石灰改良土的土水特征曲线及其冻结特征曲线∗

土水特征曲线反映了非饱和土的持水特性,与土体的水力特性及力学特性密切相关。土的冻结特征曲线表示土体中液态水的势能与含水率之间的关系,也可以用来描述土体的持水特性。以黄土为研究对象,利用低温恒温冷浴结合核磁共振系统(NMR)测得未处理黄土以及石灰改良土的冻结特征曲线,根据冻结温度降低法计算得出试验土样0 ℃时对应的土水特征曲线。另外,采用滤纸法在0 ℃附近得到实测的土水特征曲线,将这两结果进行对比分析,并讨论了抽真空饱和过程对土样的土水特征曲线的影响。通过滤纸法测得的土水特征曲线与非饱和土样的冻结特征曲线具有较好的一致性,两者之间存在差异很小。土样在饱和状态下利用冻结温度降低法得到的孔隙水总势能ψ与质量含水率ω关系曲线位于非饱和土样结果的下方,这可能是因为饱和土样在冻结过程中会发生冻胀现象,土样结构被破坏,孔隙增大,土样持水性能下降。     

自适应时间步长法在土体冻结水热耦合模型中的应用

由于相变的存在,土体冻结过程中的温度传导与水分迁移是一个复杂的物理过程。为了更好地描述冻结过程中水分与温度的变化规律,通过对不饱和土体水分传导方程的研究,考虑冻结过程中的相变,建立了一维冻土水热耦合模型。给出了相应的差分与有限元程序,并对室内冻结实验进行了模拟。提出误差因子的概念,通过对程序计算中时间步长与计算用时、误差关系的分析,论证了进行时间步长优化的必要性。在两种不同数值方法的对比中,体现了有限元计算的稳定性。提出了调整后的自适应时间步长计算方法。计算结果表明,优化时间步的自适应步长法,在不影响模型计算准确度的前提下,可以大幅减少计算用时,提高计算效率。     

多年冻土隧道围岩冻融圈回冻和融沉演化规律研究

以共和至玉树公路的姜路岭公路隧道为依托,开展隧道不同冻土段围岩冻融圈的演化规律及各因素对隧道不同冻土段围岩冻融圈的影响规律研究。结果表明:工况不变,随时间持续,冻融圈深度随之增大;围岩开挖后喷射混凝土支护,延迟1 d施作,则冻融圈深度增大约10 cm。喷射混凝土施作越迟,围岩的的冻融圈深度越大。在隧道运营期间,隧道非冻土段的围岩在外界气温荷载作用下将冻结,且冻结深度随着年份增加而增大,100年后可达26 m。     

地基液化导致沉箱码头破坏及地基加固方法的非线性数值分析

地震作用引发的地基液化,往往导致沉箱基础的破坏。本文基于Biot两相饱和多孔介质动力耦合理论,采用FE-FD耦合数值分析方法,对液化海床沉箱基础的地震反应进行非线性有效应力分析。在数值分析过程中,建立了以土骨架位移和超静孔隙水压力表达的us-pw动力固结方程和循环弹塑性本构模型,该方法能够很好地模拟地震作用下沉箱码头的动力特性及液化破坏的影响。通过数值模拟计算,分析了采用碎石桩进行置换砂区域的防液化加固方法,并就碎石桩处理区域的选择提出了建议。     

重金属污染物在非均质储层中运移的环境预测模型

根据多孔介质溶质运移理论,建立了煤矸石中淋溶重金属在非均质多孔介质中运移的数学模型,并以淋溶元素Hg为例,采用所建立的数学模型模拟其在非均质多孔介质中的运移过程,预测了污染物的浓度分布范围和发展趋势。模拟结果表明:随着时间的延长,重金属Hg在地下环境中污染的范围逐渐扩大,而在低渗区浓度等值线发生曲折,浓度增长变缓慢。所建立的数值模型可为固体废物场址的选择以及污染的控制提供决策依据。     

寒区工程冻害防治对策探讨

工程冻害主要表现为;基土在冻融过程中.结构物或基础的各种冻胀及融沉破坏;江河水库等的冻结冰盖板对建筑物的静冰推力及动压力作用;工程材料的冻融损伤破坏。而冻害的实质是冻土(或冰)与结构物之间相互作用和相互适应的问题.本文从工程冻害防治的角度出发,分别对抗冻胀设计,冻害预测预报和防治措施优化等几方面,进行了初步分析与探讨.     

饱和土在单向冻结过程中的水-热-力耦合分析

给出了一多物理场模型来模拟饱和正冻土的水-热-力耦合过程。冻土区采用的是非线性弹性本构模型,而未冻区采用修正的剑桥模型。在这一数学模型中,克拉伯龙方程用于描述水和冰在相变时满足的平衡条件,并通过修正孔隙比来描述与温度有关的传导系数,由此描述未冻水的迁移。假定单元中土颗粒的长度不变且沿土柱冰晶从低温向高温有序生成,由此考虑水相变成冰的相对体积变化。以土颗粒的长度为分析目标来考虑冻胀过程中的较大变形。对于给定的边界条件,采用COMSOL软件对耦合的非线性偏微分方程进行求解。结果表明,这一方模型可以较好的模拟饱和土在冻结过程中的水-热-力耦合特征。     

一致激励条件下非线性工程场地地震动相干函数分析

在地震动过程中,土介质中的剪切波速往往出现显著的降低现象,体现出强烈的非线性性质。本文将随机振动的虚拟激励原理、土非线性分析的等效线性化方法与工程波动理论散射问题的求解方法相结合,建立了开放系统中一致激励条件下考虑岩土介质非线性的工程场地地震动随机场数值模拟方法。该方法将随机输入下的波动分析问题转换为虚拟激励下的确定性波动分析问题,非线性土体峰值剪应变的统计特征可通过剪应变均方差和峰值因子获得。结合具体算例及M on te—C arlo模拟方法对所提出方法的合理性进行了验证,在此基础上应用该方法对一致激励下实际工程场地的地震动相干性进行分析,结果表明场地的局部条件对地震动相干性有重要影响。     

考虑惯性耦合的两相介质动力反应显式数值计算方法∗

基于包含惯性耦合（耦合质量密度系数）的 u?p 形式饱和两相介质弹性波动方程,开展了对饱和两相介质近场波动问题时域全显式数值计算方法的研究。通过对波动方程中的质量集中矩阵和流体压缩矩阵对角化处理,消除了方程中的动力耦联的影响。分别应用中心差分法和 Newmark 常平均加速度法求解固相位移和固相速度,基于向后差分法求解孔隙流体压力,建立了考虑惯性耦合的饱和两相介质的时域显式数值计算方法。将该方法的数值解与相应的解析解进行对比,二者符合良好,验证了该方法的正确性。将该方法应用于饱和两相介质自由场的地震反应问题,研究了惯性耦合对两相介质动力反应的影响。基于本文研究的两种情况表明,惯性耦合对饱和两相介质动力反应的影响程度有限。     

复合填料一维冻胀量数值模拟分析

复合填料是以废铸砂、粉煤灰、聚苯乙烯颗粒(EPS)、水泥和水为原料,拌合后形成的一种轻质填筑材料。其中,EPS颗粒含量适当时,能减少或消除复合填料的冻胀和融沉,可作为季节性冻土区的路基填料。假设复合填料中除EPS颗粒外的骨料颗粒、孔隙冰为刚性介质,同时考虑EPS颗粒变形和填料孔隙变形对复合填料冻结过程的影响,在已有的冻土水热耦合分离冰模型的基础上,得到考虑EPS颗粒变形影响的饱和填料一维冻结水热耦合控制方程,进而预测填料的冻胀量。与室内模型试验结果对比表明,本文模型可用于该种具有弹性颗粒复合填料的冻胀量模拟,为工程中冻胀量预测提供依据。