基于水平集方法的原状土三维水气两相渗流特性数值研究

为揭示土体中水气两相动态渗流机理,基于计算机断层扫描(CT)与AVIZO-COMSOL交互对接技术,通过水平集(Level Set)方法来研究代表性体积单元(REV)尺度原状花岗岩残积土三维水气两相渗流特性。结果表明:孔隙残余气主要呈块状分布于孔隙边、死角和孔喉突变部位;REV模型孔隙中存在少数主渗流孔道,其普遍有着孔道宽且笔直的特征;两相渗流速度受孔道迂回程度控制,且存在明显的“优势通道”,其中主渗流通道平均流速比模型整体高47.26%;驱替阻力最大出现在孔隙壁面处,且孔道越窄,阻力越大。该研究成果可为进一步认识原状土孔隙渗流规律提供研究方法及理论基础。     

两类大跨钢波纹管涵洞力学特性对比分析

目前对大跨混凝土－钢波纹管拱涵的力学特性研究较少。为此,以大跨圆形钢波纹管涵为对比,揭示大跨拱涵与大跨圆涵力学特性差异,采用有限元方法,对两种结构涵顶垂直土压力、内力最大值、最大变形、力学特征变化规律以及ＥＰＳ板减荷效果进行对比分析。结果表明:两类涵洞结构力学特性分布规律基本相同,最不利点均位于涵侧与涵顶,建议以波纹管最大内力为设计控制指标,但拱涵上方“土拱效应”影响更大,卸荷更优且高填土下优势更明显。两类涵洞结构土压力传递规律相同,即由中心向两侧、由管涵向管周土体传递;波纹管内力传递规律相同,即由波峰向波谷传递,但拱涵部分波峰应力传递至基础,使其涵侧波谷切向应力较小;两类涵洞结构铺设ＥＰＳ板后垂直土压力、结构最大等效应力均变为非线性变化,前者减荷效果相同,后者拱涵减小更多,且在板厚30ｃｍ后加厚对两者影响不大。因此,大跨拱涵力学性能与ＥＰＳ板卸荷效果均优于同等跨径的圆涵。     

花岗岩残积土大孔隙结构定量表征

为揭示花岗岩残积土大孔隙结构的分布规律和形状特征,选取福州某地原状花岗岩残积土作为研究对象,基于工业CT扫描和ImageJ软件,定量化研究了大孔隙的成圆率、扁平度、整体轮廓系数、分形维数等参数分布规律。结果表明:约有80%以上的大孔隙直径在0.15~1 mm范围内,不到20%的大孔隙直径>1 mm。花岗岩残积土的大孔隙率介于5.8%~22.7%之间,且随着深度的增加呈先增大后减小趋势。大孔隙直径越大,孔隙成圆度越差。4个试样的整体轮廓系数变化范围在0.81~0.87之间,且孔隙整体轮廓系数随着土壤深度的增加变化较小。花岗岩残积土大孔隙率与分形维数存在一定的相关性,但不同试样的大孔隙率与分形维数的相关系数存在较大差异。综上,花岗岩残积土具有孔隙比大、粗糙程度差、大孔隙分布广泛、孔隙结构差异性大及局部孔隙扁平度离散性大等特点。     

大孔隙参数对斜坡非均匀渗流与稳定性的影响研究

为了揭示降雨条件下大孔隙参数对斜坡水分非均匀运移与稳定性的影响,基于两域模型与稳定系数场原理,建立降雨入渗下斜坡非均匀渗流与稳定性求解模型,并借助COMSOL Multiphysics多物理场有限元平台,编制相应的模型求解程序并进行精度验证。在此基础上,以福建省某一典型大孔隙边坡为地质模型,对比降雨作用下均匀流与非均匀流的斜坡体积含水率和点稳定系数分布状况,最后分析大孔隙参数(ωf、μ、rw)对斜坡渗流场及稳定系数场的影响规律。结果表明：相比不考虑大孔隙,考虑大孔隙时基质域和大孔隙域表层含水率分别增长7.7%和降低5.1%,入渗深度分别增长83.3%和150%,边坡浅层失稳面积增大3.9%。基质域和大孔隙域入渗深度均随大孔隙占比ωf的增大而减小;随着大孔隙域与基质域饱和渗透系数之比μ增大变化趋势相反,即μ越大,基质域入渗深度越小,大孔隙域反之;两者与经验参数rw无显著关系。至降雨结束,基质域表层土体含水率已达最大值;大孔隙域则随着ωf和μ的增大而增大,但几乎不受经验参数rw的影响。非均匀流边坡水分交换沿着剖面从上往下分为负交换区、正交换区和无交换区,水分交换平衡深度与基质域入渗深度变化趋势一致。负交换区与正交换区均存在一个峰值,并随大孔隙占比ωf的增大而减小,随着参数μ和rw的增大而增大。不同参数取值下,边坡均为浅层失稳破坏,大孔隙占比ωf和参数μ越大,失稳层深度越大,表层点稳定系数越小。     

跨V型沟谷土石混填高路堤工后沉降特性分析

为揭示跨V型沟谷土石混填高路堤工后沉降特性,以土石质量比1:1填料为例,基于Prony级数形式的广义Kelvin模型,采用大型蠕变试验拟合出典型土石混填填料蠕变参数,结合数值模拟分析束口/阔口型路堤工后沉降特性以及地形因子对工后沉降特性的影响规律。结果表明：初始快速蠕变时间占0.52%～1.47%,完成总变形的50%,最大工后沉降区域在第四级土层靠上区域,呈椭圆形;横向工后沉降曲线由路肩向基岩一侧减小且变化速度减小,纵向工后沉降曲线束口型呈“弯盆”型,阔口型呈抛物线型;工后沉降500 d达到稳定;束口/阔口型路堤最终工后沉降分别为二维模型的93.42%和69.23%,地形约束不容忽视;路堤高度增加,各工后沉降特征指标均随之增大,在30～40 m时,影响更明显,束口型路堤变幅大于阔口型,且其纵向工后沉降曲线由“弯盆”型转为抛物线型;沟谷宽度相同时,阔口型路堤各工后沉降特征值略大于束口型路堤,但变幅均较小。     

简化增量法计算土钉轴力的模型准确性分析

基于朗肯主动土压力原理的土钉轴力简化增量计算方法虽己广泛应用于工程实践,其模型预测精度尚缺乏系统性评估.鉴于此,本文首先从在中国建造和监测的土钉墙中收集了178根土钉共466个实测土钉轴力数据,建立数据库并进行全面分析,排查异常数据.利用剩下的143根土钉的正常数据,对上述朗肯简化增量法的模型准确性进行评估,并考察3种...     

考虑壁面湿润性的多孔介质两相渗流特性数值研究

选取福州某地原状花岗岩残积土作为研究对象,基于计算机断层扫描(computer tomography, CT)技术与水平集（level set）方法,研究孔隙壁面湿润性对多孔介质水-气两相渗流特性的影响情况。结果表明：不同湿润性条件下,驱替过程均有细观“指进”现象,界面前缘形状主要以凸弧形驱进,凹弧形仅存在于渗流初期;孔隙壁面的湿润性对两相渗流过程影响较大,疏水壁面(湿润角θ>90°)会对流体产生排斥加速作用,亲水壁面(湿润角θ<90°)会对流体产生黏滞减速效应,但渗流速度并不一直随湿润角的增大而增大,而是随时间不断发生变化;最大水相饱和度出现在亲/疏水临界值90°处,趋于86.55%,残余气相饱和度为13.45%。     

路基刚度对冲击碾压混凝土路面动力破碎效果的影响

目的揭示路基刚度对冲击碾压混凝土路面动力破碎效果的影响规律．方法基于动力弹塑性有限元分析方法,建立了冲击碾压改建三维动力有限元分析模型,针对不同路基刚度对四楞冲击压路机冲击碾压混凝土路面动力破碎效果的影响进行了系统研究．结果随着路基刚度的增大,板的瞬时竖直变形最大值减小;纵向拉应力有减小的趋势,而相应的纵向压应力逐渐增大;横向拉应力变化也有相同的趋势;路基刚度较小时,路面板横向的拉应力大于纵向的拉应力,而随着路基刚度的增大,纵向拉应力增大幅度大于横向拉应力的增长幅度,最后纵向拉应力大于横向拉应力．随着路基刚度的增大,路面板底的纵横塑性应变最大值相应减小,纵向塑性区分布范围逐渐增大并向板中集中,而横向塑性区分布范围逐渐减小。且由原来的纵向分布变为横向分布．结论路基刚度对于冲击碾压改建破碎路面的效果和性状有较大影响,路基刚度越大路面越难以破碎,断裂方向由纵向逐渐转为横向,针对不同刚度路基建议根据破碎效果选择对应的施工路线．     

短时冻区冰雪消融对残积土坡非平衡渗流与稳定性作用机理分析

为揭示短时冻区冰雪消融对残积土坡非平衡渗流与稳定性作用机理,分别基于非饱和渗流模型与非平衡流模型,分析福建省冰雪消融诱发某一边坡的失稳原因,并研究不同大孔隙直径、间距、弯曲率及长度对考虑非平衡流的边坡水分场与安全系数的影响规律。结果表明：非平衡渗流相比于非饱和渗流对于边坡稳定性的影响明显更大,采用非平衡流理论可合理解释冰雪消融条件诱发残积土边坡失稳机理;增大大孔隙直径可增大大孔隙域与周围基质域的水分交换量,减缓水流的优先传导作用并使孔隙水压力增长,从而使边坡稳定性降低;增加大孔隙长度,延长了水分的传导路径,削弱大孔隙域内水分的积累效果,对于边坡安全系数有一定影响;增加大孔隙弯曲率对于基质域含水率及边坡安全系数影响很小,可忽略不计。边坡安全系数与大孔隙间距之间存在安全系数最小的临界间距,间距过大导致大孔隙群的优先流效应无法发挥;间距过小导致大孔隙间非平衡流相互叠加与干扰,削弱大孔隙对于深处孔隙水压力的影响。因此,对于短时冻区冰雪消融诱发含大孔隙边坡的失稳问题,应考虑非平衡流的影响,尤其是大孔隙间距与长度的影响。     

闽西地区典型煤系土的工程性质分析

为揭示闽西地区典型煤系土工程特性,以龙岩东环高速公路沿线分布的典型煤系土为例,进行大量室内试验,分析煤系土基本工程性质、耐崩解性以及干湿／冻融循环下土样强度指标变化规律等。结果表明:闽西地区煤系土具有塑性指数高、干密度大、压缩系数大等特点。矿物成分为白云母、石英、高岭石,属于中压缩性土、低液限粉质黏土。击实过程中煤系土具有显著颗粒破碎现象。煤系土颗粒间黏结力较低,遇水较易崩解。压实度相同煤系土,其含水率越高越容易被压缩。黏聚力和内摩擦角均随压实度增大而增大,随含水率增大而减小。压实度与含水率对煤系土黏聚力影响大于内摩擦角。干湿循环 4次或冻融循环 5次后,其压缩强度与抗剪强度趋于稳定,土样基本无裂隙存在。煤系土样孔隙比均随着循环次数、含水率、压实度增加不断减小;黏聚力随着循环次数增加而增大,而内摩擦角呈相反趋势。