用准真实沙堆模型的自组织临界特性研究流域水华暴发行为

在引入多象限、优先级和表观摩擦系数等概念的基础上,重构了更具物理意义和更能反映自组织临界性的棱锥形准真实沙堆模型.通过大量仿真计算,研究了颗粒投放区域相对大小对沙堆自组织临界特性的影响规律,并借助内能、结构熵和自由能的概念,对沙堆系统进行了热力学分析.数值计算显示,沙堆模型的自组织临界特性与富营养污染流域暴发水华时的某些复杂非线性关系(例如藻类数量与pH值的关系,水库输出的氮磷物质的量之比与光合固碳消耗营养盐的速率系数的关系)和热力学规律(流域系统熵的变化)具有一致性.结果表明:沙堆模型的自组织临界性与实际流域中水华暴发现象之间存在很强的关联,因而自组织临界性理论有可能为研究水华暴发提供一种新方法.     

基于RS的艾比湖周边灌丛沙堆分布格局的研究

艾比湖周边广泛分布着湖滨沙地化生物与风力作用下形成的灌丛沙堆。灌丛沙堆被吹扬继而沙堆与流沙相间分布是土地沙漠化过程的重要环节,灌丛沙堆在半干旱草原和稀树草原的沙漠化过程中扮演了重要的角色。沙漠化过程实际上就是沙漠灌丛大范围取代草原的过程。本文尝试以点线面调查相结合的方法,对艾比湖周边典型样方内灌丛沙堆的形态特征、植物生态学特征进行了实测和采样分析,以SuperMap为工作平台,对艾比湖的高分辨率遥感影像进行目视解译,结合研究区相关资料以及已有相关实验结果对艾比湖周边灌丛沙堆空间分布格局形成的原因进行分析。为今后的监测工作提供基础数据,并为以后的研究工作提供新的技术手段和方法。     

地震强度递增沙堆模型响应机制的研究

针对汶川地震Ⅹ度和Ⅺ度烈度区崩塌滑坡面积与累计频率统计关系呈现不同分布规律的现象,开展了地震峰值加速度从0.075~0.450g的6组振动台沙堆模型实验.实验重现了随振动强度增加,落沙量与累计频率从幂律分布-对数正态分布-正态分布依次转变的现象.数学分析表明,变异系数的减小,是这3种概型依次转变的原因.根据实验观察,随扰动递增沙堆表面颗粒行为呈现不同响应模式:微振动时颗粒活动性消失的概率与活动性分叉的概率在总体上平衡,当颗粒间近邻的相互作用导致连锁反应时才能发生大规模落沙事件,具有最大的不确定性.强振动时大部分颗粒就能独立启动,大规模落沙成为必然事件.据此提出,落沙规模由自组织控制的颗粒链式反应过程,向外力控制的颗粒独立下落过程的转化是导致变异系数减小的物理机制.根据以上认识,随地震烈度增加,汶川地震触发的崩塌滑坡规模与累计频率依次服从幂律分布-对数正态分布的现象,可能是具有普适性意义的规律.     

塔克拉玛干别里库姆沙漠胡杨沙堆流场风洞模拟

利用全站仪及RTK对胡杨沙堆进行三维形态实测采样,以实测数据为基础,制作胡杨沙堆实验模型。在风洞中用3组不同风速(6、10、14m/s)对胡杨沙堆模型进行纯气流流场的模拟实验,结合研究区胡杨沙堆表层沉积物样品粒度分布特征,印证流场风洞模拟的准确度,并分别测定在5组不同风速(6、8、10、12、14m/s)下胡杨沙堆后100cm处的输沙率。结果表明:气流在胡杨沙堆迎风坡强度较大,沿着沙堆迎风坡加速爬升;至沙堆背风侧,气流强度明显减弱,一部分气流方向发生逆转形成强涡流区,最终在沙堆后方气流强度逐渐恢复;胡杨沙堆流场变化特征与沙堆表层沉积物平均粒径的分布特征相吻合;胡杨沙堆后方,输沙率随高度的增加呈指数函数迅速降低,风蚀输沙量为无植被时的78%,输沙量较平沙地明显减少。     

颗粒系统的广义势函数及自组织临界指数

为了描述颗粒系统的稳定性及自组织临界相变特点,建立了一个d维的耗散沙堆模型.根据颗粒系统在组织临界点的特点,在考虑了涨落的情况下,利用广义朗兹万方程建立了描述这个沙堆模型的方程,通过分析和推导得到了表征系统稳定特征的广义势函数,与前人得出的广义势函数一般形式作对比,得出了颗粒系统自组织临界指数.得到的结论为人们研究许多自然现象和灾害提供了重要的依据.     

两相流管道中颗粒悬浮速度理论公式及其实验验证

本文根据流体力学与两相流的有关理论与实验观察,提出了两相流管道中固体颗粒悬浮理论。认为两相流管道中固体颗粒除受通常所谓浮重及流体平均速度作用的轴向动力外,还受流体的脉速径向、轴向作用力及涡旋径向升力。在此基础上根据颗粒受力平衡条件,导出了流体三个阻力区的任意倾角管道颗粒悬浮速度理论计算公式。尔后在气固两相流悬浮速度实验台上,对理论公式进行了初步实验验证。验证的几种物科颗粒的悬浮速度实验数据比较接近理论公式计算结果。本文最后并提出了对理论公式的分析意见。     

柴达木盆地不同沉积区灌丛沙堆形态与沉积特征

柴达木盆地是我国风沙活动强烈地区.本文选择柴达木盆地灌丛沙堆,通过典型样方调查和剖面采样分析,从形态特征及剖面CaCO_3、有机质、粒度等差异对柴达木盆地灌丛沙堆发育背景进行探讨.结果表明:灌丛沙堆的长、宽、高等形态参数之间均呈现较好的相关性,高度与水平尺度、侧影面积与体积的拟合曲线及野外观测显示,湖滨地区灌丛沙堆处于增长阶段,洪积扇灌丛沙堆处于稳定阶段,绿洲边缘的坡洪积堆积区灌丛沙堆处于衰亡阶段;宗家镇和下西台灌丛沙堆沉积以细砂为主,局部存在突变现象;灌丛沙堆中CaCO_3含量与有机质含量相关性较大,CaCO_3含量高值和低值可能比有机质相应值深20~35cm,表明CaCO_3可能主要是由地下水和淋溶共同作用的结果.     

狭叶锦鸡儿和小叶锦鸡儿灌丛沙堆的形态和发育及灌丛固沙能力的比较研究

测定了内蒙古高原荒漠草原区狭叶锦鸡儿（Caraganastenophylla）和小叶锦鸡儿（C．microphylla）不同大小灌丛的灌丛形态参数、沙堆形态参数和沙堆体积,目的是掌握这些锦鸡儿属植物灌丛的沙堆形态特征、沙堆发育特征和固沙能力随着灌丛发育的变化,比较这2种锦鸡儿属植物灌丛沙堆的形态、发育特征和固沙能力的差异．研究发现：狭叶锦鸡儿和小叶锦鸡儿沙堆都为圆锥状,灌丛和沙堆形态均无显著差异．狭叶锦鸡儿和小叶锦鸡儿的沙堆底面积、沙堆高度、沙堆体积和固沙效率均与地上枝条鲜重呈现显著线性正相关关系．在灌丛较小的时候,狭叶锦鸡儿固定沙堆底面积、高度、体积和固沙效率大于小叶锦鸡儿,当灌丛扩展到一定阶段时,小叶锦鸡儿大于狭叶锦鸡儿．狭叶锦鸡儿和小叶锦鸡儿灌丛高度和沙堆高度分别随其灌丛半径和沙堆半径的增大呈现对数曲线增大;灌丛和沙堆水平方向的扩展速度大于垂向生长速度;小叶锦鸡儿灌丛高度的扩展快于狭叶锦鸡儿,但沙堆高度发育比狭叶锦鸡儿慢．狭叶锦鸡儿和小叶锦鸡儿的沙堆半径与灌丛半径,沙堆高度与灌丛高度均呈现显著线性正相关关系．小叶锦鸡儿固定沙堆体积和固沙效率均大于狭叶锦鸡儿,但未达到显著水平．这些研究结果表明,锦鸡儿属植物灌丛形态决定沙堆形态,灌丛发育决定沙堆发育,灌丛地上生物量和灌丛生长形态决定沙堆体积和植物固沙能力．     

驱动机制改变对沙堆模型行为特性的影响

慢驱动机制是自组织临界系统(SOC)的基本条件之一,若仅当驱动机制发生改变时,系统的行为特性会呈现何种变化,尚未有人研究.针对这一问题开展了快驱动机制的沙堆模型实验,通过快速倾斜沙堆底板的方式使沙堆从欠临界角快速到达临界角.实验表明,沙堆坡度保持在临界角附近时,落沙量服从幂律分布;随着沙堆坡度逐渐偏离临界角度,落沙量的统计特性将经历对数正态分布-正态分布的转变,不再呈现SOC特性.汶川实震诱发断裂带上盘的崩塌滑坡原型问题是驱动机制改变在自然界中的体现(其隆升速度与滑坡速度之间不存在巨大的时间标度分离).在对汶川地震断裂带上、下盘地区1.5km内的崩塌滑坡规模面积统计分析发现,上盘灾害服从对数正态分布,而下盘不服从对数正态分布.据此,推断汶川地震靠近断裂带上盘附近的崩塌滑坡呈现对数正态分布的规律可能是具普适性意义的现象.     

吉兰泰荒漠绿洲过渡带不同生境下白刺灌丛沙堆形态特征与影响机制

【目的】白刺(Nitraria tangutorum)灌丛沙堆是吉兰泰荒漠绿洲过渡带第一道生态防线，其形成与演化对绿洲防风固沙具有重要意义。定量分析不同沙地类型上白刺灌丛和沙堆形态参数的差异性，有助于探明沙地类型对白刺灌丛沙堆演化的影响。【方法】以不同流动沙地、半固定沙地和固定沙地等3种沙地类型白刺灌丛沙堆为研究对象，运用典型样方法对白刺灌丛沙堆形态与生长状况进行系统测定。【结果】(1)白刺灌丛沙堆的形态以椭圆形为主，半固定沙地、固定沙地白刺灌丛沙堆长轴(L)、短轴(W)、沙堆高(H)、水平尺度(D)、底面积(A)和体积(V)显著高于流动沙地(P<0.05)。(2)3种沙地类型白刺灌丛沙堆L与W呈一元线性关系，而白刺灌丛沙堆D与H、A与H、V与H和A与V均呈二次函数关系。(3)半固定沙地和固定沙地白刺灌丛沙堆植被盖度(C)、灌丛高度(h)和枝系密度(M)显著高于流动沙地(P<0.05),植被盖度比流动沙地分别增加62.35%和51.08%(P<0.05),灌丛高度分别增加35.84%和38.51%(P<0.05),枝系密度分别增加61.58%和72.77%(P&...     

碎石桩内部的拱效应分析

基于颗粒介质堆中应力传递的试验研究，模拟碎石材料桩的压缩变形过程，分析了在轴向静力荷载作用下，碎石桩内部材料中的应力分布、位移形式、颗料介质微观变化对宏观力学响应的影响、桩周土对桩体材料的作用及桩体材料拱效应的影响范围，进而研究抑制拱效应、提高桩体承载力的问题．研究结果表明，利用微结构可以解释散体介质的许多特性，解释散体材料桩破坏的内在机理．     

桩土荷载分担比量化的概率模型

运用随机理论,基于二维模拟实验,对刚性桩复合地基褥垫层材料中应力场的分布规律进行了细观研究。结果表明:桩体刺入时,褥垫层在不断的自组织搭拱中产生了一个应力转移的过程;垫层的刚度、材料各向异性的程度与桩土应力比成正比,来源于搭散粒拱、应力的横向转移,力链伸向桩体。探讨了一个简化的量化荷载分担比的概率模型,为更好地研究刚性桩复合地基的可预测性以及其它多种材料组合系统结构的预报研究提供了参考和借鉴。     

粉质黏土中包裹式散体材料桩复合地基承载特性

为探究包裹式散体材料桩在粉质粘土地基中的应用和包裹式散体材料桩复合地基的承载特性。本文根据实际路基工程的特点,采用室内模型静载试验方法,研究了粉质粘土中包裹式散体材料桩复合地基的承载特性、应力传递规律和孔隙水压力变化规律,试验结果表明:包裹式散体材料桩复合地基的承载能力和变形特征主要受包裹的长度和包裹材料的强度的影响。随着包裹材料的强度的提高,包裹式散体材料桩复合地基的承载能力也随之增加;包裹式散体材料桩复合地基的超静孔隙水压力随散体材料桩的包裹材料的强度和包裹长度的增大而减小,不同加固形式下复合地基的超静孔隙水压力随着应力的增加而非线性增长,加载初期,增长较快,随着加载地进行,后期的增长变缓,并会趋于稳定;最后根据现行的建筑地基设计规范和已有包裹式散体材料桩复合地基的设计方法的研究资料,对粉质土包裹式散体材料桩复合地基的设计计算方法进行了总结归纳,并与试验结果进行了对比,计算结果与试验结果较为一致。     

考虑鼓胀变形的散体材料桩复合地基沉降计算

针对竖向荷载作用下靠近桩顶一定深度的范围内,桩体不仅会发生竖向压缩变形且会发生侧向鼓胀变形特性,基于荷载传递法,导出了竖向荷载作用下散体材料桩复合地基中的某根单桩的桩身压缩量计算公式,进而得到新的散体材料桩复合地基沉降计算公式.分析时,视散体材料桩为弹性均质体,根据广义胡克定律得到其应力应变关系;桩周土提供的侧向约束力为桩侧竖向力引起的侧向土压力,并考虑加筋垫层的侧向约束作用及其沿深度的传递对桩体侧向约束的有利影响.为验证本文方法的可行性,对某一工程实例进行分析,且与其它方法进行比较分析.结果表明:与常规计算方法相比,本文方法从荷载传递规律出发,可考虑鼓胀深度随桩顶竖向荷载的增加逐渐向深处发展的特点,更符合散体材料桩复合地基的实际受力变形状况.     

风积沙散体材料的本构关系

为建立无粘性材料风积沙的本构关系,引入风积沙颗粒接触法向密度分布函数和形状修正系数,得到二维条件下颗粒体的平均应力和微观接触力之间的关系,其中微观接触力与接触位移和刚度张量有关.根据颗粒接触的配位数,计算出风积沙体中颗粒总数,进而得到各向异性和各向同性条件下风积沙的本构关系及相应的体积模量和杨氏模量.     

考虑土体初始应力下的散体桩承载力研究

基于Vesic柱孔扩张理论,推导出考虑土体在初始应力状态下的散体桩单桩极限承载力的计算公式,并分析了散体桩挤土塑性区半径的主要影响因素．同时结合工程实例,比较分析了现场试验与理论计算的桩承载力结果,结果表明,考虑土体初始应力状态下的散体桩极限承载力的计算结果与实际相比误差较小,可在实际工程中参考应用．     

饱和砂土液化过程中细观组构的模型试验研究

采用室内振动台模型试验对液化过程中饱和砂土颗粒的细观组构进行研究.分析了砂土颗粒在液化破坏过程中颗粒长轴方向、平均配位数、孔隙率的演化规律及其与宏观现象之间的联系.应用表征上述量的组构参数分析了砂土的诱发各向异性,指出在循环荷载的作用下,砂土颗粒不断重新排列定向以适应新的应力状态,导致累积配位数的丧失、孔隙率增大,继而导致液化的发生.研究成果对于揭示砂土变形(液化)的细观机理以及建立砂土的细观力学模型都具有重要意义.     

基于YOLOv3及迁移学习的河道船舶目标检测算法

为加强对河道监控视频图像中散体物料采运船舶的监测和跟踪，从而辅助实现智能、高效的河道采砂监管和散体物料调度，基于You Only Look Once version 3（YOLOv3）算法及迁移学习提出一种河道散体物料船舶目标检测算法。首先使用COCO数据集训练初始的YOLOv3算法，得到模型的预训练权重；然后对从广西重要河道周围监控设备采集的采砂运砂船舶影像数据进行图像处理，得到高质量船舶数据集；最后以此数据集为驱动，利用迁移学习得到的预训练权重来训练针对河道采砂船等重点目标的YOLOv3检测模型。该模型采用Darknet-53作为主干网络，并融合了多尺度的特征图，从而实现对小、中、大等各类目标的检测。实验结果表明：该算法在测试集上的平均精度和检测速度分别达到98.00%和17.78 fps，对提高河道采砂监管效能和实现散体物料智能调度具有现实意义。