基于离散-连续耦合法的埋地管道受荷过程模拟分析

为了从宏、细观角度反映出埋地管道管周土体的承载特点,文章采用离散-连续界面耦合数值模型对埋地管道受荷过程进行模拟分析,其中管周填土采用离散单元法进行模拟,埋地管道及原状土基采用有限差分单元法进行模拟。结果表明：随着荷载或埋深的增大,管顶受压产生压缩变形,管顶土体发生“压力拱效应”,引起管周土压力重分布;耦合模型水平位移场显示埋地管道在受荷过程中管侧回填土及原状土基能够分担和转移外荷载;管周土体的细观接触力链分布形态与管顶土压力的分布规律形成相互印证。     

埋地天然气管道应力变形分析

利用有限元法对埋地天然气管道的应力和变形进行了分析,考虑到实际施工过程,提出利用单元生死技术实现回填土分层加载,模拟管沟的回填过程.分析得出管壁内侧管顶处和管壁外侧管侧处受到最大拉应力作用,是管道的2个危险点;与公式法相比,利用有限元法计算管道的变形更接近实际情况.     

黄土洞穴危害及其形成演化机制

指出黄土地质灾害的发生主要与地表水的集中入渗有关,而黄土洞穴则往往是地表水在黄土地层中通过各种黄土节理、裂隙集中入渗最为直观的体现.通过野外调查,查明了黄土洞穴对公路工程的危害,并将其对公路工程的破坏归纳为以径流冲蚀作用为主的破坏类型、以渗流潜蚀作用为主的破坏类型、以湿陷潜蚀作用为主的破坏类型、复合作用破坏类型;对每种类型的破坏机理及其各自特点分别进行了概括,认为公路工程对原始地形地貌、汇水条件、土质条件和地层条件的改变是其发生洞穴破坏的根本原因;以黄土洞穴对公路工程的破坏机理为启迪,对黄土洞穴的发展演化机制进行了深入讨论.其成果不仅可深入揭示黄土洞穴的成因,而且对集中渗流作用下黄土地质体稳定性的研究亦具有重要的借鉴意义.     

含建渣回填土渗透性能的现场注水试验研究

确定回填土的渗透性能对建筑物的抗浮设计极为重要。建渣成分复杂、极不均匀,回填土中混入建渣会改变其水力特性,渗透系数难以确定。在含建渣的回填土(黏土、砂卵石土)中根据其不同的建渣含量分别布置8个试验点位,利用改进的双环注水设备对含建渣回填土的渗透特性进行现场双环注水试验研究。测定了不同建渣含量时回填土的渗透系数,并分析回填土中混入建渣对其渗透性的影响。试验结果表明,建渣混合回填会显著增加回填土渗透性,且砂卵石土渗透系数受混入建渣的影响要大于黏土;回填土渗透系数与建渣含量之间存在正指数关系,并提出了一个简明的含建渣回填土渗透系数计算公式,为回填施工提供参考依据。     

饱和黄土渗透过程变形与渗透系数关系初探

为研究在不同渗透压强下原状黄土和重塑黄土在渗透过程中的渗透系数、孔隙比及土体变形的变化关系,对黄土进行室内渗透试验,进而分析土体的结构变化。选取相同孔隙比下的原状黄土和重塑黄土土样,在相同条件下进行渗透试验,渗透过程中分别设置一系列不同的渗透压强差,按照先增压再卸压的方式进行渗透试验,得出渗透对土体及渗透系数的影响。结果表明:随渗透压强增加,重塑土与原状土的渗透系数以及土体变形变化规律走势相同,但原状土较重塑土结构稳定,渗透系数和变形的变化较重塑土小。     

渗透剪切作用下黄土的力学特征

黄土高原地区黄土在灌溉作用下,逐渐达到饱和状态,饱和中,陡坡类黄土坡体自重增加引起下滑力增加.该过程持续进行后,坡体内部同时发生渗流和剪切过程,导致坡体的变形不断增大,直至破坏后形成滑坡.本文选取黑方台4.29滑坡为研究对象,在现场调查的基础上,利用滑坡后壁原状黄土试样,基于三轴试验设置10组共60个原状样对饱和黄土的渗透剪切行为进行模拟.试验中设置了0.5、0.1和0.05 mm·min-1三个不同的加载速率对黄土试样进行剪切,为比较分析,对0.1 mm·min-1剪切速率试样设置了0、1、2和5 m几个不同水头进行了试验.试验结果表明:饱和黄土在渗流与剪切耦合作用下,表现出应变硬化特征,渗透作用明显降低了黄土的强度,尤其是黄土黏聚力降低,其降幅达5.24%~63.35%.对已有强度指标拟合后获得黄土在渗透剪切工况下的强度修正公式.     

基于核磁共振技术的黄土内部孔径分布对逾渗特性的影响

黄土的逾渗特性作为黄土渗流中比较特别的性质,它涉及到了黄土渗透性突变的特殊问题,其重要性是毋庸置疑的。研究黄土内部的孔径分布对逾渗特性的影响可以为工程中的某些渗流问题提供理论依据与实践价值,然而前人的研究往往忽视了这部分内容。基于此,本文展开了一组原状黄土和两组重塑黄土的试验研究:采用变水头试验分析黄土渗流过程中的逾渗现象,然后利用核磁共振技术对三组试样进行孔隙分布评价,最终分析孔径分布对于黄土逾渗特性的影响。试验结果表明:（1）原状黄土由于原生结构较好,孔隙大小的分布较重塑黄土更为集中,孔径集中在0.011~ 0.11 μm的中孔隙最多;重塑黄土由于丧失了结构性,部分土颗粒会产生黏聚,从而导致土体内的微孔与大孔的比原状黄土多。（2）由于原状黄土孔隙更为集中,内部孔隙更不容易透水,所以更容易达到临界状态从而使得渗透性发生逾渗,原状黄土的临界水头比相同干密度的重塑黄土更高。而重塑黄土则是干密度越大,孔隙率越低,孔隙越小,临界水头越高。试验利用方便快捷的核磁共振技术,首次分析了黄土内部孔径分布对黄土逾渗特性的影响,富有创新性,试验可靠性高,成果可为黄土重大工程的基础建设中的有关渗流问题提供建议。     

基质吸力对原状非饱和黄土强度与变形特性的影响

为研究基质吸力和净围压对原状非饱和黄土的变形、强度特性的影响,采用非饱和土三轴仪对延安新区的原状Q_3黄土及原状Q_2黄土做了2组共18个三轴固结排水剪切试验.研究结果表明:基质吸力和净围压均对试样的强度及变形特性有显著影响;原状Q_3黄土的偏应力-应变曲线随净围压的增大从理想弹塑性演变为硬化型,且试样在试验过程中一直处于剪缩状态;原状Q_2黄土的偏应力-应变曲线表现为软化型,吸力、净围压较小的试样,体变由剪缩逐渐变为剪胀;原状Q_2黄土的结构性比原状Q_3黄土更为显著;基质吸力对非饱和黄土的强度特性、起始杨氏模量有显著的影响;表观黏聚力c及参数k均随着吸力的增加而增大,而吸力对有效内摩擦角φ′及参数n的影响并不显著;提出考虑吸力和净围压影响的原状非饱和Q_3、Q_2黄土的切线杨氏模量的修正计算公式.     

黄土山区贴坡填方地基的变形特性

为了研究贴坡填方地基的变形特性,依托兰州市某黄土“削峁填沟”工程,开展贴坡填方地基沉降及水平位移监测,借助有限差分数值分析,研究了回填土压实度、坡面坡度、回填高度的影响.结果表明,贴坡填方地基沉降及水平位移均随着时间呈两段式增长,水平位移进入缓慢发展期的时间晚于沉降,原状土地基沉降在总沉降中占比大.竖向平面内沿水平方向,距离坡顶越近沉降越小、水平位移越大;沿深度方向,深度越深,沉降及水平位移均越小,土体深度方向水平运动不协同.压实度、坡度、高度对土体运动矢量长度、方向的影响效果不同,对变形控制的重要性依次为压实度>高度>坡度.实际工程应控制压实度>0.93,尽量减小坡度和一次性填筑高度.     

钢波纹管的力学性能分析

提出采用截面参数分析法与有限元数值模拟相结合的方法对钢波纹管受力变形进行计算分析.将截面参数分析法所得计算结果与美国ASTM规范对比,验证了截面参数分析法的有效性.根据截面参数计算结果将钢波纹管道等效为实壁管道,并在此基础上对应不同工况建立有限元数值模型,进一步研究了钢波纹管道在填土施工过程中的变形与内力特性,总结了其力学性能与填土高度、管道规格的对应关系和钢波纹管道设计中的建议管道规格.最终根据钢波纹管道施工现场工况,对管周土体竖向土压力及管道环向应变进行计算,通过与现场实测数据对比,验证了该方法模拟钢波纹管管土相互作用的有效性.研究表明所提出的钢波纹管分析方法简便准确,并能很好地再现钢波纹管道的力学特性.     

黄土滑坡与黄土洞穴的相关性及其相互作用机理

在分析黄土滑坡和黄土洞穴的区域分布、微地形地貌分布、形成时间相关性的基础上,发现滑坡体上洞穴发育密度和发育程度明显增大;进一步分析滑坡对黄土洞穴的影响,认为滑坡体上节理裂隙的强烈发育为洞穴的形成提供了物质搬运空间、堆积空间以及渗流通道.滑坡改变了地面的坡形、坡度以及水力条件,使得滑坡的后缘、侧壁以及前缘等地段容易形成黄土洞穴.黄土洞穴对黄土滑坡的主要影响是可以加速冲沟发育、加剧坡体局部破坏、改变坡体的渗流条件,从而诱发滑坡发生以及古滑坡复活.     

深埋隧洞饱和原状Q2黄土三轴剪切特性试验

为进一步探讨饱和原状Q₂黄土在三轴应力状态下的变形、孔隙水压力变化以及强度特性,利用GDS多功能三轴仪,对甘肃引洮输水工程15^#隧洞原状黄土进行了常规三轴不排水剪切试验.通过对试验数据的整理与分析发现:在常规三轴不排水剪切试验下,原状Q₂黄土的应力-应变曲线呈应变软化型,表现为脆性破坏;随着围压的增大,曲线的软化性状减弱;在土的峰值强度出现前,变形几乎近似"弹性".土在剪切过程中产生正孔隙水压力,曲线在低围压下具有峰值压力,变化似软化型;在高围压下孔隙水压力随着轴向应变的增加而增大.随着围压的增大,原状Q₂黄土的破坏应力随之提高,有效应力路径曲线形态呈相似的直线形.     

大直径回填钢管管土相互作用研究

目前国内水利水电行业回填钢管的设计主要参考给排水行业规范,但其管径远超出给排水管道,研究大直径回填钢管管土相互作用,完善回填钢管结构设计理论,是当前亟待解决的重要课题.本文建立大直径回填钢管有限元计算模型,假定土体遵守Drucker-Prager屈服准则,钢管与土体交界面采用面-面接触单元,分析了管空、充水和满水工况下管土接触状态、钢管变形、土体位移和管周土压力,并探讨了管径和管土间摩擦系数对管土相互作用的影响.结果表明:管土接触状态在管顶、管腰和管底通常处于黏合状态,胸腔和腋部区域易发生滑动;钢管竖向和水平变形量并不完全相同,充水工况对钢管变形最为不利,满水工况较为有利;管顶土体位移受钢管变形的影响呈"U"形分布,即中间大、两侧小;管周土压力分布在管空和充水工况下较为相似,满水工况下会发生较大变化,土压力在土层交界附近会出现突变现象,其分布形式与Spangler模型存在较大区别;管径增大后,管内水体重力对钢管受力和变形更为不利,故大直径回填钢管设计时应考虑充水工况下的钢管变形;管径越大,管顶土压力平均值越接近棱柱荷载,钢管胸腔到顶部之间土体对管顶土压力影响越显著;管土间摩擦系数对管土相互作用影响较小,非关键因素.     

非饱和黄土土水特性与湿陷性关系分析

黄土的湿陷并不是饱和状态,即吸力为零时黄土所表现出的特性,而是受其含水状态,即吸力的显著影响。室内外的试验研究表明,在竖向应力不变的情况下,含水量的增加或吸力的减少会引起非饱和黄土的湿陷。利用压力板仪测试了非饱和原状黄土的土水特征曲线,采用非饱和土三轴仪得到相应土的湿陷变形,分析了土水特性曲线对原状黄土湿陷变形的影响。结果表明,非饱和黄土的渐变湿陷特性和土水特性曲线的形式和参数之间存在密切关系。本文的分析为采用类似土水特性曲线的预测模型来预测非饱和黄土随吸力变化的湿陷系数奠定了基础。     

降雨诱发非饱和土地下水位上涨的耦合效应

降雨容易诱发地下水位上涨,从而引发多种危害.降雨诱发土体变形与渗流耦合,目前的研究多集中在土体耦合各场的变化规律,对土体水力耦合过程地下水位变化规律及影响因素研究较少.基于渗流理论、弹性理论及VG土-水特征曲线模型,建立了二维非饱土体的水力耦合的数值模型,从水力耦合的角度去研究降雨诱发地下水位上涨.该模型突破了饱和时的渗透系数是常量的局限,且适用于任意的土-水特征曲线表达式.通过算例对二维非饱和土渗流-变形耦合模型展开分析,并深入探讨了地下水位升高的耦合效应.计算结果表明:降雨强度、初始条件以及饱和渗透系数为变量等因素对地下水位上涨有显著的影响;位移最大值出现在地下水位以上,地下水位以下位移变化梯度相对较大.     

人工降水技术在廊坊污水处理工程中的应用

廊坊污水处理工程是我公司近年来施工的市政管网工程之一。其管材为钢筋混凝土管,管道平均埋深4.5 m。此管线处于河北省廊坊市,途径农田、铁路等区域。在施工位置,地下水位约为1.09 m,平均管沟的挖掘深度在3～5 m之间,结合地下水位不同地理位置的情况及管沟挖掘、安装、回填的措施,采用明沟降水的方法。下面就轻型井点降水施工原理进行阐述,包括管道施工安装,基坑,轻型井点降水,管沟开挖,管沟加固,水箱,抽排水水泵,针状管,降水设备安装与拆除。     

结构性黄土的修正Duncan-Chang模型

为了实现原状湿陷性黄土结构性与其本构模型研究的统一,解决软化型应力-应变曲线的切线刚度矩阵正定性问题,通过研究原状结构性黄土在不同含水率和固结围压条件下由增湿、固结作用和剪切变形引起的结构性损伤规律,建立可以反映结构性变化的修正非线性Duncan-Chang模型.该模型考虑了增湿和加荷对土体结构的损伤破坏,把含水率作为一个重要的变量,用一族具有相同初始切线模量和不同极限强度的双曲线来求取当前应变状态处的切线模量,能够统一描述结构性黄土的应变软化和硬化型应力-应变关系曲线,形成解决原状湿陷性黄土增湿和应力耦合条件下变形及强度计算问题的新方法.     

降雨条件下非饱和土坡三相流模型的渗流-变形耦合分析

土质边坡降雨入渗的过程中伴随着地下水渗流的推进、孔隙气体迁移和边坡土体变形,因而涉及非饱和土体固-液-气三相耦合的作用.首先基于非饱和土力学基本理论、土-水特征曲线模型,在考虑气相对降雨入渗过程的影响下,建立了考虑孔隙介质可压缩性的二维非饱和土坡固-液-气三相渗流-变形耦合控制方程组.然后利用COMSOL Multiphysics软件的PDE平台,将所建立的耦合控制方程的数值模拟结果与经典Liakopoulos砂柱排水的试验结果进行比较,验证了本文所建立的三相耦合控制方程其正确性.最后对已建好的耦合模型求解分析,对比探讨两相和三相耦合计算模型对渗流场和位移场的影响.模拟结果表明:孔隙水压力随降雨时间的增加而逐渐增大,孔隙气体迁移和土体变形对边坡降雨入渗的推进起阻滞和延缓作用,揭示了固-液-气三相渗流-变形耦合模型能够更真实的反应降雨条件下土坡的变化特征,从而对非饱和土质边坡的灾害预警提供指导作用.     

崩滑岩体对埋地管线横向冲击作用的数值模拟

采用离散元软件3DEC对高速下落岩体冲击地面、引起埋地管道动力响应的过程进行数值模拟,考察影响管道表面土压力和管道变形的主要因素.结果表明:冲击荷载作用下管道表面土压力分布非常不均匀,靠近管道顶部的区域是主要影响区,冲击作用面积是主要影响区范围的决定性因素;落体质量和冲击速度是影响管道表面最大土压力的主要因素,落体对管道表面土压力沿纵向的影响范围大致为冲击作用半径的2倍;落体速度相同时,落体质量对管道变形的影响比冲击作用面积更显著;增大管道埋深可以减小管道的冲击变形量;与采用较硬的黏土作为管沟填充料相比,无黏性砂填充时冲击荷载更容易引起管道发生较大变形.     

油藏热流固耦合模型及应用

针对变温变形油藏的耦合渗流规律这一亟待研究的课题,综合分析油藏中流体力场、固体力场、温度场之间的耦合关系和三场耦合的力学机理与结合点,认为油藏中热效应与流体孔隙压力导致岩石变形;岩石变形与流体渗流导致温度场变化;岩石变形与热效应导致储渗特性和孔隙流体压力的改变从而影响流体渗流,以上三种效应是同时发生的.建立了一个反映变温变形油藏实际的热-流-固耦合模型,利用此模型进行了几项对热采油藏地层损害和石油生产有着重要影响的参数、指标的计算与分析.