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基于相场法的预制双裂隙岩体水力压裂扩展数值模拟研究

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岩土力学 2024年第6期45卷 1850-1862页

作者：吕茂淋朱珍德周露明葛鑫梁河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏南京210098 河海大学江苏省岩土工程技术工程研究中心江苏南京210098

水力压裂裂隙扩展形态对于深部岩体油气开采和地热能开采具有重要意义。针对深部地层岩体水力压裂裂隙扩展问题,基于相场法理论、Biot多孔弹性介质力学理论和渗流力学理论建立了相场法应力−渗流耦合模型。该模型采用有限元方法对方程组... 详细信息

水力压裂裂隙扩展形态对于深部岩体油气开采和地热能开采具有重要意义。针对深部地层岩体水力压裂裂隙扩展问题,基于相场法理论、Biot多孔弹性介质力学理论和渗流力学理论建立了相场法应力−渗流耦合模型。该模型采用有限元方法对方程组进行离散化处理,运用牛顿迭代法(Newton-Raphson method,简称NR法)和分离式耦合方法求解方程组以提高计算精度。对比了该模型数值解与室内试验模拟结果和基于数值流形法(numerical manifold method,简称NMM)的数值解,并将数值解与理论解析解进行比较,验证了模型的可靠性。基于该模型,研究了地应力差、裂隙间距和注入流量等因素对垂直于最大主应力方向的双裂隙水力压裂裂隙扩展的影响规律。研究结果表明:随着地应力差的增大,裂隙扩展路径的偏转角度增大,扩展分支路径相应增多;较小的裂隙间距使裂隙更易贯通,且裂隙扩展的偏转程度和扩展长度均随着裂隙间距的增大而逐渐增大;较大的注入流量更有利于裂隙扩展长度和扩展速度的增加。通过探讨不同因素对裂隙扩展的影响,为深部岩体水力压裂优化复杂裂隙网络提供了理论依据。

关键词：相场法水力压裂多孔介质裂隙扩展数值模拟

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饱和土一维有限应变固结控制方程辨析

岩土工程学报 2024年

作者：王玮瑜雷国辉赵鑫戴传杰谷遇溪河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室河海大学江苏省岩土工程技术工程研究中心

饱和土的一维有限应变固结控制方程存在多种表达形式，有Eulerian描述和Lagrangian描述，各有不同的控制变量，包括孔隙率、孔隙比、应变、固结比和超静孔压。为明辨其适用条件，考虑固相的压缩性，建立了两种描述方法间基于孔隙率、孔... 详细信息

饱和土的一维有限应变固结控制方程存在多种表达形式，有Eulerian描述和Lagrangian描述，各有不同的控制变量，包括孔隙率、孔隙比、应变、固结比和超静孔压。为明辨其适用条件，考虑固相的压缩性，建立了两种描述方法间基于孔隙率、孔隙比和位移的坐标转换关系，以及控制变量的时间导数间的转换关系，分析了两种描述方法便利于求解的固结问题，并基于Eulerian描述，考虑固相和液相的压缩性和惯性，推导了一维有限应变固结控制方程组，包括连续性方程、动量平衡方程和达西渗透定律。忽略固相和液相的压缩性和惯性后，该方程组简化为一个具有单一控制变量的固结微分方程，通过坐标转换和时间导数转换，也得到了Lagrangian描述下的固结微分方程。将其退化到了现有不同形式的有限应变固结控制方程，依据退化过程中涉及的基本假设，明确了这些控制方程的适用条件。

关键词：固相和液相的压缩性 Eulerian和Lagrangian空间和时间转换自然应变考虑固相和液相惯性的达西定律

单向冻结粉质黏土已冻区分凝冰分布规律试验研究

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岩土力学 2024年第2期45卷 407-416,432页

作者：王震朱珍德胡家豪周子玉汕头大学土木与环境工程系广东汕头515063 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏南京210098 河海大学江苏省岩土工程技术工程研究所江苏南京210098

在单向冻结中,已冻区分凝冰的产生和发展是影响冻融土结构性特征的重要因素。选取降温速率(0.5~0.005℃/s)、冷端温度(–30~–70℃)、暖端补水(无补水、恒压补水)等3种单向冻结边界条件,探究其对已冻区分凝冰发育的影响规律。基于光学... 详细信息

在单向冻结中,已冻区分凝冰的产生和发展是影响冻融土结构性特征的重要因素。选取降温速率(0.5~0.005℃/s)、冷端温度(–30~–70℃)、暖端补水(无补水、恒压补水)等3种单向冻结边界条件,探究其对已冻区分凝冰发育的影响规律。基于光学显微数字拍摄,自主研发了裂纹显微测量系统,为分凝冰裂纹的原位、无接触式测量提供了便利。试验研究发现:(1)不仅是温度梯度、暖端补水条件,单向冻结冷端降温速率对已冻区分凝冰分布也会产生影响,传统模型(如分凝模型)计算的水分迁移量难以准确反映已冻区冰裂纹分布特征;(2)冻结锋面移动速率对已冻区分凝冰宽度的影响大于温度梯度;(3)冻结过程中已冻区分凝冰宽度随0℃线移动速率呈指数形式变化。最后基于0℃线移动速率提出了已冻区分凝冰宽度预测的经验公式,为工程中评估变降温速率条件下黏土的单向冻胀破坏提供了参考。

关键词：单向冻胀降温速率黏土分凝冰裂纹超低温

微生物结合碳纤维加固钙质砂的高强度试验研究

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土木与环境工程学报（中英文） 2024年第5期46卷 64-73页

作者：蒋钊彭劼许鹏旭卫仁杰李亮亮河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏省岩土工程技术工程研究中心南京210098

为了研究微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)结合碳纤维固化钙质砂的效果及机理,先通过低轮次注浆试验探究碳纤维对MICP加固钙质砂效果的影响,并确定碳纤维的最佳掺量及长度,然后开展高轮次注浆试验,研究MICP胶结液无法再注入时的砂柱强度,通... 详细信息

为了研究微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)结合碳纤维固化钙质砂的效果及机理,先通过低轮次注浆试验探究碳纤维对MICP加固钙质砂效果的影响,并确定碳纤维的最佳掺量及长度,然后开展高轮次注浆试验,研究MICP胶结液无法再注入时的砂柱强度,通过试验结果对比和扫描电镜等分析,分析了微生物、碳纤维及钙质砂之间的作用机理。试验结果表明,掺加碳纤维能显著提高微生物加固钙质砂的强度。在低轮次注浆试验中,掺加碳纤维能有效提高碳酸钙的生成量及试样强度,纤维组的碳酸钙生成量比无纤维对照组提高了15%~34%,试样强度提高了135%~217%;高轮次注浆试验中,在MICP胶结液无法再注入砂柱的情况下,由于两组试样注浆轮次的差异,纤维组最终的碳酸钙生成量对比无纤维对照组减少了4%,试样强度提高了11%。

关键词：微生物诱导碳酸钙钙质砂碳纤维地基加固

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考虑刀土摩擦的砂土盾构隧道开挖面支护压力计算方法

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第3期55卷 1082-1091页

作者：应宏伟吕忠泽河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏南京210024 浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310058

确定盾构隧道开挖面极限支护压力是隧道工程中的核心问题之一。现有研究一般忽略盾构刀盘与主动极限状态时开挖面前方失稳土体间的摩擦效应,导致计算结果偏保守。为了解决此问题,首先,基于梯形楔形体模型,考虑盾构开挖掌子面与前方被切... 详细信息

确定盾构隧道开挖面极限支护压力是隧道工程中的核心问题之一。现有研究一般忽略盾构刀盘与主动极限状态时开挖面前方失稳土体间的摩擦效应,导致计算结果偏保守。为了解决此问题,首先,基于梯形楔形体模型,考虑盾构开挖掌子面与前方被切削土体之间的竖向摩擦力、楔形体与上方土柱之间因相对错动引起的横向摩擦力以及隧道埋深对极限支护压力的影响,推导了砂土地层盾构开挖面的极限支护压力计算公式;其次,通过与其他理论方法及试验结果进行对比,验证了本文方法的合理性;最后,讨论了刀土摩擦力在不同工况下对盾构开挖面极限支护压力的影响规律。研究结果表明:在其他参数不变时,开挖面极限支护压力随着刀土外摩擦角增大而逐渐减小,与刀土外摩擦角近似呈线性关系;刀盘土体间摩擦力对维持盾构开挖面稳定具有有利影响,对开挖面极限支护压力的影响不可忽略;适当增大刀盘与前方土体间的外摩擦角可有效增加开挖面的极限稳定性;刀土摩擦力对浅埋情况的盾构隧道开挖面极限支护压力的影响要明显比深埋情况的影响大,在选择盾构掘进刀具时应重点考虑埋深的影响。

关键词：盾构隧道砂土地层支护压力楔形体模型土拱效应

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砂-粉混合料颗粒接触状态的临界条件确定

哈尔滨工程大学学报 2024年第2期45卷 277-283,297页

作者：吴琪孙苏豫杭天柱赵凯陈国兴南京工业大学岩土工程研究所江苏南京210009 江苏省土木工程防震技术研究中心江苏南京210009

砂-粉混合料被广泛应用于高速铁路路基、人工筑岛及海底沉管隧道垫层等重大工程,如何科学地表征砂-粉混合料复杂的颗粒接触状态及连续演变的力学行为特征,并深入揭示其对混合料静/动力学特性的影响已是一项紧迫的基础性科学研究任务。... 详细信息

砂-粉混合料被广泛应用于高速铁路路基、人工筑岛及海底沉管隧道垫层等重大工程,如何科学地表征砂-粉混合料复杂的颗粒接触状态及连续演变的力学行为特征,并深入揭示其对混合料静/动力学特性的影响已是一项紧迫的基础性科学研究任务。本文基于代表性砂-粉混合料的基本物理性能指标及力学特性指标试验数据,验证Rahman等提出的区分“细粒填充砂粒”和“砂粒悬浮细粒”的阈值细粒含量FCth半经验公式预测能力。基于理想二元介质材料的理论最小孔隙比计算方法,提出确定中间性态土颗粒接触状态临界条件参量FC_(in-min)和FC_(in-max)的方法,分析各参数对FC_(in-min)和FC_(in-max)的影响规律,建立基于基本物理性能指标的FC_(in-min)和FC_(in-max)预测方法,最终提出全FC范围(FC=0~100%)的砂-粉混合料各颗粒接触状态临界条件参量的有效评价方法。

关键词：细粒含量砂-粉混合料颗粒接触状态阈值细粒含量临界条件参量理论最小孔隙比二元介质模型中间性态

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基于非傅里叶定律的近场动力学热力耦合模型及花岗岩热损伤破裂模拟

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岩土工程学报 2024年

作者：周露明朱珍德谢兴华吕茂淋河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室河海大学江苏省岩土工程技术工程研究中心

研究岩石的热损伤破裂特征对于地热开采等工程具有重要意义。在传统常规态基近场动力学理论框架内，通过引入双相滞后（DPL）模型，提出了基于非傅里叶热传导定律推导得到的热力耦合模型。通过平板瞬态热传导问题及Lac du Bonnet(LdB)... 详细信息

研究岩石的热损伤破裂特征对于地热开采等工程具有重要意义。在传统常规态基近场动力学理论框架内，通过引入双相滞后（DPL）模型，提出了基于非傅里叶热传导定律推导得到的热力耦合模型。通过平板瞬态热传导问题及Lac du Bonnet(LdB)花岗岩的热损伤破裂试验对模型进行了验证。分析了温度梯度弛豫时间和热流弛豫时间对岩石热损伤破裂特征的影响。结果表明：近场动力学热力耦合模型模拟结果很好地反映了LdB花岗岩的热损伤破裂特征及温度分布的不连续性；温度梯度弛豫时间对热传导起促进作用，试件热损伤破裂程度随温度梯度弛豫时间的增加而增大，随热流弛豫时间的增加而减小。本研究为深入理解岩石的热损伤破裂行为、优化地热能开采工程提供了有益的探索。

关键词：花岗岩近场动力学热损伤破裂热力耦合热弛豫时间

考虑桩身横向惯性效应和桩周土竖向支承作用的楔形管桩纵向振动特性

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振动与冲击 2024年第6期43卷 179-188页

作者：李振亚潘云超张存何先斌吕冲河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室南京210098 河海大学岩土工程研究所南京210098 西藏农牧学院水利土木工程学院西藏林芝860000 西藏土木水利电力工程技术研究中心西藏林芝860000

该文研究考虑桩身横向惯性效应和桩周土竖向支承作用的楔形管桩纵向振动特性。首先,根据楔形管桩特殊的桩身结构和桩周土的成层性,将桩-土系统沿纵向划分为若干微元段,采用Voigt体模型模拟桩周土对楔形管桩桩段的竖向支承作用;基于考虑... 详细信息

该文研究考虑桩身横向惯性效应和桩周土竖向支承作用的楔形管桩纵向振动特性。首先,根据楔形管桩特殊的桩身结构和桩周土的成层性,将桩-土系统沿纵向划分为若干微元段,采用Voigt体模型模拟桩周土对楔形管桩桩段的竖向支承作用;基于考虑土体竖向波动效应的三维轴对称模型建立桩周土纵向振动控制方程并求解,得到桩-土之间的侧摩阻力;然后,基于Rayleigh-Love杆模型建立桩的纵向振动控制方程以考虑其横向惯性效应,求解桩的振动控制方程并结合Laplace变换和阻抗函数递推,得到考虑桩周土竖向支承作用的桩顶复阻抗和速度导纳解析解,进一步地,通过卷积定理和Fourier逆变换得到桩顶时域响应半解析解;最后,通过与已有解的对比验证了该文解的合理性,并通过参数分析的方法研究了桩身横向惯性效应、桩周土竖向支承作用及桩身参数对桩顶动力特性的影响。

关键词：楔形管桩轴对称模型横向惯性效应桩周土竖向支承作用纵向振动

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基于锥角控制的下风向风力机功率调节策略

东南大学学报（自然科学版） 2024年第3期54卷 747-753页

作者：许波峰石腾李振肖航马远卓蔡新河海大学可再生能源发电技术教育部工程研究中心南京211100 河海大学江苏省风电机组结构工程研究中心南京211100 河海大学苏州研究院苏州215100 中国船舶集团海装风电股份有限公司重庆401123

针对中小型下风向风力机开展了功率调节策略研究.首先,对100 W下风向风力机进行了仿真计算和风洞实验,探究了下风向风力机的气动性能;然后,分析了风轮锥角对风力机输出功率和叶根载荷的影响机制,归纳出输出功率与锥角余弦值的三次方正相... 详细信息

针对中小型下风向风力机开展了功率调节策略研究.首先,对100 W下风向风力机进行了仿真计算和风洞实验,探究了下风向风力机的气动性能;然后,分析了风轮锥角对风力机输出功率和叶根载荷的影响机制,归纳出输出功率与锥角余弦值的三次方正相关,叶根载荷与锥角余弦值的平方正相关;最后,形成了一套基于锥角控制的下风向风力机功率主/被动调节策略.研究结果表明:采用主动调节策略可在超额定风速运行时有效控制风轮输出功率,并可使叶根载荷极值降低14.2%;较控制前,采用被动调节策略可使得在超额定风速运行时,输出功率与额定功率的平均偏差减小20.84 W.两种调节策略皆可实现超额定风速运行时下风向风力机输出功率的有效控制.

关键词：下风向风力机气动性能风轮锥角功率调节风洞实验