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基于颗粒重组理论的水合物沉积物温-压耦合热力学模型

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岩土工程学报 2023年

作者：周瑞白冰杨光昌北京科技大学土木与资源工程学院北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室

水合物沉积物赋存时的温度和孔隙水压变化对沉积物的力学性质影响明显。基于颗粒重组理论,通过引入温-压耦合系数δ、剪应变和体应变胶结应力衰减方式(λv和λs)和水合物饱和度影响下的剪胀方程d,建立了水合物沉积物温-压耦合热力学模... 详细信息

水合物沉积物赋存时的温度和孔隙水压变化对沉积物的力学性质影响明显。基于颗粒重组理论,通过引入温-压耦合系数δ、剪应变和体应变胶结应力衰减方式(λv和λs)和水合物饱和度影响下的剪胀方程d,建立了水合物沉积物温-压耦合热力学模型。利用数值模拟结果同室内试验结果的对比分析,从宏观力学性质变化和微观作用机理两个角度探讨了围压、水合物饱和度和温-压耦合系数对沉积物力学特性的影响。最后,对模型中的刚度系数和体应变衰减参数进行敏感性分析。结果表明:引入温-压耦合系数的水合物沉积物模型能够很好的描述沉积物赋存的温度和水压同其力学特性变化关系。环境温度降低和水压增大增强了微观层面水合物的胶结强度和刚度,宏观表现为峰值强度、应变软化和剪胀性提高。刚度系数γ通过增大沉积物初始刚度使得沉积物表现出更强的峰值强度。体应变衰减参数λv通过提高胶结应力衰减速率增强沉积物的应变软化特性。

关键词：温-压耦合系数颗粒重组理论热力学模型水合物沉积物剪胀方程

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基于墙后填土各向异性强度的土压力计算方法

长江科学院院报 2023年第1期40卷 116-122,131页

作者：刘洋王怡萱杨光昌北京科技大学土木与资源工程学院北京100083

基于散体介质宏微观力学分析,通过引入平均投影固体路径和真应力两个物理量,建立了砂土原生各向异性强度准则。当应力主方向和组构主方向重合或接近时,砂土强度显著提高。在此基础上,推导了具有原生各向异性的地层的土压力计算公式,并... 详细信息

基于散体介质宏微观力学分析,通过引入平均投影固体路径和真应力两个物理量,建立了砂土原生各向异性强度准则。当应力主方向和组构主方向重合或接近时,砂土强度显著提高。在此基础上,推导了具有原生各向异性的地层的土压力计算公式,并对朗肯土压力系数进行了修正。分析了原生各向异性和内摩擦角对墙后土压力的影响。理论预测结果与试验数据对比分析表明:原生各向异性的大小和方向均对土压力产生影响,当各向异性方向改变时土压力的变化规律不同;随着内摩擦角的增大,各向异性和各向同性条件下的主动土压力强度都逐渐减小,当原生各向异性方向改变时,这一规律同样适用。文中建立的土压力计算方法考虑了地层的各向异性影响且形式简洁,便于工程应用。

关键词：原生各向异性强度准则土压力挡土墙砂土

考虑超固结效应的不同温度路径下饱和粉质黏土的热固结

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岩土力学 2018年第1期39卷 71-77页

作者：杨光昌白冰北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

通过室内试验,研究了超固结比OCR对不同温度路径下中空圆柱饱和粉质黏土热固结特性的影响。研究表明,同一升温过程、不同超固结比试样所产生的最大孔压基本相同,但在相同的降温过程中,随着OCR的增大,产生的负孔压的绝对值有增大的趋势;... 详细信息

通过室内试验,研究了超固结比OCR对不同温度路径下中空圆柱饱和粉质黏土热固结特性的影响。研究表明,同一升温过程、不同超固结比试样所产生的最大孔压基本相同,但在相同的降温过程中,随着OCR的增大,产生的负孔压的绝对值有增大的趋势;升温或降温过程产生的体应变随着OCR的增大而减小,呈指数形式变化,并且温度幅度越大,这种变化幅度也越大;经过升温-降温过程后的最终体应变也随着OCR的增大而减小;升温或降温到同一温度值,其过程设置的温度等级越多,固结体应变也越大,并且随着OCR的增大,不同等级之间的体应变差值减小,而OCR对不同等级升温-降温后的最终体应变间的差值影响较小。

关键词：超固结比温度路径孔压体应变粉质黏土

不同升温-降温路径下中空圆柱饱和粉质黏土的热固结

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工程力学 2018年第9期35卷 126-134页

作者：杨光昌白冰北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

利用自行研制的适用于中空圆柱体试样并可控制试样内、外边界温度的热固结试验装置,进行了一种饱和粉质黏土的热固结试验。温度路径包括试样内、外边界等温单级和多级升温-降温以及内、外边界不等温多级升温-降温,温度荷载的施加范围为2... 详细信息

利用自行研制的适用于中空圆柱体试样并可控制试样内、外边界温度的热固结试验装置,进行了一种饱和粉质黏土的热固结试验。温度路径包括试样内、外边界等温单级和多级升温-降温以及内、外边界不等温多级升温-降温,温度荷载的施加范围为25℃~75℃,围压为50 k Pa、100 k Pa、150 k Pa、200 k Pa四种情况。论文研究了不同升温-降温路径和不同固结压力条件下饱和粉质黏土的孔隙水压力和固结体应变随时间的演化规律,并对不同温度路径下的试验结果进行了比较。分析表明:同一温度路径下,围压越大,升温或降温所产生的最大归一化孔隙水压力的绝对值越小,固结体应变的大小与围压大小并不成单调关系;同一围压下,升温或降温幅度越大,所产生的最大归一化孔隙水压力的绝对值越大,相应的固结体应变也越大;经过不同温度路径升、降温到同一温度值,设置的温度等级越多,产生的体应变也就越大,并且相同温度等级路径,内、外等温的情况要比不等温情况产生的体应变大。

关键词：中空圆柱试样饱和粉质黏土温度路径体应变孔压

基于颗粒物质热动力学理论的非饱和土热水力耦合模型研究

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岩土工程学报 2019年第9期41卷 1688-1697页

作者：杨光昌白冰北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室

基于颗粒物质热动力学理论和混合物理论,结合改进的土水特征曲线(SWCC)模型,考虑温度和饱和度变化引发的颗粒层次能量耗散,提出了一个非饱和土的热水力耦合模型。该模型引入颗粒熵和颗粒温度的概念,通过构建热力学恒等式得出非饱和土非... 详细信息

基于颗粒物质热动力学理论和混合物理论,结合改进的土水特征曲线(SWCC)模型,考虑温度和饱和度变化引发的颗粒层次能量耗散,提出了一个非饱和土的热水力耦合模型。该模型引入颗粒熵和颗粒温度的概念,通过构建热力学恒等式得出非饱和土非弹性变形的本构关系,并通过迁移系数和能量函数模型将非饱和土体的耗散机制与宏观的物理力学行为建立联系。基于该理论模型,研究了非饱和土的热水力耦合问题,通过模拟结果与试验数据的对比,证实了模型的有效性。模拟结果表明,模型具有描述非饱和土在不同温度和吸力下的固结和剪切特性以及非等温条件下的热体应变特性的能力。

关键词：非饱和土颗粒物质热动力学耦合模型温度

循环温度荷载引起的饱和粉质黏土的超固结效应

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应用基础与工程科学学报 2018年第4期26卷 863-871页

作者：白冰桑有为杨光昌北京交通大学土木建筑工程学院

对正常固结的饱和粉质黏土试样进行升温-降温过程的室内热固结试验,温度变化过程为25℃→75℃→25℃→75℃….温度循环变化过程中不允许试样排水,而当温度稳定后进行排水固结,进而得到整个温度循环过程中的孔隙水压力消散以及固结体应... 详细信息

对正常固结的饱和粉质黏土试样进行升温-降温过程的室内热固结试验,温度变化过程为25℃→75℃→25℃→75℃….温度循环变化过程中不允许试样排水,而当温度稳定后进行排水固结,进而得到整个温度循环过程中的孔隙水压力消散以及固结体应变变化过程.在初始温度下（25℃）,对另外一些试样施加较大的固结压力完成初始固结,然后再卸荷至较小的固结压力,形成不同超固结比土样（OCR=1,2,3,4）,并进行升温-降温（25℃→75℃→25℃）的热固结试验.基于以上试验,建议了一个循环温度荷载作用下正常固结土和超固结土样的似超固结比的估算方法.研究表明,无论是正常固结土样还是超固结土样,在经过多次温度循环荷载作用后,会呈现为明显的超固结效应.而在相同的循环次数下,温度荷载作用引起的超固结效应随围压的减小而更为明显.

关键词：饱和粉质黏土循环温度荷载似超固结比孔隙水压力体应变

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描述饱和砂土剪切特性的一个热力学本构模型

哈尔滨工业大学学报 2021年第11期53卷 93-100页

作者：杨光昌白冰刘洋陈佩佩北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 北京建筑大学理学院北京102616

砂土的力学特性十分复杂,与其所处的物理状态直接相关,表现为松砂的剪缩以及密砂的剪胀特性,受相对密度和有效围压的共同影响。为有效地描述饱和砂土在不同物理状态下的剪切特性,基于颗粒物质热动力学理论,考虑颗粒层次能量耗散机制,并... 详细信息

砂土的力学特性十分复杂,与其所处的物理状态直接相关,表现为松砂的剪缩以及密砂的剪胀特性,受相对密度和有效围压的共同影响。为有效地描述饱和砂土在不同物理状态下的剪切特性,基于颗粒物质热动力学理论,考虑颗粒层次能量耗散机制,并结合引入状态参数的剪胀方程,发展一个饱和砂土的热力学本构模型。该模型形式较为简单,不涉及屈服准则、流动法则等概念,而是引入颗粒熵和颗粒温度的概念来描述砂土内部的不可逆变形,并通过迁移系数和能量密度函数将饱和砂土内部的能量耗散机制与宏观力学行为建立联系。模型可以反映饱和砂土在剪切过程中由于相对密度和有效围压的变化对土体强度和变形特性的影响。基于模拟计算结果与等向压缩、三轴不排水以及排水剪切试验结果的对比,验证了模型描述饱和砂土剪切特性的能力。

关键词：能量耗散本构模型状态参数剪胀性饱和砂土

不同升—降温路径下中空圆柱饱和黏性土试样的热固结研究

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不同升—降温路径下中空圆柱饱和黏性土试样的热固结研究

作者：杨光昌北京交通大学

学位级别：硕士

温度对饱和黏性土力学特性的影响是近年来岩土工程领域研究的一个热点课题,在热能贮存、地热资源开发、核废料处置、供热管道设计、软土地基加固等工程领域有良好的应用背景。目前国内外对饱和黏土热固结问题,特别是含有内热源的热-水-... 详细信息

温度对饱和黏性土力学特性的影响是近年来岩土工程领域研究的一个热点课题,在热能贮存、地热资源开发、核废料处置、供热管道设计、软土地基加固等工程领域有良好的应用背景。目前国内外对饱和黏土热固结问题,特别是含有内热源的热-水-力特性问题无论在室内试验研究方面还是在解析和数值分析方面均有一定的研究成果。但同时也可发现,现有关于热固结的研究尚未形成完整的理论体系,尤其是不同温度路径下饱和黏土的热响应问题研究不够明确。因此,本文利用自行研制的热固结试验装置,深入系统地开展了不同温度路径下饱和黏土的热固结特性研究,主要工作如下：(1)测定了内外边界等温(室温250C)条件下,不同应力状态下(50kPa,100kPa,150kPa,200kPa)的固结过程,包括孔隙水压力的消散过程,体应变随时间的变化过程,以及固结过程中的温度波动。(2)测定了内外边界在相同温度荷载作用下,同一应力状态下,不同升-降温路径(单级升-降温路径：25℃一40℃一25℃,25℃一50℃一25℃,25℃一60℃一 25℃,25℃一75℃一25℃;多级升-降温路径：25℃一40℃一50℃一60℃一75℃一 60℃一50℃一40℃一25℃)的热固结过程,以及同一升-降温路径在不同应力状态下的热固结过程。包括不排水升降温的温度和压力室内水体积的变化,孔隙水压力的演化过程,固结体应变的演化过程。(3)对比分析了内外边界在相同温度荷载作用下,单级升-降温路径与多级升-降温路径在四种应力状态下固结过程,以及内外边界不同温度荷载作用下,多级升-降温路径(内边界：25℃一50℃一50℃一75℃一75℃一25℃,外边界：25℃一 40℃一50℃一60℃一75℃一25℃;内边晃：25℃一40℃一50℃一60℃一75℃一50℃一 25℃,外边界：250C一500C一50℃一75℃一75℃一50℃一25℃)与内外边界相同温度荷载作用下多级升-降温路径热固结过程。(4)推导了考虑多孔介质密度、孔隙率等材料参数随温度和压力为非线性变化的热-水-力耦合控制方程,其中采用了非线性弹性本构方程以及粘性耗散性等热源项,并针对一维热源情形分析温度、孔压和位移等的演化过程。基于论文试验结果,得出不同升-降温路径下饱和黏土热固结过程中孔压和体应变的演化规律,建立了虑多孔介质密度、孔隙率等材料参数随温度和压力为非线性变化的热-水-力耦合模型,并分析了-维热源情形的温度、孔压和位移的演化过程。论文成果进-步发展和完善了饱和黏土的热固结理论,对一些涉及土体温度效应的工程应用也有一定的指导价值。

关键词：温度路径热固结体应变孔压三场耦合

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半导体异质结的界面热阻模型研究

工程热物理学报 2024年第4期45卷 1132-1138页

作者：杨光曹炳阳清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

本研究提出了一种考虑声子界面透射与散射、过渡层内部声子散射,以及过渡层残余应力耦合作用的异质结等效界面热阻模型。基于该模型计算了两种典型GaN/AlN/Si半导体异质结样品的等效界面热阻,在所研究的温度下模型预测值与实验结果符合... 详细信息

本研究提出了一种考虑声子界面透射与散射、过渡层内部声子散射,以及过渡层残余应力耦合作用的异质结等效界面热阻模型。基于该模型计算了两种典型GaN/AlN/Si半导体异质结样品的等效界面热阻,在所研究的温度下模型预测值与实验结果符合良好。根据模型预测结果,分析了不同过渡层厚度与温度下,主导等效界面热阻的声子散射机制。结果表明,过渡层内部的声子–晶界散射起主导作用,同时过渡层内的残余应力也会对等效界面热阻产生显著影响。

关键词：界面热阻模型半导体异质结过渡层声子–晶界散射