了分析。对不同密实状态和围压下粗粒土三轴排水剪切试验进行了模拟,验证了带误差控制的改进欧拉积分算法应用于粗粒土边界面塑性模型的合理性,为进一步工程应用奠定了基础。

颗粒形状对粒状材料圆柱塌落影响的三维离散元模拟

粒状土经常发生塌落破坏而诱发泥石流、滑坡等自然灾害。现有研究缺乏颗粒形状对粒状土塌落形态的影响分析。利用三维离散元方法,对粒状材料圆柱试样的塌落破坏机制进行了模拟分析。离散元数值模拟考虑了3种典型的颗粒形状:常规的球形颗粒、正四面体形颗粒和长条形颗粒,取相同的颗粒级配,并以同样的方法分别生成同样高径比的试样,然后进行塌落破坏。基于结果对比分析了由不同形状的颗粒组成的圆柱试样的最终塌落高度和跑出距离,并将离散元模拟与室内试验进行了对比。结果表明:利用离散元方法可以很好地重现室内粒状材料圆柱试样的塌落过程;与纯球形颗粒的试样相比,不规则形状颗粒的试样可以降低颗粒的角速度,同时可以保持较大的最终塌落高度和减小最终的跑出距离。

基于机器学习算法的盾构掘进地表沉降预测方法

针对有限元、地层损失率等方法难以考虑多参数耦合作用情况下的地表沉降预测的问题,基于BP神经网络(BPNN)和随机森林算法(RF)两种机器学习算法的多参数、非线性拟合能力,提出了预测盾构掘进过程中地表最大沉降以及纵向沉降曲线的预测方法.通过粒子群算法(PSO)确定机器学习算法的最优超参数,通过k折交叉验证方法提高预测方法的鲁棒性.结果表明BP神经网络的预测结果误差较大,难以预测到较大的地表沉降,随机森林算法能够准确预测地表最大沉降和纵向沉降曲线.

大跨混凝土斜拉桥施工过程中结构的断索动力响应

为研究大跨混凝土斜拉桥施工过程中结构的断索动力响应,以湖南赤石特大桥火灾后九根拉索断裂的事故为背景,采用有限元软件建立了赤石特大桥的非线性动力实体有限元分析模型,通过对比灾后检测得到的索力、主梁和索塔位移及裂缝开展情况与有限元模型中相应的计算结果,证明了模型的有效性。基于已验证的有限元模型,对斜拉桥结构在多根拉索断裂过程中的动力响应进行了分析。结果表明:(1)拉索静态断裂只会对断索区域附近的截面内力和索力造成影响,而拉索骤断引起的冲击作用则会导致全桥结构都产生较大内力变化;(2)单侧索面部分拉索断裂导致主梁顶板及腹板受到扭矩和双向弯矩的共同作用而产生大量裂缝,裂缝在第五根拉索断裂后出现;(3)主梁扭矩、竖向弯矩和横向弯矩最不利截面在断索过程中的动力放大系数分别在1.09~1.55、1.21~2.05及1.21~1.76,最大主压应力动力放大系数在1.02~1.58;(4)预应力筋及拉索最大拉应力的动力放大系数分别在1~1.9及1.05~1.4;(5)索塔塔顶位移动力放大系数在1.23~1.65。

砂卵石地层盾构开挖面失稳破坏模型试验研究

为了探究砂卵石地层盾构掘进过程中地表沉降规律及开挖面失稳破坏机理,以清华园隧道盾构工程为依托,利用ф280 mm模型盾构试验平台开展盾构掘进模型试验.试验结果表明:盾构掘进过程中,由于刀盘的旋转扰动,砂卵石地层横断面地表沉降槽关于隧道中心线非对称分布,且地层损失越大非对称分布越显著;另一方面,盾构开挖面失稳破坏由地中发展至地表存在滞后现象,同时刀盘的旋转方向对地表塌陷坑的位置有直接影响,塌陷坑中心位于刀盘旋转的切线垂直向上时的一侧,在实际盾构隧道工程中需要对该问题重点关注.

基于高性能有限单元法的多层地基水平受荷桩受力分析

多层地基水平受荷桩的受力变形特性分析是设计中的关键步骤。针对传统有限单元法在准确性与计算效率上的不足,提出了一种用于分析该类桩基的高性能有限单元法。该法构建了一种桩单元,并采用分布在单元内部的连续"土体弹簧"反映非线性桩-土相互作用。其最大特点是在桩单元内部整合了"土体弹簧",即桩单元同时包含了桩体与土体信息。推导了适用于多层地基中的桩单元,并引入高斯-勒让德方法简化总势能求和过程;推导了单元刚度矩阵并运用在牛顿-拉夫逊增量迭代数值分析中,引入割线关系减少迭代过程中的累计误差。此外,该法还通过更新拉格朗日方法来考虑几何大变形。算例结果表明:高性能有限单元法与解析解及现场试验结果吻合较好;在多层地基条件下,桩单元模型较离散弹簧单元模型可大幅减少单元数目及计算时长,可有效提高计算效率。

浮式风机气动推力和扭矩同时满足相似条件的模型试验方法研究

在风浪水池中基于弗劳德相似开展的浮式风机模型试验无法同时满足雷诺相似,导致模型风机难以同时满足推力和扭矩相似。基于气动推力和扭矩相似条件,应用模型叶片几何重构方法重新求解模型风机的叶轮转速和叶片桨距角,提出了一种风机气动推力和扭矩同时满足相似要求的试验方法。首先进行风洞模型试验,验证模型风机可在全风速范围内同时满足推力相似和扭矩相似要求;然后通过数值模拟验证实型和模型关于风机和浮式支撑平台之间相互作用的相似性,结果表明缩尺模型试验能较准确地预报实型系统的运动响应以及风机的气动推力和扭矩。

非规则颗粒形态表征与离散元模拟方法研究

颗粒物质在自然界和人类生产与生活中广泛存在,对于非规则颗粒,其宏观物理力学特性与几何形态密切相关.本文以本课题组和合作者的相关研究为基础,介绍了非规则颗粒几何形态的获取、重构、评价、随机生成以及离散元模拟方法等方面的研究进展.总结了非规则颗粒形态不同获取方法的优缺点;将颗粒二维形态和三维形态分别划分为星形和非星形两种类型,介绍了各类型几何形态的计算几何重构方法;系统总结了非规则颗粒不同层次形态评价指标的定义,及基于计算几何的指标计算方法;介绍了基于逆蒙特卡罗法的二维星形与三维星形随机颗粒生成方法,以及可考虑一阶系数固有关系和其他阶系数经验相关性的二维非星形与三维非星形虚拟颗粒生成方法;对于非规则颗粒的离散元模拟方法,重点总结了颗粒几何形态表示、颗粒接触判断与颗粒接触力计算方法等核心问题的研究进展.

GFRP筋的拉伸性能劣化对其与海水海砂混凝土粘结性能的影响

研究了玻璃纤维增强树脂基复合材料(Glass fiber reinforced polymer,GFRP)筋的拉伸性能劣化对其与海水海砂混凝土(Seawater sea-sand concrete,SSC)粘结性能的影响。采用10 mm直径的GFRP筋,测试了3种不同温度下模拟SSC孔溶液中GFRP筋的拉伸强度随其浸泡时间的变化规律;并通过拉拔试验测试了经上述劣化后GFRP筋和SSC界面的粘结性能,分析了界面的破坏形态、粘结-滑移曲线特征及粘结强度的变化规律。试验结果表明:随着模拟SSC孔溶液中浸泡时间的增加,GFRP筋的拉伸强度逐渐降低。与未经浸泡的GFRP筋相比,在23℃、40℃和60℃下浸泡3个月后的GFRP筋的拉伸强度分别降低25%、29%和48%。GFRP筋的拉伸性能劣化会导致其与SSC界面的粘结强度下降。与未经浸泡的GFRP筋相比,在23℃、40℃和60℃下浸泡3个月后的GFRP筋与SSC的界面强度分别下降了8%、19%和38%。