卡森模式流变参数的合理表达及公式推导分析

钻井液卡森模式中流变参数η_c^1/2、τ_c^1/2的计算公式在各类资料中不尽相同,给卡森模式的推广应用带来困扰。现从卡森模式的两个基本经验公式出发对流变参数η_c^1/2、τ_c^1/2进行推导,对比分析并找出公式差异的原因：除个别因采用基本经验公式的细微差异造成不同外,其余均为使用单位的不统一和1/2次方共同作用的结果。其中,流变参数τ_c^1/2因基本经验公式差异而得出两种不同表达,进一步将两种τ_c^1/2用于24种钻井液不同速梯下的切力推算,并与实测钻井液切力数据进行精度对比分析,评估更为合理的经验公式。根据验算结果并参照常用钻井液单位习惯,推荐卡森模式流变参数的合理表达为：η_c^1/2=1.195(θ₆₀₀^1/2-θ₁₀₀     

考虑起动概率的无粘性均匀沙起动条件

根据无粘性均匀沙起动的力学条件,在已有研究成果基础上,推导出泥沙起动概率与水流条件之间的关系式,得到考虑起动概率的起动切应力及起动流速公式,并将起动条件与起动标准联系分析.通过对现有几个典型无粘性均匀沙起动条件公式分析表明,本文公式较为合理.     

论我国铝土矿床类型及其红土化风化壳形成机制问题

中国铝土矿床98%以上为古风化壳型,少量属红土型.前者分六个亚型,即铝硅酸盐岩古风化壳原地残积（Ⅰ_a）;碳酸盐岩古风化壳准原地堆积（Ⅰ_b）、异地堆积（Ⅰ_c）以及异地沉积（湖水）（Ⅰ_d）;I_ca古风化壳异地沉积（海相）;Ⅰ_f碳酸盐岩古风化壳准原地堆积（或沉积）-现代喀斯特堆积等六个亚型.ⅠⅠ_b、Ⅰ_c三亚型矿床在大气条件下就位,就位以后继续红土化,为此矿层很少层理;矿石中常有渗流管、渗流凝胶.Ⅰ_d、Ⅰ_e亚型在水体中沉积,有层理,无渗流管、渗流凝胶.所有铝土矿床的矿物组成及矿石结构、构造都是含铝岩石红土化风化作用易溶物淋失,难溶的钛、铝、铁质残留的风化壳铝土物质;无水体中结构、构造特征;δ18O‰及δD‰值证为风化物;除Ⅰ_c外均无动物化石及其碎屑.     

基于功效系数法和地应力场反演的深埋长大隧道岩爆预测研究

岩爆是深埋长大隧道面临的主要地质灾害之一,其“孕育-发生-发展”全过程异常复杂,使其成为地下工程中的世界性难题。准确反映地应力变化规律以及区域内地质构造影响,结合实测资料进行岩爆分级预测,对保障隧道前期勘察设计及后期安全施工具有重要意义。根据隧道工程地质资料,通过COMSOL Multiphysics和Rhino建立三维数值计算模型,反演分析得到整个区域的初始地应力场。在综合分析影响岩爆关键因素的基础上,从“储能性-倾向性-突发性”研究角度,选取岩石单轴抗压强度与围岩洞壁最大主应力比(σ_c/σ_max)、围岩洞壁最大切向应力与岩石单轴抗压强度比(σ_θ/σ_c)、岩石强度脆性系数(σ_c/σ_t)及岩石弹性能指数(W_et)作为评价指标。采用熵权法确定指标权重,运用功效系数法加权计算总功效系数值,构建了一种基于功效系数法和地应力场反演的深埋长大隧道岩爆预测模型,并将其应用于川藏铁路桑珠岭隧道。研究结果表明,该模型具有较高的准确性和可靠性,为类似深埋长大隧道岩爆预测提供了一种新的参考。     

无粘性泥沙起动条件对比研究

从泥沙起动的已有研究成果出发,推导出常见的3种泥沙起动条件的转换关系.利用这些关系,将国内外现有的几十种泥沙起动条件进行了统一,可得各种公式的K值一般在337～786之间.为合理选用起动公式提供了依据.在此基础上,用韩其为1965年在岷江五通桥茫溪河进行的卵石起动的野外水槽试验资料与一部分经典公式计算结果进行了对比研究.为岷江都江堰河段合理选用卵石起动公式提供了依据.     

重力异常二维正演中的无网格方法

无网格法是一类新型数值算法,具有精度高、高阶形函数构造与物性加载便利等特点,在计算力学领域应用广泛。将无网格方法（PIM、RPIM及EFGM）用于重力异常场二维正演计算:首先从重力异常二维变分问题出发,利用Galerkin法结合高斯积分公式推导了对应的无网格离散系统矩阵表达式;其次通过数值试验得出了RPIM-MQ、RPIM-exp及EFGM-exp形状参数的建议值,最后比较分析了最优形状参数下不同无网格法的计算效果。结果表明:无网格法适用于介质物性分布变化较大的重力异常二维正演,exp函数形状参数α_c最优取值区间为[1.5,1.7],β建议值为0.6,MQ函数q取值区间为-4.1~1.9;EFGM较PIM及RPIM具有更高的计算精度。      

万福煤矿不同含水率砂岩蠕变力学特性试验研究

为研究深部巷道围岩在地下水作用下的长期蠕变力学特性,采用自主研制的深部软岩五联流变试验系统,开展不同含水率(0%、0.8%、1.6%、2.4%、3.3%)下砂岩吸水软化单轴压缩试验及单轴蠕变试验。通过试验结果研究表明：砂岩的单轴抗压强度、弹性模量和蠕变破坏应力与含水率呈指数下降关系,蠕变破坏应力与单轴抗压强度的比值在0.76～0.84之间;砂岩衰减蠕变阶段时间随着含水率的增加而减少,随应力水平的增加而增加。径向应变比轴向应变先进入稳态蠕变阶段,破坏应力下径向应变的加速蠕变阶段开始时间要先于轴向应变;基于稳态蠕变速率曲线确定了砂岩的长期强度,径向稳态蠕变速率确定的值略小于轴向,长期强度与含水率之间满足负指数关系;将蠕变试验中径向应变与轴向应变之比定义为μ_c,提出了基于μ_c值的岩石长期强度确定方法且μ_c值与含水率无关,对于本次砂岩样品可以认为μ_c值大于0.3时样品会在一定时间内发生加速蠕变破坏;随着含水率的增加,样品破坏形态由单斜面剪切破坏逐渐演变至X状共轭斜面剪切破坏。研究结果为地下水作用下巷道长期稳...     

土体强度参数变异水平及影响因素关联分析

利用大样本数据掌握土工参数的变异性特征,可为岩土工程可靠度分析中计算指标选取提供客观依据,提高分析结果准确性。收集了国内不同地域6条铁路勘察近千个试样的土工试验数据,经工程地质单元的聚类分析验证,建立了13组土样大样本,采用概率统计方法分析了土体强度参数c、φ的分布特征及变异系数变化规律,基于灰色理论讨论了强度参数变异水平受土体物理力学指标影响的关联性排序。研究表明:勘察工点地基土体强度参数变异系数δ_c、δ_φ均普遍处于大变异水平,且两者间呈现协同变化的正相关规律;反映土体状态特性的液性指数I_L、含水率w、压缩系数a_1-2以及天然孔隙比e与δ_c、δ_φ系数间的关联性强于体现土质自身性质的塑性指数I_P,其中,I_L是影响δ_c、δ_φ的首位因素,a_1-2和w分别为次位影响因素。得到的强度参数变异水平与影响因素关联特征,可为样本数量有限下土体强度参数的不确定性判断提供先验信息。     

δ角测角器的设制与应用

在岩(矿)层真厚度计算方面,已有许多人作了大量的工作,并提出了各种形式的计算公式.现将搜集到的计算公式列出,加以比较. 列昂托夫斯基公式: M=L(sinαcosβcosθ±cosαsinβ)(1) 波查里茨基等提出的公式: ■■■■■或M=L cos(α-γ_1)cosθ     

层状岩石不排气三轴压缩力学特性试验研究

为研究地下隧洞开挖过程中围压和孔隙气压对层状千枚岩力学特性及变形参数的影响,以氩气作为渗透介质,开展层状千枚岩不排气三轴压缩试验,分析层状千枚岩在不同围压和孔压下应力-应变关系、峰值强度、变形特性及破坏形式随层理倾角的演化特征。引入基于层理倾角的各向异性度公式,探讨围压和孔压对层状千枚岩各向异性的影响。结果表明：不排气条件下,当孔压减小或围压增大时,层状千枚岩峰值强度逐渐增大;岩石峰值强度σ_c、弹性模量及变形模量随层理倾角的增大呈“U”型变化;层理倾角在30°～60°之间,层状千枚岩存在层理弱面,破坏形式主要为沿层理面剪切滑移破坏;层状千枚岩在平行层理方向受围压、孔压影响较大,呈现明显各向异性特征。     

盾构隧道环向开挖面破坏机制及剪胀效应研究

采用刚性滑块构建两种圆形隧道失稳环向开挖面破坏模式,利用编制的非线性规划程序求解隧道失稳环向开挖面支护力系数σ_T /c（σ_T为均布支护荷载,c为有效黏聚力）最优上限解及地层破坏模式,揭示地层参数对隧道稳定性的影响,提出简单实用的极限支护力简化公式。研究结果表明：不排水条件下,当隧道埋深比H/D（H为埋深,D为隧道直径）和重度系数γD/c（γ 为重度）较小时,破坏区域主要集中在隧道中上部,随着H/D和γD/c增大,滑移线起始位置沿着隧道轮廓逐渐向隧道底部扩展,破坏区域向水平方向扩展。排水条件下,地层破坏模式主要有3种。当内摩擦角ϕ 和γD/c较大时,随着剪胀系数的减小,极限支护力和地层破坏范围变化较大,甚至可能引起破坏模式的改变。针对不同深度提出的极限支护力简化公式可快速获得隧道环向开挖面极限支护力。     

对欠固结土的超固结比的探讨

欠固结土是在自重作用下尚未固结完成的土,欠固结土的超固结比（overconsolidation ratio,简称OCR）取值在现有文献中可见两种不同的表述,分别是等于1和小于1,这容易导致概念混淆和超固结比取值误用等问题。对国内外使用较为广泛的土力学教材中超固结比相关内容进行了整理,发现超固结比有两种不同的定义表达式,这两种表达式中分母的不同是导致欠固结土超固结比取值差异的根源。采用知识图谱法,对超固结比和欠固结土的概念内涵、历史源头和研究应用等进行了综合分析,结果表明：研究欠固结土相关问题时,采用固结度或固结状态参数作为分析变量可完全替代超固结比的作用;将超固结比定义为前期固结应力与现有有效应力的比值（即OCR = p_c /p′₀,p_c为前期有效固结压力,p′₀为竖直有效应力）,契合应力历史对土体工程特性影响的内在机制,也符合概念的历史渊源。     

多轴压缩条件下层状硬质片岩的力学特性研究

在深部工程中经常会遇到层状岩体,由于高应力的影响,在工程活动中发生因层状结构面诱发的岩体灾害问题。这与深部工程中的真三向高应力环境及层状结构面产状密切相关。为此,基于一种取自某深部金属矿山的层状硬质片岩,开展了考虑片理方位的真三轴压缩试验研究,获取了该片岩在两种片理加载方位下,不同应力差条件时,试样的变形、强度及破裂数据。结果表明,该硬质片岩的力学特性受片理加载方位和应力条件影响较大。具体表现在,当中间主应力σ₂平行片理走向时,试样的脆性更强,且最小主应力σ₃ 越小脆性越强。当σ₂垂直片理走向时试样的强度更高,但强度随σ₃增加而增加的敏感性较弱。当σ₂平行片理走向时,试样的破坏均以沿片理的剪切为主;而当σ₂ 垂直片理走向时,试样在低σ₃ 时,主要发生穿片理的拉破坏,高σ₃ 时,则转变为沿片理的剪切破坏。试验结果对陡倾层状硬质岩体工程的稳定性评价有一定的启示意义,即当片理走向与洞轴线的夹角较小时,浅层围岩片理面的法向应力释放程度较高,易发生受片理结构控制的脆性破坏;反之,夹角较大时,岩体的稳定性较强。     

弯曲溢洪道挑流消能试验研究

为避免加剧弯曲溢洪道的不良振动，对弯道水流的挑流消能问题进行研究。通过试验研究的方法，提出了一种适用于弯曲溢洪道的新型挑流消能工，结合渠底超高法对弯道水流的干扰，使水流在质量力的作用下分流，有效降低和减小了回水的流量范围，增加了挑流水舌的纵向长度。通过对比两种不同凹岸边墙半径的弯曲束窄差动式斜切挑坎和弯曲连续斜切挑坎的回流、挑流和分流等特性，根据水流运动特性和流线的几何关系，提出了一种判断该新型挑坎发生回水的半理论半经验方法。研究发现高坎的收缩程度和凹岸边墙半径是影响分流和回水的主要因素，通过对高坎水流运动特性的分析，拟合流量、凹岸边墙半径与高坎折冲水流出流方向角γ的经验公式，推导了高坎分流临界角度γ_c的计算表达式，计算结果与试验测量结果吻合良好，可以为弯道水流挑流消能的工程应用和运行提供参考。     

模拟人工冻结凿井状态下冻土强度特性研究

通过模拟人工冻结凿井中冻土冻结、受力的实际过程,对已冻结试样进行不同温度、不同初始围压状态下的减载试验研究.结果表明:温度和土层深度是影响深部冻土破坏强度和破坏应变的主要因素,当温度不变时,破坏强度和破坏应变随初始围压呈线性关系变化.破坏强度受温度的影响取决于初始围压,在低初始围压状态下,冻土的破坏强度受温度变化影响不明显,但随着初始围压增大即土层深度加深,破坏强度受温度的影响也逐渐明显.破坏应变随温度的降低而逐渐减小,且呈双曲线形变化,但当温度低于 - 7℃时,在不同初始围压下其破坏应变基本不随温度的变化而变化     

冲积床面阻力关系分析比较

进一步验证和分析了作者早先提出的动床阻力关系,总结并提出了新的沙垄高度变化规律图,分析了它们与沙波阻力变化的关系,比较系统地揭示了不同水深、粒径条件下过渡区阻力变化规律.文中比较了作者及国内外其它五个重要的动床阻力关系,明确了这些公式的适用范围及限制条件.Einstein和钱宁的二个阻力关系只能用于过渡区,且后者只适用于粉细沙河床.李昌华的阻力关系可用于过渡区及低能态区.Engelund的阻力关系可用于一般沙质河床的低能态和高能态条件,但缺乏过渡区规律,对粉沙河床预报将系统偏小而对沙卵石河床则反之.Hayashi的阻力关系不适用于比降平缓的平原沙质河流.经验证和比较,作者的阻力公式适用于三个能态区各种水流强度及不同水深、粒径的情况,适用范围广泛,预报精度较高.     

黑河上游青海云杉森林生态系统蒸散发分割

通过对黑河上游排露沟流域海拔2 700 m和2 900 m处青海云杉森林生态系统不同季节的土壤水、 植物水和大气水汽等不同水体稳定氧同位素组成（δ¹⁸O）的测定, 运用Craig-Gordon模型、 同位素稳态假设和Keeling Plot模型分别得出土壤蒸发、 植物蒸腾和蒸散发的δ¹⁸O, 结合多元线性混合模型将生态系统蒸散发分割为土壤蒸发和植物蒸腾。结果表明： 土壤蒸发水汽的δ¹⁸O_E、 植物蒸腾水汽的δ¹⁸O_T及蒸散发水汽的δ¹⁸O_ET分别介于-35.9‰ ~ -25.2‰、 -9.0‰ ~ -4.2‰和-18.5‰ ~ -10.2‰之间, 三者顺序为δ¹⁸O_T > δ¹⁸O_ET > δ¹⁸O_E, 满足同位素稳态假设。植物蒸腾对蒸散发的贡献率（f_T）在52.2% ~ 88.4%之间变化, 土壤蒸发对蒸散发的贡献率（f_E）在11.6% ~ 47.8%之间变化, f_T远大于f_E, 说明生态系统蒸散发大部分来自于植物蒸腾, 即植物蒸腾是青海云杉森林生态系统蒸散发的重要组成部分。f_T与气温呈负相关, 而与相对湿度呈正相关, 说明气温对f_T起抑制作用, 相对湿度对f_T起促进作用, 但是相关系数不高, 说明f_T在自然环境下还可能受除气温和相对湿度外的多种环境因素和生物因素综合影响, 具体影响机理有待进一步探究。本研究结果可为进一步研究黑河流域区域内循环和流域尺度水循环研究提供理论依据。     

曲线坐标系二维带自由表面强紊动水流数值模拟

将追踪自由表面的流体体积(VOF)法应用于曲线坐标系下水流控制方程的求解中,计入流线弯曲对水流紊动特性的影响,建立了垂向二维强紊动水流的曲率修正的紊流模型,并对溢流坝反弧段的紊流特性进行了数值模拟。数值计算时,采用有限体积法离散水流的控制方程;物理变量,如:压力P、紊动参量κ、ε、γt等,采用交错方式排列(交错网格布置),用SIMPLEC算法求解离散方程。计算结果表明,得到的溢流坝反弧段的自由表面位置、速度场、压力场、剪应力分布和紊动能分布与实验结果吻合良好。     

散粒粗糙床面的当量糙率尺度特征

为揭示散粒粗糙床面的当量糙率尺度特征,采用4种散粒粗糙床面开展了8组粒子图像测速法(PIV)水槽明渠紊流试验,探讨了理论床面位置、当量糙率尺度和阻力系数的沿程分布规律,分析了当量糙率尺度与阻力系数的内在关系。结果表明:(1)散粒粗糙床面明渠水流特性沿程可分为颗粒区和粒间区,各区的理论床面位置参数ξ、相对当量糙率尺度k_s0和阻力系数f具有显著差异,颗粒区0. 65≤ξ≤0. 85,k_s0波动明显,f较大;粒间区ξ=1,k_s0变化相对平缓,f较小。(2) k_s0沿程平均值与颗粒直径d成正比,与排列间距Lx及水流雷诺数Re成反比,在d、Lx及Re相同时,梅花形排列的k_s0大于矩形排列。(3) f随k_s0呈递增变化,变化特性与相对光滑度h/d密切相关。研究成果可为散粒粗糙床面沿程阻力系数确定提供科学参考。     

洞庭湖区水系格局及连通性优化

江湖关系演变及强烈人类活动改变了洞庭湖区的水系格局与连通性,加剧了湖区水环境与水生态的恶化形势,开展水系格局与连通性研究是洞庭湖区水系综合整治和河湖生态修复的重要内容。基于景观生态学中网络连通度分析方法,建立了水系格局与连通性评价指标体系,包括河频率、河网密度、水系环度（α）、节点连接率（β）和网络连接度（γ）等,分析评价了洞庭湖不同片区现状及规划水系格局与连通性的差异以及合理性,提出了水系连通规划的优化方案。结果表明:现状洞庭湖区水系格局和连通性总体较好,但各个片区存在较大差异,湘-资水尾闾地区的现状水系格局和连通性良好,北部地区和松澧地区的现状水系格局与连通性较差。松澧地区水系规划方案改善了该地区的水系格局与连通性,但北部地区的规划方案并不合理。经过比选与优化,北部地区的α、β、γ指标比现状提高了13.2%、6.9%和4.7%,比原规划方案提高26.0%、9.4%和9.4%。