多孔岩土材料渗透系数与孔隙率关系随机模拟

为了研究多孔岩土材料渗透系数与孔隙率关系,根据给定有限元计算模型的孔隙率,随机生成表征孔隙和固体颗粒的有限元模型,模型中的材料参数和单元属性用ANSYS中的APDL参数化语言赋值。根据有限元随机模拟断面的流量分布和稳态渗流问题的达西定律,计算在不同孔隙率的等效渗透系数,研究等效渗透系数与岩土孔隙率之间的关系。计算结果表明:在孔隙尺寸不变的情况下,等效渗透系数与孔隙率成正比。     

岩石随机孔隙结构的三维重构模型与细观渗流分析

将多孔岩石介质的孔隙视为具有毫米量级的随机细观结构,重构岩石三维随机孔隙结构模型,在细观力学的层面上研究孔隙结构对多孔岩石渗流的影响。引入微管渗流模型,利用统计学原理和FLAC3D软件研究多孔岩石介质随机孔隙结构的重构技术和细观渗流数值模拟方法。研究结果表明:多孔岩石孔隙率越大,流体由非稳定流过渡到稳定流的时间愈短,渗透系数和孔隙率具精度很高的线性关系,岩石介质透水性的孔隙率阈值nλ=4.05%,峰前多孔岩石介质的渗透系数主要受体积应力控制,且两者之间具有负指数关系。重构毫米量级的孔隙结构单元,其数值稳定性可以得到保证。     

岩土介质渗流的重正化群研究

岩土介质的渗流过程实际上是流体对孔隙空间的占据过程，是一种几何意义上的相变。本文将岩土介质中的孔隙抽象为孔隙堆积体模型，用重正化群的方法研究了岩土介质的渗流问题，得出了临界孔隙率的定量计算方法，并根据有关数据初步验证了计算方法的正确性。     

纳米孔隙聚合物薄膜等效折射率模型和FDTD模拟

综合运用了两相介质等效折射率的Lichtennecher方法和模系统模拟方法对聚苯乙烯PS(polystyrene)、聚甲基丙烯酸甲脂PMMA(polymethyl-methacylate)和纳米孔隙三相介质构成的聚合物薄膜的等效折射率和孔隙率关系进行了研究,建立了一种纳米孔隙聚合物薄膜的等效折射率模型,并用时域有限差分算法(FDTD)模拟光在这种纳米孔隙聚合物薄膜中的传输过程,计算出了不同孔隙率的薄膜所对应的等效折射率.FDTD算法模拟的结果及数学模型曲线均与实验结果吻合很好.     

三维应力作用下砂砾岩孔隙型渗流

为了掌握砂砾岩在三维应力作用下的渗流规律,开展了理论和试验研究。把渗透系数设定成孔隙率变化量的函数,再基于孔隙弹性理论推导孔隙率变化量和应力之间的关系,建立了孔隙型岩石的渗流应力耦合特性关系式,其表明平均有效应力是控制孔隙型岩石渗透系数变化的主要因素。在渗流-三轴应力耦合试验机上开展的砂砾岩渗流应力耦合试验的结果进一步证明,砂砾岩渗透系数与平均有效应力成负指数函数关系。根据理论分析和试验结果建立了砂砾岩在三维应力作用下的耦合特性关系模型。     

砂井地基固结过程的监测与分析

采用沉降板、分层沉降仪、孔隙水压力计等仪器,对路基分层填筑过程中砂井地基的固结规律进行监测,保证了路基的安全填筑.将非线性弹性本构关系引入Biot固结理论有限元程序,把砂井地基等效为砂墙,采用中点增量法研究施工过程中地基沉降与孔隙水压力消散的规律,其计算参数由室内三轴试验确定.研究结果表明:采用非线性弹性模型计算的孔隙水压力峰值和沉降量均大于弹性模型计算值,能模拟在分级加载过程中砂井地基的沉降和孔隙水压力消散的规律;泊松比对非线性模型的孔压变化趋势影响不大,但沉降量随泊松比的增大而减小;只有当渗透系数发生数量级改变时,才引起孔压的明显变化.     

基于多输出支持向量机和遗传算法的岩土参数反演方法

提出了基于多输出支持向量机(M-SVM)和遗传算法(GA)的岩土参数反演方法.在进行参数反演过程中,根据正交试验产生一系列参数的可能组合;采用有限元法(FEM)得到坝体不同测点处的位移计算值.将不同的材料参数组合作为输入,相应的位移计算值作为模型的输出来训练M-SVM模型,以便模拟坝体位移和材料参数之间的复杂关系.采用GA来求解材料参数反演所对应的优化问题.在进行最优材料参数搜索的过程中,采用训练好的M-SVM模型来替代有限元计算,以获得坝体位移的计算值,从而大大减少了计算所需的时间.根据某面板堆石坝沉降的监测数据和有限元仿真模型,实现了以上反演过程.反演分析的结果表明,本文提出的岩土参数反演方法具有计算精度高和计算效率高等优点,可以应用于实际工程中.     

基于核磁共振技术的岩土导热系数三维仿真模型研究

岩土介质的导热系数是地表环境和地热能理论研究与实践的关键指标.研究目的是建立岩土三维多孔介质随机分布模型,提高导热系数预测精度,降低测试难度和工作量.结合岩土多孔介质属性,利用低场核磁共振分析仪测定岩土中各相占比情况.使用编程软件建立三维岩土多孔介质随机模型,然后将模型加载到仿真软件中,输入核磁数据和材料参数并通过软件计算导热系数值.采用便携式热特性分析仪测量不同含水率土体的导热系数,分析含水率与导热系数之间的变化关系.最后,与试验数据进行比较,对所建立的多孔介质随机分布模型的有效性进行验证.结果表明：岩土中孔隙水是影响导热系数的重要指标,导热系数随含水率增大而增大;随机模型计算值与仪器实测值变化趋势基本一致;计算值与实测值平均PBIAS(Percent Bias)值为0.0139,最大PBIAS值为0.021.为岩土导热系数预测提供了可靠的途径.     

基于正交试验法的岩土工程敏感应力方向性等效转换

为解决传统方法分析岩土材料应力时等效围压、等效偏应力比计算结果不准确的问题,提出基于正交试验法的岩土工程敏感应力方向性等效转换研究方法。首先旋转综合张量,使其与应力张量处于同一空间坐标系;然后,计算各向异性下岩土颗粒接触的等效应力张量,获取等效应力。基于等效围压与等效偏应力构建各向异性与应力方向性的等效转换模型,采用正交试验法进行模型参数敏感性分析,完成岩土工程敏感应力方向性等效转换研究。实验结果表明,所提方法的等效围压、等效偏应力比计算结果与实际值基本一致,应力敏感性计算精度高达98%,抗干扰性好,且整个研究过程计算耗时也远低于其他文献方法,验证了所提方法的优越性。     

不锈钢丝网多孔材料的孔隙特征及渗透性能分析

采用304不锈钢丝网为原材料,经过卷绕、压制、轧制、真空烧结工艺,制备了不锈钢丝网多孔板,利用扫描电镜观察板材形貌,分析了金属间的连接及孔隙的形成,获得了不锈钢丝网多孔材料的孔隙大小、孔隙分布及孔隙率。以改进的达西定律为依据,设计了一套检测多孔板渗透性能的装置,利用粘性渗透系数和惯性渗透系数作为多孔板的空气渗透性能指标,评价了不锈钢丝网多孔材料的渗透性能,确定了孔隙率对不锈钢丝网多孔材料渗透性能的影响规律。研究表明,不锈钢丝网多孔板孔隙分布均匀,金属骨架连续,孔隙大约在0～60μm之间,孔隙率在20%～40%之间,其渗透性能和孔隙率、厚度有着密切的关系,孔隙率越大、厚度越小,其气体渗透性能越好。     

冻土导热系数的非线性规律研究

根据冻土多孔多相介质各组分随机分布的特性,结合随机模拟方法,应用有限元数值模拟软件COMSOL研究了导热系数与各影响因子之间的关系.计算结果表明:一定范围内的冻土土粒粒径以及含水量与导热系数表现为非线性关系,含水量与等效导热系数呈明显的非线性关系;在数量级较小的范围内导热系数与孔隙率以及未冻水含量表现为非线性关系.研究结果与实测结果和已有成果相符合,证明此方法是一种研究冻土物性参数的有效手段.     

基于BIM技术的岩土工程信息模型数值计算功能实现方法

当前岩土工程信息模型更多地应用于可视化展示,一直没能深入到岩土工程的实际应用当中,很难直接进行岩土工程专业分析。究其主要原因,是缺乏将岩土建筑信息模型(building information modelling, BIM)转换成计算模型的渠道。通过数据转换,研究岩土工程模型计算功能实现方法,建立BIM模型与计算模型间的映射关系,来解决这一难题。考虑岩土BIM模型和有限元模型的特点,根据等效刚度法,研究计算驱动的岩土工程BIM模型的概化方法。针对岩土BIM模型的数值计算功能需求,聚焦计算网格剖分环节,基于开源TetGen程序,对BIM模型进行四面体剖分,发展面向数值计算的BIM模型网格剖分技术。进一步,建立四面体网格模型与计算模型的信息一一映射关系,实现BIM软件与岩土工程通用数值分析软件之间的数据转换和信息交换,打通了复杂岩土BIM模型向计算模型转换的关键环节。最后,通过两个工程实例验证所提出的岩土BIM模型计算功能实现方法的可行性与有效性。     

降雨条件下边坡地下水运动规律

为了研究降雨对边坡渗流场孔隙水压力分布的影响,根据岩土饱和-非饱和渗流理论,利用SEEP渗流有限元程序计算给定降雨条件下孔隙水压力的分布,结合一个土坡算例,探求降雨强度、降雨持时以及土壤渗透系数等参数变化对渗流场的影响。通过记录坡肩处孔隙水压力变化,得到不同降雨类型下雨水入渗深度的规律;并记录下坡体内孔隙水压力随时间的变化规律,得到持续降雨条件下不同时刻坡体内孔隙水压力分布特点,可以为边坡的稳定性分析和滑坡预测提供依据。     

无纺土工织物过滤黏性土的长期渗透试验研究

为研究无纺土工织物过滤黏性土在长期渗流条件下的反滤特性,采用不同单位面积质量(克重)的无纺土工织物和淤泥质粉质黏土,通过长期渗透试验,测量了土-无纺土工织物体系渗透系数随时间的变化过程,分析了渗透系数随时间的变化规律,探讨了土工织物滤层的反滤特性,并结合已有的无纺土工织物渗透系数的计算公式,提出了计算过滤后无纺土工织物渗透系数的等效孔隙率法．结果表明：土-无纺土工织物体系渗透系数随着渗透时间持续减小并趋于稳定,与时间之间符合幂函数关系;无纺土工织物滤层的透水性用渗透系数来表征,其被土粒堵塞后的孔隙率决定了渗透系数的大小;基于等效孔隙率的简化方法,计算过滤后无纺土工织物的渗透系数下降了一个数量级,但仍满足反滤准则中的透水性要求;建立的渗透系数随时间变化的幂函数关系式可以较好地反映无纺土工织物滤层的堵塞情况和透水性．     

上海冻融淤泥质软黏土孔隙结构特征分形研究

对上海第④土层淤泥质软黏土进行了冻融试验、压汞试验和渗透性试验,并结合分形理论,确定了冻融对土壤孔隙结构的影响.根据分形计算,将上海软黏土中的孔隙分为3类.结果表明,在冻融过程中,中孔和大孔的总分形维数和表面分形维数随渗透系数的增加而增大.最后,提出了由小孔隙和中、大孔隙组成的渗透系数与孔隙结构参数之间的关系,小孔隙的渗透系数比中、大孔隙低几个数量级.     

从郎之万方程出发建立多孔介质微观模型

岩土类多孔介质宏观物理力学性质是岩土工程界关注的焦点,其关键是岩土类多孔介质本身的复杂的微观结构。综述了当前多孔介质建模的研究现状,简要分析了各种模型建立方法的优势和劣势。针对多孔介质建模的复杂性,从随机动力学相分离过程的朗之万方程出发,将多孔介质的形成过程看作是固相粒子和孔隙相粒子相互作用演化的结果,建立了构造随机多孔介质的微观生长模型。通过不断向空间播撒固相粒子和孔隙相粒子控制多孔介质的演化过程,同时计算了不同参数条件下演化过程中多孔介质孔隙率、欧拉数以及分形维数的变化趋势。由于考虑了固体相和空隙相粒子之间的相互作用力,本模型生成的多孔介质与自然界真实的多孔介质更为接近,存在连通和不连通的孔隙结构,孔道迂回曲折。通过与真实样品的微观结构的比对,验证了本模型的实用性,可行性。     

泥质类膨胀软岩巷道注浆强化防水控制研究

为研究软岩巷道的防水控制技术及理论,设计了泥质类膨胀软岩在初压、加载体积不变和初压注浆强化三种不同状态下的孔隙比与渗透系数关系实验装置,对膨胀性软岩在三种状态的渗水过程进行了试验研究,得出了三种不同类型的孔隙比与渗透系数关系试验结论;根据巷道突水机理和岩土有效应力作用原理,分析研究了注浆过程中有效应力增加和孔隙水压力减少的防水控制机理,为软岩巷道注浆强化防水提供了实验参数和理论根据.工业性试验和实测结果表明,膨胀性软岩巷道注浆和围岩强化控制技术防水效果显著,施工方便,具有广阔的推广应用前景.     

颗粒直径与形状对砂土渗透性的影响研究

为研究颗粒直径与形状对砂土渗透性的影响,以玻璃珠和石英砂作为研究对象,通过核磁共振仪和变水头渗透仪分别开展试样孔隙特征试验和渗透系数测试.石英砂粒径采用平均粒径和孔隙等效半径表征,利用横向弛豫时间T2建立孔隙等效半径与渗透系数之间的联系,进一步地探究横向弛豫时间T2与渗透系数的函数关系,并与规则玻璃珠的试验数据进行对比...     

混凝土初始损伤细观结构特性数值试验研究

细观结构特性是混凝土材料最重要的特性之一,细观结构参数的改变直接影响混凝土弹性模量、抗拉抗压强度等宏观力学性能变化.首先采用混凝土随机骨料模型进行混凝土细观数值试验,将混凝土看成由骨料、水泥砂浆以及两者之间的界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料,并在水泥砂浆中引入不同孔径、孔隙率的孔隙,使用有限元分析软件MSC.Marc,通过数值试验研究了孔径、孔隙率对混凝土抗拉抗压强度和弹性模量的影响规律.试验结果表明:混凝土弹性模量在同一孔径下随着孔隙率的增长呈线性下降,在同一孔隙率下随着孔径增大呈对数下降;混凝土抗拉抗压强度随着孔隙率和孔径增大呈对数下降.其次,将数值试验结果与经验公式进行了对比,验证数值试验结果的正确性.最后,根据数值试验结果,建立了混凝土初始损伤与孔隙率和孔径之间的关系,描绘了细观尺寸下混凝土的初始损伤面,为建立混凝土细观结构参数和宏观力学特性之间的联系,改善混凝土的力学性质打下了基础.     

考虑内部缺陷的FRP拉索力学行为仿真分析

通过扫描电子显微镜观测了纤维增强树脂基复合材料(FRP)拉索的内部原始缺陷形态与结构,基于Python-ABAQUS建立了含孔洞缺陷的微观模型来分析拉索的多尺度力学行为.结果 表明:孔隙率与孔洞长径比是影响纤维丝等效弹性模量的主要因素,在相同孔隙率和孔洞体积下,等效弹性模量随孔洞横截面积减小而增大.由于孔洞分布位置的随机性,数值模拟得到的纤维丝等效弹性模量比Mori-Tanaka理论计算值偏高.当纤维丝内部的孔洞的长径比小于1时,孔洞分布位置对等效弹性模量的影响最大.基于纤维束的随机破坏本构关系,采用用户自定义子程序建立了宏观尺度拉索和单筋的多尺度有限元模型,探究了微观和细观尺度的缺陷对宏观性能的影响.最后,采用不同Weibull参数与含内部缺陷的纤维束力学参数,发现FRP单筋和拉索模型的仿真结果与试验结果比较相符.