采用赫尔-肖氏薄板开展向源侵蚀过程的动态可视化研究（英文）

目的：粉土、粉（细）砂土承压含水层中的盾构隧道出现渗漏时,土颗粒会在渗流力作用下液化悬浮并随地下水涌入隧道,致使隧道外土层在高速水流侵蚀下快速流失,引起隧道受力模式改变,进而造成衬砌结构的连续破坏（损）甚至垮塌。特别地,当渗漏点位于隧道底部时,侵蚀过程类似于水利大坝中的向源侵蚀,即逆着水流方向在隧道结构底部产生侵蚀空腔,从而导致隧道底部因失去土层支撑而产生大范围沉降和错台。为研究盾构隧道结构底部某点处由径向水流（水流向漏点汇聚）引起的向源侵蚀过程及侵蚀区形态,本文采用物理学中的经典装置,即赫尔-肖氏薄板,开展一系列可视化的模型试验,研究了水流速度及试样厚度对侵蚀过程及侵蚀形态的影响,以加深对向源侵蚀机制的理解。创新点：1.研制了用于研究汇聚流下向源侵蚀过程的赫尔-肖氏薄板仪器;2.清晰地捕捉了向源侵蚀动态发展过程;3.揭示水流速度及试样厚度对侵蚀过程及侵蚀形态的影响。方法：1.采用恒流速试验,模拟瞬间施加水流下的向源侵蚀过程;2.通过数字图像处理技术,定量描述向源侵蚀动态发展过程;3.通过调整板间距及入流速度,分析试样厚度及水流大小对侵蚀过程及形态的影响。结论：1.瞬时恒流下的向源侵蚀...     

人工合成透明砂强度特性影响因素研究

实验室经常需要配置不同强度等级的透明砂进行室内模型试验．所述透明砂是由不同粒径的石英砂和一定浓度溴化钙溶液配制而成的新型人工合成透明材料．为了研究人工合成透明砂强度特性的影响因素,通过对不同单一粒径和不同级配的透明砂进行固结快剪试验,测得了不同透明砂的剪应力-剪切位移曲线并给出了对应的粘聚力和内摩擦角,对比了不同正应力下透明砂的应力路径和抗剪强度,分析了粒径和级配对强度参数的影响规律．结果表明：小粒径透明砂和级配不均匀（大粒径含量过大）的透明砂在较小正应力下表现出应变-软化特性;大粒径透明砂和颗粒级配分布均匀的透明砂在较大正应力下均表现出应变-硬化特性;粒径在较大正应力下对抗剪强度无影响,级配在较小正应力下对抗剪强度无影响;粒径越大级配越均匀的透明砂内摩擦角越大;粘聚力随着粒径增大逐渐减小,但与级配没有必然联系．     

岩土工程中的多场多尺度模拟（英文）

在岩土工程领域,许多应用都涉及到多尺度和多物理场,例如内部侵蚀、水力压裂、能源桩、城市垃圾处理、非常规油气藏的生产、天然气水合物的热激法和降压法开采、路面的冻融循环、放射性废物处理、污染物运移和二氧化碳封存等等。在文献中,这些多物理场通常可能包括以下两个或者两个以上方面：固体变形、流体流动扩散、热传导和热对流、化学/生物反应、电场等等。此外,所研究的空间尺度可以从纳米级到微米级到数百公里级,时间尺度也可以从纳秒到数百或数千年不等。近些年来,受益于计算能力的持续发展和对精密设备制造的大量投资,数值模拟和多尺度实验室测试已成为地质力学及其相关领域的主流方法。科学家们为了求解多尺度和多物理场过程,已经开发并成功应用了不同的本构理论、控制方程模型、数值离散方法、求解器等等。为此,本专题收集在该研究领域具有代表性的研究成果,涵盖用计算流体动力学和离散元法进行多层土的潜蚀模拟、裂缝变形滞回曲线对二氧化碳吞吐的影响、盐碱岩和石膏岩的溶解、射孔围岩水力压裂的起裂过程这四个方面。我们希望通过本专题,能帮助读者加强对各个研究领域的理解,进一步推动多场多尺度问题的应用和发展。     

考虑尺寸效应影响的准脆性材料断裂特性

为研究尺寸效应对准脆性材料抗裂性能的影响,以石膏为研究对象,对直径分别为60、100、150、200 mm的半圆弯曲(semi-circular bend, SCB)试样和中心直裂纹半圆弯曲(notched semi-circular bend, NSCB)试样进行了三点弯曲加载,分析了尺寸效应影响下准脆性材料的断裂特性演化规律,包括荷载-位移曲线、抗拉强度(σ_t)、断裂韧度(K_ⅠC)、断裂能(G_f)和断裂过程区长度(r_c)。结果表明：2种试样的荷载-位移曲线形态基本一致,表现为典型的脆性破坏;预制裂纹的存在降低了试样承载能力,相同尺寸下SCB试样的峰值荷载约为NSCB试样的5.57～6.25倍;σ_t随试样直径的增大逐渐降低,而K_ⅠC呈现相反的规律,尺寸效应对σ_t的影响更显著;极限裂纹张开位移随试样尺寸的增大逐渐增大,G_f与试样直径具有良好的线性关系;大尺寸试样具有较大的r_c值,且r     

赣南不同园龄脐橙园土壤抗侵蚀性能比较研究

在江西赣州选取20年脐橙园和10年脐橙园开展土壤抗侵蚀性能比较研究,测定其土壤抗冲性、抗蚀性、水稳性团聚体组成及特性、颗粒组成等理化性质.结果表明20年脐橙园的土壤抗冲指数、水稳性指数、平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、有机质含量均大于10年脐橙园.说明种植时间较长的脐橙园土壤其水稳性团聚体更稳定,有机质含量更高,有助于提高土壤的抗侵蚀性能.     

级配对砂泥岩混合料压缩特性的影响

为了研究颗粒粒径对砂泥岩混合料压缩特性的影响,在一定的砂泥岩比例、干密度以及含水率的条件下,采用杠杆式压缩固结仪对5种不同试验级配下的砂泥岩混合料土样进行快速室内侧限压缩实验,得出5种级配下土样的e-p曲线和e-lgp曲线,并计算出土样的孔隙比、压缩系数、压缩指数等压缩指标.探讨了砂泥岩混合料压缩特性与颗粒粒径的关系,分析了试验土体颗粒级配特征值对砂泥岩混合料压缩特性的影响,为实际工程应用提供了参考依据.     

香港科技大学土工离心机先进模拟技术在岩土工程中的应用(英文)

研究目的:采用香港科技大学的先进土工离心模拟技术来研究和解决复杂的岩土工程问题。创新要点:1.验证竖向钻孔开挖技术(应力释放)对建筑纠偏的有效性;2.研究隧道坍塌对其邻近既有隧道的影响;3.研究基坑开挖对坑中既有桩基承载力的影响;4.揭示不同颗粒级配形成的土坡在水位上升和动力荷载作用下的破坏模式。研究方法:1.用香港科技大学全球首台离心机中的双向震动台(见图5)模拟地震荷载对土坡的影响;2.用香港科技大学全球第二台四轴机械手(见图6)模拟不停机情况下的钻孔开挖。重要结论:1.竖向钻孔开挖技术能有效地对建筑物进行纠偏;2.隧道坍塌会对其邻近既有隧道产生很大的附加弯矩,尤其是拱脚处的弯矩可增加多达228%;3.基坑开挖后坑中桩基的承载力取决于桩土接触面的粗糙程度,粗糙的桩-土接触面在剪切过程中倾向于发生剪胀,这会增大桩周围土的水平土压力,从而使桩基承载力增加;4.当水位上升时,颗粒均匀,级配差的松散砂土坡容易发生静态液化;相反地,颗粒级配好的松散砂土坡(风化土)不太可能发生静态液化,而只是发生整体滑动破坏;5.离心机双向震动台实验显示松散的风化岩土坡在0.3g的地震加速度作用下不会发生液化,可以抵御香港地区的地震荷载(0.08g到0.11g)。     

基于PCAS对砂土孔隙特征的识别与应用

为探究砂土粒径、颗粒级配与孔隙特征的关系,采用60目、80目、100目3种规格石英砂人工配置5种类型砂土,利用激光粒度仪和电镜扫描得到5种砂土的粒径累积百分数和135张砂土断面SEM(Scanning Electron Microscope)图像,使用PCAS软件和体积分形数学公式,分别对SEM图像和5种砂土的颗粒粒径累积百分数进行分析。分析显示,砂土颗粒在0. 8～1 000、50～500、0. 8～50μm粒级的体积分形维数数值范围分别为2. 093 77～2. 294 96、1. 298 7～2. 194 25、2. 014 9～2. 280 15;砂土孔隙分形维数数值和孔隙度分别为1. 117 9～1. 133 9、0. 519 4～0. 597 2。体积分形维数数值越大,砂土的颗粒级配越优;除砂土的粒径粗细程度影响孔隙分形维数外,颗粒级配也影响砂土的孔隙分形维数,颗粒级配越优,孔隙分形维数越大;相较于砂土的颗粒粒径大小,颗粒级配是影响砂土孔隙度的主要因素,颗粒级配越劣,砂土孔隙度越大。     

形貌基因突变与衰减对于颗粒材料能量耗散行为的影响（英文）

目的：本文旨在探讨不同尺度颗粒形貌特征对于砂土应力-应变以及能量耗散行为的影响。方法：1.通过同步X射线计算断层扫描实验,提取高精度的真实颗粒形貌,并通过三维点云表征;2.通过基于球谐分析的主成分分析方法,构建不同尺度下颗粒形貌的突变与衰减;3.通过离散单元法仿真,模拟不同形貌试件的三轴剪切过程,并进一步讨论不同尺度颗粒形貌对于颗粒材料应力-应变以及能量耗散行为的影响。结论：1.通过比较较松散和较密实的试件,发现对于较松散试件,颗粒形貌对颗粒材料的初始刚度、应力-应变、体积应变和摩擦能量耗散等响应的影响更为明显;2.对于不同尺度下的颗粒形貌,局部圆度较长径比对颗粒材料宏观响应的影响更大;3.颗粒材料的能量耗散行为由颗粒形貌和初始孔隙率共同决定。     

Al2O3颗粒对丁腈橡胶/316L不锈钢配副摩擦磨损行为的影响

目的：研究弹性体/金属配副在硬质颗粒环境下的摩擦磨损行为,分析有无颗粒及颗粒尺寸大小对摩擦学特性的影响,为橡塑密封设计提供参考。创新点：基于橡胶O型圈常见失效机制,模拟橡胶密封圈在颗粒介入时的摩擦磨损行为,探讨硬质颗粒及其颗粒尺寸对橡胶/金属摩擦配副的影响。方法：1.采用球/平面接触方式,开展丁腈橡胶/金属（316L）配副在Al2O3颗粒环境下的摩擦磨损行为,通过考察摩擦系数时变曲线、摩擦副磨损形貌及其损伤机制等特性,揭示 Al2O3颗粒对丁腈橡胶/316L不锈钢配副摩擦磨损行为的影响。结论：1. Al2O3颗粒进入橡胶/金属摩擦配副明显降低摩擦系数、硬质颗粒的犁削作用,加剧金属偶件的磨损;2.大尺寸的Al2O3颗粒能嵌入橡胶基体并加速橡胶的磨损,对金属有微切屑作用;然而随着颗粒尺寸的减小,颗粒反而减缓橡胶的磨损;3.在有无颗粒和不同颗粒尺寸的情况下,橡胶和金属均表现出不同的损伤机制。     

纳米尺度AgBr/I乳剂颗粒的光电子衰减行为

本文以鱼明胶为保护介质,在不同的鱼明胶-溴化银比值下,采用双注法制备AgBr/I纳米颗粒乳剂,以TEM观测颗粒形态,据此统计得出该乳剂中AgBr/I纳米颗粒平均粒径(d)及粒径分布系数(|±σ|/d).鱼明胶-溴化银比值在0.31 g/mmol-0.62 g/mmol范围内,颗粒平均粒径仅有微小变化,但粒径分布系数随该比值的增大而减小,表明颗粒均一性提高.采用微波光导法对该纳米尺度AgBr/I乳剂颗粒的光电子衰减过程进行测试,结果表明,纳米尺度Ag-Br/I乳剂颗粒的光电子衰减过程为双组分,即初始快衰减和随后慢衰减,其衰减过程皆符合一级动力学规律.该纳米尺度乳剂颗粒光电子寿命较常规乳剂颗粒明显缩短.     

复合型土壤固化剂稳定碎石土无侧限抗压强度影响因素分析（英文）

为明晰多种因素对复合型土壤固化剂稳定碎石土基层强度的影响情况,采用正交试验,研究了当固化剂剂量为8%,10%,12%,养护时间为7,14,21d,级配粗细n为0.3,0.35,0.4及压实度为95%,97%,99%时无侧限抗压强度的变化规律.极差分析结果表明,上述4个因素对无侧限抗压强度的影响程度由大到小为:剂量、养护时间、级配粗细、压实度;方差分析结果表明,只有固化剂剂量能够显著影响基层无侧限抗压强度.因此,在该基层施工过程中,相对于级配和压实度,应加强施工过程中固化剂剂量的控制以及基层养护,以获得满意的基层强度.     

基于离散元的粗集料静压过程的迁移与演化规律（英文）

为研究粗集料在静止压实过程中的迁移与演化规律,基于离散单元法用不规则的多面体颗粒表示真实集料的形态特征,建立了由粗集料、空隙构成的数字试件,同时,建立了由数字试件及3块板构成的静止压实模型.以平均接触力、轴向应力、空隙率及配位数为评价指标,模拟压实位移为7.5,15与30 mm时粗集料在压实过程中的运动规律,并通过室内试验验证了此模型的可靠性.结果表明:轴向应力、平均接触力随着加载的进行,数值逐渐增加,压实位移与轴向应力、平均接触力正相关;不同压实位移的空隙率随着压实的进行不断减小,而配位数逐渐增大;总体上轴向应力、平均接触力、空隙率和配位数等4个指标在不同压实位移情况下变化幅度不同.研究结果为深入分析颗粒材料如沥青混合料或级配碎石的压实机理提供了一种方法.     

土体渗流问题模拟装置的研发及实验教学应用

渗流问题的复杂性和理论性使得传统的教学方法难以给学生直观和深入的认识。为解决教学中存在的问题,研发了一种可调节水头的渗流模型试验装置。该模型装置可以形象地展现渗流过程中土体中的流网;通过调节渗流水头差,可模拟流土、管涌等一系列工程破坏现象;通过改变孔隙比、渗径长度、土的颗粒级配等物理指标,还可以开展多种实验工况下的渗流试验,分析相关参数对试验结果的影响。利用该装置的实验教学可以加深学生对土体渗流问题的理解与掌握,也可为同种类型的土工"三性实验"作有益的参考。     

冻融与复合盐耦合作用下活化煤矸石粉混凝土劣化规律

以质量分数3.5%NaCl和5%Na₂SO₄混合溶液为侵蚀介质,采用快冻法对不同煤矸石粉掺量的混凝土进行冻融循环试验,测定各组混凝土试件的质量损失、相对动弹性模量、抗压强度以及孔结构参数,研究不同掺量的活化煤矸石粉混凝土在冻融循环与复合盐侵蚀耦合作用下的性能损伤劣化规律。研究结果表明：在盐冻循环作用下,不同掺量活化煤矸石粉混凝土的相对动弹性模量和抗压强度变化均呈现前期平缓下降,后期快速下降趋势,而质量损失率则前期缓慢增长,后期快速增加;活化煤矸石粉掺量为20%时,混凝土抗冻性能最优,且经300次盐冻作用后,质量损失率和相对动弹性模量分别为2.43%和90.12%,抗压强度下降了14.47%;活化煤矸石粉能细化孔隙,改善孔径级配,减少有害孔和多害孔的比例,提高混凝土的密实性。     

粉体生产流程中粒径检测的方法研究

粉体颗粒常见的测试方法和仪器有直接观察法、颗粒图像处理仪、沉降法、库尔特粒度仪、激光粒度仪等。这些检测方法具有各自的优缺点,但都不能实现粉体生产流程中的在线检测。以微米级粉体在线粒度检测系统为例,阐述了粉体粒径在线检测相比于离线检测所具有的实时性、连续性及智能性的重要特点。因此,在现代的粉体生产过程中如能实现在线检测则为提高粉体加工质量、节能降耗及环境保护都具有十分重要的意义。     

焊接接头局部腐蚀行为表征的综合实验设计

依托现有的教师科研项目,设计了研究焊接接头多尺度腐蚀行为的综合性实验。该实验针对焊接接头这一非均匀结构的局部腐蚀问题,以微电极阵列为纽带,联用三种电化学测试方法,从三个不同尺度获取电化学信息,并进而对局部腐蚀过程进行准确解析。经典电化学测试结果表明,X80钢焊接接头的各组成部分若孤立存在,在CO₂饱和的3%NaCl溶液环境中的腐蚀电流密度为WM相似文献   

气淬高炉渣颗粒凝固行为数值模拟

针对气淬粒化装置中高炉渣颗粒的凝固行为,采用凝固熔化模型、流体体积函数模型和离散坐标辐射模型进行了三维瞬态模拟。考虑炉渣凝固过程中的物性参数变化,主要研究了颗粒的凝固过程、相界面移动速度、颗粒温度分布及周围空气速度分布。结果表明:颗粒凝固过程中固相分布不均匀,迎风面固相厚度大于背风面,这主要由迎风面空气速度比背风面快所致;固相-模糊区界面和模糊区-液相界面移动速度先增加后降低,这是由于在颗粒凝固前期导热系数的影响占主导地位、在凝固后期导热热阻的影响占主导地位;在凝固过程中,颗粒温度由外向内逐渐升高,内部温度降低缓慢。     

SLE(κ,ρ)的可逆轨迹

随机洛纳发展(简称SLE)是由O.Schramm引入用来描述格子模型的尺度极限,其尺度极限满足共形不变性和马尔可夫性质,当■时,起始于(0;b₀)(b₀>0)的通弦SLE(κ,ρ)轨迹满足可逆性。文章在其基础之上,给出了带有力点■的退化中间SLE(κ,ρ)轨迹以及当κ>4时,起始于(0;0⁺,0^-)的通弦SLE(κ′,ρ′)的轨迹特性。     

低液限粉土压实特性试验研究

针对粉土填筑路基易存在的问题,分析了不同级配的土样的压实特性、不同击实功对压实性能的影响及含水量对于压缩指标的影响.试验表明:粉土的压实特性复杂;压实功增加到一定程度,粉土的最大干密度不再增加;含水量对于粉土的压缩指标影响较大.路基压实过程中要选择恰当的压实机具及压实遍数;严格控制含水量,尤其是控制填土的含水量不大于最佳含水量,以保证填土路基的稳定性.