高岭土电渗固结特性及数值模拟研究

电渗固结是促进低渗透性软土排水固结的有效方法。为了揭示不同电势梯度影响高岭土电渗固结的基本规律,在自制电渗试验装置上对高岭土进行电渗试验。试验过程中测量电流、排水量、沉降量以及有效电压随时间的变化,并进行单位排水能耗分析。基于电渗固结多场耦合控制方程,实现土体电渗固结全耦合分析的有限元数值方法,计算结果与解析解吻合良好,验证了程序的有效性。为预测不同电势梯度下土体沉降量随时间的变化关系,分别对0.5,1.0,1.5 V/cm 3种电势梯度电渗固结试验进行数值模拟分析,获得模型表面沉降量分布、阳极超静孔隙水压力时空发展规律、阳极位置固结度等曲线,计算结果和试验结果吻合良好,可为实际电渗试验提供理论指导。     

考虑有效电势变化的软土一维电渗固结理论

通过前人研究成果和电渗室内试验,发现了电渗中有效电势先随时间线性减小后保持不变的规律。将此规律作为基本假设,与Esrig一维电渗固结理论相结合,列出了工程中常见的阳极不排水、阴极排水情况下考虑有效电势变化的一维电渗固结方程。求解出了考虑有效电势变化的孔隙水压力和平均固结度的解析式。与实际情况相比,考虑有效电势变化的一维电渗固结理论解较Esrig理论解误差更小,将两理论进行了对比,求出了任意时刻排水量的误差减少量,为实际工程提供参考。     

电压对一维电渗排水影响的试验研究

在自制的模型箱中进行一维电渗排水试验,通过监测排水量、电势分布、含水率和电流来研究不同电源电压对电渗排水的影响。试验结果表明：较大的电压会导致排出单位体积水所需的能量消耗较高;较大的电压和较短的电渗时间会导致土体含水率分布异常,两极中间最高,阳极附近最低;排水量的逐渐减小是因为电极接触电阻的增大和电渗渗透系数的减小;电极和土体接触面上存在的接触电阻使得实际用于电渗的电压小于电源输出电压,而且电源电压越大,阳极接触电阻随电渗时间增加的速率越快,但是阴极接触电阻在高电压时缓慢增长,在低电压时迅速增大,而这与电渗排水速率有关。     

等电势梯度下电极间距对电渗影响的试验研究

通过室内1:5的模型试验进行了等电势梯度下2 m×1 m和1 m×0.5 m两种工程常见矩形布置电极间距下的软黏土电渗性状的研究。利用监测排水量、排水速率、电流、电势、含水率和pH值等指标,对不同电极间距试样的电渗处理效果、能量效率和电极腐蚀等方面进行了分析。结果表明：保持电势梯度不变而减半电极间距能够加快电渗排水,降低土体含水率,减小能量消耗和电极界面电阻,但也会导致土体pH值变化和阳极腐蚀量的增大。此外,采用较小的电极间距可使损失在电极和土接触面上的电势降减小,但损失的电势降占电源电压的比例增大。     

室内水平电渗排水试验研究

根据多次室内试验,大致掌握了不同电势梯度下非饱和黏性土的水平电渗排水规律,从电渗排水量、排水速率、土体电阻、能量消耗、电渗透系数、耗能系数等方面对电渗进行曲线分析,通过分析大致判断电渗排水的终止条件,可以对未来电渗法的实际操作给出一定的理论依据.试验结果表明:随着通电时间的增加,土体的电阻增大,其电流减小,导致电渗排水的速率降低,出于节能的考虑,可以在电渗末期停止通电,这样做既节能又有利于电渗排水的效果.     

电场-渗流场-应力场耦合的电渗固结数值分析

在非饱和土多孔介质力学理论的基础上,根据电荷守恒原理、质量守恒原理、应力平衡方程、达西定律以及欧姆定律,推导了考虑电场、渗流场以及应力场相互耦合作用的电渗固结理论方程。采用Galerkin加权余量法对电渗固结理论方程进行空间离散,得到其有限元计算列式,编制了相应的计算程序,对室内电渗模型试验进行了数值模拟。结果表明,数值模拟与试验结果基本吻合,表明该电渗固结理论方程能够定量预测电渗固结过程中土体的孔隙水压力和位移发展规律。     

软土地基电渗固结理论分析与数值模拟

电渗固结是加速软土固结、提高地基承载力的有效技术。传统的电渗固结理论假设土体的物理力学、水力学和电学特性均匀稳定,其理论解答与试验结果差别较大。针对电渗固结处理过程,对土体位移场、渗流场和电场的耦合特征进行了理论分析,根据电荷守恒原理、水流连续原理和Biot固结理论,建立了电渗固结过程的多场耦合控制方程;考虑土体相关特性参数的非线性关系,开发了有限元软件用于分析电渗过程中电场强度、土体位移以及超静孔隙水压力的变化特征。计算结果与理论数据吻合较好,能够反映土体相关特性参数非线性关系对结果的影响。软件能够为电渗固结系统设计提供参考依据。     

电势梯度对冻结黄土电渗效果影响的试验研究

研究发现,通电作用下冻土中的未冻水会发生迁移,这种持续的迁移是一个复杂的物理化学过程,并最终伴随着冻胀的过程。为了探究这一电场作用对冻土的影响,选取冻结冻胀敏感性较高的粉质兰州黄土作为研究对象,分析其在3、4和5 V?cm^-1电势梯度作用下的阴阳极变形量、通电前后水分分布规律和电流及电能损耗。结果表明：随着电势梯度的增大,土体阴阳极变形量的差值逐渐增大,且阴极都发生膨胀,阳极发生沉降;随着电势梯度的增大,水分由阳极至阴极的迁移量增大,电流降低的幅度增大,两者变化特征与含水率差值变化特征类似;在5 V?cm^-1的电势梯度下,电能总能耗最大,单位含水率能耗最小。     

电极布置形式对电渗效果影响的试验研究

以提高电渗效率、改善电渗效果为目标,通过室内模型试验研究了长方形、梅花形和平行错位3种不同电极布置形式对电渗排水效果的影响。试验采用铝管电极,并保证各组试验处理面积、外加电压和处理时间一致。通过比较分析各试验排水量、电流降低率、裂缝开展和能耗系数得到以下结果：电极长方形布置时,裂缝最为规则、排水效果一般;电极平行错位布置时,排水效果最好,电流降低率最大,但从能耗系数的角度来评判仍然表现最好;电极梅花形布置时,裂缝开展最复杂,且产生了纵截面贯穿裂缝,严重影响了后期的电渗效果,但在裂缝大量开展前,其电流降低率极小。总结室内试验的结果,建议优先采用电极平行错位布置形式进行电渗处理。     

电渗固结中的界面电阻问题

结合试验对电渗固结中的界面电阻问题进行了详细的分析和探讨,提出了界面电压降假定,在该假定的基础上,经过一系列理论推导,给出了一个简洁的界面电阻表达式,这将有助于我们对电渗固结的电流以及能耗做出更为准确的估计。     

Analysis of influencing factors of clay particle diffusion in electric double layer北大核心CSCD

双电层结构对研究黏土力学特性、冻土水分迁移等具有重要意义。为了探究不同影响因素对黏土颗粒扩散双电层电势分布的影响,借鉴Gouy-Chapman-Stern双电层理论,基于Nernst-Planck方程和Poisson-Boltzmann方程,利用数值软件COMSOL定量分析了温度、浓度、颗粒尺寸、颗粒形状以及溶液相对介电常数对扩散双电层电势分布的影响规律。研究表明：温度对电势分布的影响不明显,但随着温度以及Stern层厚度增加,黏土颗粒表面电势和Stern电势均增加;而随着溶液浓度以及相对介电常数减小,表面电势值增加;在矿物成分、表面电荷密度以及颗粒形状确定的情况下,尺寸对于扩散双电层电势分布的影响不显著;但颗粒的不规则形状对电势分布的影响较为明显,当颗粒形状存在夹角时,夹角处的表面电势远大于其他位置,且夹角越小,夹角处表面电势值越大。     

煤巷聚焦多点电源探测电场超前扫描控制策略

为实现煤巷聚焦多点电源有效探测电场聚焦深度扫描和偏转角度扫描,准确把握有效探测电场的变化规律,根据超前扫描探测机理,利用高斯定理,采用两种不同的方法对积分过程进行求解,推导单根有限长均匀带电直线电极的电场线方程。利用电场线空间分布的对称性,归纳推理共面多电极电场线方程。改变聚焦屏流比系数,计算有效探测电场线边界线方程,分析平均电流密度及空间立体角变化规律;同时改变聚焦屏流比系数和偏转屏流比系数,分析电场边界线下边界角及偏转角变化规律,确定出超前扫描探测主电极与约束电极发射电流取值范围。此研究为野外开展聚焦多点电源电法勘探提供技术指导,对完善聚焦电法勘探机理,推动该技术理论发展具有重要意义。      

井地电法地表电场分布规律模型试验研究

为研究井地电法在确定异常体边界时电场的分布规律,笔者对室内水槽固定位置的低阻体(铜板)直接供电,并对充电低阻体形成的电场在地表的电位分布特征进行观测。研究不同方向电位分布特征,及进行线性拟合建立电位梯度曲线,分析异常体不同方向上的电位梯度变化规律,确定该低阻体的边界特征。模拟实验表明,电位梯度曲线在异常体的边界会出现明显的拐点,与电位分布图的对比表明,电位梯度曲线在异常体边界的变化可以作为识别异常体边界的标志。     

论直流电位场拟解析近似中的电位与电荷反射函数的物理意义

为了避开由大型代数方程组数值求解所带来的问题,将电场反射张量的基本概念和拟解析近似的基本思想引入到了直流电位场的数值模拟中,定义了体电位反射函数、面电荷反射函数和面电位反射函数等3个辅助函数,并给出了其在一般条件下的拟解析近似解和在简单条件下（均匀或点电流源背景场、均匀导电柱体或球体）的分析解。简单的对比分析证明：面电荷反射函数是异常体表面上自由面电荷密度的函数;在简单条件下,这种函数关系转化成为比例关系;类似的结论对于简单条件下的面电位反射函数也成立;然而,在一般条件下难以建立面电位反射函数和自由面电荷密度之间的明确关系。     

油气差异泵吸作用机理探讨——以泌阳凹陷为例

通过对泌阳凹陷油气成藏过程的系统研究,发现在差异抬升过程中,深凹源岩区抬升幅度小,凹陷四周圈闭发育区抬升幅度大,差异抬升运动导致源岩和圈闭之间的势能差急剧增大,从而促使油气大规模沿砂体向圈闭充注,这一过程类似于水泵抽水的过程,据此,文中提出了油气泵吸作用和油气差异泵吸作用的概念及机理,并以泌阳凹陷为例讨论了油气差异泵吸作用的形成条件、主要影响因素及油气差异泵吸作用对油气差异分布的控制作用。研究表明:影响油气差异泵吸作用的因素主要有势能梯度、通道质量和泵源配置及油气运移距离;泌阳凹陷油气分布总体上受成藏运聚系统的控制,在各运聚系统内油气分布受油气差异泵吸作用的控制,其中势能梯度、泵源配置及油气运移距离是影响油气差异分布的主要因素,而在每一个大泵(复合泵)内部,通道质量差异是影响油气差异分布的主要因素。     

Numerical modeling of borehole-to-surface logging technology based on incomplete Cholesky conjugate gradient

For vertical line source, the total potential is divided into normal potential and abnormal one to eliminate singularity in this paper. Normal potential produced in homogeneous half-space is calculated by analytic method. While for abnormal potential produced by underground anomalous body, the finite difference method is used based on differential equation of abnormal potential. Further, the total potential is calculated and the forward is realized. Accordingly, incomplete Cholesky conjugate gradient that is introduced in this paper gives the analytical solution of equation, it converges more quickly while requiring less memory. It is an initiation to introduce a dipping bed model to indicate potential distribution produced by underground anomalous body.     

求解偏微分方程的格点法

格点法是在计算流体力学中首先发展起来的数值模拟新方法，共根本思想是对问题重新建模，建立直接模拟流体运动的离散格点模型。本文以一阶拟线性双典型方程及Ｋｄｖ方程为例，推广这种求解一般偏微分方程的。它是运用多尺度分析方法，构造出格点模型的演化方程的局部平衡分布函数。数值试验表明，该方法程序实现简单，求解速度快，数值结果令人满意。     

几种梯度场计算的数值算法及其地学应用

梯度作为标量场在空间上最重要的微观变化特征,能较好地反映其在空间上的变化趋势。本文介绍了中心差分算子、相邻梯度因子和Sobel梯度算子三种梯度数值算法。以点电荷在三维空间中产生的电势场构造了一标量场,通过理论公式求解了其梯度值,并将理论梯度值与三种数值算法的结果进行了对比与统计分析,验证了三种梯度数值算法的有效性和适用性。结果表明,排除场源的影响后,Sobel梯度算子相较其它两种数值算法更逼近于理论梯度值。最后,利用Sobel梯度算子求取了某铜矿区可控源音频大地电磁法(CSAMT)三维视电阻率场的梯度场,用梯度场刻画了视电阻率在空间上的变化趋势,提高了对三维地下空间的电性分布规律和地质情况的认识。     

一族线性屈服破坏函数对应的耗散势

在材料塑性本构理论中应用热动力学原理一般有两种方法,一是在引入的屈服（包括硬化）、破坏函数和塑性势概念的基础上,从数学上或者根据试验规律,假设（拟合）其函数形式,然后将热力学定律或准热力学公设作为附加约束引入本构模型;二是直接从热动力学出发,通过构造能量函数（热力学势）、耗散函数及较少的限制条件给出全部的塑性本构理论,而得到的本构理论自动满足热动力学原理。长期以来,针对各种不同材料提出的大量屈服破坏函数,许多都是按照第一种方法给出的,却并未见到进行过严格的热动力学限制的验证。研究从塑性本构理论中上述两种研究方式在热力学定律的满足上的一致性出发,将求屈服函数对应的耗散势的问题归结为关于耗散势的偏微分方程求解问题,从理论上演绎出塑性理论中一族率无关线性屈服破坏函数对应的耗散势函数,从而将屈服破坏函数的热动力学验证问题转化为其对应耗散势的正负判断问题,也沟通了塑性理论中屈服破坏函数同热动力学中耗散势在概念上的联系,对于理解屈服破坏函数的热动力学内涵有重要理论意义。特别地,文中给出的求耗散势的方法具有一般性,不仅适合于线性的屈服破坏函数,也适合于非线性的屈服破坏函数。最后,利用热力学第2定律给出了一族线性屈服破坏函数具体的热力学限制条件。