基于光纤光栅的土体含水率快速测定试验研究

土体含水率与其强度、变形和渗透特性密切相关。快速测定原位土体的含水率是地基基础工程中的一个重要课题。针对现有测量方法在实时性等方面的不足,本文首次提出了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）技术快速测定土体含水率的方法。该方法利用落球对埋设在砂土中的FBG应变传感器施加冲击荷载,获得传感器在冲击过程中的应变状态及其变化规律,在此基础上提出了峰值应变的概念;通过控制变量法,对不同含水率的砂土进行多组室内试验。试验结果表明:峰值应变随着含水率的增加而近似线性减小,因此可通过经验方程估算出土体含水率。最后分析了该方法中可能的误差来源及减小误差的方法。     

简化线热源对ATRT计算土体导热系数的影响——数值模拟研究

不同深度土体的导热系数是精细评价浅层地热能的关键参数,基于内加热光缆的热响应测试(ATRT)是获取原位土体分布式导热系数的有效方式之一.利用有限元数值模拟软件ComsolMultiphysics,建立了二维有限元多孔介质传热模型,探究了U型布设内加热光缆条件下内加热光缆间距对实施ATRT计算导热系数的影响.结果 表明:...     

支持向量回归算法在土体含水率AHFO测试中的应用研究

主动加热光纤法(AHFO)可实现土体原位含水率的分布式测量,但受场地复杂环境的影响,现有含水率计算模型解译获得的测试结果容易发生较大误差。本文在试验研究的基础上,探究了土体干密度对AHFO法含水率计算的影响,并将支持向量回归(SVR)算法引入含水率的计算模型中,与传统计算模型进行了对比。研究结果表明：土体干密度是影响含水率计算模型精度的重要因素,干密度波动越大则传统计算模型的计算误差也越大,土体较高含水率下会降低计算模型的敏感性;与传统的含水率计算模型相比,考虑干密度影响的径向基核支持向量回归方法具有更高的计算精度,建议在含水率AHFO法的测试中推广应用。     

黏性土体干缩变形分布式光纤监测试验研究

土体变形监测是岩土工程监测中的一项重要工作,具有规模大、工程环境差异性大、实时动态监测等特点,因此,常规的一些点式监测手段已不能满足要求。布里渊散射光时域反射测量技术（BOTDR）是一项新型光电传感监测技术,它利用布里渊散射光的光谱和光时域测量技术,可对沿光纤的轴向应变进行分布式监测。应用这一技术对土体干缩变形进行了监测,并对土体干缩变形规律进行了分析,验证了该技术应用于土体变形监测中的可行性。     

基于物质点法的土体流动大变形过程数值模拟

土体滑坡作为一种自然地质灾害,受自然因素和人类活动的影响在我国时有发生,给周围居民的生命和财产安全带来了很大威胁,日益受到人们的广泛关注。滑坡防治也逐渐成为工程研究的热点之一。土体本质上是一种具有复杂组成结构的颗粒材料堆积体,通过对颗粒流动的模拟可以深入理解自然界中的土体流动现象,如滑坡、泥石流等,进而预测灾害破坏范围及改进相应工程防护措施。但由于土体流动是一个涉及大变形及大位移的复杂流动过程,传统的基于网格的有限元法（FEM）由于网格畸变,并不适合这类问题的研究。本文采用物质点法（MPM）模拟土体流动大变形问题。作为一种源于particle-in-cell（PIC）法的无网格法,兼具欧拉法和拉格朗日法的优点,因而,物质点法在处理大变形问题上具有独特的优势。目前,国内外利用物质点法模拟边坡滑动问题已有不少研究,但对相关参数进行敏感性分析的较少。本文基于物质点法模拟了黏性土体及无黏性土体流动大变形问题,并进行了参数敏感性分析,包括土体材料的内摩擦角、黏聚力、高宽比、底面坡度对土体滑动距离的影响规律。本文计算中采用Drucker-Prager（DP）弹塑性本构模型描述土的非线性特性。研究结果表明:（1）基于物质点法得到的土体的流动形态、滑动距离以及自然休止角等数值模拟结果均与文献中的实验结果基本吻合,验证了物质点法模拟土体大变形力学行为的精度及有效性;（2）随着内摩擦角、黏聚力的增大,滑动距离相应减小;（3）坡度对边坡稳定的影响是显著的,随着底面坡度的增大,滑动距离相应增大;（4）当土柱高宽比较小时,与滑动距离呈线性增长关系。其中,内摩擦角和黏聚力反映了土体的抗剪切性能,因此通过工程措施提高土体的抗剪能力可以降低土体滑坡带来的危害。研究结果为探索土体滑动破坏规律,降低滑动破坏范围提供了可靠的参考。     

软土中盾构法隧道引起的土体移动计算研究

对盾构法隧道施工引起的土体扰动范围进行了分析,根据极限平衡原理,认为Loganathan公式中假定的土体损失边界条件存在误差。考虑到土体内摩擦角对土体移动的影响,认为垂直土体变形区域边界线的水平倾角应等于（45°+? /2）,而不是45°。给出了修正的Loganathan公式,该公式适用于软土地区不排水条件。提出了盾构剪切扰动区范围的计算公式。算例分析表明,与Loganathan公式的计算结果相比,修正公式使沉降槽宽度和土体水平位移有所减小,计算结果与实测数据更加吻合。     

斜坡单元支持下基于土体含水率的陕西省清涧县城区黄土滑坡危险性评价

滑坡危险性评价是减灾防灾的重要措施之一。通过野外调查,陕西省清涧县城区周边斜坡地带共发育滑坡138处,严重威胁县城安全。为了准确评价清涧县城区滑坡危险性,按照河流沟谷的发育情况和地形地貌的完整性,将清涧县城区及周边区域的斜坡地带共划分为925个斜坡单元,将斜坡单元按照不同的坡度、坡高和坡型分别进行不同土体含水率工况下的斜坡稳定性计算。计算结果表明,随着斜坡土体含水率的逐渐增加,城区内稳定斜坡的面积逐渐减少,不稳定斜坡的面积逐渐增大。依据陕北地区黄土斜坡土体含水率监测数据,分析计算土体含水率（w）的出现概率,w≤0.15出现的概率为0.622（概率很高）,0.15<w≤0.2出现的概率为0.2963（概率高）,0.2<w≤0.25出现的概率为0.0816（概率中）,w>0.25出现的概率为0（概率低）。结合斜坡稳定性计算结果和含水率出现概率,评价斜坡单元危险性。评价结果表明,清涧县城区危险性很高区面积3.27 km²,包含斜坡单元112个,已发生滑坡点92个;危险性高区面积4.19 km²,包含斜坡单元128个,已发生滑坡点36个;危险性中区面积8.75 km²,包含斜坡单元251个,已发生滑坡点6个;危险性低区面积15.20 km²,包含斜坡单元434个,已发生滑坡点4个。     

不同土壤含水率情况下透明塑膜覆盖增温效应的研究

透明型膜覆盖后,土-气界面热平衡状况发生变化,使得覆盖后产生增温效应.通过边界层热平衡分析,建立了一维热传导数学模型,模型中考虑覆盖层的光学特性,忽略土壤水分运动对土壤温度分布的影响,经与土柱实验数据检验,表明模型具有良好的精度且塑膜覆盖对土壤热状况有强烈的影响.着重探讨了表土含水率不同所产生的热效应的差异.     

考虑含水率影响的压实黄土路堤稳定性研究

压实黄土路堤是主要的路基型式之一,由降雨引起的压实黄土含水率增大导致的高填方路堤边坡失稳时有发生。通过对山－平（山阴至平鲁）高速公路黄土路堤填料进行室内击实试验和三轴压缩试验,分析了填土含水率对填土密度、干密度及填土抗剪强度的影响。结果表明,含水率对黄土填料密度和干密度的影响都较大;随着含水率的变化,填土黏聚力和内摩擦角呈现一增一减的变化规律。根据试验结果,采用FLAC3D建立现场试验段加筋路堤数值模型,基于强度折减法分析4种加筋工况下含水率对黄土填土路堤稳定性的影响表明,随着填土含水率的增大,路堤安全系数不断减小,路堤稳定性降低;路堤安全系数随土工格栅铺设层数的增加而增大,在路堤中铺设土工格栅能够提高路堤整体性,很好地防止路堤失稳。     

袖阀管注浆技术改性土体研究及效果评价

注浆技术作为一种有效的岩土工程施工方法,理论研究远落后于工程应用。在简要分析袖阀管注浆原理及注浆机制类型的基础上,采用岩土颗粒流程序,从微观上模拟了单孔条件下不同注浆压力对土体改性效果的影响,认为随注浆压力的提高,土体出现显著的压密效应,拉应力增加且范围扩大,并产生劈裂注浆效应,尤其是注浆孔周围土体,空间置换率较大;同时模拟了多孔状态下浆液扩散、土体压密及劈裂效应产生的过程,认为对于土体改性存在一合理的注浆压力,浆液挤压土体并在土体中产生劈裂缝,在多孔之间贯通、交叉,形成网状浆脉,土体得到整体改性。模拟结果与现场注浆试验取得了较为一致的结果,土体改性效果良好。     

正冻土水热迁移的移动泵模型

通过引入脉冲函数将流量边界条件转化为源（汇）项,冻结锋面处的假想泵从未冻土中抽吸水分并储存在冻结锋面附近的狭窄区域.将水分扩散方程在整体求解域上等效分解为两个方程,避免了处理移动冻融边界的难题.在一个分解方程中引入汇项以表达未冻区水分的流出,在另一个分解方程中引入相同大小的源项以表达冻土中水分的聚集.将移动泵模型相关场方程和变量输入COMSOL Multiphysics模拟软件的数学模块中,对一个封闭系统非饱和土冻结过程中水分和温度的变化过程进行了数值模拟,将模拟结果与前人试验和模拟结果进行了对比.     

热脉冲法监测集中渗漏的模型试验

基于光纤布拉格光栅（FBG）传感系统,提出了适用于土石坝心墙集中渗漏监测的热脉冲法。采用由传感加热单元、稳压电源、调压器、光纤光栅解调仪组成的监测系统进行了集中渗漏监测的模型试验。首先进行了骨料干燥和湿润条件下的试验,试验结果表明,采用温升作为判别指标难于对渗漏状态作出准确判断,为此定义了2个无量纲的判别指标? 和 ? 。采用两种渗漏流量进行了试验,并分别采用? 和 ? 进行了渗漏状态的识别,结果表明2个判别指标均能进行渗漏的准确定位,且能定性反映渗漏强度的大小,采用? 作为判别指标的识别效果优于?。     

Satellite remote sensing applications for surface soil moisture monitoring: A review

Surface soil moisture is one of the crucial variables in hydrological processes, which influences the exchange of water and energy fluxes at the land surface/atmosphere interface. Accurate estimate of the spatial and temporal variations of soil moisture is critical for numerous environmental studies. Recent technological advances in satellite remote sensing have shown that soil moisture can be measured by a variety of remote sensing techniques, each with its own strengths and weaknesses. This paper presents a comprehensive review of the progress in remote sensing of soil moisture, with focus on technique approaches for soil moisture estimation from optical, thermal, passive microwave, and active microwave measurements. The physical principles and the status of current retrieval methods are summarized. Limitations existing in current soil moisture estimation algorithms and key issues that have to be addressed in the near future are also discussed.     

Heat-induced moisture transport in the vicinity of a spherical heat source

The present paper develops an analytical approach to the problem of heat-induced moisture movement in the vicinity of a spherical heat source embedded in an undeformable, moist porous solid of infinite extent. A transient-state distribution of temperature within the infinite medium is assumed to induce the moisture transport process. The numerical results, presented in the paper, illustrate the influence of the moisture transport characteristics on the time-dependent distribution of moisture within the porous medium. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.     

饱和土地下源u-P形式解答动力响应计算

一直以来,由Biot孔隙弹性动力方程得到的饱和土地下源Green函数都是u-w形式（u为固相介质位移,w为流相相对于固相的平均位移）。应用两相介质纵波解耦理论,得到了饱和土半空间地下点源荷载的u-P形式（P为孔压）Green函数频域解答;克服了u-w形式Green函数在边界元（BEM）积分时的增根影响。再由Hankel反演,结合Somigliana表象积分,完成BEM计算。并以计算结果分析了地下集中力作用时,饱和土位移、孔压、排水量等动力特性,这对地铁等交通工程、地震工程、土-结构动力相互作用（SSI）的响应计算都具有较重要应用价值。     

地埋点热源作用下层状半空间的热-力耦合响应

采用解析层元法对存在地下点热源的岩土工程问题进行解答。首先从热弹性力学三维问题的基本控制方程出发,利用拉普拉斯-傅里叶积分变换推导出其在变换域内单层介质及下卧半空间的解析层元;然后结合有限单元法原理组装得到总刚度矩阵,结合边界条件,得到其在变换域内的解答,最后应用拉普拉斯-傅里叶积分逆变换技术,得到物理域内的解。编制了相应的计算程序,算例分析表明：该结果与已有文献吻合较好,该方法求解层状半空间的热-力耦合响应问题具有较好的适用性和较高的精度;层状岩土介质体系中,热扩散系数对温度及地表隆起的变化过程影响显著,但对其初始值和最终稳定值影响不明显;分层特性对岩土介质温度分布及地表位移变化过程均有显著影响。     

基于土壤水分动态随机模型的土壤湿度概率密度函数研究进展

简要回顾和评述了几个典型土壤水分动态随机模型和相应的土壤湿度概率密度函数,并基于这些模型的模拟结果就系统随机波动、气候因素、土壤特性、植被条件、地形特征对稳定状态土壤湿度概率密度函数的影响分别进行了分析和讨论,同时还引用相关的实验结果对这些影响进行佐证.结果表明,土壤湿度概率密度函数对以上因子的响应非常敏感,对揭示土壤水分动态和诠释生态水文现象有很好的指导意义.指出未来土壤湿度概率密度函数的研究方向:开发更加逼近真实情况的随机模型;用土壤湿度概率密度函数的思想量化植被水分胁迫、耦合土壤水分动态与养分动态;对某一地区建立其土壤湿度概率密度函数,并用该函数指导其他相关的生态建设和研究.     

辽西地区冻风积土水分迁移特征的研究

对辽西地区的风积土进行了冻结过程的水分迁移试验,获得了含水量随温度和时间的变化规律;基于连续介质力学和热力学理论,建立了冻结过程中水分迁移的动力学模型,并采用差分解法进行了数值模拟分析;借助于扫描电镜从微观上研究了冻结过程中试样内部土颗粒的排列变化,从而揭示风积土的水分迁移特征。研究结果表明：时间和温度决定了水分迁移的充分性,温度的变化随深度的增加而具有衰减性,并且在冻结峰面附近形成一个冻结含水量峰值;在靠近顶端的一定深度内,冻结后的含水量并没有持续增加,反而有减小的趋势;通过扫描图像可以看出,土颗粒的重新排列直接反映了水分迁移的状态。     

Three-dimensional heat,moisture and air transfer in unsaturated soils

A new three-dimensional numerical model of coupled heat, moisture and air transfer in unsaturated soil is presented. In particular, the model accommodates moisture transfer in the form of liquid and vapour flow and heat transfer arising from conduction, convection and latent heat of vaporization. The bulk flow of dry air and the movement of air in a dissolved state are also included. The theoretical basis of the model, the finite element solution of the spatial terms and finite difference solution of the temporal terms are briefly presented. Attention is focused on the verification of the new numerical solution. This is achieved via comparisons with independent solutions of heat, moisture and air transfer in an unsaturated soil. The physical problem considered includes the highly non-linear hydraulic properties of sand. Thermal conductivity is also included as a function of soil moisture content. Excellent correlation of results is shown thus providing confidence in the new model. The new model is also applied to a number of test cases which illustrate the need for the development of a model which can fully include three-dimensional behaviour. In particular, three applications are presented each increasing in complexity. The first application illustrates three-dimensional heat transfer. This particular application is verified against existing commercial finite element software. Subsequent applications serve to illustrate how the coupled processes of heat moisture and air transfer combine to yield three-dimensional problems even within a simple geometric domain. Visualization of three-dimensional results is also addressed. © 1998 by John Wiley & Sons, Ltd.     

Numerical simulation of vertical ground heat exchangers: Intermittent operation in unsaturated soil conditions

The effect of varying the thermal properties of inhomogeneous unsaturated soil on the intermittent operation of a vertical ground heat exchanger (GHE) was simulated by a conjugate heat transfer simulation using a transient conductive heat transfer model. A three-phase soil model was used to introduce soil properties that vary with depth. The performance during the first few hours was significantly different from that of an analytical infinite line source model that assumes steady-state borehole conditions, although relatively good agreement was obtained thereafter. Unsaturated soil conditions afforded a 40% lower mean heat exchange rate than saturated conditions. This demonstrates the importance of considering unsaturated conditions in the design and performance evaluation of GHEs.