Abstract:

既有饱和正常固结土体加热试验研究表明，温度升高时，土体的体积变化表现为体积收缩，这与热胀冷缩基本通识相违背。针对这一问题，通过热?水?力（THM）完全耦合有限元程序对饱和正常固结黏土的加热试验进行了数值模拟。结果表明，由于黏土的热传导系数及渗透系数都比较低，在升温过程中，试样内部会形成温度差，进而产生超孔隙水压，随着超孔隙水压的消散，最终使土体表现为热压缩现象。当增大土体的渗透系数时，土体内部不产生超孔隙水压，这时土体表现为热膨胀。因此，饱和正常固结土体升温引起的热压缩现象并非土体基本力学特性，而是一个边界值问题。

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通过陶瓷板和多孔渗透膜两种轴平移技术的非饱和三轴试验，获得了吸力一定时真砂土（完全风化的花岗岩）的应力应变曲线及排水变形特征，并利用有限单元法对三轴试验进行数值模拟。试验结果表明，使用多孔渗透膜时试样的饱和度大于使用陶瓷板时的饱和度，且试样在剪切过程中排水量更小。数值计算得到的试样的应力应变曲线与三轴试验获得的基本一致。剪切过程中，试样内部的吸力和饱和度呈现不均匀分布，与陶瓷板相比，多孔渗透膜可以更好地控制剪切过程中试样的吸力。数值模拟结果表明，非饱和土三轴试验是一个边界值问题而非土体的单元力学行为。

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液化后砂土流动是一个涉及液相向固相转化的过程。针对目前常规三轴加载模式在进行松砂液化后性质研究中存在局限性的现状，提出应力与应变控制相结合的加载方法，获取初始液化状态，开展液化后松散土体流态化性质研究。基于试验结果，引入液?固相变参数，耦合流体本构与固体本构关系，建立可统一描述液化后土体应力应变关系的经验模型，实现不同密实度条件下砂土液化后液?固相变转化全过程力学行为的模拟。

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颗粒型膨润土材料具有颗粒间孔隙、集合体间孔隙和集合体内孔隙等多尺度孔隙结构特征，传统非饱和膨胀土双孔模型（BExM）难以准确描述其宏观力学行为。在现有BExM模型的理论框架基础上，从颗粒型膨润土材料的三重孔隙结构出发，通过双加载屈服面方程和宏微观耦合效应函数表征膨润土颗粒混合物的多尺度孔隙弹塑性变形行为及其相互耦合关系。通过对比试验数据与模型模拟结果发现，模型可较好地描述非饱和颗粒型膨润土材料的膨胀力特征、膨胀变形特征以及宏微观孔隙结构演化规律。

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对南海不同岛礁处的钙质砂开展一系列终止压力为8 MPa的高压固结试验，研究不同颗粒形貌及不同粒组的钙质砂的颗粒破碎演化规律。试验结果表明，两种钙质砂试样S₁和S₂的矿物组分基本相同，但不同的沉积环境造成了颗粒形状具有显著差异；以片状颗粒为主的钙质砂试样S₂的压缩性和颗粒破碎程度会显著高于以块状颗粒为主的钙质砂试样S₁，且颗粒相对破碎率B_r均随着颗粒粒径的增大而增大；对两种不同的钙质砂而言，相对破碎率B_r与压缩变形量之间呈良好的幂函数递增关系，表明颗粒破碎大小与压缩变形量密切相关。

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针对不同边界条件下的地铁管片建立了热力耦合数值模型，采用顺序耦合热?应力分析方法对不同负荷度下衬砌管片在高温下的变形及内力进行了分析，并基于火灾试验数据进行了验证。研究表明，负荷度是影响管片在火灾高温下变形特性的关键因素。负荷度越大，管片跨中位移在升温阶段发展越充分，下缘混凝土的极限压应力越小。支座边界条件不同时，衬砌管片变形受高温影响的程度也不相同。当衬砌管片两端的水平位移被约束时，由于在升温过程中衬砌管片产生不可忽略的变形，支座反力先增大后减小，最后持续增大直至升温结束。

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研发了一种新型预制复合墙板，墙板的内外叶板均为钢丝网混凝土薄板，中间内嵌发泡水泥块作为保温材料，墙板各部分通过钢筋桁架网格连接成为整体。该墙板既可用作承重构件，也可作为围护构件使用，具有生产便捷、成本低廉、安装方便等优点。对内墙、外墙和开洞外墙共3种规格的预制复合墙板分别进行了单调水平加载试验和低周反复加载试验，研究了墙板在一定轴压比下的抗侧性能。墙板的破坏模式均为混凝土压碎、部分钢筋桁架和钢丝网受拉屈服。单调水平加载试验结果表明，内墙、外墙和开洞外墙的峰值荷载分别为206.16、314.15和201.99 kN，具有良好的承载能力；开洞可有效增加墙板的延性，但墙板的极限承载力出现大幅降低。低周反复加载试验结果表明，墙板的骨架曲线与单调水平加载曲线较为相似；预制复合墙板具有良好的延性和耗能能力，开洞外墙的变形能力及耗能能力明显优于普通外墙和内墙。总体来说，预制复合墙板具有良好的承载力和延性，可以在低层或多层装配式建筑中使用。最后，采用ABAQUS建立了预制复合墙板的数值模型，数值分析与试验对比结果表明，数值模型可以较好地模拟墙板的破坏模式和受力状态，验证了数值模型的有效性。

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对碳化作用细观求解方法进行梳理改进，利用传输和反应过程状态变化的路径依赖特点，规避了传统方法大规模矩阵求解，提出了基于扩散路径映射的碳化细观模拟方法。方法基于Dijkstra路径算法对界面层影响进行修正，建立水泥浆体扩散路径算法，得到环境表面到水泥浆体的最短路径网络；通过水泥浆体代理模型，模拟水化反应、碳化反应以及材料孔隙率变化的耦合碳化过程，得到关键指标（氢氧化钙浓度）沿扩散路径的时变分布；最终依据相同的扩散路径长度进行结果映射，实现碳化作用中关键物质浓度随时间空间分布的高效精准预测。通过材料试验对比校验，扩散路径映射方法模拟结果能够准确反应混凝土碳化深度范围；与传统偏微分求解方法对比，扩散路径映射方法能够在细观尺度精准模拟关键物质空间分布情况，且求解效率提升20倍以上，存储空间需求降低为偏微分求解的2%以内。

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基于三重嵌套的非结构网格建立七里海潟湖水动力和物质输运模型，采用实测资料对模型的潮位、流速和流向进行验证，结合卫星遥感影像资料，模拟1950—2018年七里海潟湖地貌演变过程，利用水体冲刷时间尺度探究不同工况下潟湖水体交换能力的变化特征。结果表明，自然条件下，径流改变较海平面变化对水体交换能力的影响更为显著；挡潮闸的开闭是影响潟湖水体交换能力的关键因素，同时潟湖围垦降低了纳潮量也减弱了水体交换能力，但降低幅度较小；潮汐通道工程的变化是影响水体交换能力的主要原因，潮汐通道由弯曲变为顺直及其拓宽均增强了潟湖的水体交换能力。

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以浙江省3个流域作为研究对象，采用两参数月水量平衡模型（XM模型）和四参数月水量平衡模型（ABCD模型），结合极大似然不确定性估计方法（GLUE）对水文模拟的不确定性区间进行估计，在此基础上，研究不同模型在ENSO（厄尔尼诺?南方涛动）和不同流域地理情况下的参数移植能力。结果表明，厄尔尼诺时期的参数移植至拉尼娜时期，模型模拟效果要略好于拉尼娜时期的参数移植至厄尔尼诺时期；参数少的模型（XM模型）参数移植合格率要优于参数多的模型（ABCD模型）；相邻流域间的参数移植效果要明显优于距离较远的流域；ABCD模型具有更好的空间可参数移植能力。

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为探究驾驶人速度感知机理，设计驾驶模拟实验采集驾驶人感知速度与实际行车速度，分析地下快速路几何线形、侧壁变化频率等因素对驾驶人速度感知敏感性的影响，并基于恒定速度理论、机器学习方法构建驾驶人速度感知偏差敏感性阈值预测模型。结果表明，在0.05显著水平下，不同速度水平、线形组合、侧壁变化频率组别下，驾驶人的速度感知敏感性阈值都存在显著差异。采用LASSO（least absolute shrinkage and selection operator）筛选根据短期、中长期、长期时窗划分的各特征变量，构建的多元非线性模型的决定系数R2为0.645，多层感知机模型的决定系数R2为0.727，支持向量回归模型的决定系数R2为0.853。

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为提高公交竞争力，以消除公交车在交叉口的停车等候时间为目标，提出了一种面向短间距交叉口，考虑公交车到达停止线的时刻的预测误差，以对原配时方案调整幅度最小为准则，均衡分配各个相位间的绿灯损失和收益的主动优先方法，并基于仿真实验分别验证了方法的有效性和适用性。有效性实验中，此方法将公交车在交叉口的停车等候时间降低了90.8%，并使人均延误降低了31.0%，优于其他3种信号控制方法。适用性实验表明，此方法适用于饱和度不超过0.8的信号交叉口。

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轨道几何不平顺的预测是铁路部门实现由周期修到状态修转化的基础，也是制定养修策略的关键。然而现有预测模型计算比较复杂且鲜有考虑捣固、打磨等复合作业对轨道不平顺的影响。为提升其运算效率与预测精度，考虑了不同作业区段的差异性，以有砟轨道几何不平顺恶化函数、捣固打磨作业下的恢复函数为研究对象，采用数值拟合等方法，形成了各区段特有的恶化矩阵，建立了捣固与打磨复合作业下的有砟轨道几何不平顺预测模型。利用京沪线相关里程数据进行预测分析，结果表明，所建立的模型有效，结果满足现场预测需求。

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引入结合Kriging代理模型法和Monte Carlo抽样法的主动学习可靠性分析方法（AK?MCS），以管道尺寸、作用载荷以及管材属性为基本随机变量，对受内压悬臂管道在给定工况（即28 MPa内压，自由端5.06 mm纵向位移循环载荷）下的疲劳寿命进行可靠性分析。首先根据管道三点弯曲疲劳试验结果，通过线性回归分析建立管道的Manson?Coffin疲劳寿命模型，而后采用AK?MCS方法获得管道的疲劳寿命?失效概率/可靠度曲线，为内压管道的工程应用提供了基于概率的寿命预测结果。根据该曲线进而得到管道的疲劳寿命频数直方图，发现弯曲疲劳寿命总体上呈正态分布。此外，通过与Monte Carlo方法的比较，证实了AK?MCS方法在保证受内压航空管道弯曲疲劳可靠性分析精度的同时，还大大降低了计算量。

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以某轨道交通全封闭声屏障为研究对象，考虑简化线声源的非相干性，建立2.5维边界元衍射声场模型；通过现场沿线环境噪声测试，验证了该模型的准确性，并与相干源衍射声场预测结果比较；最后预测了在近场高层建筑附近，全封闭声屏障对近轨或远轨车辆噪声的降噪效果。研究结果表明，非相干线声源更符合城市轨道交通噪声源特性；对于轮轨噪声（315~1 000 Hz），全封闭声屏障在高层住宅建筑区域有显著的降噪效果，1/3 倍频程插入损失最大为30.0 dB。对于低频噪声（50~250 Hz），全封闭声屏障会加重高层住宅建筑区域的声压级，使插入损失出现负值。针对高层建筑附近场点，全封闭声屏障的顶端拱形透光板对远轨车辆噪声有更为显著的附加降噪效果，大部分场点附加插入损失均高于5.0 dB。

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以全焊接型凹坑板式空气预热器为对象，基于最优设计试验方案，运用Workbench Fluent软件数值模拟凹坑板片特征结构参数对传热流阻性能的影响。基于参数敏感度分析，得到单因素作用下对传热流阻性能的影响程度为凹坑的纵向间距＞长轴＞横向间距＞深度。基于响应曲面法分析，得到多因素协同作用时，凹坑之间的结构参数横纵距对性能影响比凹坑自身的结构参数深径比大。基于遗传算法以摩擦因子f最小、努塞尔数Nu与综合换热因子J_F最大为优化目标，得到给定范围内的3组较优结构组合。

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为结合直流电阻率（direct current resistivity， DCR）与射频大地电磁（radio-magnetotelluric， RMT）法反演优势，开展了二维DCR与RMT数据联合反演研究。在经典最小结构模型正则化的基础上，采用平衡算子调节两个数据间的权重，引入模糊C均值（fuzzy C-means， FCM）聚类对电阻率模型进行约束，根据数据均方根误差自动调整FCM聚类项的权重，提高了联合反演效果。通过单独反演与联合反演结果的对比，分析了两种方法的反演能力，总结了联合反演的优势。模型试算表明，DCR与RMT数据联合反演得到的电阻率模型较单独反演更接近实际模型，FCM聚类约束的应用可进一步提高联合反演的效果。

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从风险因素的不确定性出发，引入风险偏好，基于随机合作博弈理论和Shapley值法，计算出PPP（public-private partnership）模式下城市更新项目的随机Shapley值，从而构建城市更新PPP项目中政府部门、专业运营公司和投资公司三方参与的最优风险分担决策模型，并得出三方的最优风险分担比例。以上海某小镇PPP项目为例进行算例分析，计算得出政府、专业运营公司和投资公司三方的风险分担比例。分析表明，三方博弈的项目风险分担模型能很好地降低城市更新PPP项目的总风险和提高整体收益，有利于提高城市更新PPP项目的合作效率。