基于高密度电法的天然边坡水分运移规律研究

地下水是滑坡变形与失稳的重要影响因子,目前关于天然边坡水分运移过程的研究多借助传感器监测或数值模拟,但尚不能充分满足无扰、快捷的测量要求。针对该类问题,以天然边坡为研究对象,利用高密度电法结合时域反射技术,通过测量边坡土体含水率与电阻率,构建两者的对应关系,据此反演并分析边坡介质地下水的分布特征及迁移规律,验证高密度电法技术在探究天然边坡水分运移规律的有效性。现场试验结果显示:研究边坡土体含水率与电阻率呈明显对数关系;该边坡有效入渗或蒸发深度为2 m,大于该深度范围内,边坡土体含水率随深度增加逐渐减小;中雨强度下埋深为1.3~2.0 m范围内土体含水率激增的主要原因在于后缘裂缝的优势流补给;边坡高含水率(低电阻区)与低含水率(高电阻区)过渡区与后期滑坡滑动面位置高度吻合。     

兰州地区黄土水平冻胀力分析

为研究不同含水率黄土在一维冻结融化过程中温度场和水平冻胀力的变化特征规律,选取兰州地区黄土进行了封闭系统下的一维冻结融化试验。研究结果表明:土体的降温过程分为四个阶段,降温冻结初期各深度土体的温度下降速率较快;土体温度下降到0.4 ℃时降温曲线出现转折点,土层各深度降温速曲线出现近乎平行于横坐标的平稳段;冻结后期各深度土体的温度下降速率较慢。最大水平冻胀力沿着土体深度先是稳定变化较为小,然后增大到最大值最后减小。水平冻胀力最大值随含水率有很明显的变化,含水率越高水平冻胀力越大,而其他值的大小受含水率的影响较小,水平冻胀力最大值出现在相对深度0.6～0.8处。     

鄂西恩施地区非饱和土降雨入渗规律

在分析鄂西恩施地区降雨特征的基础上,选取6组典型降雨条件,设计并进行了室内人工降雨土柱非饱和入渗试验。通过实测土体体积含水率,揭示了鄂西恩施地区非饱和土降雨入渗规律,获得了降雨入渗影响区体积含水率变化规律、入渗前锋运移规律以及降雨强度和历时对入渗的影响规律。通过GeoStudio软件对室内降雨试验进行了数值模拟,数值模拟结果与试验结果基本相同,进一步验证了降雨入渗规律。同时依据实测结果,分析了数值模拟的不足之处,为通过数值模拟方法研究非饱和土降雨入渗奠定了基础。     

基于分布式光纤应变传感技术的隧道沉降监测研究

隧道沉降是评估隧道结构安全性和稳定性的重要指标,通过分布式光纤监测技术,可以获得被测部位的应变分布情况,但不能直观地反映出隧道各个部位的沉降量大小。提出了基于分布式光纤应变的隧道沉降反演模型,将光纤应变曲线和隧道沉降曲线联系起来,并通过理论推导、数值模拟、室内试验,验证了模型的可行性。通过北京轨道交通新机场线07标暗挖区间分布式光纤监测项目,对隧道临时支护的破除阶段进行了监测,获得了不同工况下隧道拱顶处的应变曲线,并借助提出的隧道沉降反演模型,对隧道拱顶沉降进行了计算,计算结果和现场实测结果能够较好的吻合,其误差可以满足工程需要。研究结果可以为分布式光纤传感技术应用于隧道沉降监测提供理论与试验基础。     

数值模拟方法验证光透法监测流体饱和度的有效性:以非均质孔隙介质中的水/气两相流为例

光透法作为一种安全经济的非侵入监测方法广泛应用于室内砂箱多相流实验中,但该方法在局部空间点上结果的可 靠性尚缺乏验证。鉴于当前难以采用实验手段直接进行局部监测点取样验证光透法结果,本文以非均质孔隙介质中的水/气 两相流为例,基于砂箱实验开展了数值模拟研究以进行论证。研究表明：（1） 模拟结果中气体在非均质含水层中的迁移规 律、展布形态和饱和度分布总体上再现了光透法的测量结果。（2） 数值模拟和光透法得到的6个局部点饱和度数据在各时 刻均拟合较好。同时选取12个时刻共5316个监测点的饱和度数据进行分析,其决定系数达0.94,这表明模拟结果从统计 角度较好地验证了光透法在局部点监测上的有效性,两者间的差异主要由人工填砂导致的介质“不均匀”引起。（3） 气体 总量方面,实测排水值、模拟结果与光透法计算结果均拟合较好。因此数值模拟结果系统地验证了光透法监测流体饱和度 的有效性。     

磁西矿超深井筒原岩地应力研究

介绍了磁西超千米井筒设计和地质条件,展示了井壁受力的实测方案以及依据包神解析公式进行地层原岩应力反演计算的原理。实测结果反演得到了井筒1 208 m深处的水平应力平均估值以及不均匀分布情况,水平应力与垂直应力之比符合自重应力场的规律,侧压力系数估值约为0.256~0.278之间。通过有限元数值模拟,图形化展示了井筒地应力分布,验证了实测反演数据的合理性,同时也反映了岩层剪切模量和构造等地质条件对水平应力不均匀分布的影响规律。结合对该矿区宏观地质构造运动演化和地质力学的定性分析原理,综合地分析了实测结果、解析反演和数值计算之间的一致性,对水平原岩应力Hoek & Brown统计规律的普适性提出了质疑,讨论了现有原岩应力解析计算方法,为采用包神公式进行井壁设计供了参考。     

电阻率法监测地下地质变化的数值模拟

通过有限元数值模拟方法,研究了电阻率法监测地下地质变化的可行性,提出了基于多期次观测的地下电阻率监测方法,应用二维电阻率正、反演程序对模型进行了数值模拟。结果表明,电阻率相对变化率可以较好地指示电阻率变化的区域和位置。高精度、大数据量的地电阻率观测,以及基于2D或3D的电阻率正、反演计算使得应用电阻率法监测地下地质变化成为可能。     

基于数据融合的边坡临滑状态确定方法

安全监测及数值模拟是评估边坡稳定性状态的两种重要手段,但是,如何根据监测信息及数值模拟成果确定边坡的临界失稳状态一直是边坡工程领域关注的重点问题。首先基于层次聚类方法计算边坡不同类型状态变量监测点的欧式距离,根据距离大小筛选出边坡的有效监测点;然后,计算同种类型状态变量有效监测点的熵权值,采用熵权融合方法对有效监测点进行数据层融合,得到不同类型状态变量对应的融合监测指标曲线;其次,采用主成分分析法对多种数据层融合监测指标曲线进行特征层融合,得到可反映全部状态变量信息特征的综合监测信息曲线,进而构建了边坡渐进失稳过程中不同监测变量的信息挖掘融合框架;最后,提出了一种缓变曲线的变点搜索方法,采用该方法对综合监测信息曲线开展变点分析,搜索边坡状态渐进演化的突变点（即边坡临滑状态点）。将所提出的方法应用到某公路边坡临界失稳状态的确定中,结果表明,单个监测点或单个融合指标的累积值、变化速率作为边坡失稳判据存在不唯一性,融合多种监测数据建立的综合监测信息序列可以较好地反映边坡状态演化特征,可避免单一状态变量的单一监测点数据对边坡状态的误判,验证了所提方法的可行性和适用性。     

电阻率层析成像反演中若干问题的讨论

以双异性点电流源电流场二维地电断面为例，着重讨论了电阻率层析成像反演中有限单元法数值模拟边界条件的选择，网格部分以及模拟精度等问题，同时也讨论了成像反演中最优化反演方法及拟合参数的评价等。文中提出的网格部分方法和选择的边界条件可有效地提高计算速度和数值模拟的精度。     

既有隧道扩建爆破振动数值模拟研究

基于原有隧道改扩建拱顶塌腔段扩建开挖,系统研究了多临空面条件下岩体爆破振动规律。采用完全重启动数值方法和拉格朗日算法分析岩体爆破振动规律,模拟爆破振动对隧道塌腔加固区和既有隧道围岩的影响,并获得了特征点的振动速度和衰减规律。数值模拟的最大振速符合爆破振动安全允许标准的要求,从而验证了爆破设计的可行性,并指导了爆破施工。同时,对隧道塌腔段开挖进行爆破振动监测。通过对比分析现场振动监测数据,数值模拟与现场监测结果吻合。结果表明,采用拉格朗日算法和完全重启动数值模拟方法可以描述隧道多孔毫秒延期爆破破岩和质点振动传播规律。该研究结论对隧道多孔毫秒延时控制爆破工程具有参考和指导意义。     

青藏工程走廊冻融土热扩散系数特性与预测模型研究北大核心CSCD

热扩散系数是多年冻土对外界热扰动敏感程度的重要影响参数之一,也是寒区工程设计与建设的关键基础数据。基于瞬态平面热源法导热系数测试结果和质量加权法计算获取的比热容理论值,计算获得青藏工程走廊西大滩—唐古拉山沿线典型类别土样热扩散系数,分析对比了走廊带内冻融土热扩散系数的分布特征和参数影响规律,提出了基于经验拟合公式法和RBF神经网络方法的冻融土热扩散系数预测模型,并比较了不同预测模型的预测效果。研究结果表明:青藏工程走廊带内土的热扩散系数与粒径整体呈正相关性,融土热扩散系数按黏性土、粉土、全风化岩类、砂土及碎石土依次增大,冻土热扩散系数按黏性土、全风化岩类、粉土、碎石土及砂土依次增大;热扩散系数与容重及天然含水率相关性随土类及冻融状态差异明显,冻、融土热扩散系数呈显著正线性关系;以融土热扩散系数为拟合参数的冻土热扩散系数三元预测模型的预测精度明显高于二元经验公式;RBF神经网络模型在冻、融土热扩散系数预测中均具有最优的预测精度,为最佳预测模型。     

水势理论在四水转化研究中应用时代特征与趋势:纪念ZFP方法引进我国30周年

20世纪80年代零通量面方法在我国应用中解决了"四水"转化研究中参数不确定性带来的问题,发现在降水入渗补给地下水过程中土壤总水势梯度大于1.0cm H2O/cm,且逐渐降低,流入、流出被监测土层的水量相等时土壤总水势梯度趋近于1.0cm H2O/cm。20世纪90年代,利用土壤水势与含水量之间量化关系,指导了农业节水灌溉,提出在灌溉过程中土壤水势梯度等于1.0cm H2O/cm的时间持续愈长,表明过剩灌溉而浪费的水量愈多的认识。进入21世纪以来,水势理论较广泛地用来解决土壤水盐分运移数值模拟与入渗模型中水文地质参数问题和降水入渗土壤水势运移微观机理研究,并发现表聚型、中聚型和底聚型土壤盐分剖面的水动力学特征。通过土壤水动力场调控改变土壤水盐(养分或污染物)运移是未来重要研究方向。     

辽西地区冻风积土水分迁移特征的研究

对辽西地区的风积土进行了冻结过程的水分迁移试验,获得了含水量随温度和时间的变化规律;基于连续介质力学和热力学理论,建立了冻结过程中水分迁移的动力学模型,并采用差分解法进行了数值模拟分析;借助于扫描电镜从微观上研究了冻结过程中试样内部土颗粒的排列变化,从而揭示风积土的水分迁移特征。研究结果表明：时间和温度决定了水分迁移的充分性,温度的变化随深度的增加而具有衰减性,并且在冻结峰面附近形成一个冻结含水量峰值;在靠近顶端的一定深度内,冻结后的含水量并没有持续增加,反而有减小的趋势;通过扫描图像可以看出,土颗粒的重新排列直接反映了水分迁移的状态。     

土壤水分特征曲线在天然气水合物开采数值模拟中的应用探讨

在使用TOUGH+HYDRATE程序进行水合物开采数值模拟时常用van Genuchten模型计算毛管力,而毛管力大小直接影响水合物开采过程中的产气和产水,因此在数值模拟过程中正确选用模型参数尤为必要。我国某海域天然气水合物储层为未胶结泥质粉砂储层,常规的毛管力测定方法如压汞法、离心法等对该类岩心并不适用,如何测定该类岩心的毛管力并将其应用于van Genuchten模型参数选取具有重要意义。本文探讨了如何应用土壤水分特征曲线测定实验间接获取该类岩心的毛管力数据,为验证该方法的可行性,本文对参考文献[7]中公开的粉砂土壤水分特征曲线测定实验数据进行换算和拟合后得到T+H程序所需的van Genuchten模型参数,结果可为泥质粉砂储层水合物产能研究工作提供参考。     

Research on Construction Technology and Formation Deformation of Shield Tunneling Under River

In view of the construction technology and formation deformation of the existing rivers under the subway shield interval tunnel, relying on Zhengzhou rail transit line 17 shield tunnel through the south-north water transfer channel project, using the trial tunneling method of shield tunnel test section to optimize all kinds of construction parameters, and the formation analysis and calculation of the determined digging pressure, noting the final parameters that are determined by comparison between the extractive parameters such as pulp pressure, and they are used in MIDAS GTS/NX finite unit analysis software for numerical simulation analysis, combined with on-site testing, to study the variation of different depth formation subsidence values and horizontal displacement values when passing through the south-north water transfer canal under water conditions, and put forward the reinforcement scheme of shield tunneling through the general river bed and hole. The results show that the maximum subsidence of the trunk canal shield through the bottom is 11.3 mm, and the verification parameters are reasonable and feasible. The horizontal subsidence trough of the soil above the over-soil layer at the top of the main canal embankment is distributed by Gauss. The sinking distribution can be estimated using the Peck formula, the middle of the layer subsidence trough is distributed horizontally, and the soil subsidence trough below it is inverted hump-like distribution, with the peak point directly above the center line of the two tunnels, and the vertical zero horizontal displacement surface is located in the middle line position between the two tunnels, and the horizontal zero horizontal displacement surface is located. The horizontal displacement curve of the soil layer above the soil layer is inverted S-type, the maximum displacement appears at the anti-bending point of the surface sedimentation trough curve, the horizontal displacement curve of the soil layer on the horizontal zero horizontal displacement surface is zero, and the lower soil layer curve is double-inverted S-shaped. In the construction, we should pay attention to the monitoring of the vertical subsidence and horizontal displacement of the deep soil, adjust the shield parameters and reduce the horizontal and vertical shearing effect of the deep soil on the surrounding pipeline, inner pile base and other structures during the construction of the shield.

     

基于电测法的路基土物理性质室内测试方法研究

路基土在长期服役过程中性能会发生衰变,其中含水率及压实度是路基施工时的重要控制指标,因此,土体的含水率控制及压实质量是关系路基性能评价的关键因素。为了弥补现有检测方法的不足,基于四极电测量法研发了一种土体物理参数室内快速测试装置,通过改变含水率对不同压实度土样的电阻率、极化率变化进行了一系列室内试验,得到了其相关关系及变化趋势,分析了含水率、压实度对电参数的影响,提出了依据土含水率、压实度计算电阻率、极化率的计算公式,探讨了测试方法的可行性。结果表明:不同地区土的电阻率均随含水率、压实度增加而减小,极化率随含水率、压实度的增加而增大,不同压实度下,土的电阻率、极化率随含水率变化分别呈现相似指数、对数特征;对于天津王庆坨地区壤土,压实度在84. 47%~94. 41%范围内,含水率从15%变化至20%时,电阻率下降为原来的1/3~1/2倍,极化率增大为原来的1. 4~2. 3倍,得到了室内拟合公式;实际工程中,电阻率法更适用于土体含水率检测,极化率法更适用于土体压实度检测;综合应用电阻率、极化率指标对于路基工程具有较好的勘探前景。研究成果将为路基土的工程性质检测及评价提供理论基础。     

频域反射分析法测定土壤含水率标定试验研究

对滑坡体土壤含水率进行长期和连续的监测,有利于对滑坡体的变形分析和安全预警。为了提高频域反射分析法（FDR法）测量土壤含水率的精度,通过室内标定和现场标定相结合的方式,对使用FDR法测定野外现场滑坡土壤含水率进行了标定。通过对比分析FDR法和烘干法测得的土壤含水率数据,探讨电压信号、含水率、绝对误差和相对误差之间的对应关系,并建立函数模型。试验结果表明:FDR法测定的土壤含水率较烘干法偏高;通过线性、多次曲线及指数形式对试验数据进行拟合和回归分析,最终确定四次曲线作为标定方式,标定后测得的土壤含水率精度明显提高,平均绝对误差可控制在2%以内。该方法可用于类似条件下FDR法测定土壤含水率的标定。     

塑性混凝土防渗墙土反力系数反演

塑性混凝土防渗墙内力分析及变形规律中的土反力系数通常采用原位试验确定,该法复杂的影响因素和对统计经验的依赖,使得测定值的准确度较差。利用相关理论及现场监测信息进行反演研究,能够给出一种相对准确的土反力系数值的研究思路。以某工程在既有塑性混凝土防渗墙上浇筑钢筋混凝土防渗墙加固改造工程为依托,借助钢筋混凝土防渗墙两侧的填土碾压工程监测信息和工程基础中的m法,对塑性防渗墙两侧土反力系数进行反演分析研究。建立塑性混凝土防渗墙土反力系数的解析方程,给出施工对塑性混凝土防渗墙土反力系数的影响规律,以及有效的反演确定方法及思路,为防渗墙内力及变形规律的准确分析奠定基础。     

地下水浅埋条件下越冬期土壤水热迁移的数值模拟

应用土壤冻融过程中水热耦合迁移模型,对内蒙古河套灌区地下水浅埋条件下整个土壤冻融过程进行了模拟,分析了越冬期土壤水热迁移规律．结果表明,快速冻结阶段土壤冻结速度随深度线性减小．冻结过程中某一深度处的含水量增量与冻结速度呈双曲线型相关关系．提出了土壤冻融过程中的特征含水量概念,以描述土壤含水量的动态变化特征．     

非等温条件下道路水分迁移的数值模拟

通过分析季节冻土区的温度分布规律,建立了温度随时间的变化函数.在此基础上,基于连续介质力学和热力学理论,建立了道路水分迁移过程中的水热耦合动力学模型,并对季节性冻土地区的水分迁移现象进行数值模拟分析,初步探讨了在非等温冻结条件下,水热耦合过程中路基填料的含水量和温度随时间和深度变化的关系,计算结果表明,冻结过程中在冻结峰面附近形成一个冻结含水量峰值,且该峰值随着冻结时间的延长而向深度发展,这对于路基路面的综合设计,道路冻害的预报有着重要的理论意义和实际应用价值.但要真正体现道路路基水分迁移的机理,有待于建立水分迁移过程中水、热、动载和渗流耦合模型,这是有待于进一步解决的问题.