土体直剪力学特性颗粒尺度效应理论与试验研究

土体是一种颗粒物质,其强度与变形特性具有显著的颗粒尺度效应。根据土体颗粒间的连结性状和微重比,将土颗粒划分为基体颗粒与加强颗粒。构建了反映土体内部材料信息和颗粒特征信息的土体胞元,基于应变梯度理论建立可以描述土体颗粒尺度效应的土体胞元模型。设计一系列饱和重塑土的直接快剪试验以研究土体直剪力学特性的颗粒尺度效应,并定量计算了土体胞元模型的应变梯度和內禀尺度等微细观计算参数。试验结果表明,土体的剪切屈服应力随加强颗粒体积比和平均应变梯度的增加而增加,且与加强颗粒体积比呈近似线性关系,与平均应变梯度呈抛物线关系;加强颗粒粒径对土体的剪切屈服应力影响不明显。土体剪切屈服应力的试验结果与土体胞元模型的预测结果一致。     

岩石单轴压缩下能量与损伤演化规律研究

能量变化是材料各参数变化的本质特征。通过颗粒流模拟岩石单轴压缩试验,从细观力学角度分析能量转化、裂纹扩展及损伤演化规律。颗粒流利用细观颗粒的运动克服了宏观力学理论不易实现试件多裂纹破坏形态的缺点,以此研究能量变化更加合理。应力-应变各阶段能量与微裂纹及损伤存在着相互对应的发展关系。通过3种工况论证了宏-细观力学参数对应关系,采用最小二乘法拟合得出微裂纹与轴向应变呈幂次函数关系。采用割线模量定义损伤变量,取模量加速下降处（对应裂纹加速扩展）为损伤门槛,对应损伤阈值为0.158。3种工况下微裂纹数量与损伤呈线性发展关系,为损伤演化的深入研究提供参考。     

最大准则优化技术在贴体网格中的应用

贴体网格在地质数值模拟中具有广阔的应用前景,为解决贴体网格生成时边界离散问题,提出了最大长度准则和最大面积准则,把曲线逼近和曲面网格优化问题转化为数学优化问题,为求解该问题,提出了改进的单粒子优化算法.试验表明,最大长度准则和最大面积准则的优化效果好于常规方法;以改进的单粒子优化算法求解该问题时,计算效率是智能单粒子优化算法的30倍左右（节点量为200）,从而实现最大长度准则和最大面积准则在贴体网格生成中的应用.针对最大面积准则优化曲面网格不能控制网格步长的情况,提出了限定步长的网格优化算法,使网格步长合理化,并通过实例验证了该算法的有效性.研究成果提供了生成贴体网格时边界优化准则和求解方法,对今后复杂边界的贴体网格生成具有重要意义.     

冻融循环作用下黄土孔隙率变化规律

冻融循环作用通过破坏黄土颗粒的大小和土体的骨架及组构影响黄土的孔隙率. 通过颗粒分析实验发现冻融循环后土体颗粒有变小趋势,且集中分布在0.01～0.05 mm,在冻融10次后颗粒大小趋于稳定. 对经历冻融循环后的黄土进行压汞实验,发现随着冻融次数的增加,土体孔隙中的大孔径先减少,后增多;小孔径先增多,后减少,最后向5～10 μm范围内集中. 土的孔隙率也随冻融次数的增加而发生变化. 原状黄土的孔隙率在冻融5次时达到最小值,在冻融10次时达到最大值,冻融10次之后原状黄土的孔隙率在40%上下波动,达到稳定状态. 重塑黄土在冻融3次时孔隙率减少了6%并达到最小值,在冻融5次时孔隙率增加3%并达到最大值,最后在40%上下波动,达到稳定状态. 渗透系数的变化曲线与通过压汞实验获得的孔隙率变化曲线相似,印证了随着冻融次数的增加黄土的孔隙率呈先减小,后增大,然后趋于稳定的变化规律.     

多块体形状堆石体碾压颗粒破碎数值模拟

通过6种典型堆石块体的形状近似,分别采用两种接触本构模型建立了多块体形状堆石体离散元数值模型,研究堆石体在碾压荷载作用下的颗粒破碎过程,建立颗粒破碎的量化计算方法,分析碾压前、后堆石级配曲线的变化,讨论接触本构模型和颗粒形状对块体破碎的影响。模拟结果显示,碾压荷载下堆石颗粒以张拉破碎为主,随着碾压遍数的增加,局部开始出现剪切破碎;提出的颗粒破碎量化计算方法,在大粒径范围对粒径变化幅度预测偏大,但级配曲线整体趋势与实测结果比较吻合;相比较于接触连接模型,平行连接模型与现场碾压试验结果更接近。6种块体形状的数值结果显示,随着形状系数的增加,在其他条件不变的情况下颗粒破碎率逐渐降低,其中类长方形块体在碾压荷载作用下颗粒破碎最明显。相比较于纯圆颗粒或者单一非圆颗粒,采用的6种颗粒形状建立的堆石体振动碾压离散元模型,更接近现场实际情况。     

全尾砂-废石混合回填膏体渗透特性试验研究

塌陷区混合回填膏体是由全尾砂、废石人工制备得到的复合宽粒级散体,其渗透性能直接影响到塌陷区回填体稳定性及次生灾害发生的可能性。采用自制的渗透性试验装置,研究了废石含量、废石粒径对混合回填体渗透系数的影响,并对回填体固有特征参数（粒径小于0.075、0.02 mm颗粒含量、不均匀系数 、平均粒径）与渗透系数之间关联性进行了研究。试验结果表明,回填膏体渗透系数随废石掺量及粒径增大而增加,细粒效应显著。回填体中粒径小于0.075、0.02 mm颗粒含量对其渗透性影响至关重要,与渗透系数呈负指数关系。渗透系数随 值增大而增大。当 20时,渗透系数增加趋于稳定。给出了混合回填体渗透系数定量方程,其结果与试验结果较为一致。     

崩积混合体直剪试验与PFC2D数值模拟分析

通过野外崩积混合体结构特征分析,考虑原样级配,开展对崩积混合体重塑样的室内大尺度直剪试验研究,结合PFC2D颗粒离散元仿真试验,分析了不同含石量情况下崩积混合体变形与强度变化规律及内在机理。将数值试验的成果与室内试验结果进行对比分析。结果表明,随着含石量的增加,崩积混合体的应变硬化效应显著。低法向应力下崩积混合体表现为剪胀,高法向应力下则表现为剪缩;当含石量低于40%时,崩积混合体的力学性质由土体控制,超过80%以后,其力学性质基本上完全由块石控制。     

基于粒子群优化神经网络算法的深基坑变形预测方法

深基坑变形预测是进行施工参数调整和确保深基坑施工安全的重要手段,而如何对其变形进行有效、准确的预测是一个有待解决的技术难题。采用粒子群优化算法对神经网络模型的初始权值和阈值进行优化,并将已有的变形监测数据作为神经网络的输入参数,建立了基于粒子群优化神经网络算法的深基坑变形预测方法。将形成的方法应用于长春市火车站北广场深基坑开挖监测工程中。结果表明：8号水平位移测点预测结果的均方根误差为3.78%,平均百分比误差为5.48%;9号地面沉降点预测结果的均方根误差为5.62%,平均百分比误差为3.23%。经验证,本文方法预测深基坑开挖过程中的变形具有较高的可信度。     

内蒙古一次强沙尘暴过程综合观测分析

利用高空、地面常规观测资料和内蒙古沙尘暴监测站的沙尘暴器测资料,对2010年3月19～20日一次强沙尘暴天气过程进行了综合观测分析.结果表明:本次沙尘暴发生前,大气层结稳定并不利于对流的发展.但在700 hPa至500 hPa的强冷平流与850 hPa以下层次的平流差异有利于温度垂直递减率增大,强冷平流的作用使其中心以下层次形成热力不稳定层结,是沙尘暴发生的有利层结条件.当干对流风暴发生并形成沙尘暴天气时,不稳定能量释放,使该层大气趋于中性层结即混合层,混合层可能是其间的一个平衡态.对流层中低层冷平流的强度、位置和层次,一定程度上影响着混合层的厚度和沙尘暴的强度.过程中混合层以下气层温度下降的比较快,加之沙尘暴顶层短波辐射有增温效果,在混合层顶(约500 hPa处)出现逆温盖.强冷空气活动是引发沙尘暴天气的主要原因,沙尘暴天气的发生伴随着地面剧烈降温,相对湿度骤降,气压涌升,地面风速直接影响沙尘暴强度.可吸入颗粒物(PM10)浓度能更加精细的反映和描述沙尘暴强度的变化.粒子散射系数的变化趋势和PM10浓度的变化趋势非常一致,沙尘暴阶段,散射系数基本在1000Mm-1以上,达到强沙尘暴强度阶段,散射系数基本在2000Mm-1以上.     

Magnetic Susceptibility in Surface Sediments in the Southern South China Sea and Its Implication for Sub-sea Methane Venting

In order to understand the characteristics of magnetic variability and their possible implication for sub-sea methane venting,magnetic susceptibility (MS) of 145 surface sediment samples from the southern South China Sea (SCS) was investigated.Magnetic particles extracted from 20 representative samples were also examined for their mineral,chemical compositions and micromorphology.Results indicate that MS values range between -7.73×10-8 and 45.06x10-8 m3/kg.The high MS zones occur at some hydrecarbon-bearing basins and along main tectonic zones,and low ones are distributed mainly within the river delta or along continental shelves.Iron concretions and manganese concretions are not main contributors for high MS values in sediments,while authigenic iron sulphide minerals are possibly responsible for the MS enhancement.This phenomenon is suspected to be produced by the reducing environment where the high upward venting methane beneath the seafloor reacts with seawater sulfate,resulting in seep precipitation of highly susceptible intermediate mineral pyrrhotite,greigite and paramagnetic pyrite.It suggests that MS variability is possibly one of the geochemical indicators for mapping sub-sea zones of methane venting in the southern SCS.