论工程地质中的场及其多场耦合

本文对工程地质中的场及其多场耦合进行了比较系统的分析。通过场概念争论的分析,给出了场的定义; 根据工程地质的特点,提出了基本场的概念,并对基本场的内涵和作用进行了深入剖析; 将工程地质中的场分为基本场、作用场和耦合场3类,同时对地质体结构场、应力场、渗流场、温度场、化学场和变形场进行了详细分析; 在此基础上,对多场耦合关系的类型进行了讨论,对工程地质中场的耦合关系进行了分析,最后提出了工程地质多场耦合分析中的相关课题。     

考虑含水合物沉积物损伤的多场耦合模型研究

天然气水合物是一种新型的清洁能源,具有广阔的应用前景。但在水合物开采过程中温压条件的改变会引起水合物的分解,导致含水合物沉积物胶结强度的丧失;同时,沉积物在加载过程中由于其内部微裂纹、缺陷逐渐扩展以及土颗粒间的水合物逐渐破碎也会引发含水合物沉积物的损伤,而以往对于水合物分解过程中多场耦合模型的研究忽略了沉积物结构损伤演化过程及其对耦合过程的影响。因此,基于连续损伤理论,在损伤统计本构模型中引入三参数的Weibull分布和残余强度修正系数,建立起考虑损伤阈值和残余强度影响的含水合物沉积物损伤统计本构模型;进而将本构模型嵌入到水合物分解过程的多场耦合模型中,建立了考虑含水合物沉积物损伤的温度-应力-渗流-化学（THMC）多场耦合数学模型;基于该模型讨论了含水合物沉积物结构损伤对水合物分解过程中沉积物储层的变形、压力、温度等因素的影响规律。通过计算分析发现：含水合物沉积物结构损伤对水合物分解的多场耦合过程具有显著影响,并且随着分解时间的增加,其影响逐渐增大。     

各向异性介质储层数值模拟及波场特征研究

各向异性介质储层中波场特征的研究,有利于对多波资料的准确解释。在弹性波方程基础上,结合数值模拟技术与AVO技术,对多种介质模型和第二类含气砂岩储层模型进行数值模拟与波场特征描述。以表征介质各向异性程度的Thomsen参数为出发点,研究各参数对地震波场动力学和运动学特征的影响,并对第二类含气砂岩介质中模拟得到的正演记录,以及各向异性参数对波场的影响程度进行分析,进一步加深了对该类储层各向异性特征的认识,这为各向异性介质中的参数反演与地震资料解释提供了有力的参考依据。     

表层土剪切波速的不确定性对地表设计谱平台值的影响

土层剪切波速对地表反应谱有重要的影响。选取构建了不同场地类别的235个场地地震反应模型,人工合成了12条强弱及频谱特性不同的加速度时程,运用一维土层地震反应的等效线性化波动方法,研究了不同地震动输入下表层土剪切波速的不确定性对设计谱平台值的影响,统计给出了表层土剪切波速的变异率与地表设计反应谱平台值间的经验公式。结果表明:地表设计反应谱平台值与表层土剪切波速的变异率呈负相关关系,即随表层土剪切波速变异率的增大而减小;不同地震波输入条件下各类场地类别地表设计谱平台高度与表层土剪切波速变异率的数学模型为一阶指数函数。     

层状土场中冲刷作用下部分埋置单桩动力响应分析

桩周土场受冲刷作用的变化是部分埋置单桩结构失效的主要原因之一。工程中土场多呈层状,此类场地中桩基的力学特性研究日益受到关注。为精确揭示冲刷作用对层状土场中部分埋置单桩动力响应的影响,基于改进Vlasov地基模型,利用Hamilton原理建立层状土场中横向受荷单桩的动力学模型。利用有限差分法求解受冲刷作用单桩的固有频率,实现对冲刷作用下土−结构相互作用系统的准确建模,进而用Green函数法求得单桩受迫振动的解析解。通过数值计算和参数分析,研究了层状土场的物理特性对受冲刷作用部分埋置单桩动力响应的影响。结果表明：基于改进Vlaosv地基模型建立的层状土场中部分埋置单桩动力学模型可精确预测冲刷作用对桩基动力学特性的影响。随冲刷程度加剧,层状土场中单桩的第一阶固有频率显著降低,改进Vlasov地基模型中各层土体的地基反力系数均减小,剪切系数则增大。当冲刷至非埋置段桩长 （ 为桩长）时,部分埋置单桩在动荷载作用下出现横向失稳现象。随底层土体厚度增加,各冲刷等级下单桩的第一阶固有频率均增大。如果第1层土的弹性模量增大了约0.43倍、1.14倍、1.86倍,则冲刷等级为0时单桩第一阶固有频率分别增大了约8.9%、19.5%、27.1%。     

近30年南京市浅层地温场变化规律研究

在收集南京市单一观测站点近50年气温资料和近30年浅层地温数据的基础上,对南京市地温变化趋势及其与气温变化的相关性进行了分析,对不同深度定时地温变化、日均地温伞年变化、地温日较差变化等进行了比较,同时也对地温变化对城市浅层土工程性质可能带来的影响进行了分析.结果表明:地温场与气温场变化规律基本一致,但存在一定的滞后现象;南京市月均地温变化规律基本相同,最高值出现在7,8月份,最低值出现在1,2月份;近30年来浅层地温场总体呈现上升趋势,其中地表上升最大值达2.8℃,0～20 cm土层温度变化幅度比较接近,上升最大值达2.0℃,40 cm处最大值达1.75℃;30年来地表最大温差高达84.5℃,40 cm深度最大地温差也超过27.5℃,因此多年地温变化对城市浅层土工程性质的影响不容忽视.     

堤防工程三维随机渗流场理论及研究

给出分析各向异性非均质稳定随机渗流场问题的三维有限元模型;结合实际工程问题,统计分析长江荆南干堤士性参数的分布特征,通过Kolomogorov-Smirnov统计检验表明,渗透系数呈高斯分布假设可以接受;通过对长江荆南干堤随机渗流场的三维有限元统计模拟的数值分析,研究长江荆南干堤渗流场的各种随机特性,并进一步对随机模拟结果进行统计检验,验证模拟结果的合理性;在实际的分析研究中把上下游水位的随机波动引入三维有限元的随机分析模型,分析上下游水位的变异性对渗流场矢量的随机干扰和边界条件的随机性对随机渗流场分析结果变异性的影响。在此基础上进一步考虑施加诸如垂直截渗墙、下游导渗沟等抗渗措施后,它们作为复杂边界条件的扰动,在与场内土性参数的变异性共同影响下,对渗流场水头势分布的随机干扰特性,并与相应的确定性稳定渗流场问题的结果对比,证实随机渗流场研究的必要性、可行性及实用性。实现了对长江荆南干堤的三维渗流场的较为全面的随机场模拟及特性分析,分析得到的结论通过统计检验并结合实测工程数据对照证明是可靠的,所研制的程序是适用的。     

滑坡次声信号简正波模型的匹配场超前定位算法

滑坡灾害发生前夕,滑体内的局部岩土体发生爆裂、摩擦和断裂等破坏会产生次声波向外传播,基于次声信号的超前定位成为滑坡监测预警的关键技术。将波动方程通过傅里叶变换到亥姆霍兹方程,利用汉克尔变换得到波动方程的核函数,建立了基于简正波的地质声场模型,仿真分析了土层与空气、土层与岩层之间反射折射关系;提出滑坡次声信号的简正波模型匹配场超前定位算法,将垂直接收阵的测量次声信号与传播模型的拷贝次声信号进行相关匹配计算,搜索计算得到模糊函数最大值处的坐标定位为声源点,并采用12元垂直接收阵仿真分析3种匹配场算法性能,发现可变系数似然匹配场算法具有旁瓣小、定位准确的优点,可应用于滑坡定位技术;将垂直接收阵置于空气层中、土层中不同位置发现,土层中的垂直阵能够精确定位,而空气中误差较大;并将该算法应用于滑坡超前定位,定位了滑体的局部破坏位置和预测滑移线。该算法为滑坡超前定位技术提供了新的思路。     

颗粒材料平均场理论的多尺度方法：理论方面

对基于平均场理论的颗粒材料多尺度方法实施过程中的基本理论问题进行了探讨。公式推导表明,考虑微观颗粒间滚动矩相互作用时宏观需要采用Cosserat类连续体模型。基于平均场理论,给出了离散颗粒表征元等效连续介质应力、偶应力表达式。基于Hill-Mandel宏观均质化条件,给出了离散颗粒微结构波动场的边界条件,并且讨论了内部长度尺度参数的选择问题。该工作是颗粒材料多尺度计算的理论部分研究。     

坝基二维渗流场的大尺寸物理模型试验

利用大尺寸砂槽试验模型模拟了坝基二维渗流全过程,并着重分析了坝基二维渗流场的变化情况。模型槽内土样渗透变形破坏后,取不同区域土样进行颗粒分析试验。根据渗透变形试验所获得的参数,运用GeoStudio 2007软件对坝基渗流场进行数值分析,所得渗流场分布与物理模型试验结果基本吻合,说明该二维渗流场的物理模型试验结果较为合理。结果表明,渗透破坏主要发生在坝体下渗透路径较短的区域内,而坝基上下游基本未产生渗透变形;产生渗透破坏后,渗流路径发生较大改变,导致渗透破坏区域渗流量大幅增加,加速坝基破坏进程。     

苏中腹地湖相软土土性参数变异性统计描述

基于江苏中部某高速公路工程地质勘察所提供的大量室内试验测试数据,运用随机场理论,将土层剖面模拟为随机场而非传统意义上的随机变量,提出了基于随机场理论、考虑空间趋势分量的土性参数变异性统计方法,系统地统计分析了苏中腹地湖相软土土性参数的变异特性,对比了实验室物理性质指标参数、变形参数和强度参数变异性特征。统计结果表明,该地区软土实验室物理性质指标参数变异性较小,不存在明显的趋势分量,可用传统方法进行统计估计;实验室变形和强度参数存在明显的趋势分量,统计前需对数据进行回归分析和去趋势化处理,从而基于随机场理论进行统计分析。研究不仅提供了土性参数变异性统计的新方法,而且能对苏中地区工程建设提供必要的参考,为区域性软土土性参数随机场模型的建立打下了坚实的基础。     

不排水抗剪强度非平稳随机场模拟及边坡可靠度分析

边坡可靠度分析中通常假定采用平稳或准平稳随机场表征土体参数的空间变异性,然而大量现场试验数据表明,土体参数如不排水抗剪强度沿土体埋深常呈现明显的非平稳分布特征,即其均值和标准差均随埋深发生变化,因此亟需发展土体参数非平稳随机场模型及其模拟方法。针对目前不能有效单独模拟土体参数趋势分量和随机波动分量的不确定性,提出了一种有效的不排水抗剪强度参数非平稳随机场模型,并给出了土体参数二维非平稳随机场模拟方法计算流程,同时将新提出的模型与现有非平稳随机场模型及平稳随机场模型进行了系统比较。最后通过不排水饱和黏土边坡算例验证了提出模型的有效性,并揭示了不排水抗剪强度非平稳分布特征对边坡可靠度的影响规律。结果表明：提出模型能够有效地单独模拟土体参数趋势分量和随机波动分量的不确定性,考虑土体参数均值和标准差随埋深增加而增大的特性,可为表征土体参数非平稳分布特征提供了一条有效的途径。此外,与采用非平稳随机场模拟土体参数空间变异性相比,采用常用的平稳随机场模型会低估边坡失效概率,从而造成偏危险的边坡工程设计方案。     

约束随机场下的边坡可靠度随机有限元分析方法

目前边坡可靠度中常用的简化分析方法,不考虑边坡土体的空间变异性,每次计算整个边坡都取用相同的强度参数,由离散点试样试验得到的土体参数统计特性只能反映点特性,而边坡的稳定性受滑面上平均抗剪强度特性控制,因此,需要考虑空间范围内的平均特性。描述空间变异性的随机场理论对变异性较高的土体,实际上高估了其空间变异性。把随机场理论和地质统计中的区域化变量理论结合起来,建立约束随机场,并在此基础上进行Monte-Carlo随机有限元分析。计算实例表明,在高变异性条件下约束随机场能有效降低完全随机场的模拟方差,得到更低的破坏概率。对比了随机有限元和简化法的计算结果表明,简化法在土体强度变异性很高时其结果并非偏于保守。另外也指出了可靠度分析中存在的边坡尺度效应和简化法的适用条件。     

The Effect of Spatial Correlation of Cone Tip Resistance on the Bearing Capacity of Shallow Foundations

The effect of directional behaviour of correlation structure of cone tip resistance on the bearing capacity of shallow strip footing resting on cohesionless soil deposit in 2-D random field is analysed using probabilistic approach. The results obtained from the analysis show that the assumption of perfect (or infinite) correlation of cone tip resistance data leads to lower values of probability of failure. In contrast, the isotropic assumption of correlation behaviour based on vertical scale of fluctuation leads to higher values of probability of failure. The results also show that the transformation model would play a major role in the evaluation of variability of design property. In conclusion, the need for a proper evaluation methodology for calculation of correlation lengths of soil properties and their influence in foundation design is highlighted.     

Influence of spatially random soil on lateral thrust and failure surface in earth retaining walls

The present study investigates the influence of spatial variability of soil properties on the lateral thrust and failure surface of a 6?m high frictionless rigid earth retaining wall in active condition. The drained friction angle of the soil is modelled as a log-normal anisotropic random field in two dimensions, using the Cholesky decomposition technique. The effect of horizontal and vertical scale of fluctuation is observed on the lateral thrust. The failure surface in the backfill is found to be more or less similar for different combinations of spatial variability in vertical and horizontal directions. Monte-Carlo simulation technique is used to compute the probability of failure and to obtain the worst-case spatial variability configuration.     

温度-湿度-荷载综合作用下路基冻融过程试验研究

为了研究季节冻土路基内部温度场、水分场及应力场综合效应的变化特性,基于自主研发的温度-湿度-荷载综合模型试验测试系统,进行室内路基模型的冻结与融化循环试验,分析了冻融循环过程路基内部土体水、热及力学性能的变化特性.试验表明:冻结过程中,初期温度变化大,温度梯度从顶端向底部逐渐递减;路基顶冻结后,0℃冻结锋面不断往下移动,0℃分界线两段内温度梯度差异大;路基含水率分为冻结区未冻水含量似稳定段、过渡区未冻水快速相变段、未冻结区含水率减小段.融化过程中,温度变化先大后小,未冻结水含量与温度大小相关,路基内部含水量呈现中间增大,两端减小的情形.水热综合作用下,应力场表现:冻融过程中,路基回弹模量随着冻结深度的增大呈线性增加,随融化深度的增加而减小;路基回弹模量随冻融循环次数增加而衰减,当达到6次时,衰减趋于稳定.结果表明,土体水热耦合作用是影响路基土体力学性能的关键因素.     

土质边坡三维可靠度分析

基于空间随机场理论,利用局部平均法研究空间各向异性的土坡的可靠度问题,推导出相应计算公式,并通过计算边坡的最大破坏概率来进行滑坡的空间预测。     

土性参数的随机场模型及桩体沉降变异特性分析

考虑土体参数的空间变异性,建立了土体变形模量的随机场模型并推导了方差拆减系数计算公式,研究了竖向和径向自相关距离对桩体沉降变异性的影响。     

Advanced reliability analysis of slopes in spatially variable soils using multivariate adaptive regression splines

This study aims to extend the multivariate adaptive regression splines(MARS)-Monte Carlo simulation(MCS) method for reliability analysis of slopes in spatially variable soils. This approach is used to explore the influences of the multiscale spatial variability of soil properties on the probability of failure(P_f) of the slopes. In the proposed approach, the relationship between the factor of safety and the soil strength parameters characterized with spatial variability is approximated by the MARS, with the aid of Karhunen-Loeve expansion. MCS is subsequently performed on the established MARS model to evaluate Pf.Finally, a nominally homogeneous cohesive-frictional slope and a heterogeneous cohesive slope, which are both characterized with different spatial variabilities, are utilized to illustrate the proposed approach.Results showed that the proposed approach can estimate the P_f of the slopes efficiently in spatially variable soils with sufficient accuracy. Moreover, the approach is relatively robust to the influence of different statistics of soil properties, thereby making it an effective and practical tool for addressing slope reliability problems concerning time-consuming deterministic stability models with low levels of P_f.Furthermore, disregarding the multiscale spatial variability of soil properties can overestimate or underestimate the P_f. Although the difference is small in general, the multiscale spatial variability of the soil properties must still be considered in the reliability analysis of heterogeneous slopes, especially for those highly related to cost effective and accurate designs.     

土壤水力特性空间变异的试验研究进展

土壤水力特性的空间变异是影响土壤中水分及溶质运移动态的主要因素.70年代以来国内外有关学者就土壤水力特性空间变异进行了大量的试验研究,通过对试验结果分析,得出了许多可供参考的结论,如水力特性空间变异尺度随研究区域尺度的增大而增大,且两者呈一定的比例关系,大多数水力特性遵从对数正态和正态分布,这些结论对于研究区域溶质(污染物)的迁移动态以及区域水盐动态预报十分重要的参考价值.