Analysing laser‐scanned digital terrain models of gravel bed surfaces: linking morphology to sediment transport processes and hydraulics

The grain‐scale topography of a sediment surface is a key component of a fluvial system, affecting aspects including sediment transport, flow resistance and ecology. However, its effect is hard to quantify because of the need for grain‐scale elevation data from in situ fluvial gravel surfaces which are difficult to collect. The sediment surface properties are, therefore, commonly estimated as a function of the sediment grain‐size distribution; however, because of additional factors, such as grain packing and shape, there is not necessarily a unique relationship between the two. A new methodology has been developed that uses terrestrial laser scanning to collect grain‐scale topographic data from in situ fluvial gravel surfaces, from which digital terrain models are created. This paper investigates methods of analysing such digital terrain models, and possible sedimentological interpretations that can be drawn from the analysis. Eleven digital terrain models from exposed gravel surfaces in two contrasting rivers (the River Feshie and Bury Green Brook) were analysed by calculating: the distribution of surface elevations, semivariograms, surface inclinations, surface slopes and aspects and grain orientation. The distribution of surface elevations and surface slope and aspect analysis were found to be most informative. In the River Feshie, grain‐size was interpreted as being a dominant control on sediment surface structure and gravel imbrication was identified. In Bury Green Brook, the location of the digital terrain models within the riffle–pool sequence was the dominant control on surface structure and grain orientation. Such digital terrain models therefore provide a new approach to measuring and quantifying the topography of fluvial sediment surfaces.     

广州市公园表层土壤中有机氯农药的分布特征

通过测定广州市典型公园的冬季和夏季表层土壤样品中有机氯农药(OCPs)含量,研究了OCPs的残留现状和潜在生态风险,并与附近地区相比较,结合当地所处的地理位置对土壤中OCPs的分布特征进行了探讨。冬季和夏季土壤中,六六六类(HCHs)的残留水平分别为0.29~6.26 ng/g和0.60~8.07ng/g,平均值分别为2.06和2.44 ng/g;滴滴涕类(DDTs)的残留水平分别为3.27~38.8 ng/g和1.46~35.5 ng/g,平均值分别为12.4和12.5 ng/g。两类OCPs都未超过国家土壤环境质量标准一级自然背景值。较低的α-HCH/γ-HCH比值和γ-HCH>β-HCH,有可能仍有林丹的使用所致。一些公园可能有新的外源DDTs的输入。历史悠久且距离市中心较近的公园土壤中OCPs含量明显偏高。对于大多数新建且相对偏僻的公园而言,表层土壤一般都未见明显的OCPs污染。     

高温冻结粉土力学特性试验研究

为了探讨高温冻结粉土的力学特性,进行了一系列常规三轴压缩和三轴压缩加卸载试验。结果表明：（1）随着围压的增大,应力应变曲线先表现为应变软化,后应变硬化,最后又应变软化。（2）体积应变曲线均表现为先体缩后体胀,且围压越大,体胀越弱。（3）通过引入改进的双曲线模型,能较好地模拟应变软化和硬化特性。在q-p平面内建立了一个新的强度准则,并利用修正Mohr-Coulomb屈服准则,探讨了黏聚力c和内摩擦角φ的变化规律。根据试验结果,确定了不同围压及不同加卸载循环次数下高温冻结粉土的回弹模量及其损伤变化规律。最后,建立了塑性体积变形和塑性剪切变形之间的关系式和表达式,进一步探讨了高温冻结粉土的剪胀特性。     

弱胶结砂砾岩地层钻头研制及提速工具配套研究

针对弱胶结砂砾岩地层钻井过程中面临的PDC钻头崩齿、碎齿严重,钻头先期损坏使得单只进尺少,钻井成本高等技术难题,从弱胶结砂砾岩地层岩石力学特性分析、锥齿PDC钻头研制及提速工具配套等方面着手,研究形成了适合弱胶结砂砾岩地层钻井提速的锥齿微心PDC钻头;并通过选用恒扭矩工具配合该型钻头在胜利油田利567区块进行现场应用,取得了良好的效果,大大延长了钻头的使用寿命,起到了提高机械钻速和降低钻井成本的目的。     

多投影面下珊瑚砂砾颗粒形貌量化试验研究

珊瑚砂砾是一种由死亡的珊瑚、贝类等遗骸经过了漫长的物理与化学风化作用形成的一种特殊岩土介质。珊瑚砂砾颗粒具有易破碎的特点,其细观结构对岛礁地基的宏观力学性能有着重大影响,而砂土颗粒形貌的定量化一直是未能很好解决的技术难题。利用PartAn颗粒形貌观测系统可对同一砂土颗粒的多角度下投影图像进行研究,并通过多种参数对砂土颗粒的形貌进行评估,进而精确区分珊瑚砂砾中枝状、棒状、片状、块状颗粒的形貌特征,适用于不同形状砂砾材料的大量样本的快速测量。同时所得测试数据也可作为数值模拟的基础数据库,为随机生成不规则颗粒的手段提供了数据资源支撑。试验中对17万个单独颗粒进行了形貌量化分析,所得数据库量大,具有较高的统计可信度,同时免除了试验前人工挑选试样所带来的人为因素的干扰影响。所得珊瑚砂砾分形数据具有较高真实度,可为珊瑚砂砾在荷载作用下颗粒破碎的定量化提供可靠方法。     

含石量对土石混合体剪切特性的影响

为了探究不同含石量对土石混合体的抗剪强度及剪胀性的影响,利用先进的大型单剪试验仪进行了21组大型单剪试验。试验设计了从0%～80%含石量共7组试验样品,在100、200、300 kPa三种不同的法向压力下进行单剪试验。基于试验结果,分析了含石量对土石混合体的抗剪强度和剪胀、剪缩特性之间的关系。试验结果表明,在相同的法向压力下,随着含石量的增加,土石混合体的内摩擦角及黏聚力总体上有先增大后减小的趋势。当土石混合体在含石量为40%～50%之间时,其抗剪强度最大。研究表明：土石混合体抗剪强度受到土石混合体孔隙比的影响,同时随着含石量的增加,土石混合体中的结构形式及主导颗粒也相应的发生变化。当含石量在0%～20%之间时,细集料在土石混合体中占主导地位,土石混合体为悬浮密实结构,此时土石混合体的抗剪强度与基质颗粒的性质相近;当含石量在20%～50%时,土石混合体为骨架孔隙结构,随着含石量的增加,土石混合体的骨架逐渐形成,颗粒之间咬合力增加,使得黏聚力及内摩擦角都有明显提高;当含石量超过50%之后,土石混合体表现为骨架密实结构,孔隙率开始上升并且细粒料开始大幅减少,细集料不能充分填充块石之间的孔隙,于是土石混合体抗剪强度开始下降。     

从各向异性的角度解释和模拟土的非共轴特性

从发挥面的角度出发,分析论证各向异性是引起岩土材料出现非共轴现象的根本原因,得到与材料力学一致的结论。当共轭的两发挥面与沉积面的夹角不相等时,主应力面上将出现塑性应变增量的切向分量,所以塑性应变增量的主方向与应力的主方向非共轴。按照这一结论,对非共轴的数值模拟,也应当根据各向异性本构模型进行。为考虑各向异性影响新近提出的各向异性变换应力法,改变了各应力分量的相对大小,得到的各向异性变换应力张量与真实应力张量的主方向不一致,因此也能反映非共轴。利用各向异性变换应力法,能够在现有的弹塑性本构模型的框架下,描述土的非共轴现象。以各向异性UH模型为例,预测各种加载条件下的非共轴变形,验证了该方法的有效性。     

饱和软土成层地基一维非线性固结解析解

假定土体在固结过程中压缩性和渗透性的变化成正比,基于 - 及 - 关系,推导出饱和软土成层地基一维非线性固结解析解,分别给出了按沉降定义和按有效应力定义的每层土平均固结度及整个土层总固结度的计算公式。采用Fortran语言编制了相应的计算程序,将计算得到的结果与已有双层地基一维非线性固结解析解计算结果进行比较,验证该解析解的正确性。利用该程序分析成层地基一维非线性固结性状,分别讨论了初始竖向渗透系数、初始体积压缩系数、荷载值及土层厚度对地基固结性状的影响。分析结果表明：在成层地基一维非线性固结过程中,初始竖向渗透系数对超静孔压的影响较为复杂,对上下层地基固结速率影响不同;初始体积压缩系数增大,超静孔压增大,固结速率变小;所加荷载值越大,超静孔压消散越慢,固结发展越慢;超静孔压消散速率不仅取决于土层厚度,同时取决于各层土渗透性的相对大小。     

波浪作用下饱和砂质海床土体与管线相互作用规律研究

针对波浪引起的饱和砂质海床土体和管线相互作用问题,将Biot动力固结理论与笔者课题组提出的砂土液化变形弹塑性本构模型相耦合,较为合理地再现了简谐波浪作用下较浅饱和砂质海床中管线周围可液化海床土体的超静孔隙水压力瞬态累积变化规律与液化过程。数值计算结果与Sumer等的试验规律一致。结果表明：由于管线的存在,改变了饱和砂质海床液化区域的空间分布。液化首先由管线下部土体开始产生,随着波浪荷载的持续作用,液化区域沿着管线外壁向上演化;同时海床表层土体产生液化并向深层发展,最终管线周围土体都发生液化,这是导致空管上浮的主要原因。当饱和砂质海床中存在管线时,管线附近海床土体液化深度明显变深。超静孔压累积和渗透力变化的耦合作用是导致饱和砂质海床土体产生液化的原因。与将海床土体视为饱和弹性多孔介质相比,可考虑液化全过程的弹塑性动力分析能更为合理地揭示实际波浪作用下饱和砂质海床土体的渗流场和应力场的瞬态时空演变规律。     

坑中坑条件下基坑有限土体的被动土压力计算

坑中坑在基坑工程实践中普遍存在,使得基坑底部土体成为有限土体,因此,常规的建立在半无限空间土体假定上的朗肯土压力理论对于坑中坑条件下的基坑不再适用。基于极限平衡理论和平面滑裂面假定,考虑土体黏聚力和滑动土体不同的形状,推导了4种情况下被动土压力的计算公式,并给出了滑裂面剪切破坏角的数学表达式。通过算例,计算了不同内坑位置条件下被动土压力的大小和变化趋势。结果表明,滑裂面剪切破坏角是与土体内摩擦角、黏聚力、计算深度、内坑大小及位置有关的变量,内坑的存在将降低围护结构上的被动土压力,且存在一个内坑影响最不利位置,此时的被动土压力值最小。成果为基坑围护设计中被动土压力的计算提供了理论基础。