不同场热-水-应力耦合过程二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,提出了一个饱和-非饱和孔隙介质中的热-水-应力耦合模型和开发了相应的有限元程序.为验证本耦合模型及程序的可靠性和重点探讨不同场的热-水-应力耦合过程,以高放射性核废料地质处置的Prototype Repository Project(PRP)原位试验为模拟对象,对一个处置试验坑道近场进行了水单场、热-水耦合、水-应力耦合、热-应力耦合和热-水-应力耦合条件下的数值分析,考察了工程屏障及围岩中的温度、饱和度及应力的变化、分布情况,并得出了一定的认识.     

轴对称荷载下饱和地基热-水-力耦合动力响应

基于Biot波动理论,通过建立饱和地基的热-水-力耦合动力响应的控制方程,对轴对称荷载作用下半无限地基的热-水-力耦合动力响应问题进行探讨。利用Hankel变换技术,得到外荷载作用下地基中温度增量、应力、位移和孔隙水压力积分形式的解答。利用Hankel数值逆变换得到计算结果,对热-水-力耦合条件下地基土体中温度增量、应力、位移和孔隙水压力响应的分布进行分析,并与水-力耦合动力响应情况下的结果进行比较。     

孔隙率对岩体中THM耦合作用的弹塑性有限元分析

笔者使用Taron等提出的颗粒聚集体的压力溶解模型和摩尔-库伦准则,假设在饱和的石英颗粒聚集岩体中有一实验室尺度的高放废物地质处置库模型,针对其拟定两种计算工况:(1)内摩擦角和黏聚力均为常数;(2)内摩擦角为常数,黏聚力是孔隙率的负指数函数,进行4a处置时段的热-水-应力(THM)耦合有限元数值模拟,就岩体中的温度场、渗流场、应力场和浓度场的变化及分布情况进行了考察。结果显示:与黏聚力是常数的情况相比,黏聚力随孔隙率而变化时,岩体相同部位进入屈服阶段的时机滞后,塑性区减小,并推迟了塑性部位的溶质浓度、迁移/沉淀质量、反应体积和颗粒贯穿深度的突变时间;弹塑性分析中由于应力调整和增大了分子扩散系数,使得塑性区的颗粒介质的溶解、迁移和沉淀相比于弹性区有明显的变化,并对渗流场(孔隙水的压力及流速)和应力场产生显著的影响。     

核废料地质贮存介质黏土岩的三维各向异性热-水-力耦合数值模拟

为了解黏土岩在放射性废料长期贮存中的热-水-力耦合过程,结合MontTerri核废料贮存地下岩石试验工程中黏土岩各种物理量的各向异性特点,应用多孔介质力学耦合理论研究了该黏土岩在加热和冷却全过程中由于热荷载引起的耦合效应场。研究过程考虑温度升高引起的孔隙水黏滞性改变对渗透系数的影响。研究结果表明,岩体力学参数、水力学参数和热传导参数的各向异性特性是影响岩体的温度场、孔隙压力场和应力场分布的最主要因素。各向异性耦合模型与各向同性耦合模型的数值模拟对比研究结果表明：各向异性模型数值结果能更加客观地反映该地下岩石试验工程中黏土岩在受热状态下的热-水-力耦合效应;同时,也表明岩体在加热过程中一直处于受压状态,而在冷却过程中局部会出现拉应力,从而有可能导致拉裂缝的产生。     

核废物地质处置THM耦合三维有限元分析

笔者将所建立的热-水-应力耦合模型及开发的有限元程序由二维分析拓展到三维分析,并从方法论研究的角度,以一个简单的核废物地质处置模型为算例进行热-水-应力耦合过程的三维数值模拟,考察了近场的温度、饱和度、孔隙水压力、位移、正应力、流速等的分布与变化,认为计算结果符合规律,从而初步对程序的正确性作出了肯定的评价.     

遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型及有限元分析

建立一种饱和-非饱和遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场和裂隙渗流场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响,并研制出相应的二维有限元程序.针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体为双重介质和单重介质2种工况进行数值分析,考察缓冲层和岩体中的温度、孔隙水压力、饱和度、地下水流速和主应力的变化、分布情况.结果显示,地下水由双重介质进入缓冲层中要快得多,2种工况的计算域中温度差别不大,但缓冲层及附近部位的主应力大小及分布有显著不同,单重介质的应力集中程度要大.     

高放废物地质处置库中非饱和缓冲层的热-水-力耦合数值模拟

作为高放废物地质处置库中的缓冲/回填材料,膨润土在核废料放出的热量和周围天然岩体中地下水共同作用下,其热-水-力耦合作用效果对处置库的稳定性、安全性有着极为重要的影响。以非饱和土多场耦合理论为基础,基于ABAQUS有限元分析平台,建立二维轴对称模型,对高放废物地质处置库中膨润土缓冲层的热-水-力耦合过程开展了有限元模拟,给出了处置库近场缓冲层中不同位置的温度、饱和度、竖向应力及位移、孔隙水压力及吸力的分布及变化规律,并重点分析了温度场的影响,通过与已有研究成果的对比,证实了所计算结果的合理性。     

孔隙水-力耦合作用下高速铁路轨道-路基结构动力响应分析

以某段高速铁路实际运营情况下轨道路基结构为工程背景,建立孔隙水-力耦合有限元模型,计算移动列车荷载作用下高速铁路路基动力响应,进而分析上部列车移动荷载作用下路基内孔隙水对轨道-路基结构动力响应的影响。研究结果表明,在孔隙水渗流和移动列车荷载的耦合作用下,基床表面以下应力分布较均匀,而基床表面以上的支撑层和钢轨承受较大应力;移动列车荷载在钢轨表面加载位置处存在应力扩散,钢轨表面中点位移变化及基床表面中点应力变化存在明显的锯齿状分布;路基内孔隙水头及列车行驶速度均会对路基动力响应产生影响,即路基动力响应主要受孔隙水头和列车行驶速度控制。     

温度梯度作用下非饱和盐渍土水盐迁移及变形特性研究

基于多孔介质理论以及连续介质力学原理,建立了温度梯度作用下非饱和盐渍土水-热-盐-力多场全耦合数学模型。该模型从固、液、气三相系统的质量、能量和动量三大守恒定律出发,考虑孔隙率演化、水体渗流、气体传输、盐分解吸-吸附效应、固体颗粒和孔隙流体可压缩性等因素的影响,更为准确地描述了非饱和盐渍土热质传输过程及其变形特性。此外,通过选取孔隙率、孔隙水压力、孔隙气压力、温度、含盐量和位移等基本未知量,并利用Comsol Multiphysics多物理场仿真软件对上述多场耦合过程进行了数值模拟。通过室内试验的实测结果对数学模型及模拟结果加以验证。结果表明,该模型可以较好地揭示非饱和盐渍土在温度梯度作用下的水、盐迁移机制和变形机制。同时,数值分析过程也进一步深化了对盐渍土水盐迁移及其变形特性的认识。对盐分吸附作用的研究也为进一步研究盐渍土的盐胀作用提供了理论准备。     

核废料处置概念库近场热-水-应力耦合二维有限元模拟

建立了分析饱和–非饱和介质中热–水–应力耦合现象的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵,并使用所开发的有限元程序对一个核废料处置概念库近场的热–水–应力耦合过程进行了数值模拟,考察了缓冲层及岩体中若干点的温度、饱和度、孔隙水压力及水平方向正应力随时间的变化情况,并将部分结果与国外类似软件的计算数据作了对比,看到二者的规律在定性上有某种一致性,但定量上仍存在一定差别,笔者试着分析了原因并得出了一定的认识。     

分层浇筑施工大体积混凝土温度场分析

基于温度和化学反应物浓度对化学反应速率影响的混凝土水泥水化反应放热模型,采用有限元数值方法,通过控制各单元对系统刚度矩阵及载荷列阵的贡献模拟分层浇筑施工的大体积混凝土温度场变化,分析了分层浇筑的大体积混凝土温度场变化规律。     

基于场模型的构件升温边界条件简化

在烟气升温影响参数分析的基础上,对基于场模型的大空间建筑火灾烟气升温计算方法做进一步简化,并通过对目前国内外规范中火焰高度计算方法和烟气层温度计算方法的比较,确定出适用于预测大空间建筑火灾的火焰高度计算公式和烟气层升温计算公式。火源直径和单位热释放率是影响火焰高度的关键参数。在建筑火灾条件下建议计算式火焰高度计算值偏于安全。     

某商铺火灾后结构检测鉴定与加固处理

结合检测鉴定规范和相关专业知识,对某商铺火灾后的建筑物受损程度进行了详细分析,分析判断了现场火灾特征和温度场的分布特征,对结构受损程度做出正确评估,进行了构件的残余承载力计算,并提出了建筑物的修复加固方案,保证结构的安全。     

地热水用于油田集输伴热工程的设计

结合油田地热水用于油气集输伴热系统维温工程设计实例，介绍了工程设计内容及设计要点，对现有地热采出水相关标准规范条款提出改进建议。     

混凝土梁桥梯度温度的实验分析

本文通过在深圳地区实测混凝土试件内部的温度分布，得出竖向温度梯度除在梁顶部较大外，在梁底也存在局部升温，这与目前公路桥规中的规定不同。并通过某立交匝道3跨连续钢构曲线桥作为工程背景，比较分析了在试验测得的梯度温度分布模式与现行桥梁荷载规范规定的梯度温度模式作用下结构的力学性能，得出不同的梯度温度分布对箱梁主应力影响较大的结论。     

悬吊结构体系超高层建筑的防火设计分析

超高层建筑的悬吊结构体系采用外露式钢结构,需采用防火涂料等措施进行保护,但若按室内受火构件进行防火保护将造成一定程度的资源浪费。以某建筑为例,设定火灾发生在悬挑桁架楼层和标准重力楼层的场景,计算室外钢构件附近温度场,并与欧洲规范室外标准升温曲线进行对比,确定了最不利室外温升条件,计算钢构件在火灾下的受力情况和耐火性能。提出防火设计方案,并验证方案的可行性和经济性。     

公路隧道CO设计浓度限值的分析研究

现行规范中给出的CO设计浓度对隧道长度、人员不同通行方式的考虑过于粗略,且未考虑海拔高度的影响。本文分析了CO对人体危害的机理,通过Coburn-Forster-Kane模型分析了CO浓度与人体血液中产生的COHb浓度之间的关系,从而得出了公路隧道内经历时间与CO浓度限值之间的关系,并分析了海拔高度、通风方式以及人员不同通行方式对CO浓度限值的影响。通过分析结果可以看出,规范中规定的CO设计浓度在经历时间较长的情况下将不再适用,取值过高,应进行修正。本文分别计算出COHb浓度控制为2％和1.5％时,在不同海拔高度的公路隧道CO设计浓度限值,并整理成表格,可在公路隧道在通风设计中参考使用。     

超低温下钢筋力学性能的试验研究

对三种钢筋(热轧带肋钢筋HRB335、HRB400和热轧细晶粒钢筋HRBF500)在-180~-80℃温度下的力学性能进行了初步试验研究。按照《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/T228-2002)的要求制作拉伸试样。采用在专门容器中的混合蒸汽(液氮和空气的混合气体)冷却,同时在配套的万能试验机上拉伸试件的方法进行试验。得到了钢筋强度和塑性指标随温度的变化关系。结果表明,钢筋的屈服强度、极限强度、屈强比均随温度的降低而提高,钢筋的截面收缩率随温度的降低而减小,说明随着温度的降低钢筋强度提高而韧性降低。     

沥青路面半刚性基层温度效应监测研究

为研究沥青路面半刚性基层的温度效应,建立了水泥稳定碎石室内温度变形试验方案和现场温度变形检测方案,通过温度应变系数来研究半刚性基层的室内温度变形特征,分析半刚性基层现场温度应变随季节变化规律,得到其施工完成初期温度变形特点.研究半刚性基层内不同位置现场温度应变系数的变化规律,得到半刚性基层的应变状态.结果表明:现场约束状态下半刚性基层横向温度应变系数比纵向温度应变系数大;沥青面层施工温度对半刚性基层应变产生重大影响,季节温度变化导致半刚性基层应变接近极限应变水平.