微观负泊松比锚杆静力学特性及其工程应用研究

相比于传统的小变形锚杆支护材料,负泊松比锚杆/索材料具有大伸长量、高强高韧、高恒阻力、吸能等优异力学特性。在宏观负泊松比（NPR）锚杆/索研究和应用基础上,何满潮研发了新一代微观NPR钢材料和微观NPR锚杆。目前微观NPR钢材料的静力学特性研究较少,微观NPR锚杆在城市地下隧道工程的适用性有待于现场应用验证。通过室内静力拉伸试验对微观NPR钢的力学特性进行了研究,结果表明本批次微观NPR钢平均伸长率为34.68%;恒阻力值范围为203.9～ 240.7 kN;拉伸全过程表现为均匀拉伸变形;无屈服平台,破断时无明显颈缩现象。通过理论推导,建立了微观NPR锚杆在微静力拉伸条件下的弹塑性增量本构模型。以某路地铁站风道段为工程背景,介绍了微观NPR锚杆施工工艺,现场测试了极限拉拔力、伸长率及锚杆轴力等方面,结果表明,微观NPR锚杆具有高恒阻力及大伸长量等优势。在围岩大变形隧道开展了支护应用试验,验证了其具有良好的围岩大变形控制效果。     

统一硬化模型与下加载面模型的理论关系

Hashiguchi下加载面本构模型是国际上具有较大影响力的超固结土本构模型之一。因此,选取该模型进行理论和构建方法分析,并与UH模型进行对比。对比结果表明,Hashiguchi下加载面模型通过定义单一的数学公式来拟合超固结土内变量的变化规律,从而得到了超固结土应力−应变关系的公式;而统一硬化（unified hardening,简称UH）模型掌握了超固结土体的强度特性,因而能够更准确、合理地描述超固结土的应力−应变关系。相较于Hashiguchi下加载面本构模型,UH模型在理论上更为先进。同时,两个模型的试验预测与试验数据的对比也验证了UH模型在数值计算上的正确性与优越性。     

考虑多晶冰软化特性的弹塑性损伤本构模型开发及应用

随着全球气候逐渐变暖,冰川、大型冰盖或较厚的冰层发生大规模滑动、崩塌灾害的可能性和危险性不断增加,研究多晶冰的变形特性并建立其本构模型对极地灾害预报具有重要的意义。基于已有的人造多晶冰常规三轴压缩试验数据,发现人造多晶冰具有明显的应变软化特征,构建以等效塑性应变为变量的损伤变量,以摩尔-库仑准则为初始屈服函数,采用相适应流动法则,建立了能够反映多晶冰应变软化特征的弹塑性损伤本构模型。利用不同围压、不同温度条件下的常规三轴压缩试验数据对提出的本构模型进行了验证,并对部分模型参数进行了参数敏感性分析。将建立的弹塑性损伤本构模型写入FLAC^3D软件中,利用单个单元的三轴压缩数值模拟对写入的本构模型进行了验证;然后使用写入的弹塑性损伤本构模型对圆柱状试样开展三轴压缩数值模拟,对数值模拟结果进行了详细的分析。研究结果以期为冰川稳定性分析以及冰川多场耦合研究提供理论及数值基础。     

层状赋存含水合物沉积物的本构模型研究

推进天然气水合物资源开采是我国能源战略的重要任务。层状赋存形态的含水合物沉积物在目标开采储层中普遍存在,水合物开采引起的沉积物层扰动会直接诱发剪切变形影响储层的稳定性,严重制约水合物资源的安全开采。现有水合物沉积物的本构表征主要基于空间均匀分布、各向同性的材料特征假设,缺少考虑水合物沉积物的强非线性力学特性受层状赋存形态影响的本构表征方法,无法准确预测目标开采储层的应力-应变规律。本文采用均匀化理论,基于每层沉积物的弹塑性刚度矩阵构建层状形态代表体积单元的宏细观控制方程,建立了层状赋存含水合物沉积物的本构表征方法。代表体积单元内每层的沉积物模型参数可基于均质含水合物沉积物试样的三轴试验标定获取。通过将层状本构模型预测和层状沉积物三轴试验以及数值试验的应力-应变关系对比验证,本研究提出的层状本构模型可准确描述原位储层中层状赋存含水合沉积物的力学行为。     

基于EEMD-PSO-GRNN模型的元江中上游径流预测

径流序列的非线性和非平稳特性使得高精度的径流预报存在困难。本文组合EEMD和GRNN模型形成EEMD-GRNN耦合模型,预测时通过将径流序列分解为确定成分与随机成分并通过GRNN模型分别进行预测,预测值的加和则构成径流最终预测结果。EEMD-GRNN耦合模型应用到元江中上游,并与其他模型进行比较,结果表明：EEMD-GRNN耦合模型具有更高的预测精度,对径流的总体趋势预测有良好的效果,但在随机性的模拟上有待进一步完善。EEMD-GRNN耦合模型优于BP、GRNN、EEMD-BP模型,能有效提升径流预测的精度,可为流域的水资源优化调度等提供决策支持。     

非承压含水层定水头抽水两区井流数值模型研究

为了揭示在非承压含水层中定水头抽水试验引起的达西-非达西两区流动机理,提出基于有限差分法的地下水定水头抽水井流数值模型。该模型根据抽水的流态特征将含水层分为2个区域：靠近抽水井的有限非达西渗流区域和远离抽水井的半无限达西渗流区域,其中非达西流区域流态的模拟基于Izbash方程实现。通过与COMSOL Multiphysics的有限元数值解进行比较,验证了所提出数值解的可靠性。最后,研究有限非达西流效应对水头和抽水井抽水速率的影响以及井内水头对抽水井抽水速率的影响。研究表明：在抽水试验中非达西区域的影响不可忽略,湍流会分别导致两区流中水头较纯非达西流和纯达西流的水头偏大和偏小,且随抽水时间的增加逐渐变大;通过减小抽水井井内水头或增大非达西系数可提高抽水速率,但该影响会随抽水时间的增加而逐渐减弱;断面流量随径向距离的增大而不断减小,断面流量与径向距离曲线下降速率不断减小,且在转换界面处会出现转折点。该模型为定量研究在非达西流和达西流耦合作用下抽水井附近的井流水头特征提供了一种简洁的方法,并为调查定水头抽水测试期间的抽水速率提供理论依据。     

任意干湿路径下非饱和土的水力耦合本构模型

大量试验表明饱和土样经历脱湿过程进入吸湿阶段后,在高饱和度区域,残余气体会以封闭气泡的形式分布在土样孔隙中,此时土样呈现较大的压缩性,当吸湿过程结束基质吸力再为0 kPa时,土样并不会达到完全饱和状态。韦昌富等(2008)提出的非饱和土的本构模型没有考虑残余含气量的影响,认为土样在吸湿过程后仍能达到完全饱和状态,这与实际情况有一定偏差。为了更精确地模拟真实情况,基于考虑不同残余含气量的毛细滞回内变量理论和忽视残余含气量影响的非饱和土的水力耦合本构模型,提出了考虑不同残余含气量影响的非饱和土的修正本构模型。通过和实测数据的比较,修正模型可以较好地模拟任意干湿路径下的非饱和土力学特性。     

沉水植被斑块尾流多尺度紊流结构研究

探究斑块尾流中多尺度紊流结构对理解植被群落影响下的泥沙输移规律和河床演化过程有着重要意义。通过室内水槽试验,分析不同高径比及植被体积分数影响下的斑块后水流特性,得到时均流速及雷诺应力分布规律;通过谱本征正交分解对其脉动场进行分析,探究不同尺度涡的空间模态及能量分布规律。研究结果表明：(1)冠层垂向剪切层内剪切强度及其最大量纲一剪切层垂向厚度随着植被体积分数增大而增大,随着高径比增大而减小。(2)斑块尾流中,大尺度涡旋对应频率集中在0.15～0.29 Hz,对应斯特劳哈尔数为0.16～0.32,垂向分布介于0.2～1.3倍植被高度,纵向分布介于2～6倍斑块直径,横向关于植被中心线呈现出非对称分布。(3)纵向出流流速及剪切层内紊动强度是影响稳定尾流区长度的重要因素。剪切层纵向输运速度随着纵向出流流速增大而增大,剪切层垂向扩散速度随着紊动强度的增大而增大。     

碱渣轻质固化技术及大变形力学特性研究

直接将碱渣堆放或排入海中都会造成环境污染,将碱渣转化为可在工程中直接应用的土工材料,实现废物利用势在必行。本文通过正交试验,以7 d无侧限抗压强度为指标,选出滨海软土、碱渣、水泥、生石灰、粉煤灰和自制发泡剂等的最优配比,制成碱渣固化轻质土,并对其进行室内试验。结果表明,碱渣固化轻质土具有较强结构性,在养护龄期超过28 d后,无侧限抗压强度增长幅度减缓,可将28 d作为临界养护时间。利用环剪仪研究了碱渣轻质固化土的大变形力学特性,在静力载荷下,同一法向应力时,试样的峰值强度和残余强度随密度增大而增大,软化现象也越明显;同种密度时,随着法向应力的增大,峰值强度和残余强度都增大,但软化却越不明显。在动力载荷作用下,当最大法向应力大于土体结构屈服应力时,振幅、频率和振次对试样残余强度具有较大的影响。该研究为碱渣有效处理提供了参考,具有一定的工程应用价值。