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波浪荷载下海上风力机桩基础滞回效应及水平承载力变化特性研究

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太阳能学报 2024年第8期45卷 546-553页

作者：姜彤何天乐王璇王静华北水利水电大学河南省岩土力学与结构工程重点实验室郑州450046

该研究以海上风电桩基础为研究对象,采用自主设计的水平加载装置模拟波浪荷载,结合粒子图像测速(PIV)技术开展缩尺模型试验。着重探究不同幅值的波浪荷载加载过程中,桩周土体的循环变形特征及加载前后,海上风力机桩基础水平承载能力变... 详细信息

该研究以海上风电桩基础为研究对象,采用自主设计的水平加载装置模拟波浪荷载,结合粒子图像测速(PIV)技术开展缩尺模型试验。着重探究不同幅值的波浪荷载加载过程中,桩周土体的循环变形特征及加载前后,海上风力机桩基础水平承载能力变化。试验结果表明:桩顶累积转角随加载次数呈线性增长、缓慢增长和稳定发展的三阶段变化特性;桩周土体呈现典型的刚性桩两区域破坏形式,桩右被动区土体位移矢量场和位移云图影响范围受加载幅值变化影响显著;桩顶循环加载荷载位移曲线表现出明显的滞回性,滞回圈随加载次数右移并产生累积位移。伴随着滞回圈面积减小和割线刚度增大,桩周土体由以塑性变形向弹性变形为主导变化;循环加载后的滞回圈有明显捏缩,耗能能力减弱。桩基础水平承载能力及弹性变形能力较加载前均明显提高。

关键词：海上风电波浪荷载桩基础承载特性滞回变化

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承压含水层水压传递速率变化规律

煤田地质与勘探 2024年第3期52卷 79-88页

作者：王文学王柏森高艳卫吴冰聂天宇华北水利水电大学河南省岩土力学与结构工程重点实验室河南郑州450045 新疆煤系资源勘探与开采重点实验室新疆乌鲁木齐830023 华北水利水电大学河南省崩滑流监测与早期预警国际联合实验室河南郑州450045 航天规划设计集团有限公司北京102627

含水层内水压以能量的形式传递,其传递速率远大于水质点的迁移速率,水压传递速率对高压水体下工程安全施工及灾害预测预报具有重要意义。以无黏性土承压含水层为研究对象,通过理论分析、数值模拟、现场试验及室内物理模型试验等方法对... 详细信息

含水层内水压以能量的形式传递,其传递速率远大于水质点的迁移速率,水压传递速率对高压水体下工程安全施工及灾害预测预报具有重要意义。以无黏性土承压含水层为研究对象,通过理论分析、数值模拟、现场试验及室内物理模型试验等方法对水压传递速率变化规律进行探讨。结果表明:含水层中水压变化传递具有明显的滞后性,传递速率并不是无限大或接近声速,且存在随传递距离增加逐渐衰减的现象,水压径向传递的滞后时间t与水压传递距离r呈二次幂函数关系;稳定边界压力水头越大,在承压含水层中同等水压变量的传递速率越快,渗透系数越大水压传递速率越快;当渗透系数一定时,水压传递滞后时间与传播距离的拟合系数C随边界稳定压力水头的增加呈一阶指数函数减小;现场试验表明,边界稳定压力水头差异性不大时,在传输距离较远的条件下,其水压传递平均速率基本相当;室内试验表明,瞬态脉冲水压力随传递距离增加,波形发生明显变异,峰值压力逐渐减小、脉冲压力波波长变大、峰值压力传递速率减小,随传输距离的增加其传递速率呈指数函数衰减,说明瞬态脉冲水压力能量随传输距离增加快速衰减;瞬态脉冲压力值越大其初始阶段的传递速率越快,但随传输距离的增加其传递速率衰减幅度更大。研究成果对水压传递速率变化规律的影响机制及其应用于地下工程突水灾害预测及防治具有重要的理论及实践指导意义。

关键词：无黏性土承压含水层水压力传递速率滞后效应压力传导系数衰减规律

不同波纹钢-混凝土板复合结构水下抗爆机理及损伤等级预测

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爆炸与冲击 2024年第6期44卷 73-89页

作者：曹克磊付乔峰赵瑜华北水利水电大学水利学院河南郑州450046 华北水利水电大学土木与交通学院河南郑州450045

为探究不同波纹钢-混凝土板复合结构的水下抗爆机理,采用光滑粒子流体动力学与有限单元(FEM-SPH)耦合方法模拟混凝土板在水下接触爆炸下的损伤过程,并与试验结果对比,以验证数值方法的有效性;采用FEMSPH方法探究不同防护方案下墙面板毁... 详细信息

为探究不同波纹钢-混凝土板复合结构的水下抗爆机理,采用光滑粒子流体动力学与有限单元(FEM-SPH)耦合方法模拟混凝土板在水下接触爆炸下的损伤过程,并与试验结果对比,以验证数值方法的有效性;采用FEMSPH方法探究不同防护方案下墙面板毁伤过程及失效模式,揭示其水下防爆机理,并构建出墙面板损伤等级预测曲线。研究结果表明:模拟结果与试验结果较为吻合,验证了模拟方法的有效性;在含12 mm厚波纹钢的复合结构(T-12)、含75°夹角的波纹钢复合结构(A-75)和含厚70 mm波纹钢的复合结构(WH-70)三种防护方案下,墙面板的毁伤范围较未加固墙面板最大降幅分别为83.0%、81.6%和82.5%;预测曲线可以直观评估出炸药量和复合结构中波纹钢波高变化对墙面板损伤等级的影响。

关键词：波纹钢-混凝土板复合结构毁伤演化特征水下抗爆机理损伤等级预测

接触爆炸下波纹钢⁃混凝土板复合结构水下防爆效果评价

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含能材料 2024年第9期32卷 972-985页

作者：曹克磊付乔峰张建伟黄锦林赵瑜华北水利水电大学水利学院河南郑州450046 华北水利水电大学土木与交通学院河南郑州450045 广东省水利水电科学研究院广东广州510635

为探究不同波纹钢⁃混凝土板复合结构的水下抗爆防护效果,采用有限元⁃光滑粒子流体动力学耦合算法(FEM⁃SPH)建立水下多介质耦合爆炸模型;设计不同波纹钢⁃混凝土板复合结构防护方案,探究不同复合结构防护层(含3,6,9,12 mm厚波纹钢复合结... 详细信息

为探究不同波纹钢⁃混凝土板复合结构的水下抗爆防护效果,采用有限元⁃光滑粒子流体动力学耦合算法(FEM⁃SPH)建立水下多介质耦合爆炸模型;设计不同波纹钢⁃混凝土板复合结构防护方案,探究不同复合结构防护层(含3,6,9,12 mm厚波纹钢复合结构、含30°,45°,60°,75°波纹钢复合结构和含10,30,50,70 mm波高波纹钢复合结构)的水下削波吸能效果,并提出耗能分担率对复合结构进行防护效果评价。研究结果表明:混凝土板迎爆面与背爆面的模拟结果与试验结果较为吻合,验证了水下接触爆炸模拟过程;不同复合结构防护方案下,含12 mm厚波纹钢复合结构、含75°波纹钢复合结构和含70 mm波高波纹钢复合结构防护方案较无防护方案测点峰值压力最大降幅为63.2%,60%和57.9%,最大防护率分别为63.2%,60.0%和57.9%,耗能分担率为69.48%,66.26%和63.51%;最优型式(厚度为12 mm/夹角为75°/波高为70 mm)复合结构的削波吸能效果及防护效果均显著优于单一因素影响下的复合结构。研究成果可为不同波纹钢⁃混凝土板复合结构在水下抗爆防护领域的应用提供理论基础。

关键词：水下接触爆炸波纹钢⁃混凝土板复合结构削波吸能效果防护效果评价

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基于多角度投影方法的砂土颗粒三维形态表征

清华大学学报（自然科学版） 2024年第2期64卷 294-302页

作者：谢维强张晓平刘晓丽周小雄刘泉声清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084 深地科学与工程云龙湖实验室徐州221116 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室武汉430072

砂土颗粒的形态学特征(尺寸和形状)对于评估砂土材料的力学特性至关重要,因此准确地量化其三维形态学特征是研究砂土材料力学特性的前提工作。相比三维测试(表征)方法,二维测试(表征)方法具有测试方式多、程序简单、成本低等优点。为研... 详细信息

砂土颗粒的形态学特征(尺寸和形状)对于评估砂土材料的力学特性至关重要,因此准确地量化其三维形态学特征是研究砂土材料力学特性的前提工作。相比三维测试(表征)方法,二维测试(表征)方法具有测试方式多、程序简单、成本低等优点。为研究二维图像对砂土颗粒三维形态的表征,利用三维激光扫描技术获取砂土颗粒的三维点云数据;然后利用计算机算法重构砂粒的三维模型,准确快速地自动提取砂粒的三维形态特征;借助算法获取了随机单一投影法、最大最小投影面积法(选自1000张投影)和三正交方向投影法下的砂粒二维形态参数;分析了二维参数与三维参数之间的相关关系,提出了基于砂土颗粒二维形态特征表征三维形态特征的可靠方法。结果表明,砂土颗粒的三维尺寸(长、宽、厚)可使用相应的二维尺寸估算(线性拟合系数R~2=0.735~0.994);3种投影方法中,最大最小投影面积法和三正交方向投影法可准确地估算砂土颗粒的三维形态,为砂土材料的快速定量化表征提供了实用方法。

关键词：砂土颗粒形态特征三维激光扫描二维投影数字图像处理

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环向控制速率对砂岩力学特性影响的试验研究

长江科学院院报 2024年

作者：何志磊华北水利水电大学岩土工程与水工结构研究院

为研究环向控制速率对砂岩力学特性的影响，利用MTS刚性试验机开展了不同环形控制速率下砂岩的单轴压缩变形试验，分析了环向控制速率对砂岩应力-应变曲线、特征应力、脆性特征和破坏模式的影响，探讨了不同环向控制速率作用下岩石破坏... 详细信息

为研究环向控制速率对砂岩力学特性的影响，利用MTS刚性试验机开展了不同环形控制速率下砂岩的单轴压缩变形试验，分析了环向控制速率对砂岩应力-应变曲线、特征应力、脆性特征和破坏模式的影响，探讨了不同环向控制速率作用下岩石破坏过程中能量演化规律。试验结果表明，环向控制速率对峰前的变形规律和峰值强度影响较小，但在峰后出现应力和应变同时减小的变化特征，并且随着环向控制速率的减小，峰后的应力应变曲线出现应力反复下降、升高的现象，体积应变在峰后也表现出同样的变化规律；环向控制速率对岩石的脆性基本没有影响，但随着环向控制速率的减小，岩石破坏所需的时间急剧增大。与轴向控制的结果相比较，环向控制下岩石破坏以剪切为主，峰前的总的耗散能比轴向控制的要小，但在峰后随着控制速率的减小，岩石变形中的耗散能逐渐增多，减弱了峰后破坏的剧烈程度，使得峰后破坏变得可控，为获取完整的应力应变曲线提供有利条件，而轴向控制作用下岩石破坏以轴向劈裂为主，峰后侧向应变急剧增大，破坏速度快且剧烈。研究成果是岩石率效应问题的有效补充，可为脆性岩石在环向控制下的变形规律研究提供一定参考。

关键词：砂岩脆性破坏 II类曲线环向控制速率耗散能

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温度对潜水含水层底部疏放水井渗流的影响

地质学刊 2024年

作者：王文学吴冰郝清扬华北水利水电大学地球科学与工程学院河南省岩土力学与结构工程重点试验室

含水层中水的渗流速度与渗透系数有着很大关系，温度的变化会引起含水层渗透系数的改变，从而导致抽灌系统或者疏放水孔的涌水量随温度变化有较大差异。为探究温度对潜水含水层底部疏放水井流量的影响，利用设计的60°角扇形体渗流砂槽... 详细信息

含水层中水的渗流速度与渗透系数有着很大关系，温度的变化会引起含水层渗透系数的改变，从而导致抽灌系统或者疏放水孔的涌水量随温度变化有较大差异。为探究温度对潜水含水层底部疏放水井流量的影响，利用设计的60°角扇形体渗流砂槽系统，开展了水温为9、21 ℃情况下不同井长的非完整井疏放水渗流砂槽试验。结果表明：完整疏放水井可以采用Dupuit公式进行流量计算，计算结果与疏放水试验结果基本一致；自由水饱和带及饱和毛细水带可有效隔绝空气进入井片，其消失后，非完整井疏放水效果与完整井类似；温度升高会引起水的动力黏滞系数下降，使水在多孔介质中的渗透速度加快，从而增大疏放水井的流量；利用传统Dupuit公式计算非完整疏放水井流量时误差较大，通过将降深与井长之和Sw+lw代替Sw作为降深代入Dupuit公式进行修正，计算得到的流量精确度较高。

关键词：砂槽试验温度疏放水井流量 Dupuit公式

基于柔性边界的非饱和土三轴试验及离散元分析

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应用基础与工程科学学报 2024年第1期32卷 208-222页

作者：张杰聂如松李列列李亚峰杜炜黄茂桐中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室湖南长沙410075 华北水利水电大学土木与交通学院河南郑州450045

非饱和土三轴试验的离散元模拟,对于从细观角度揭示其力学特性至关重要,但目前研究多采用刚性边界条件.使用黏结球颗粒代替橡胶膜,实现围压柔性加载.在此基础上,提出非饱和土三轴数值试验模拟流程,并进行不同围压下的三轴数值试验.从宏... 详细信息

非饱和土三轴试验的离散元模拟,对于从细观角度揭示其力学特性至关重要,但目前研究多采用刚性边界条件.使用黏结球颗粒代替橡胶膜,实现围压柔性加载.在此基础上,提出非饱和土三轴数值试验模拟流程,并进行不同围压下的三轴数值试验.从宏观破坏形态和细观剪切带、配位数、接触力等方面研究不同围压下非饱和土的力学特征.结果表明:非饱和土力学特性受围压影响较大,峰值应力和弹性模量随围压增大而增大,围压越大,剪胀性越小;试样主要表现为鼓胀破坏,破坏后剪切带在形态上呈对称的“X”形,剪切带的形成开始于颗粒的转动,到达峰值应力时,内部转动颗粒发生贯通,剪切带基本成型,围压越大,剪切带上转动颗粒数目和转动角度越小;配位数先增加后减少,与体应变变化趋势一致,且随围压增大而增大;剪切使法向接触力概率密度函数峰值左移,并且使法向接触力不均匀性增大,围压越大,法向接触力分布越均匀.该研究成果可为从细观认识非饱和土的力学行为提供途径.

关键词：非饱和土粒间吸引力三轴试验剪切带柔性边界离散元分析

砂化白云岩隧洞围岩致灾构造分类、孕灾及破坏模式研究

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岩石力学与工程学报 2024年第5期43卷 1064-1079页

作者：董家兴杨吉周伦顺米健赵永川李建国代佩玄昆明理工大学电力工程学院云南昆明650500 长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室湖北武汉430010 云南省水利水电勘测设计研究院云南昆明650021

砂化白云岩在西南地区的地下工程中分布广泛,强烈、剧烈砂化的白云岩,岩体结构破碎,水稳定性差。砂化白云岩隧洞施工过程中,塌方、突水、突水涌砂等灾害易发频发,但对砂化白云岩隧洞灾害的孕育–形成–发生的系统性研究较少,亟待开展专... 详细信息

砂化白云岩在西南地区的地下工程中分布广泛,强烈、剧烈砂化的白云岩,岩体结构破碎,水稳定性差。砂化白云岩隧洞施工过程中,塌方、突水、突水涌砂等灾害易发频发,但对砂化白云岩隧洞灾害的孕育–形成–发生的系统性研究较少,亟待开展专门的系统性研究。通过收集80余例砂化白云岩隧洞塌方、突水、突水涌砂案例;深入调查和分析相关灾害发生的地质条件和构造条件,从灾害点不良地质情况及主要影响因素将砂化白云岩隧洞围岩致灾构造分为4类8型,即断层类(无水断层型、导水断层型、阻水断层型)、裂隙类(单斜裂隙型、层间裂隙型、砂化条带型)、褶皱类(背斜型、向斜型)、岩溶管道类;基于灾害发生时间演化特征,将孕灾模式划分为即时揭露型,渐进破坏型,间歇破坏型3种;从灾害发生的主要工程部位的角度,划分为4个部位的20种破坏模式,并提出相应的工程调控措施;最后介绍了滇中引水工程扯那苴隧洞典型灾害洞段的案例分析和调控措施。研究成果对砂化白云岩地层地下工程的设计、施工,以及灾害风险评估和防控具有重要的指导意义。

关键词：隧道工程砂化白云岩致灾构造孕灾模式破坏模式工程案例