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一种用于水力裂缝扩展数值计算的材料断裂能反演方法与应用

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应用基础与工程科学学报 2023年第2期31卷 436-450页

作者：张敦福张柏楠张波韩勃山东大学土建与水利学院山东济南250061

为研究预置裂纹对水力裂缝扩展行为的影响,利用基于扩展有限元法的虚拟裂纹闭合技术计算能量释放率,借鉴PFC参数标定的思想,提出一种依据水压与裂尖能量释放率的关系反演材料断裂能的方法.将此方法计算出的断裂能作为材料参数,得到的起... 详细信息

为研究预置裂纹对水力裂缝扩展行为的影响,利用基于扩展有限元法的虚拟裂纹闭合技术计算能量释放率,借鉴PFC参数标定的思想,提出一种依据水压与裂尖能量释放率的关系反演材料断裂能的方法.将此方法计算出的断裂能作为材料参数,得到的起裂水压模拟值,与相关文献及水力压裂试验值对比,误差均不超过7%,证明了方法的可靠性.在此基础上研究水压注入预置裂纹时水力裂缝的力学行为,采用最大能量释放率准则,分析了围压应力和预置裂纹初始倾角对水力裂纹起裂与扩展的影响.结果表明,对于类岩石内斜裂纹,在水压作用下发生拉剪破坏,水力裂纹朝向裂纹前端拉应力等值线距离裂纹尖端最近的方向进行扩展,该方向径向切应力为0;相比于地应力,预置裂纹倾角对水力裂纹起裂水压力的影响较大,因此应主要通过改变注射角或者选择45°~60°的天然弱面进行压裂,从而降低工程成本.

关键词：水力压裂断裂能 XFEM 预置裂隙倾角主应力比类岩石材料虚拟裂纹闭合法起裂角

生态脆弱区采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度解析研究

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煤炭科学技术 2023年第12期51卷 159-167页

作者：刘士亮张文慧王傲郑雨生毛德强山东大学土建与水利学院山东济南250100

生态脆弱区生态水位变异程度对区域生态地质环境保护至关重要。煤层采动下生态水位势必发生变异,当前研究集中于采动潜水渗漏下生态水位下降,极少考虑潜水不渗漏/采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度。为此,采用地下水动力学、地下水位实测... 详细信息

生态脆弱区生态水位变异程度对区域生态地质环境保护至关重要。煤层采动下生态水位势必发生变异,当前研究集中于采动潜水渗漏下生态水位下降,极少考虑潜水不渗漏/采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度。为此,采用地下水动力学、地下水位实测、数理统计、综合分析等方法,提出以“判别煤层采动下潜水渗漏状态→实测采煤工作面生态水位变化→建立生态水位恢复程度井流解析模型→预测不同生态水位恢复时间→对比不同生态水位恢复时间解析值与实测值”为思路的解析方法,研究生态脆弱区采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度。结果表明:(1)基于“关键层位置+薄板理论+土拱效应+下行裂隙”建立了采动覆岩–土结构下导水裂隙发育高度计算方法,克服了现有经验公式未考虑土层效应导致的预测精度不足,结合残余隔水层厚度与潜水渗漏状态,实现了采动潜水渗漏状态判别;(2)采煤沉陷扰动下实测生态水位呈现“先迅速下降–缓慢回升–趋于稳定”的变化规律,但采后生态水位不能完全恢复至采前状态;(3)建立了采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度井流解析模型,预计生态水位3个不同恢复程度的恢复时间解析值,对比于实测值,两者时间误差均小于10%;(4)从地表地形地貌、大气降雨补给、潜水含水层补径排、矿区井下疏放水等角度探讨了采后生态水位未完全恢复至采前状态原因。

关键词：生态脆弱矿区潜水渗漏状态生态水位井流模型水位恢复

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斜拉体系加固桥梁桥下连接件力学性能

吉林大学学报（工学版） 2022年第10期52卷 2376-2384页

作者：王有志赵文帅刘金樟邱凯贾森山东大学土建与水利学院济南250061

针对斜拉体系加固梁桥下连接件具有承受剪压组合荷载、双剪切界面、粘贴钢板与螺栓锚固混合连接等受力特点,但力学性能及破坏模式不明确的缺点,通过Abaqus有限元方法建立了某桥下连接件的精确有限元模型,对其力学性能及破坏模式开展了... 详细信息

针对斜拉体系加固梁桥下连接件具有承受剪压组合荷载、双剪切界面、粘贴钢板与螺栓锚固混合连接等受力特点,但力学性能及破坏模式不明确的缺点,通过Abaqus有限元方法建立了某桥下连接件的精确有限元模型,对其力学性能及破坏模式开展了研究。结果表明,各模型的最终破坏模式均为螺栓的剪切破坏,模型最终破坏位置分2类:胶层面处的螺栓剪切破坏和两钢板接触面处的螺栓剪切破坏。荷载作用下桥下连接件共存在4种承载力变化趋势,部分模型破坏前承载力出现明显的下降段。影响模型极限承载力的要素中仅单一要素变化时,极限承载力并不完全以单调趋势变化,即各要素间存在复杂的耦合关系。

关键词：斜拉体系加固桥下连接件剪压组合荷载双剪切界面混合连接

海河流域1961—2020年极端气候变化及其与大气环流关系

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水资源与水工程学报 2024年第3期35卷 100-110页

作者：吴高鹏赵强王璇陈亚利张玉虎济南大学水利与环境学院山东济南250022

中国极端气候变化具有显著的区域性差异,有必要明晰区域尺度极端气候的时空变化特征及成因。基于海河流域41个气象站点1961—2020年的逐日气温、降水资料,计算并选取7个极端气温指数和4个极端降水指数,借助线性趋势法、Mann-Kendall突... 详细信息

中国极端气候变化具有显著的区域性差异,有必要明晰区域尺度极端气候的时空变化特征及成因。基于海河流域41个气象站点1961—2020年的逐日气温、降水资料,计算并选取7个极端气温指数和4个极端降水指数,借助线性趋势法、Mann-Kendall突变检验和小波分析法等方法探究了海河流域的极端气候变化及其与大气环流的关系。结果表明:1961—2020年海河流域极端暖指数呈现显著上升趋势,TX90p、TN90p和SU25分别在流域东北部、南部和北部地区上升更明显;极端冷指数呈现显著下降趋势,TX10p在流域东部和西部地区下降趋势较大,TN10p和FD0在流域东南部和西北部地区下降趋势较大;海河流域极端降水指数总体呈非显著下降趋势,Rx1day、R95p、PRCPTOT和R10分别在流域西南部、中部、东南部和东部地区下降更多;大气环流会对海河流域的极端气候指数产生影响,其中影响较大的因子是北极涛动;北极涛动与海河流域的极端暖指数普遍呈现正向关系,与极端冷指数和极端降水指数则呈现负向关系,且北极涛动与海河流域的极端气候指数存在多个共振周期。

关键词：极端气候大气环流小波分析时空变化海河流域

济南南部山区土地利用/覆被变化对碳储量的影响研究

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中国环境科学 2024年第7期44卷 3986-3998页

作者：王怡冰李成亮张鹏侯蕾刘仲秋刘经强邱庆泰赵辰瑞山东农业大学资源与环境学院土肥资源高效利用国家工程实验室山东泰安271018 山东农业大学水利土木工程学院山东泰安271018

以黄河下游生态脆弱区-济南南部山区为研究对象,基于区域1980~2020年6期土地利用/覆被数据,结合InVEST模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs model),分析区域土地利用/覆被和碳储量的时空分布特征和动态变... 详细信息

以黄河下游生态脆弱区-济南南部山区为研究对象,基于区域1980~2020年6期土地利用/覆被数据,结合InVEST模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs model),分析区域土地利用/覆被和碳储量的时空分布特征和动态变化规律,研究土地利用/覆被变化对陆地生态系统碳储量的影响.结果表明,土地利用/覆被变化对碳储量的影响较为显著,1980~2005年土地利用变化较小,人类活动影响较小,由于林草地碳储量的累积,碳储量增长速度明显高于其他时期;2005~2010年城市扩张速度最快,城乡建设用地大量侵占耕地、林地和草地,使区域固碳能力明显下降;2010~2020年,由于城市化扩张限制以及植树造林等生态保护措施的实施,区域碳储量逐渐呈增长趋势;1980~2020年济南南部山区的总碳储量呈“增长-下降-增长”的趋势;并且林地是济南南部山区碳储量的主要供给者,区域碳储量值随着远离城乡居民生活中心的距离增大而增大,说明人类活动对区域碳储量有重要的影响.另外,土地利用类型的转移引起地类碳密度的变化,是区域碳储量变化的主要影响因素,土地利用类型的碳储量变化与各地类的面积变化有一定的关系.该成果可为生态脆弱区塑造良好的陆地碳汇格局提供理论依据.

关键词：济南南部山区土地利用/覆被变化 InVEST模型碳储量的影响

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多孔介质固体颗粒粒径特征及膨胀作用对地下水孔隙尺度流场特征的影响

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地球科学 2024年第7期49卷 2589-2599页

作者：侯玉松刘苏辛虎吴吉春胡晓农邢立亭济南大学水利与环境学院山东济南250022 南京大学地球科学与工程学院江苏南京210023

地下水孔隙尺度流场特征的研究对于深入理解地下水渗流、溶质运移具有重要意义.目前固体颗粒粒径特征不同时介质微观结构对孔隙尺度流场的影响尚不清楚.基于迭代重排算法构建了固体颗粒粒径分布特征、膨胀程度不同的多孔介质,基于此研... 详细信息

地下水孔隙尺度流场特征的研究对于深入理解地下水渗流、溶质运移具有重要意义.目前固体颗粒粒径特征不同时介质微观结构对孔隙尺度流场的影响尚不清楚.基于迭代重排算法构建了固体颗粒粒径分布特征、膨胀程度不同的多孔介质,基于此研究了固体颗粒平均粒径、粒径方差及膨胀作用对地下水流场特征的影响.结果表明,在介质孔隙率相同的条件下,固体颗粒平均粒径、粒径方差对多孔介质中流速的非均质性、速度概率密度分布等流场特征影响较小.而在同一介质中,当固体颗粒膨胀引起孔隙率减小时,平均粒径较小幅度的变化就会对以上流场特征产生显著影响.例如当固体颗粒膨胀程度增强时,粒径小幅度的增大,就会导致流场中优势流区和不流动区比例同时大幅度增加,流场非均质性显著增强,流速概率密度分布更加发散.

关键词：地下水流场特征多孔介质固体颗粒粒径孔隙尺度数值模拟水文地质学

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岩质边坡结构面交互式识别技术与系统研发

金属矿山 2024年第1期 80-89页

作者：代永新徐全卢敬标李子健张思远杨月明中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司安徽马鞍山243000 山东大学土建与水利学院山东济南250061 非煤露天矿山灾害防控国家矿山安全监察局重点实验室安徽马鞍山243000 金属矿山安全与健康国家重点实验室安徽马鞍山243000

岩质边坡中的岩体结构面调查与分析是进行边坡稳定性分析的基础工作之一。然而,传统手段获取边坡岩体结构面存在效率低、安全性差、主观性高、数字化程度低以及流程繁琐等不足。基于三维重建SFM算法,深入研究了高精度大场景露天矿边坡... 详细信息

岩质边坡中的岩体结构面调查与分析是进行边坡稳定性分析的基础工作之一。然而,传统手段获取边坡岩体结构面存在效率低、安全性差、主观性高、数字化程度低以及流程繁琐等不足。基于三维重建SFM算法,深入研究了高精度大场景露天矿边坡岩体三维实景模型重建方法,并融合高精度边坡岩体三维实景模型中的空间和纹理特征信息,构建了以Opengl图形库为基底的可视化交互系统,实现了岩质边坡高精度三维实景模型的高效采集和可视化操作。同时,将不共线三点确定一个平面的理论应用到结构面识别中,实现岩体结构的交互式精准识别。在此基础上,开发了岩质边坡结构面识别系统,并以某露天矿边坡为研究对象,结合岩体力学基本理论深度挖掘岩体结构信息解译结果,对边坡稳定性进行了详细分析。研究结果表明:该系统能够使岩质边坡的稳定性分析与灾害防控更具有及时性、高效性、准确性,具备广泛的应用前景。

关键词：岩质边坡无人机边坡稳定性倾斜摄影结构面识别

城区数字高程模型修正方法:顾及空间异质性的可解释随机森林模型

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地球信息科学学报 2024年第4期26卷 978-988页

作者：刘妍孙延宁陈传法刘盼盼刘雅婷山东科技大学测绘与空间信息学院青岛266590 山东省水利科学研究院济南250101

目前,以遥感测量手段获取的全球数字高程模型(Global Digital Elevation Model,GDEM)在城区含有各种地物而不能反映真实的地球表面形态。因此,为提高城区GDEM产品质量,本文提出了一种顾及空间异质性和SHAP(Shapley Additive Explanatio... 详细信息

目前,以遥感测量手段获取的全球数字高程模型(Global Digital Elevation Model,GDEM)在城区含有各种地物而不能反映真实的地球表面形态。因此,为提高城区GDEM产品质量,本文提出了一种顾及空间异质性和SHAP(Shapley Additive Explanations)特征筛选的GDEM修正方法。该方法首先利用高斯混合聚类(Gaussian Mixture Model,GMM)和泰森多边形将研究区域划分为同质子区,解决GDEM修正误差和特征因子空间关系的异质性问题;然后基于SHAP可解释框架筛选每个子区的最优特征变量并借助随机森林(RF)构建对应的修正模型用于城区GDEM修正。为验证本文方法的实用性和高效性,以纽约30 m分辨率的COPDEM(COPDEM30)为研究对象,将本文方法与其他3种方法(包括顾及空间异质性的局域随机森林(SH-RF)、顾及SHAP特征筛选的全局随机森林(FS-RF)和传统随机森林(RF))的预估结果以及一种去除建筑物和植被偏差的GDEM(FABDEM)进行对比。实验结果表明,本文方法预测效果最优,SH-RF、FS-RF次之,RF效果最差。此外,与FABDEM相比,本文方法的平均绝对误差(MAE)降低了42.3%,中误差(RMSE)降低了63.2%。对本文方法的迁移实验表明,相比原始COPDEM30,修正后GDEM的MAE和RMSE分别降低了50.5%和50.4%。

关键词：全球数字高程模型修正空间异质性 SHAP可解释模型特征筛选城区精度评价

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装配式轻钢复合墙体抗震性能试验研究

建筑钢结构进展 2024年第5期26卷 22-30页

作者：王彤彤周学军王卫东王振山东建筑大学土木工程学院济南250101 山东联兴绿厦建筑科技有限公司山东德州253077 山东交通学院交通土建工程学院济南250357

装配式轻钢复合墙体是一种集承重保温围护一体化的新型墙体。为研究轻钢复合墙体的抗震性能,以轻钢龙骨形式和填充材料类型为变化参数,设计了4个足尺试件进行低周往复荷载试验,得到了各试件的水平承载力、滞回特性和破坏特征,并分析了... 详细信息

装配式轻钢复合墙体是一种集承重保温围护一体化的新型墙体。为研究轻钢复合墙体的抗震性能,以轻钢龙骨形式和填充材料类型为变化参数,设计了4个足尺试件进行低周往复荷载试验,得到了各试件的水平承载力、滞回特性和破坏特征,并分析了结构的抗侧刚度、耗能能力和水平承载力。结果表明:墙体轻钢骨架与内填材料协同工作性能良好,墙体的最终破坏表现为钢骨架强度破坏。水平龙骨由C型钢调整为双面扁钢可提高其水平承载力,但会降低墙体的延性和耗能能力;相较于内填泡沫混凝土填充墙体,内填聚苯颗粒泡沫混凝土墙体的水平承载力、刚度和耗能能力都有所降低,但延性有所提高。

关键词：轻钢复合墙体抗震性能低周往复荷载试验滞回特性

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