原状黄土显微结构特征与湿陷性状分析

基于原状黄土的显微结构扫描电镜及室内湿陷性试验,分析了黄土的微结构特性和不同压力不同含水量下黄土的湿陷性状及其之间的内在联系,结果表明:随着埋藏深度的增加,由支架大孔微胶结结构逐渐变为镶嵌微孔半胶结结构,支架大孔孔隙发育逐渐变为粒间孔隙发育,再为微孔孔隙发育;黄土在增湿情况下其湿陷系数-压力关系曲线由三部分组成,初始压缩变形阶段,是结构强度发挥阶段,变形较小,黄土微结构没有遭到破坏;曲线第一转折点δs=0.015后,原有结构破坏,微结构发生变化,颗粒重新排列,湿陷速率增大,是湿陷变形主要阶段;达到峰值后,颗粒间形成了新的结构,湿陷变形幅度减小;随着骨架颗粒连接逐渐变为非架空的镶嵌排列,湿陷起始压力及峰值湿陷压力值随着埋藏深度的增加而增加,而峰值湿陷系数和湿陷变形量的压力范围随着埋藏深度的增加而变小;骨架颗粒特征和孔隙特征是黄土湿陷性的内在影响因素,而胶结物的多寡及胶结状态是黄土湿陷性强弱的主要影响因素之一。     

主缆索股与鞍座间动态接触与微滑移机理研究

在悬索桥的服役过程中，由于桥梁恒载、风载以及车流量变化导致的动态载荷，使得鞍座两侧的主缆受到的力不平衡，从而引起主缆与鞍座间的动态接触和微滑移.当不平衡力超过主缆与鞍座间的静摩擦力，主缆与鞍座间将发生滑动，将导致悬索桥结构失稳，甚至可能造成桥梁坍塌.因此，揭示主缆和鞍座之间的动态接触和微滑移特性对增强主缆的抗滑性和确保大跨度悬索桥的稳定性至关重要.本文作者运用自制试验平台,模拟悬索桥实际服役环境中动载工况下的主缆索股与鞍座间动态接触与微滑移行为，通过开展接触摩擦试验并对接触界面进行实时监测来研究接触摩擦机理揭示了典型工况下主缆索股与鞍座间的动态接触与微滑移机理(接触状态、微滑移幅值、摩擦系数以及接触压力等).结果表明：主缆索股承受动态载荷时各个索股个体与鞍座间的接触状态存在差异，外层索股与鞍座间的接触面均为完全滑动状态，内层索股与鞍座间的接触状态为接近完全滑动状态的部分滑动状态，主缆索股整体承受较大动载时外层索股与鞍座间更容易发生完全滑动，索股间产生分层滑移现象，不同索股的微滑移幅值由内层到外层依次增大；随着加载力的增大，从内层索股至外层索股，滑移距离增长速率依次增大，从固定端到加载端...     

不排水条件下土石混合料双轴压缩离散元模拟

基于离散单元法构建了考虑碎石形状的柔性边界不排水双轴压缩模型,研究了11组不同含石量土石混合料在不排水条件下的宏细观力学特性。研究发现,(1)土石混合料强度随含石量增加先增后减,含石量超过约60%时形成碎石骨架,强度快速增长;含石量约80%时强度和内摩擦角最大;含石量增加,混合料黏聚力逐渐减小。(2)不排水受载下,土石混合料孔隙水压力先正后负、先增后减。含石量较小时,含石量增加,混合料孔隙水压力变化较小,混合料在碎石骨架形成初期孔隙水压力增加;碎石骨架完全形成后最大孔隙水压力减小。(3)含石量小于约30%时,混合料应变局部化呈规则剪切带,随后含石量增加破坏规则剪切带,当含石量约为80%时,混合料再次形成规则剪切带。含石量增加,配位数逐渐减小,颗粒间接触力在含石量小于60%时随含石量增加缓慢增长,超过70%时则快速增长。     

微团聚体分析在工程地质研究中的应用

微团聚体是天然粘性土的基本结构单元, 微团聚体的组成、水稳性和强度是粘性土工程性质形成的重要原因。本文通过对黄土与海相软土这两种典型的粘性土颗粒分析与微团聚体分析结果的对比, 研究了水稳性与非水稳性微团聚体的形成原因, 并在此基础上探讨它们的工程特性的形成。     

固结条件下黏性土微观孔隙结构试验研究

土体微观结构状态是控制土体稳定的重要因素,工程土体在宏观上表现出的复杂特性根本上取决于微结构的复杂性和不确定性。本文以德州市沉降区钻孔中黏性土层为研究对象,基于对电镜扫描图像的分析处理,从微观角度对不同深度黏性土的孔隙结构演化机制进行研究,并探讨土体初始结构状态对压缩性的制约关系。微观试验分析表明:固结荷载改变土体微结构类型,随着固结荷载增加,结构单元体由松散状态转变为团聚状态,土体密实度提高,孔隙面积减小。定量分析表明:固结压力将改变土体微结构要素,随着固结荷载增加,平均孔径减小、微小孔隙所占比例增加、孔隙形状不断调整最终趋于圆滑、集团化程度变高、土体定向性增强。上述试验为深入理解土体微观结构非线性问题,以及微观结构与宏观工程特性的相互作用机制提供了依据。     

双层微球壳流固耦联振动及声散射分析

为研究在药物输送中常用包裹药物的双层壳体声散射特性,本文建立了双层微球壳与其内外流体耦联振动模型。通过求解在超声波作用下各层球壳与内外流体的耦合作用方程,得到了球壳径向位移的级数形式解;利用此级数解分析了球壳的材料参数和几何参数对声散射特性的影响。结果表明：散射率曲线的峰值总是出现在耦联系统的固有频率处;内层球壳的密度增大200kg/m3时,第1阶子波的第2个散射率峰值增大了13.9%,但对第0阶子波基本无影响;内层球壳的杨氏模量增大40MPa时,固有频率增加近20%;外层球壳厚度增加0.1μm时,固有频率增大的幅度较小,但各散射率峰值减小幅度均大于9%。这些结果有助于了解双层微球壳声散射特性,从而指导药物包裹体的参数设计。     

多层次复合微纳结构表面影响过冷沸腾气泡行为的微距观测

通过真空钎焊的方法,将微结构的金属网与纳米尺寸的金属粉末结合,从而在过冷沸腾换热表面生成微纳米多层次复合结构。对比采用不同规格网格制备的表面与光滑表面的微观形貌特征,发现所采用处理工艺成功地在材料表面形成了凹状空穴、孔隙结构、类纳米柱体等不同尺度的三层次复合微纳米结构。与水的接触角测量显示,复合结构表面在保持原表面亲水性的同时,在一定程度上降低了对水的浸润性。进一步通过微距摄影观测表明,复合结构表面气泡生成密度均大幅度高于光滑表面,较细的网格尺度更显著,但小于120μm后增加不明显。分析发现,复合表面会诱导复杂的流动不稳定性,在增加汽化核心的同时也有效地避免了过早形成气膜,对提高临界热流密度有利。上述研究结果可为设计更先进的相变换热表面提供参考。     

干燥和饱水砂岩孔隙度对应力波能耗的影响

为探讨应力波穿越干燥、饱水砂岩时孔隙度对能耗的影响规律,开展了孔隙砂岩的SHPB试验,并采用核磁共振分析了SHPB试验前后孔隙的变化特征。结果表明:(1)砂岩冲击试验前后T2谱波峰数没变,但对应小孔径孔隙的波峰峰值有所增加。这说明,砂岩结构内部仍停留在微裂纹形成阶段,应力波能量仅能够促使新的微裂纹形成,而不足以撕裂扩展孔隙使其孔径更大。(2)相同孔隙度时,饱水砂岩比干燥砂岩能耗小;随着孔隙度增加,前者能耗相应减小,后者能耗反而增加。这一现象可分别解释如下:(a)由断裂力学理论可知,水的表面张力和Stefan效应使裂纹扩展受到很大阻力,因而,相对干燥砂岩,相同孔隙度的饱水砂岩更难产生新表面耗散应力波能量。(b)冲击加载时饱水砂岩处于不排水状态,饱水砂岩变形可近似等于砂岩和水的压缩变形之和。由于水比砂岩压缩变形小,随着孔隙度增大,即含水量增加,饱水砂岩变形量减小,出现塑性变形和新裂纹的概率减小,能耗值也随之减小。(c)随着孔隙度增大,干燥砂岩的动态强度相应降低,加载时更易出现新裂纹以表面能形式耗散应力波能量,因而孔隙度越大则能耗越大。     

应用超声散斑相关法测量水下物内层界面位移

超声散斑相关法可应用于水下物体内层界面的位移测量,在工程建设中具有广泛的应用前景。根据所建立的测量实验系统,对位于水中的有机玻璃试件内层界面的面内位移和离面位移进行了实测,测量误差一般在7%以内。进一步研究结果表明:在刚体位移情况下,一般经粗磨、粗刨和粗铣加工或砂模铸造后的粗糙外层界面对超声散斑相关法内层界面位移测量结果的影响极小;当外层界面发生应变时,其变形前后内层界面上的散斑场的相关性将随应变量的增加而减弱,但外层界面应变小于0.05ε时,内层界面上超声散斑相关系数的减小不超过4%。     

液氮作用下煤样结构损伤规律研究

为研究液氮浸泡对低渗煤体结构损伤增透的影响,对不同尺寸煤样进行周期性液氮浸泡实验。通过CT扫描观测煤样浸泡前后内部孔隙、裂隙变化情况,采用高倍照相机观测煤样表面形貌,利用超声测速仪测定煤样波速变化,分析液氮浸泡周期对不同尺寸煤样内部结构损伤规律的影响,提出了液氮作用下煤样损伤模型,解释了液氮作用下煤样损伤机理。结果表明:同尺寸煤样,其内部孔隙率、表面裂隙尺寸及波速衰减率随液氮作用周期数的增加而增大,煤样损伤加剧;同周期浸泡条件下,随着煤样尺寸的增大,液氮作用后的煤样孔隙率逐渐降低;液氮作用周期为1T时,煤样孔隙率增加相对显著,损伤效果明显,1T后煤样孔隙率增加幅度逐渐减小;液氮的超低温作用使煤岩基质收缩,煤岩内部产生新微孔隙,多次作用后,微孔隙发育、扩展和贯通使煤岩出现宏观裂纹并发生破坏。     

以新型空壳颗粒复合材料为分配层的成层防护结构抗爆性能试验研究

以成层式人防工程为试验研究背景,分别采用黄沙和新型空壳颗粒复合材料做分配层,开展大比尺集团装药化爆模拟试验,考察其衰减爆炸冲击波的能力。试验结果表明,采用颗粒复合材料构建的分配层,在相同装药量下,遮弹层的变形和破坏明显大于黄沙分配层,应力波上升沿加大,波形脉宽增加,平均峰值应力大概是黄沙分配层的0.65左右,除装药正下方的个别颗粒遭受粉碎性破坏外,绝大部分空壳颗粒依然完好,只是表层泡沫陶瓷略有破损。这说明新型空壳颗粒复合材料不但对爆炸波有非常明显的衰减弥散作用,而且具备承受多次打击的能力。用这种材料做分配层,可大幅提高地下人防工程的抗爆能力。     

Deposition Behavior of Mud in Sand Beds Under the Effects of Organic Properties

Mud transport in sand fractures has yielded a large body of information which is used to understand the sludge-ization of tidal flats, to improve the tidal flat environment, and to design artificial tidal flats. Over the past decades, studies of particle transport in saturated and unsaturated porous media provide a very clear understanding of the processes that govern particle transport. It has been reported that the particle transport and capture in porous media are significantly governed by hydraulic pressure gradient, porosity, and permeability distribution. The objective of this research is to present a study of mud transport in saturated sand beds, aiming to delineate the effects of the organic properties of mud on the general behavior of mud transport and deposition condition in pores. Laboratory experiments were undertaken to look into the effects of the organic properties. The experiments were conducted at a flow rate of 1.3 cm³/s. Many types of muds that have differences in the organic properties were injected into different sand beds at a concentration of 120 mg/L. It was observed that the deposition condition of mud in the beds was mostly due to the organic properties of mud. Mud containing high amounts of organic matter easily remained in sand beds. Furthermore, it was found that mud deposited in the pores as clusters rather than being separately adsorbed onto the surface of soil particles.     

黄土路堑边坡变形破坏机理的三轴试验研究

通过原状黄土的减压三轴压缩试验,研究了黄土边坡不同深度不同含水量土体的应力-应变关系,并与原状黄土的常规三轴试验结果进行了比较,发现减压三轴试验能合理地模拟和解释开挖卸荷作用下黄土边坡土体的变形与破坏过程。试验结果表明:坡脚开挖卸荷时,黄土边坡中浅层非饱和黄土易出现应变软化或塑性流动,强度较低,易产生较大变形,而深层饱和黄土仅在高围压下发生应变硬化,强度增加,在中低围压时均发生应变软化现象。分析认为黄土边坡特殊的工程地质条件,使得黄土边坡的特定部位在开挖卸荷作用下常形成了不利于土体稳定的含水量和围压组合,导致坡体特定部位的土体变形破坏,进而诱发边坡的变形破坏;开挖卸荷作用下黄土边坡变形破坏的力学机制应为蠕滑-压致拉裂或"牵引式滑坡"。     

改进的SPH边界处理方法与土体大变形模拟

沙土滑坡往往会造成重大的人身财产损失,研究这类土体大变形问题对防灾工程具有指导意义。光滑粒子流体动力学SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）方法是一种拉格朗日型无网格粒子法,十分适用于模拟大变形问题。在SPH方法中,合适的边界处理方法一直是个难点,传统的边界虚粒子法或排斥力法较难模拟复杂边界。本文引入了一种能处理任意形状边界的方法——统一半解析壁面边界条件处理方法USAW（unified semi-analytical wall boundary conditions）,通过在控制方程中引入修正因子并保留边界面积分项来弥补边界缺失。为了更准确模拟问题域边界,提出无质量边界粒子的新概念。利用该方法成功模拟了土体滑坡算例,验证了方法的可靠性,并避免了边界零粒子层问题。通过数值模拟,分析了内摩擦角和黏聚力等土体物性参数对滑坡过程的影响。最后,应用该方法研究了滑坡冲击楔形体时的压力响应。     

饱和土与衬砌动力相互作用的圆柱形孔洞内源问题解答

考虑饱和土与衬砌结构的动力相互作用,该文研究了内源荷载作用下圆柱形孔洞的动力响应问题.将饱和土体和衬砌结构分别视为流固耦合介质和弹性均匀介质,通过引入势函数将位移控制方程化为二维轴对称波动方程.采用拉普拉斯变换,得到饱和土体位移应力的表达式及衬砌的位移应力的表达式.利用土体与衬砌结构之间的连续性条件和衬砌结构内边界上的边界条件,确定表达式的未知系数.采用逆拉普拉斯变换的数值方法,给出了问题的数值解.分析了饱和土中圆形衬砌结构随土体和衬砌结构参数变化的动力响应规律.     

非饱和粘性土中气体渗透特征

由于气体的进入形成了非饱和带,饱和土层中的气体渗透实质上是非饱和渗透问题。本文借助基于多孔介质气体渗流理论并考虑气体压缩性的、描述非饱和土中气体渗流运动的本构方程,试验研究了上海地区饱和粘性土层中的气体渗透规律。结果表明,饱水粘性土层中,气体渗透存在起始压力值,数值为100～200kPa, 与上海地区粘土的非饱和进气值较为接近;气体渗透速度与外界所施加的"压力平方差梯度"之间存在明显的分段特征。后者可能与在充满结合水的微孔隙通道中,只有一部分结合水在气压梯度的作用下发生流动,从而形成气体通道,施加的外力越大,形成的气体通道也越大,气体渗流也越明显。非饱和粘性土中气体渗透规律的研究,对于饱和粘土中的气压法施工,具有重要的理论与工程实践意义。     

非饱和渗流基质吸力对边坡稳定性的影响

降雨入渗是致使边坡岩土体稳定性下降并最终导致崩滑地质灾害发生最为常见的环境因素。通常对边坡中地下水的影响分析采用的是经典的静水压力假定 ,并考虑适当的折减系数。本文研究了非饱和土强度随基质吸力变化的规律 ,对基质吸力影响边坡稳定性的机制进行探讨 ,并提出了相应的分析方法。运用上述方法分析了某露天矿边坡实例。结果表明 ,该方法十分有效。     

Two-phase measurements of saltating turbulent boundary layer flow

Mean wind and particle speed measurements as functions of heigh were made for a saltating turbulent boundary layer flow. An exponential dependence of particle flux with height above the surface was found independent of windspeed and particle size. Particle-speed distributions as functions of height above the surface were measured for experiments conducted at two ambient pressures: atmospheric pressure and approximately 1% atmospheric pressure. The wind was shown to be a more efficient mover of particles at atmospheric pressure.High-speed motion pictures of saltating ground walnut shells (of diameter 500–1500 μm and density 1.1 g/cm³) were taken in an environmental wind tunnel to simulate the planetary boundary layer. These experiments verify the existence and magnitude of particle spin rates proposed by White & Schulz (1977). There was remarkable agreement between numerical trajectory solutions, including the spin effect, and the filmed trajectories. An observation was made that not all particles spin exclusively in the vertical longitudinal plane (in the direction of flow). At low pressures (0.6 kPa) the effect of spin forces on the particle's trajectory was shown to have little influence and was verified by a theoretical force ration balance of spin to drag force.     

非饱和土-隧道系统动力响应计算的波函数法

针对非饱和地基土中埋置隧道的三维动力响应计算问题, 提出了波函数法.采用无限长的Flügge薄壁圆柱壳模拟圆形隧道衬砌,采用流、固、气组成的三相介质模拟非饱和地基土体.分别采用分离变量法以及Helmholtz矢量分解定理求解薄壁圆柱壳的振动控制方程与非饱和土的波动方程.根据隧-土交界面与地表面处的应力、位移以及孔隙流体压力等边界条件,利用平面波与柱面波的转换性质,实现了隧道内作用单位简谐载荷时隧道衬砌与土体系统动力响应的耦合求解.通过与既有单相弹性介质2.5维有限元-边界元法、两相饱和多孔介质2.5维有限元-边界元法以及三相非饱和介质Pip in Pip半解析法的计算结果进行对比, 验证了本文计算方法的可靠性. 最后,基于该方法, 通过算例分析了不同饱和度下非饱和土-隧道系统的动力响应特征.结果表明, 饱和度对土体动位移与超孔隙水压力的幅值响应有较大影响.该方法的非饱和地基土参数退化后,也可用来计算和分析饱和地基土或单相弹性地基土与隧道系统的动力响应.      

Evolution of the diffusion-induced flow over a sphere submerged in a continuously stratified fluid

The problem of the stabilization of the diffusion-induced flow over a sphere submerged in a continuously stratified fluid is solved using both asymptotic and numerical methods. The analytical solution describes the structure of the main convective cells, including thin meridional jets flowing along the surface and plumes spreading from the flow convergence regions above the upper and lower poles of the sphere which gradually return the fluid particles to the neutral buoyancy horizon. The total width of the flows adjacent to the surface exceeds the thickness of the salinity deficit layer or the density boundary layer. The numerical solution of the complete problem in the nonlinear formulation describes the main convective cells and two systems of unsteady integral waves formed in the vicinity of the sphere poles. At large times, out of the entire system of internal waves only those nearest to the neighborhood of their horizon of formation remain clearly defined. The calculated flow patterns are in agreement with each other and the data of shadow visualization of the stratified fluid structure near a submerged obstacle at rest.