波浪作用下的床面切应力研究进展

波浪作用下的床面切应力是估算近岸泥沙起动、输移的重要基本参数之一,其形成的底部摩阻效应也会对近岸水动力环境产生影响。由于现场观测较为困难,对波浪边界层与波浪作用下床面切应力的认识主要建立在室内试验观测基础上。回顾国内外相关理论模型和试验测量研究,梳理各类研究方法与测量技术的优缺点及适用条件;整理20世纪70年代至今的大量试验资料,对已有研究成果进行归纳分析,包括波浪非线性、波浪破碎等因素对床面切应力的影响;总结现有研究存在的局限性,提出今后的研究重点。超大型水槽是未来突破波浪边界层理论研究瓶颈的重要设施;高适应性水下二维切应力传感器的发展是复杂动力条件下床面切应力研究取得突破的关键。     

渗流应力耦合作用下顺倾向层状边坡各向异性渗流特征数值模拟

渗流场与应力场耦合作用下边坡渗流规律对研究边坡稳定性至关重要,应用基于等效连续介质模型和Louis经验公式建立的各向异性岩体渗流应力耦合模型,对顺倾向层状边坡的各向异性渗流规律进行了模拟分析。研究表明：顺倾向层状边坡中水位降深随结构面倾角θ的增大先升高、后降低,呈现两头低、中间高的形态,且越靠近溢出点,结构面倾角对水位降深影响越大;θ约为42°时水位降深最大,潜水面最低,同时渗透各向异性系数达到最大值;顺倾向边坡岩层产状一定时,随着埋深的增加,岩体渗透各向异性系数逐渐减小,裂隙控渗特征由显著到逐渐变弱,表现出向各向同性渗流过渡的趋势。     

三向应力作用下节理岩体渗流-应力耦合特性

节理岩体渗流-应力耦合特性研究是岩石力学领域的重点和难点。水利水电工程与地下工程中天然节理岩体往往处于三向不等压应力状态,针对三向应力状态下节理岩体渗流-应力耦合特性研究较少。其中,单节理岩体渗流-应力耦合特性研究是基础。首先分析与探究了单节理岩体侧向应力作用效果及渗流作用机制,在单节理岩体渗透性-应力耦合分析模型基础上推导了单节理岩体渗流-应力耦合的理论公式。通过室内真三轴渗流-应力耦合试验,基于全局优化算法的非线性拟合及块体离散元数值仿真,验证了所提出理论公式的合理性。基于电路原理,给出了模拟电路与渗流问题的相似物理量,通过引入等效渗流阻方法,探究了典型的含正六边形主干节理网络的渗流-应力耦合特性。该研究结果对实际工程岩体的渗流分析有一定的参考价值。     

应力作用下三种典型渗流曲线及机理分析

基于不同压力作用下的裂隙渗流试验获得的三种典型的渗流曲线类型,给出了应力作用下影响试样渗透性的主要原因：在正应力作用下裂隙发生变形;在剪应力作用下裂隙可能发生劈裂及扩张。通过分析裂隙变形和劈裂、扩张过程中裂隙渗透性的变化,阐述了在应力作用下,看似异常实则正常的三种典型的渗流曲线类型的机理：在其它条件相同的情况下,试样的渗透性与应力的关系取决于应力与裂隙间的夹角。     

一维向上渗流作用下多层地基有效应力性状研究

研究了一维向上渗流作用下多层地基有效应力的计算问题,推导了有效应力的计算公式,讨论了有效应力性状。定义了渗流有效应力的概念。渗流作用下土层有效应力由两部分组成：一部分是自重有效应力,它由重力引起,体现了静水压力的影响;另一部分是渗透有效应力,由土层水头差产生,体现超静水压力的影响。一维向上渗流作用使土层的有效应力减小。一维向上渗流作用下多层地基有效应力沿土层厚度呈线性分布,在土层层面处发生转折。多层地基有效应力计算的关键是确定土层层面处的有效应力,而确定土层层面处的有效应力的关键是计算各土层的水头差。文后给出了实例计算。     

考虑卸荷作用的裂隙岩体渗流应力耦合研究

大量试验证明,裂隙岩体在加载和卸荷的条件下其渗流与应力特性是不完全相同的。近年来,加载条件下的裂隙岩体渗流应力耦合研究得到了长足的发展,但卸荷作用下的水岩耦合分析还处于初始阶段。基于现有裂隙变形曲线的研究结果,建立了渗透系数与卸荷应力、应变间的本构关系,在此基础上,根据算例分析了各种工况下的渗流和应力特征,其计算结果表明,考虑卸荷后应力场的改变增加了临近坡面的岩体渗透系数,降低了地下水浸润线,增加了边坡的稳定性;考虑渗流后,边坡的位移场和应力场有较大改变,但考虑耦合后位移和应力分布和大小与不耦合时的相差不大;边坡开挖后应力场改变对渗流的影响远大于渗流对位移、应力等的影响。     

裂隙岩体渗流-应力耦合等效渗流阻模型

针对含区域主干裂隙岩体在应力作用下的渗透特性进行了研究。运用单裂隙平行板渗流理论、弹性力学方法,结合模拟电路知识,提出等效渗流阻的概念。在分析裂隙岩体区域中主干裂隙系统几何构造的基础上,建立了基于等效渗流阻的- 渗流-应力耦合模型,得到了裂隙岩体等效渗流阻、渗透率与应力之间的关系,从而为研究含区域主干裂隙岩体的应力-渗流耦合规律提供了方便。结合一个基于等效渗流阻模型的算例,考察了含“人”字形组合裂隙试样的渗透特性。经进一步细化后,该模型可用于分析地应力作用下的含区域主干裂隙岩体渗流演化规律。     

温度-渗流-应力耦合作用分类

根据耦合作用实现方式的不同,将温度-渗流-应力耦合作用分为“力学”耦合和“参数”耦合两大类,“力学”耦合通过场之间的某种力学作用或过程实现,而“参数”耦合则通过场的控制参数的变化而体现出来。     

渗流-应力耦合作用对储层裂缝发育的影响研究

裂缝是影响储层高产、稳产的重要因素,而储层处在复杂的地质环境中,裂缝的形成和发育受众多因素的影响,研究各因素间的耦合作用对储层裂缝发育的影响,对指导油气勘探开发具有重要意义。为此,针对任丘油田任11井区雾迷山组碳酸盐岩储层进行了渗流-应力耦合作用对储层裂缝发育的影响研究。研究结果表明:未考虑渗流-应力耦合作用时,研究区最大水平主应力范围为82~100 MPa,从西南到东北逐渐增大;最小水平主应力范围为72~88 MPa,从研究区中心向西南、东北两侧逐渐递增;考虑耦合作用后,研究区最大水平主应力范围为84~102 MPa,最小水平主应力范围为76~91 MPa,最大及最小水平主应力增加。渗流-应力耦合作用后,研究区裂缝发育指数分布在0.027~1.156之间,山头顶部和近东西向断层的内部区域裂缝发育指数在0.7左右,为裂缝较发育区域;而研究区西南和东北边缘区域裂缝发育指数在0.2以下,为裂缝欠发育区域。随着耦合作用时间的增长,储层裂缝发育指数逐渐增大,在注入井和产油井附近区域的裂缝发育指数增大幅度尤为明显;储层裂缝线密度也呈增大趋势,仅产油井周围的裂缝线密度呈现为先减小后增大的趋势;未考虑耦合作用时的储层裂缝参数小于考虑耦合作用后的裂缝参数,说明仅考虑应力场进行储层裂缝预测所得结果偏小。      

裂隙岩体应力与渗流关系研究

本文讨论了裂隙岩体中应力与渗流之间的关系，提出了考虑岩体中应力作用的方向性的应力与渗流关系式、透压力与裂隙变形的关系式以及裂岩体尖力场与渗流场耦合模型。     

渗流边界上推移质输沙率

天然河道边界上常由于地下水和地表水的水位不同而产生渗流,引起水流的非静水压力分布,进而影响推移质输移规律,也使得常用的推移质输沙率公式不再适用.利用水槽试验测定沙波的尺寸及运动速度与床面渗流水力梯度的关系,结果表明沙波的高度及运动速度随着向下渗流强度的加大而增加,随着向上渗流强度的加大而减少;进而结合理论分析,利用沙波运动特点估算推移质输沙率,并推导出推移质输沙率随床面渗流的引入而变化的计算公式,分析渗流引起非静水压力分布下推移质输沙率的变化.     

考虑各向异性、剪胀和渗流的柱孔扩张问题统一解

基于统一强度理论,考虑渗流、各向异性、剪胀特性以及中主应力等因素的综合影响,推导了柱孔扩张问题弹塑性解答。结果表明,富水条件下的扩孔问题中考虑渗流体积力的影响是非常有必要的,不考虑渗流影响的扩孔压力比实际工程偏小;渗流体积力越大,塑性区半径越小。另外,传统的扩孔解答假定土体为各向同性初始应力状态高估了极限扩孔压力,也低估了扩孔过程中圆孔周边的塑性区范围,造成工程安全等级偏低。该结果为海底圆形隧道以及渗流条件下地下水平构筑物施工弹塑性分析提供了理论依据,对工程设计具有一定参考价值。     

黏土-结构接触面大剪切变形后渗流特性试验研究

黏土-结构接触面易产生大的剪切变形,且由于场地、施工等原因,接触面部位可能存在填筑缺陷、杂质等情况,这些因素均可能对其渗流安全产生不利影响。本文采用一种接触面剪切渗流试验装置,对黏土-结构接触面大剪切变形后的渗流特性进行了试验研究,重点模拟了接触面存在填筑缺陷及含有杂质两种工况下的渗流特性,并与均质黏土接触面渗流特性进行了对比,同时对接触面正应力、剪切变形、水力坡降的影响进行了分析。结果表明:含有填筑缺陷的接触面在大剪切变形过程中渗透性降低;而含有粉土杂质的混合黏土接触面,其渗透性起初随剪切变形的增加而减小,剪切至某一程度后反向增加;存在填筑缺陷和杂质的接触面渗透性强于均质黏土接触面。     

一种控制直剪蠕变试验剪应力的简易装置

土的蠕变是指土在保持应力不变的条件下,应变随时间延长而增加的现象。研究土的蠕变性质对于确定土的长期强度有重要意义,土的蠕变研究也是近几年的研究热点。然而,土的蠕变试验周期特别长,因此简便、易行又有一定可信度的蠕变试验仪器,对于土蠕变性质的研究有较大的推动意义。直剪蠕变试验是研究确定土的蠕变性质的一种最简单、最直观的试验方法。但由于该试验只是控制剪切力不变,剪切过程中,试样受剪面积逐渐减小,剪应力持续增大,整个过程并不是蠕变。通过在传统仪器上附加一个简单装置,利用液体的浮力来控制试验剪切力,从而使得试样在剪切过程中的剪应力不变。在对仪器进行相应改进后,做了对比试验,检验该装置对剪应力的控制效果,试验结果表明,该简易装置可在一定程度上控制剪应力。     

非饱和土的有效应力与抗剪强度

从孔隙土的存在状态出发，探讨了吸力的两种不同作用效果与非饱和形态的关系，从理论上论证了Bishop公式的正确性澄清了多年来一个基本概念上的误解。用新的观点阐述了非饱和土中抗剪强度分布不均匀及浸水湿陷的原因；同时还对Fredlund和卢肇钧提出的抗剪强度理论及参数的测试方法进行了分析，提出了各种抗剪强度理论在理论上都是相同的，其区别仅在于确定由吸力产生的那部分有效应力时采用的参数和测试 方法不同。为今后非饱和土的抗剪强度研究从理论转向实用提供了理论基础。     

高应力下剪切速率对砂土抗剪强度影响研究

应用DRS-1型高压直剪仪,进行了16组法向应力水平、5种剪切速率条件下福建标准砂的抗剪强度试验,试验结果表明,高应力下砂土的抗剪强度受法向应力和剪切速率的共同影响。法向应力和剪切速率通过影响颗粒破碎和颗粒重排列程度等试样的细观参数,决定了砂土宏观上抗剪强度的发挥。当法向应力较小时,砂土抗剪强度与剪切速率基本无关;但是当法向应力较大时,较快剪切速率条件下的砂土抗剪强度变小,且其摩尔强度包线出现了“下弯-上扬”循环波动,因此不可以忽略剪切速率对砂土抗剪强度的影响。     

一个可考虑球应力和剪应力共同作用的结构性参数

土的结构性是岩土材料的基本特性,基于综合结构势理论建立的结构性参数,以表述土的结构性,但已有的表述存在缺陷,为此针对应变和应力结构性参数的缺点提出了一个可同时考虑球应力和剪应力作用的结构性参数--应力比结构性参数。通过理论分析和三轴试验研究发现,应力比结构性参数与应力或应变结构性参数相比,可同时考虑剪应力和球应力对土结构性的影响,并且剪切过程中结构性参数不再出现峰值,更符合人们以往对结构性的认识。该参数从定量上更加准确地反映了土的结构性。     

吸力对非饱和土抗剪强度的贡献

回顾了非饱和土抗剪强度理论，并进行了评价；系统地分析和总结了吸力对抗剪强度的贡献。     

非均质土坝稳定性的渗流场和应力场耦合分析

綦于多孔介质的渗流特性和土的非线性本构关系，研究了渗流场与应力场的耦合效应，并针对一实际十坝建立了非线性耦合分析模型，探讨了位于软基之上的非均质土坝的渗流与应力耦合规律。分析结果表明，在渗流作用下，坝休和坝基中渗流与应力的相互作用是不应忽视的，其作用结果将会使土坝、特别足防渗心端附近应力水平和渗透坡降均有不同程度的提高，表明考虑渗流场和应力场耦合作用的计算结果对土坝稳定安全性不利。