层状饱和地基上刚性圆板的扭转振动及参数分析

用解析的方法首次研究了层状饱和地基上刚性圆板的扭转振动特性.运用Hankel变换求解饱和介质动力问题的控制方程,按混合边值条件建立了层状饱和地基上刚性圆板扭转振动的第二类Fredholm积分方程.数值算例给出了动力柔度系数和扭转角幅值随无量纲频率的变化曲线,与单相弹性及匀质饱和介质情况进行了对比分析,并进行了参数研究.     

非线性波浪荷载作用下海上风机管桩基础周围海床液化研究

为研究近浅海领域内海上风机大直径单桩基础周围的砂质海床在非线性荷载作用下的瞬时液化的稳定性,在OpenFOAM平台上建立波浪-单桩-海床三维数值模型(WSSI模型),采用olaFoam求解器求解RANS方程模拟波浪的非线性运动,将Biot方程作为海床模型的控制方程研究单桩周围海床的液化规律。对以往的数值解析结果和实验结果进行对比分析,验证本文建立三维波浪模型和海床模型的准确性和有效性。将建立的波浪-管桩-海床相互作用三维数值模型应用到实际工况中,对数值模型在实际工程中的海床响应进行分析评估。研究结果表明,单桩周围海床的孔隙水压力场和有效应力场在水深方向发生较大变化,在水平方向变化较小。在该工况下海床的最大液化深度可达到10 m,且在垂直于波浪运动方向的海床更容易发生液化,为实际工程预测海床液化提供一定的技术支持。     

考虑非饱和路基性能劣化的路表振动响应研究

为了给应用落锤式弯沉仪（falling weight deflectometer,简称FWD）准确识别路基性能劣化提供理论基础,建立了考虑路基非饱和特性的弹性层状路面在FWD荷载作用下的振动响应计算模型。通过Laplace-Hankel变换对模型的动力控制方程进行了推导求解,建立了路面和非饱和路基的动力刚度矩阵。并由层间连续性条件合成了公路结构的整体动力刚度矩阵,结合边界条件得出了FWD荷载作用下整个公路结构在变换域内的振动响应解。利用Laplace-Hankel逆变换对振动响应进行了空间-时间域内的数值求解,分析了FWD荷载频率和路基饱和度对振动响应的影响以及路基性能劣化与路表振动信号的关联性。研究结果表明：路表竖向动位移主要受FWD荷载低频成分的影响且随饱和度的增大而增大;相比较路表振动速度和路基表面竖向动应力,路表竖向动位移受路基性能劣化的影响更敏感,且在距荷载中心1.2 m位置处的路表竖向动位移变化率达到最大。研究结果可为路基性能劣化的反馈指标与位置选择提供科学依据。     

横观各向同性土体中压力隧洞的应力和位移计算

基于Biot固结理论,考虑了土体和孔隙流体压缩性,通过对控制方程的解耦,得到在横观各向同性饱和土体中圆形隧洞边界上作用随时间变化的轴对称荷载或流体压力所引起的应力、位移和孔隙水压力场在拉普拉斯变换域中的解析表达式,运用拉普拉斯数值逆变换进行算例分析,得到在时间域中的解,讨论了单级加载和循环加载对计算结果的影响,并与瞬时加载条件下的结果进行了比较。同时也分析了土体的横观各向同性性质对应力、位移和孔隙水压力场的影响。     

温度和盐度分层流的数值模拟

以N-S方程和k-ε湍流模型为基础,针对水温和盐度分层流的流动特性,考虑了浮力对紊动的影响,建立了温度和盐度分层流的k-ε模型,对同时存在温度和盐度梯度的一类密度分层流进行了数值模拟计算,其中紊动平均量控制方程中的紊动项是由k-ε紊流模型计算,给出了速度、温度和盐度的分布。计算结果正确地反映了分层及紊动特征,与实测结果吻合较好。     

下卧基岩饱和地基中埋置刚性基础的竖向振动问题研究

基于Biot提出的饱和土波动方程,研究了埋置于单层饱和地基中的有质量的刚性圆柱基础的竖向振动问题。运用Hankel积分变换求解饱和土基本动力方程,并考虑基础与地基接触面的混合边值条件,求得了基础底面和基础侧面的动反力,结合基础振动的动力平衡方程,得到了基础竖向振动振幅和地基等效动力刚度的表达式。数值分析结果表明：下卧基岩饱和地基的等效动力刚度和基础振动振幅都呈现出明显的波动现象,土层厚度、基础埋深比、基础质量比对埋置基础的竖向振动有很大影响。     

基于哈密顿体系辛几何算法求解空间地基问题

地基应力和位移场的求解是岩土工程中的基本问题之一,以往的求解方法是在一类变量范围内求解,属于拉格朗日体系。利用弹性力学的哈密顿理论,通过适当的变量代换,由力学的控制方程引入对偶变量,直接将方程导入到哈密顿体系,应用分离变量法求解。在哈密顿体系下,利用辛几何的性质,在完备的解空间内将方程的解用本征向量函数展开,讨论零本征值和非零本征值对应的不同本征解及其物理意义。数值算例表明,所得结果同以往结果一致。该方法不同于传统方法,为地基的研究提供了一条新途径和思路。     

弹性地基板的分析简化模型

将弹性半空间地基受任意竖向荷载作用下的静力位移积分变换解与弹性半空间地基上四边自由矩形板受任意竖向荷载作用的弯曲解析解相结合,建立了求解板下地基位移的方法。对一些算例进行大量数值计算分析,得出弹性半空间地基上四边自由矩形板板下地基水平位移和竖向位移的分布规律;并基于该位移分布规律,提出地基位移沿深度按一定的函数关系变化的假设,考虑板下地基水平位移,利用板地基系统的总势能最小原理,通过复杂的变分运算,得出弹性地基板的简化模型。在不考虑板下地基水平位移时,该模型退化成双参数地基模型,并给出了求解其上四边自由矩形板的近似边界条件。     

均质弹性地基中单桩的扭转振动特性研究

利用积分方程的方法研究了均质弹性地基中单桩的扭转振动问题。在分析过程中,首先利用积分变换的方法得出均质弹性地基内作用一埋置扭矩时的基本解。基于基本解,根据变形协调条件建立了控制单桩扭转振动特性的第2类Fredholm积分方程。对所得积分方程进行数值求解得到单桩扭转振动时的扭矩和扭转角及动力柔度系数,并对其进行了参数分析。所得结论对桩基础设计与计算以及桩基低应变扭转波动测技术有一定的指导意义。     

广义Gibson饱和地基中刚性圆板的扭转柔度系数

考虑到地基在竖直方向上的非均匀性,结合扭转振动的特点,建立了简谐扭转动荷载作用时剪切模量随深度增大的广义Gibson饱和地基的动力方程,通过积分变换求解了动力方程。考虑到半空间地基表面处应力自由、埋置圆板所在平面为混合边界和无穷深度处为波的辐射边界等条件,得到了广义Gibson饱和地基中刚性圆板扭转振动时的对偶积分方程,通过合适的变换转化成了一个第2类Fredholm积分方程,求解了相应的动力响应问题。对比静扭距作用时的荷载-位移关系,给出了动力柔度系数和扭转角位移幅值的表达式,并把所研究的问题进行退化且与前人成果进行了对比。数值研究表明：当基础的埋置深度小于5倍基础半径时,广义Gibson饱和地基中埋置基础的扭转振动存在明显的边界层现象,且埋置深度越小,边界层现象越明显。     

数值法模拟赵油坊水源地深层地下水允许开采量

通过抽水试验,确定了拟建水源地——赵油坊的水文地质参数:平均导水系数878.27m2/d,弹性释水系数为6.85×10-4,压力传导系数为1.55×106m2/d,水跃值为3.44m;根据水文地质参数把水源地划分为6个单元。选用合理的计算模型,模拟不同开采条件下地下水水位下降情况,确定以24000m3/d的开采方案较为合理。      

脉动激励下的浅埋管道轴向应力分析

考虑土体-结构-流体耦合作用,研究流体脉动对浅埋输液管道轴向应力的影响.基于流固耦合、管-土耦合理论,建立了浅埋管道动力学分析模型,应用力平衡条件,推导了浅埋管道的静力及动力方程,并利用行波方法求取了动力方程的解析解.在此基础上,研究了管道应力特性.结果表明:流固耦合对浅埋管道应力有较大影响,较小幅值的压力脉动可使管道应力大幅增加.同时,讨论了管道埋深、土质条件及管道半径对管道应力的影响.在相同流体脉动激励下,管道应力随覆盖层厚度、土体刚度、管道半径增加而减小.     

饱和孔隙介质中非均匀震电平面波

采用描述地下流体饱和孔隙介质中弹性波与电磁场耦合现象的Pride方程组,利用Helmholtz分解,求解了非均匀震电耦合平面波解,推导了流体饱和孔隙介质中传播的非均匀震电平面波的能流表达式,讨论了非均匀震电平面波的能量特征.结果表明,非均匀震电平面波的平均能流在传播矢量和衰减矢量构成的平面内传播,伴随电磁场对纵波模式的能流没有贡献.当动电耦合系数为0时,震电平面波的能流表达式可退化为Biot弹性波的能流表达式。     

Numerical solution for the dilation of a fluid-saturated porous elastic sphere due to a point source of fluid at the centre of the sphere

Mathematical modelling of the ascent of free fluid through relatively strong rock, deep in the Earth's mantle, presents a challenge in geomechanics. Here the medium is considered as fluid-saturated, porous, elastic and bounded, and the fluid enters at a point source. An explicit finite difference method is developed for the numerical solution to the problem of the dilatation of a fluid-saturated porous elastic sphere due to a point fluid source of constant strength at the centre of the sphere. A cubic spline interpolant is used to evaluate a definite integral which occurs in the boundary condition for the pore fluid pressure at the surface of the sphere. The numerical solutions for the dilatation and pore fluid pressure are compared with analytical solutions and the absolute and relative errors of the numerical solutions are calculated. When the fluid source is switched on, the pore fluid pressure starts to decrease, reaches a minimum value and then steadily increases. The initial time rate of decrease of the pore fluid pressure is independent of the radial distance from the source. It decreases as the radius of the sphere increases and vanishes for a point fluid source in an infinite porous elastic medium.     

DF1-1底辟区构造应力场及渗流场演化的数值模拟研究

DF1-1底辟区是莺歌海盆地内超压流体最活跃的地带之一.超压流体的活动直接受控于构造应力及其形成的不同类型的断裂和裂隙构成的输导系统.从底辟区大规模流体垂向活动以及幕式活动的特征来看, 流体流动的动力主要是由于垂向压差的存在以及渗流场变化引起的局部应力场(包括热应力场) 的作用所致.在详细研究底辟区的构造及流体活动关系的基础上, 对底辟区构造应力场及渗流场的演化进行了模拟.结果显示: 构造运动引起的应力场决定了DF1-1底辟区油气沿主要断裂系走向迁移的总趋势, 在底辟区流体从底辟的两侧向其中心运移, 由底辟体中向上运移为主; 高压流体产生的热应力控制局部应力场状况及油气运移方向, 驱动流体向底辟体顶部运移, 当热应力值过大时有可能改变应力场状况以及油气运移总趋势.      

A fracture mapping and extended finite element scheme for coupled deformation and fluid flow in fractured porous media

This paper presents a fracture mapping (FM) approach combined with the extended finite element method (XFEM) to simulate coupled deformation and fluid flow in fractured porous media. Specifically, the method accurately represents the impact of discrete fractures on flow and deformation, although the individual fractures are not part of the finite element mesh. A key feature of FM‐XFEM is its ability to model discontinuities in the domain independently of the computational mesh. The proposed FM approach is a continuum‐based approach that is used to model the flow interaction between the porous matrix and existing fractures via a transfer function. Fracture geometry is defined using the level set method. Therefore, in contrast to the discrete fracture flow model, the fracture representation is not meshed along with the computational domain. Consequently, the method is able to determine the influence of fractures on fluid flow within a fractured domain without the complexity of meshing the fractures within the domain. The XFEM component of the scheme addresses the discontinuous displacement field within elements that are intersected by existing fractures. In XFEM, enrichment functions are added to the standard finite element approximation to adequately resolve discontinuous fields within the simulation domain. Numerical tests illustrate the ability of the method to adequately describe the displacement and fluid pressure fields within a fractured domain at significantly less computational expense than explicitly resolving the fracture within the finite element mesh. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

Using remotely sensed data to modify wind forcing in operational storm surge forecasting

Storm surges are abnormal coastal sea level events caused by meteorological conditions such as tropical cyclones. They have the potential to cause widespread loss of life and financial damage and have done so on many occasions in the past. Accurate and timely forecasts are necessary to help mitigate the risks posed by these events. Operational forecasting models use discretisations of the governing equations for fluid flow to model the sea surface, which is then forced by surface stresses derived from a model wind and pressure fields. The wind fields are typically idealised and generated parametrically. In this study, wind field datasets derived from remotely sensed data are used to modify the model parametric wind forcing and investigate potential improvement to operational forecasting. We examine two methods for using analysis wind fields derived from remotely sensed observations of three hurricanes. Our first method simply replaces the parametric wind fields with its corresponding analysis wind field for a period of time. Our second method does this also but takes it further by attempting to use some of the information present in the analysis wind field to estimate future wind fields. We find that our methods do yield some forecast improvement, most notably for our second method where we get improvements of up to 0.29 m on average. Importantly, the spatial structure of the surge is changed in some places such that locations that were previously forecast small surges had their water levels increased. These results were validated by tide gauge data.     

南海南部陆缘地质流体类型及其油气成藏意义

南海南部陆缘蕴藏着非常丰富的油气资源。为了解南海南部陆缘流体活动系统以及与油气藏之间的关系,以高精度2D地震资料为基础,对南海南部陆缘流体活动系统的类型、地震反射特征、以及对油气成藏的意义开展了研究。在南海南部陆缘发现了多种流体活动系统,包括:泥底辟/泥火山、气烟囱、管状通道、与构造断层相关的流体活动系统。这些流体活动系统具有不同的地震反射特征,常常出现含气强振幅异常带、弱振幅杂乱反射带以及"下拉"或者"上拱"地震反射形态等流体活动系统的标志特征。流体活动系统受到构造运动和沉积因素的影响,并且与深部高温高压塑性流体密切相关,流体活动系统优先发育在地层薄弱部位。流体活动系统及所伴生的断裂和裂隙常常作为油气富集区的运输通道;并且流体活动系统所运移的强溶蚀性流体和深部热液流体有利于油气储层的形成,特别是对于碳酸盐岩储层的改造尤为明显。因此,流体活动系统不仅能作为油气运移通道,也可以改善储层,对油气成藏具有重要意义。     

水压致裂应力测量系统柔性分析及其对深孔测量的影响

在中国大陆范围内广泛使用的钻杆式水压致裂测试系统由6个部分组成,分别为压力流体控制系统、高压水泵、动力系统、数据记录系统、跨接式封隔器和钻杆系统。该套测试系统又可以分为两类,一种是针对孔深<100 m的浅孔测试系统,一种是针对孔深>100 m的深孔测试系统。对于钻杆式水压致裂系统,钻杆、连接管线以及钻孔变形对系统柔性影响均极微小,封隔器变形和压裂液压缩性是主要影响因素。当测试深度小于100 m时,测试系统柔性主要受封隔器变形和系统压裂液压缩性控制;而当测试深度大于100 m时,测试系统柔性主要受系统压裂液压缩性控制。对于深孔测试,钻杆式水压致裂测试系统柔性过大,会影响重张压力Pr0的准确确定。为了消除系统柔性对深孔测试的影响,可以通过其他方法来确定实验段岩体抗拉强度Tfh,进而确定最大水平主应力SH,或者通过其他方法来直接估算SH。在未来的研究工作中,开发井下传感器和井下流量计将是从根本上消除测试系统柔性影响的一条可靠途径。     

弯曲槽道边壁振动情况下湍流特性的大涡模拟

为了更好地理解透平机械流道内能量耗散的机理和湍流结构变化,利用大涡数值模拟方法,数值试验了时、空做正弦振动的壁面所围成的弯曲槽道内的湍流流动。研究了6种不同的振动参数下,槽道内压力分布、近壁涡量以及其它相关湍流统计量的分布特性。计算结果表明,受展向壁面振动的影响,近壁区速度梯度增加,粘性底层变薄,湍流强度增加,能量耗散加大。该研究还发现壁面展向振动而引起的能量耗散主要依赖于近壁区粘性底层的展向涡量大小。