椎间盘与韧带对腰椎变形影响的生物力学研究

利用CT扫描图像和三维重建软件,重建羊腰椎L1-L4的三维实体模型,建立包括椎体、椎间盘和韧带的有限元模型,数值计算得到椎体,椎间盘和韧带的应力分布规律.数值计算结果表明:施加单一牵引载荷和侧向弯曲载荷时,考虑间盘与韧带时腰椎的位移场与未考虑间盘与韧带时腰椎的位移场有明显的区别,对椎体的等效应力影响较小.文中结果表明,椎间盘与韧带明显影响腰椎变形的,研究腰椎变形需要考虑椎间盘与韧带.     

基于有效应力法的不排水条件下大直径管桩水平循环动力响应数值分析

基于有效应力原理和黏土边界面塑性本构模型,开发适用于ABAQUS/Explicit的VUMAT子程序。在此基础上,研究不同循环幅值与桩径对软黏土大直径单桩水平响应的影响。研究结果表明：本文所开发程序可有效模拟循环荷载下土体的孔压和位移累积特性与刚度退化行为;循环次数与桩泥线处的桩累积变形大致呈线性关系,受加载幅值比影响;卸载刚度退化与桩累积变形成幂函数关系,且桩径增加,退化趋于严重;对于大直径海洋单桩,桩底易出现超孔压累积,其累积量受循环幅值控制;桩径对超孔压累积量不敏感,但桩径增加后其影响区域显著增加。     

重塑黄土一维固结变形的试验与数值模拟

为了研究单轴条件下黄土的固结变形特性,运用ABAQUS软件对重塑饱和黄土一维压缩固结模型进行了数值仿真。采用边界面模型为土体的材料模型,通过与室内试验比对,验证了所建模型的正确性。并依据现有模型,模拟了不同应力率下的固结试验。结果表明:(1)试样在加卸载荷后会产生较大的瞬时变形,变形量随加卸荷量的增大而增大,但在加卸载量相同的情况下,试样的回弹变形要远小于加载过程中产生的变形。(2)常应力率试验中,应力率越大,有效应力增长越快,但最终的有效应力值却最小;有效应力在卸载开始阶段并没有随着总应力的下降而下降,而是表现出一定的滞后性,且应力率越大,这种滞后性越明显。(3)试样的竖向变形速率随着应力率的增大而增大,但最终变形量随应力率的增大而减小,合适的应力率可以兼顾加载时间和密实度。(4)应力率越大,孔压上升越快,所产生的孔压幅值也越大,应力率较小时,孔压在加载过程中出现先升后降的现象,孔压沿试样高度分布较连续。     

基于非达西渗流的砂井地基径向固结解

采用考虑起始水力梯度的非达西渗流模型,修正了砂并地基固结理论.建立了相应的控制方程,并对其求解,给出了便于应用的显式解答,在此基础上研究了考虑起始水力梯度时砂井地基的固结性状.结果表明,由于起始水力梯度的存在,应力固结度最终将稳定在一个小于100％的数值上,最终的固结度随着起始水力梯度增大而减小.初始孔压也会对固结性状产生影响,初始孔压越大,孔压消散越充分,最终达到的应力固结度越大.但是初始孔压增大到一定值之后,最终固结度对其灵敏度降低.     

基于非达西渗流的砂井地基固结解

采用考虑起始水力梯度的非达西渗流模型,修正了砂井地基固结理论.建立了相应的控制方程,并对其求解,给出了便于应用的显式解答,在此基础上研究了考虑起始水力梯度时砂井地基的固结性状.结果表明,由于起始水力梯度的存在,应力固结度最终将稳定在一个小于100%的数值上,最终的固结度随着起始水力梯度增大而减小.初始孔压也会对固结性状产生影响,初始孔压越大,孔压消散越充分,最终达到的应力固结度越大.但是初始孔压增大到一定值之后,最终固结度对其灵敏度降低.     

基于改进壳-柱模型的盾构隧道饱和地基动应力解

针对现有壳-柱模型无法考虑盾构隧道壁后注浆层的问题,分别采用无限长的双层圆柱壳模拟盾构隧道衬砌和壁后注浆层,中空圆土柱模拟饱和地基,基于Flügge圆柱壳理论和Biot波动理论,结合边界条件,求解隧道内作用固定简谐荷载时饱和地基中的动应力,并分析其分布规律及注浆层对土体动应力的影响.结果表明:隧道注浆层底部土体径向正应力τrr和孔压Pf幅值随着与荷载的轴向距离增大而减小,剪应力τrz随距离增加先增大后减小,至3 D(隧道直径)时地基动应力接近于0;土体的渗透性越差,径向正应力和孔压幅值越大,但当土体渗透系数k小于10-5 m·s-1时,渗透系数的进一步减小对地基动应力幅值的影响不大;隧道壁后注浆层能减小土体径向正应力和孔压(约5%~8%);注浆层下方同一点土体径向正应力和孔压幅值均随着注浆层厚度增加而线性减小;而注浆层的弹性模量在一定范围内(50~650MPa)变化时对其几乎无影响.     

固结应力比对不同应力路径下饱和原状黄土孔压特性的影响

对杨凌饱和原状黄土在均压固结和K0固结条件下进行了不同应力路径饱和固结不排水三轴剪切试验,探讨了固结应力比对不同应力路径饱和原状黄土孔压发展特性的影响,提出了饱和黄土的孔压方程。研究结果表明：①当忽略被动压缩应力路径在较小围压开始阶段所产生的极小负孔压值时,均压固结和K0固结饱和原状黄土在不同应力路径下随轴向应变（压缩或挤伸）的增大,孔压均为正值;②应力路径对饱和原状黄土的孔压发展特性有很大的影响,但均压固结时应力路径对孔压特性的影响规律与K0固结时明显不同;③固结围压相同时,固结应力比对孔压发展有显著的影响,且固结应力比对不同应力路径下孔压发展的影响是不同的;④孔压方程的参数随固结应力比及应力路径的变化而变化。     

基于非牛顿指数描述的饱和黏土一维非线性固结分析

在考虑半对数应力应变关系的基础上,引入非牛顿指数描述的非达西渗流模型,建立一维固结方程,采用有限差分法求其数值解,并与Terzaghi解答和Davis解答对比验证数值方法的有效性.据此,分析土体应力应变非线性和渗流的非达西特性对饱和粘土一维固结的影响.结果表明,非牛顿指数i0越大,土层厚度与地基平均竖向总应力的等效水头的比值越大,固结速率越低;地面荷载越大,孔压消散速率和地基沉降速率都越快,按沉降定义的固结度要略大于按孔压定义的固结度;压缩指数与渗透指数的比值越大,固结速率越慢;初始有效应力越大,固结速率越快.     

316L带极埋弧堆焊残余应力和微观组织的表征

在Q345R表面堆焊焊带309L和316L,其中309L为过渡层。依据标准对熔敷金属进行试验;对试样进行残余应力测定;使用电子背散射技术观察熔敷金属309L层、基体Q345R侧和熔合线附近的微观组织特征。结果表明：熔敷金属铁素体含量、化学成分、晶间腐蚀都满足标准要求;熔敷金属残余应力为压应力,从上表面到316L与309L界面残余应力逐步增大,从316L与309L界面到309L与Q345R界面残余应力逐渐减小,从309L与Q345R界面到基体残余应力逐渐增大。在熔合线附近出现晶粒细化的现象,在热影响区,距离熔合线越近,热输入越大,晶粒直径也越大;熔敷金属层,晶粒倾向于沿着垂直于熔合线的方向生长。     

静压沉桩引起的土体应力与孔压分布特征

通过开展一系列离心模型试验,对饱和粉质黏土中沉桩挤土应力和孔隙水压力分布特征进行研究.利用微型传感器监测沉桩过程中土体的应力和孔压变化,并根据试验结果对已有的圆孔扩张模型进行修正,提出考虑地表隆起的沉桩挤土模型,对其可靠性进行验证.研究结果表明,桩周土体总应力和超孔压变化特征主要由距桩的水平距离和埋深控制,对于确定埋深处的土体,当桩尖接近并经过其埋深位置时,应力和孔压先增大后减小;当水平距离相同时,埋深越大,沉桩引起的应力和孔压增量越大,分析认为是地表自由边界的存在影响了浅埋土体中应力变化;当沉桩深度达到7～7.5倍的桩径时,地表边界效应的影响不再明显.     

基于Biot理论的腰椎间盘力学响应分析

为考虑腰椎间盘流固耦合作用,基于Biot理论建立了正常人体腰椎间盘L3~L4节段的有限元模型,分析了椎间盘在不同轴向压缩载荷及复合载荷作用下的力学响应,得到了椎间盘不同部分的压力、应力分布规律和比较曲线。结果表明:轴向正压时,外层纤维环压力约为内层的15%,外层最大应力约为髓核应力的4.3倍;椎间盘各部分所受压力随载荷增大近似线性增加,且增加的速率基本相同;应力随载荷增加而增大的速率不同,外层纤维环应力增加最为明显。轴向压缩与扭转载荷组合作用时,纤维环整体应力水平最大,最容易被破坏。     

基于EPHF模型均质多孔岩石材料水力压裂特性

基于流固耦合理论,在基于渗透率的水力压裂(PHF) 模型基础上建立了扩展渗透率的水力压裂(extended permeability-based hydraulic fracture,EPHF) 模型.该模型假设岩石材料在开裂过程中渗透率的改变为平均有效应力的函数,采用多孔介质弹性本构关系和Drucker-Prager塑性模型描述岩石材料开裂前后的力学行为,孔隙流体采用达西定律描述.引入LET模型和混合黏滞系数考虑等效开裂区域内由压裂液与原液体混合引起的渗透率修正.分析了抗拉强度对关键位置的水压力和应力路径发展过程的影响,以及等效开裂区域和裂缝高度随注水时间的变化过程.结果表明:裂缝路径上的点(不含注水点) 的水压力先降低后增加至传播压力;当有效应力差和初始水压力同时保持不变时或当总应力不变时,起裂压力随有效应力比的增加而降低.     

人工腰椎间盘置换术与椎间融合术的生物力学仿真

利用有限元法评估人工腰椎间盘置换术与椎间融合术的生物力学效果.基于CT图像数据建立腰椎L2~L5节段有限元模型,并在此基础上建立人工腰椎间盘置换和椎间融合2种手术模型.对有限元模型施加模拟生理载荷,计算两种手术模型各节段椎间活动度和小关节接触应力.仿真结果表明:相比椎间融合术,人工腰椎间盘置换术在手术节段产生了明显的运动保留功能,但置换节段在后伸和侧弯工况下活动度比正常腰椎增大40.9%和43.1%,易引起手术节段的轻度失稳;人工间盘置换术改善了上下邻近节段小关节的受力状态,但置换节段在扭转工况下会引发较高的小关节接触应力.     

基于修正剑桥模型的软黏土中沉桩过程#br# 欧拉-拉格朗日耦合模拟分析

摘要： 利用CEL(Coupled Eulerian Lagrangian)有限元大变形方法模拟了不排水条件下软黏土中沉桩施工对桩周土体的影响.利用有效应力的方法实现了修正剑桥(MCC)模型Vumat子程序中超孔压的计算,通过与室内土工试验(一维压缩试验和三轴试验)结果对比证明了子程序的可靠性.将修正剑桥模型的Vumat子程序嵌入到Abaqus/Explicit的CEL方法中用于软黏土中沉桩效应的模拟分析.对计算得到的桩周土体流动、水平位移、超孔压、水平应力的分析表明,所采用的考虑孔压的CEL数值分析方法可以较好地模拟软黏土非排水条件下沉桩效应问题.     

静压沉桩后黏土中超孔压时空分布规律研究

为了解层状黏土在沉桩后桩周及桩端的超孔压对沉桩挤土效应的影响,采用现场原位试验和数值模拟方法,分析了桩土界面处超孔压的时空分布特征和上覆竖向有效应力随时间的变化规律,并在水力压裂理论和孔穴扩张理论的基础上引入修正剑桥模型,推导了桩周土体固结过程中桩土界面处上覆竖向有效应力和超孔压的修正计算公式。结果表明:从时间上看,在桩顶的外荷载作用下,超孔压随时间消散的同时,上覆竖向有效应力逐渐增大；成桩后30.d超孔压基本消散完毕,上覆竖向有效应力不再增长,地基土处于休止期。从空间上看,超孔压随桩埋深的增大而增大,在渗透性差的黏土层增长较快；不同荷载条件下,距桩心的水平距离和桩端的竖向距离越小,超孔压越大；靠近桩端和桩心的超孔压最大值与桩顶荷载大小呈负相关关系。     

孔隙水压力梯度对煤层导向压裂控制影响

基于孔隙水压力梯度对孔壁及裂缝尖端应力作用,提出了煤层导向压裂扩展方法.通过研究有效应力变化,建立了导向压裂起裂压力及裂缝扩展压力计算模型.采用RFPA~(3D)-Flow流固耦合软件建立了孔隙压力梯度场下的导向压裂数值模型.对7组不同数值模型计算分析,研究了导向孔的布置方式、距离、控制水压三个主要因素对导向压裂作用效果.研究结果表明:孔隙压力梯度能有效降低压裂孔起裂压力及裂缝扩展压力.起裂压力及裂缝扩展压力降低幅度与导向孔控制水压呈正相关关系,与导向孔距离呈负相关关系.数值计算得到的起裂压力变化规律与理论计算预测相符合,论证了导向压裂起裂压力计算模型的正确性以及导向压裂裂缝控制方法的可行性.     

论构造应力不是油气初次运移的主要动力

油气初次运移是一个尚未完全解决的学术难题。石油地质学界认为,构造应力是油气初次运移的主要动力之一,笔者对该观点进行了质疑。根据有效应力理论和弹性力学理论,分析了构造应力对孔隙压力的影响,建立了孔隙压力增量的计算模型以及孔隙压力释放驱动油气运移尺度的计算模型。结果表明,相同构造应力条件下,烃源岩的孔隙压力增量主要受杨氏模量影响,杨氏模量越大,孔隙压力增量越小;构造应力导致的孔隙压力增量一般不会超过60 MPa;孔隙压力释放只需要排出少量地层流体即可,驱动油气运移的距离很短,相对于烃源岩厚度几乎可以忽略不计;构造应力对油气初次运移的影响十分微弱,不可能是初次运移的主要动力。     

非线性应力作用下裂缝砂岩应力敏感性特征

为了实现和评价变围压应力敏感实验关系转换为变内压应力敏感实验的等效关系，进而获取储层岩石渗透率与地层压力的关系，采用室内实验的方法，针对含微裂缝和人造裂缝的致密砂岩开展了变围压应力敏感实验、变内压应力敏感实验和特殊应力敏感实验；基于变围压实验数据，结合有效应力方程计算得到了实验岩样的渗透率随地层压力的变化关系，并与实验测定结果进行了对比分析。结果表明，计算得到的渗透率大于实验直接测定的渗透率，这种差异源于气体滑脱效应；基于Terzaghi有效应力方程计算的无因次渗透率小于对应变内压实验测定的无因次渗透率；基于非线性有效应力方程计算的无因次渗透率与对应变内压实验的无因次渗透率一致。有效应力和气体滑脱效应影响地层条件下渗透率的确定。     

饱和砂的动孔压演化特性试验研究

利用GDS 10 Hz/20 kN双向振动三轴系统,对饱和砂进行不排水动三轴液化试验,研究了液化进程中动孔压的发展规律,并阐述了动孔压的演化机理.基于试验结果,提出适用于饱和砂的动孔压应变模型.该模型直接和动力分析中应变幅相联系,能够弥补应力模型的不足,并具有较好的适用性.等压固结条件下,动应力和固结压力对动孔压比与动应变比的关系影响较小,动孔压发展规律可近似用同一模型表示.不同动应力和固结压力作用下,饱和砂土动孔压的增长模式用Seed提出的孔压应力模型描述时,试验常数可取相同值.     

初始孔隙比对饱和砂土动力特性影响研究

通过对汶川细砂在不同循环应力比下的等压固结不排水动三轴试验,着重研究了考虑初始孔隙比对饱和砂土的动强度与孔压特性影响,建立了不同有效围压下的动抗剪强度表示方法,比较了一定振次下的动强度指标,为抗震设计提供参考与借鉴.从孔压随荷载循环次数变化和一定振次下液化所需的循环应力比这两种角度研究孔压特性,结果表明:相对密实度对砂土抗液化能力有着显著影响,孔压的发展取决于初始孔隙比,循环应力比越高时,表现得越明显.