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《巖土工程學報》2019年第3期中文摘要
日期:2019年04月11日 14:52:39點擊數:字號:【

珊瑚島礁場地非線性地震反應特征分析

陳國興1,朱  翔1,趙丁鳳1, 劉景儒2

(1. 南京工業大學巖土工程研究所,江蘇 南京 210009;2. 海軍工程設計研究院,北京 100070)

摘  要:南海珊瑚島礁的地震安全問題是一個亟需解決的基礎性科學問題。以某南海珊瑚島礁為研究對象,開展了16組飽和珊瑚砂試樣的動三軸試驗,發現采用修正Matasovic本構模型描述珊瑚砂的動剪切模量折減和阻尼比增長特性是適宜的,并給出了相應的模型參數。詳細考慮島礁場地的工程地質特性和珊瑚砂的動力非線性特性、自由場非均勻網格劃分和人工邊界條件,尤其強調了土體應力–應變滯回曲線的不規則加卸載準則,建立珊瑚砂島礁場地的二維非線性地震反應分析模型,分析了珊瑚島礁場地峰值加速度放大系數的空間變異特征、地表加速度反應譜的譜形與持時特征。結果表明:①峰值加速度隨場地高程的增加總體上呈增大的趨勢,10 m以淺放大效應顯著,灰沙島和港池區域尤為顯著;②基巖輸入地震動頻譜特性對珊瑚島礁地表譜加速度的譜形影響顯著,地表譜加速度在周期小于0.7 s部分的反應非常顯著。③地表地震動持時較之輸入地震動持時均有所減小,地形地貌特征對地表地震動持時有一定程度的影響。該研究結果對南海類似珊瑚砂島礁軍事和民事功能設施的抗震分析具有借鑒意義。

關鍵詞:珊瑚島礁;珊瑚砂動力特性;非線性地震反應;地震動特性 

慮堆石料軟化的壩坡隨機地震動力穩定分析

孔憲京1,2,龐  銳1,2,徐  斌*1,2,周  揚1,2,鄒德高1,2

(1. 大連理工大學建設工程學部水利工程學院,遼寧 大連116024;2. 海岸和近海工程國家重點試驗室(大連理工大學),遼寧 大連116024)

摘  要:地震尤其強震作用下,土石壩筑壩堆石料會逐漸呈現出軟化特性,影響壩坡安全。為有效評估堆石料軟化對壩坡穩定性的影響,結合地震動隨機性,考慮不同地震強度水平,提出了基于等價極值分布和廣義概率密度演化方法的壩坡安全概率分析方法,并基于壩坡穩定最小安全系數、安全系數超限累積時間、累積滑移量3個物理量,對242 m高的面板堆石壩進行隨機動力響應分析和概率可靠度分析。結果表明:地震作用過程中,隨著地震強度的增加,考慮軟化與不考慮軟化的計算結果差別逐漸增大,因為地震作用下,堆石料軟化特性逐漸顯現;同時,在地震激勵下,堆石料軟化是一個漸進過程。因此,考慮壩坡堆石料軟化,對高土石壩抗震性能分析具有重要的意義。此外,單純從最小安全系數角度考察土石壩坡穩定性,是不合理的,需要結合安全系數超限累積時間和累積滑移量,全面評估壩坡的安全性。提出的隨機概率分析方法,可以對土石壩坡的可靠度給出較為準確的評價。

關鍵詞:高土石壩;堆石料軟化;隨機地震;壩坡穩定;概率分析

考慮分界面的黏性泥石流下游演進數學模型研究

鄧  曌1,陳生水1,2,鐘啟明1,2

(1. 南京水利科學研究院,江蘇 南京 210029;2. 水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室,江蘇 南京 210024)

摘  要:基于分界面理論,以泥石流屈服深度對應的面為分界面,將黏性泥石流分為理想流體和Bingham流體,建立了模擬黏性泥石流演進過程的數學模型和相應計算方法。該模型基于泥石流的運動特征,注重不同層間泥石流流速的差異,并可合理反映泥石流運動速度對其演進形態的影響機制;同時,全面考慮了黏性泥石流在演進過程中所呈現的“舌狀體”和“龍頭”由上向下翻落現象,因此可更準確描述黏性泥石流在演進過程中的運動狀態。采用3組模型試驗結果對建立的數學模型與計算方法進行了驗證,結果表明:模型計算得出的泥石流泛濫范圍和最大堆積厚度與模型試驗結果誤差在±5%以內,驗證了模型的合理性。

關鍵詞:Bingham流體;分界面;交替方向隱式法;有限體積法

高頻次微小地震下順傾軟硬互層邊坡動力穩定性研究

劉新榮1,3,何春梅*1,2,3,劉樹林1,3,劉永權1,3,路雨明4,謝應坤5

 (1. 重慶大學土木工程學院,重慶 400045;2. 內江師范學院建筑工程學院,四川 內江 641000;3. 山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室

(重慶大學),重慶 400045;4. 重慶建工第七建筑工程有限責任公司,重慶 400045;5. 重慶市高新工程勘察設計院有限公司,重慶 400045)

摘  要:三峽庫區(TGR)自蓄水以來微震活動加劇、強度增大,頻發微震會對庫區邊坡產生一定影響。采用振動臺模型試驗和UDEC數值模擬方法,對庫區順傾軟硬互層邊坡在不斷微、小地震作用下的破壞失穩演化過程及動力穩定性進行了研究。研究成果如下:在不斷地震作用后,邊坡自振頻率下降、阻尼比上升,自振頻率下降的速度隨加載次數和加載幅值的增加而增大;在不同加載階段,邊坡坡面PGA放大系數不斷降低,動力響應呈現減弱趨勢;弱層成為順傾軟硬互層邊坡變形破壞的優勢區域;邊坡的破壞失穩演化過程為分段式的滑移破壞過程,上部軟、硬層滑落后,剩余滑體沿著由上部弱層剪切裂縫、中部硬層次級節理拉裂縫和下部弱層剪切裂縫貫通形成的滑移面滑移破壞;UDEC數值模擬表明順傾軟硬互層邊坡的累積永久位移隨微震作用次數的增加而增加,穩定性系數則呈現遞減趨勢。研究成果對庫區滑坡形成機制的認識和減災、防災有一定的價值。 

關鍵詞:頻發微震;順傾軟硬互層邊坡;振動臺試驗;UDEC離散元模擬;動力穩定性

適于不同深度土層液化的剪切波速判別公式

孫  銳,袁曉銘*

(中國地震局工程力學研究所地震工程與工程振動重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150080)

摘  要:剪切波速測試是工程上常用的現場技術,正逐步成為液化判別方法的基本指標之一。利用早期的Andrus數據庫對中國《巖土工程勘察規范》方法和Andrus方法進行檢驗,發現了二者存在的問題。提出了雙曲線形式的剪切波速判別模型和公式。采用新的Kayen數據庫對三者進行了對比檢驗,并討論了提高判別精度的可能性和方式。結果表明:中國現行的《巖土工程勘察規范》中剪切波速判別液化方法,無論對淺層還是深層土,判別結果均嚴重保守,甚至會把十分密實的砂土判成液化,十分不合理;國際上應用廣泛的Andrus方法對淺層土判別結果過于保守,對深層土判別成功率可以接受,但其臨界剪切波速曲線在深處存在回彎的不合理現象;所提出的雙曲線液化判別模型和公式,能夠深淺兼顧,無論對淺層還是深層土都能給出較好的判別結果,克服了中國規范方法和Andrus方法的弊端,且形式簡單便于工程應用;采用剪切波速進行液化判別時,應采取多次測試,以降低數據離散性,提高判別的準確性。

關鍵詞:液化;剪切波速;判別;深層土

數字化施工下高心墻堆石壩結構性態精細數值模擬研究

劉東海,陳  輝

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津 300354)

摘  要:為考慮實際施工質量對堆石壩結構性態的影響,提出了數字化施工下高心墻堆石壩結構性態精細數值模擬分析方法。首先,基于數字化施工技術估計得到了大壩任意位置處的壩料壓實質量。其次,通過室內試驗,建立了壩料壓實質量與力學模型參數的回歸關系模型,從而實現大壩任意位置處模型參數的空間估計。在此基礎上,通過程序開發,實現了任意單元計算模型參數的精細賦值。最后,采用精細有限元模型實現了高心墻堆石壩應力變形的數值模擬,并采用精細擴展有限元模型實現了心墻蓄水期可能水力劈裂的預測模擬。計算結果顯示該方法可以更好地反映大壩施工過程的變形情況,提高了計算的準確性。該方法充分考慮了大壩實際施工質量下壩料力學參數在空間上的差異性,克服了傳統方法采用同分區相同壩料力學參數而導致的計算精度不足的弊端。

關鍵詞:心墻堆石壩;數字化施工;參數空間估計;精細模擬;擴展有限元;心墻劈裂

基于二階錐規劃理論的有限元強度折減法及應用

王冬勇,陳  曦*,呂彥楠,任晉嵐

(北京交通大學土木與建筑工程學院,北京 100044)

摘  要:針對巖土體穩定性問題,常用的方法有極限平衡法和有限元強度折減法等。傳統的有限元強度折減法通常需設置很大的最大允許非線性迭代次數(如200或500),計算耗時嚴重,此外,采用的平衡迭代和應力積分算法可能導致巖土體塑性區計算不夠準確,進而影響穩定性分析結果。提出一種二階錐規劃有限元強度折減法,該方法基于Hellinger–Reissner混合變分原理和有限元法,將巖土體彈塑性問題構造成基于有限元框架的二階錐規劃問題,結合強度折減技術來分析巖土體穩定性。將該新方法應用于平面應變巖土體穩定性分析,結果表明:與傳統的有限元強度折減法相比,新方法結果可靠,但其計算效率更高,所獲得的塑性區更加平滑。

關鍵詞:巖土體穩定性;二階錐規劃;強度折減技術;剪脹性;塑性區

基于巖碴粒徑分布規律的TBM破巖效率分析

閆長斌1,姜曉迪1,劉章恒1,楊繼華2,苗  棟2

(1. 鄭州大學土木工程學院,河南 鄭州 450003;2. 黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

摘  要:巖碴的形狀、大小及其粒徑分布規律是綜合反映TBM破巖效率的重要指標,也是TBM掘進參數與巖石性質的重要聯系。根據盤形滾刀破巖機制,對TBM掘進巖碴進行了現場量測和篩分試驗,獲得了TBM巖碴尺寸特征和粒徑分布規律。在此基礎上,對實測巖碴尺寸和粒徑分布數據進行了統計分析和理論分布函數擬合。分析了粗糙度指數與巖石強度、巖石耐磨性的關系,探討了不同圍巖等級下粗糙度指數隨掘進推力的變化規律。研究結果表明:①片狀巖碴的長軸與短軸之比約為1.5,而長軸與厚度之比則差別較大,其長軸、短軸和厚度均服從正態分布;②不同巖性條件下巖碴粒徑分布均符合Rosin–Rammler函數分布;③巖碴粗糙度指數越大,TBM破巖效率越高;硬巖條件下巖碴粗糙度指數隨單軸飽和抗壓強度增大而減小,而中硬—軟巖條件下則相反;④無論是軟巖還是硬巖,巖碴粗糙度指數隨巖石耐磨性增大而減小,巖石耐磨性越強,TBM破巖效率越低;⑤TBM破巖效率與圍巖等級密切相關,可根據現場實測巖碴粒徑分布規律,確定Ⅱ級和Ⅲ級圍巖條件下TBM破巖效率最佳時的掘進推力區間。

關鍵詞:TBM施工;巖碴;尺寸特征;粒徑分布;Rosin-Rammler函數;粗糙度指數;破巖效率;掘進推力

新型拉壓復合型錨桿錨固性能研究Ⅱ:模型試驗

涂兵雄1,俞  縉1,何錦芳1,程  強2,許國平3,賈金青4

(1. 華僑大學福建省隧道與城市地下空間工程技術研究中心,福建 廈門 361021; 2. 廈門源昌城建集團有限公司,福建 廈門 361004;

3. 福建省建筑科學研究院有限責任公司,福建 福州 350025; 4. 大連理工大學 土木工程學院,遼寧 大連 116024)

摘  要:針對傳統拉力型和壓力型錨桿存在受力集中、錨固體與巖土體界面黏結強度發揮不充分、抗拔承載力偏低的問題,研發了一種新型拉壓復合型錨桿。通過對傳統錨桿及拉壓復合型錨桿開展模型試驗,對比研究了不同錨桿的極限抗拔承載力及其錨固性能。結果表明:拉壓復合型錨桿極限抗拔承載力比傳統拉力型錨桿大幅提高,拉壓長度比為1∶2和2∶1時,分別提高79%和161%,且具有更好的位移延性和抗變形能力;拉壓復合型錨桿峰后殘余抗拔承載力顯著提高,傳統拉力型和壓力型錨桿穩定殘峰比最大值均不超過0.40,錨頭相對拔出變形ξs=2.5%時,殘峰比平均值分別為0.292和0.259;TC360-12錨桿和TC360-21錨桿穩定殘峰比最小值分別不低于0.45和0.60,ξs=2.5%時,殘峰比平均值分別為0.545和0.790;拉壓長度比為2∶1的拉壓復合型錨桿即將破壞時,受拉錨固段和承壓錨固段協同承載能力更強,界面黏結強度得到充分發揮,錨桿極限抗拔承載力更高。

關鍵詞:拉壓復合型錨桿;模型試驗;極限抗拔承載力;荷載位移曲線

土體劈裂注漿過程的數值模擬及漿脈形態影響因素分析

程少振1,2,陳鐵林*1,2,郭瑋卿3,張  玉1,2

(1. 北京交通大學城市地下工程教育部重點實驗室,北京 100044;2. 北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044;

3. 廣州地鐵設計研究院有限公司,廣東 廣州 510000)

摘  要:針對現有數值方法對土體劈裂注漿中裂縫產生和擴展過程模擬困難的現狀,采用自主研發的基于有限元與流體體積函數的數值方法對劈裂注漿過程進行了模擬研究,再現了土體劈裂注漿過程中裂縫的產生以及漿脈擴展過程。數值模擬獲得的劈裂注漿漿脈擴展過程與已有理論分析及試驗所得規律基本一致,表明采用該方法模擬土體劈裂注漿問題是可行的。在此基礎上分析了注漿深度和土體模量兩個因素對漿脈形態的影響規律。結果表明:數值模擬可以呈現劈裂注漿過程的幾個階段,包含“漿泡”擠密、初始豎向劈裂、斜向二次劈裂等階段;在二次劈裂發生之前的擠密階段和豎向漿脈擴展階段,地層豎向位移增加較小,而二次劈裂之后的斜向漿脈的產生和擴展是地層豎向位移增加的主要階段;隨著注漿深度的增加漿脈的分支越來越少而且方向性更加明顯,漿脈寬度也越來越小;隨著土體模量的增大,注漿孔周邊“漿泡”體積減小,漿脈的寬度逐漸變窄。工程實例的模擬表明,該數值模型能很好的反映工程現象,對工程實踐具有一定的指導意義。

關鍵詞:劈裂注漿;擴展過程;數值模擬;漿脈形態;影響因素

FRPFP模型滑坡監測預警關聯規則挖掘分析

——以三峽庫區江津到奉節段為例

趙久彬1,2,劉元雪1,2,劉  娜3,胡  明1,2

(1. 陸軍勤務學院軍事設施系,重慶 401311;2. 巖土力學與地質環境保護重慶市重點實驗室,重慶 401311;3. 重慶市地質礦產測試中心,重慶 400042)

摘  要:采用傳統的關聯規則用于巖土工程監測預警領域的知識發現,在數據龐大情形下單機機器學習實時性差,無法獲得多因素綜合作用的規則。由于未對前后部項進行約束,得到的關聯規則冗余度高,含有大量不符因果邏輯的規則。基于此,提出一種前后部項約束關聯規則并行化FRPFP (fore-part and rear-part parallel FP-growth)算法,并在大數據分布式處理平臺Spark下進行實現。通過對三峽庫區奉節至江津庫段滑坡的孕災因子統計分類,采用7個滑坡發育基礎因子和4個滑坡誘導因子作為前部集合,滑坡前緣、中部、后緣監測點位移參數為后部集合,采集研究區25個滑坡11年監測數據。以FRPFP算法為模型架構基于關聯規則的滑坡監測預警大數據系統,設計區域滑坡危險性規則挖掘、典型滑坡危險性規則挖掘、滑坡發生原因分析挖掘3個功能,用于庫岸滑坡穩定性預測和分析,為認清庫岸滑坡的破壞機制和提升其預報水平提供新的思路。

關鍵詞:FRPFP模型;關聯規則;Spark平臺;滑坡監測預警;三峽庫區

基于靜力觸探試驗的基坑開挖卸荷單樁水平承載力

損失預測研究

童立元1,2,李洪江*1,2,劉松玉1,2,楊  濤1,2

(1. 東南大學巖土工程研究所,江蘇 南京 210096;2. 東南大學江蘇省城市地下工程與環境安全重點實驗室,江蘇 南京 210096)

摘  要:選取典型成層地基場地并設計試坑開挖卸荷試驗,開展了基于靜力觸探(CPT)測試的基坑開挖卸荷單樁水平承載力損失程度預測研究。通過在試坑開挖卸荷前后進行CPT原位測試,得到了試坑開挖卸荷前后的CPT貫入錐尖參數變化規律。進而基于CPT測試p–y模型研究了基坑開挖卸荷前后鄰近既有單樁的水平承載力損失及樁身彎矩分布特征。分別考察了基坑開挖卸荷后鄰近樁基試樁加載模式下的殘余水平承載力和樁頂加載聯合土體位移共同作用下的卸荷樁基水平承載特性。研究表明,依據真實卸荷土體CPT參數更能準確預測樁基水平承載力損失程度及損失特征,卸荷樁設計階段須同時考慮卸荷樁較自由場地樁基的水平承載力損失及土體運動位移對樁基水平承載的影響。以上研究為合理確定基坑開挖引起的既有樁基水平承載力損失提供了一種技術思路,同時對卸荷樁水平承載性能評價具有參考意義。

關鍵詞:靜力觸探;樁基;開挖卸荷;水平承載力;p–y曲線

逆斷層附近非均勻應力場聲發射測試與巷道穩定性

數值分析

彭  瑞1,歐陽振華1,孟祥瑞2,趙光明2,趙啟峰1,石建軍1,馮吉成1

(1. 華北科技學院安全工程學院,北京 101601;2. 安徽理工大學能源與安全學院,安徽 淮南 232001)

摘  要:由于斷層帶附近應力集中和圍巖破碎嚴重給巷道斷面布設和維護帶來巨大安全隱患,需及時掌握斷層附近地應力分布和圍巖破裂形式及其對周邊巷道穩定性影響。選取淮南某礦逆斷層上、下盤進行試驗,利用MTS試驗系統配合聲發射測試初始地應力場和巖石破裂方式,經ANSYS對比分析不同應力條件下逆斷層附近巷道穩定性。經巖石力學試驗發現,砂巖破壞后尺度較小、AE事件數較多,泥巖破壞后尺度較大、AE事件數較少。由地應力實測可知,逆斷層附近以構造應力為主,上盤巖層擠壓使得下盤總體受力偏大。開挖后巷道周邊次生應力在一定范圍內出現了應力跌落區,跌落區范圍和圍巖裂隙發育范圍接近。同時,伴隨著應力跌落的范圍擴大、初始應力減小,巖層開始移動劇烈和圍巖破裂范圍擴大。由圍巖塑性分布和巖層移動可知,調整后主應力有助于提高巷道穩定性。以上研究結果,以期為復雜埋藏環境下礦山巷道的布設和支護問題,提供一定的施工技術依據。 

關鍵詞:逆斷層;巷道;聲發射;地應力;數值模擬

基于變形控制標準的高土石壩地震可靠度分析

呂小龍1,2,遲世春*1,2 

(1. 大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連 116024;2. 大連理工大學工程抗震研究所,建設工程學部水利工程學院,遼寧 大連 116024)

摘  要:基于可靠度分析的設計方法是科學定量地研究和保證巖土工程安全性的重要手段之一。通過定量考察土石壩工程中的不確定性因素,綜合評估地震失效概率,可為高土石壩抗震設計和風險評估提供參考。以壩頂震陷率作為地震安全控制指標,提出了同時考慮地震和筑壩料參數不確定性的高土石壩地震可靠度分析方法。首先,采用地震烈度作為地震危險性的宏觀衡量尺度,通過引入地震烈度概率模型,將基于概率烈度的地震動峰值作為地震強度因子,調整規范譜人工地震波的幅值進行動力有限元計算。然后,采用適用于處理小樣本和非線性問題的高斯過程響應面法,建立筑壩料參數與壩頂震陷率之間的非線性映射關系,結合蒙特卡羅法計算高土石壩地震失效概率。最后,以紫坪鋪面板堆石壩為例,應用該方法考察了設計基準期內的地震失效概率。

關鍵詞:土石壩;地震可靠度;高斯過程響應面;紫坪鋪面板堆石壩

碎屑流沖擊柔性網的離散元仿真研究

肖思友1,2,3,蘇立君*1,2,3,4,姜元俊1,2,3

(1. 中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室,四川 成都 610041;2. 中國科學院成都山地災害與環境研究所,四川 成都 610041;

3. 中國科學院大學,北京 100049;4. 中國科學院青藏高原地球科學卓越創新中心,北京 100101)

摘  要:柔性網和碎屑流相互作用包括碎屑流散體運動沖擊和柔性網連續大變形兩個復雜的力學過程。由于目前柔性網和碎屑流相互作用的力學理論計算方法尚不成熟,為此提出一種利用Hertz–Mindlin黏結接觸模型模擬柔性結構,利用無滑移的Hertz–Mindlin模型模擬碎屑流的離散元仿真方法。選擇有橫向支撐錨索的溝道碎屑流防護結構進行模擬計算,并定義碎屑流動能變化率Wk和碎屑流死區質量與碎屑流總質量之比Fm來對比碎屑流沖擊柔性網和剛性擋墻的動態響應過程。結果表明:與沖擊剛性擋墻不同的是,碎屑流沖擊柔性網時沖擊荷載首先沿坡面方向沖擊,使承力錨索在水平方向和豎直方向均產生較大的變形。隨后沖擊荷載作用方向逐漸轉變為以水平沖擊為主,使堆積區上部錨索的水平偏移值和碎屑流在水平向的堆積范圍增大。利用經驗公式求得的作用于剛性擋墻的最大法向沖擊合力與數值計算結果較為一致,而利用經驗公式求得的作用于柔性網的最大法向沖擊合力比數值計算結果大45%以上,因此利用經驗公式計算碎屑流作用于柔性網的最大法向沖擊力時,需要重新確定動土壓力系數CD和弗洛德數Fr之間的關系。

關鍵詞:碎屑流;柔性網;離散元方法;黏結模型;沖擊

淺埋地鐵隧道施工影響下含空洞地層的變形特征分析

蔡  義1,2,張成平*1,2,閔  博1,2,楊公標1,2

(1. 北京交通大學城市地下工程教育部重點實驗室,北京 100044;2. 北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044)

摘  要:地層空洞的存在使得隧道結構周圍的地層環境變得更為復雜,在地鐵隧道施工的影響下極易引起地表沉降加劇甚至地表坍塌。針對V級圍巖地鐵隧道,采用三維模型試驗和數值模擬研究了不同位置地層空洞對地表沉降的影響規律以及空洞的變形特征,同時通過修正后的Peck公式對試驗結果進行擬合分析。研究結果表明:空洞的存在使得地層損失加劇,地表沉降槽深度和寬度均有所增大,沉降槽曲線整體向空洞一側偏移,通過修正后的Peck公式能較好地擬合出沉降曲線形態;從地表整體沉降形狀上看,空洞上方一定范圍內地表沉降較大,地表會出現明顯的沉降盆形態;綜合考慮空洞對地表沉降槽寬度和深度以及地層損失率的影響,認為空洞位于隧道斜上方是最不利位置,在施工過程中對這一方位地層空洞應重點關注;不同方位空洞的變形模式不同,主要表現為立式橢球體和臥式橢球體等變形模式。

關鍵詞:淺埋地鐵隧道;地層空洞;地層變形;數值模擬;模型試驗

控制厚度條件下土體干縮開裂的界面摩擦效應

曾  浩,唐朝生*,劉昌黎,林  鑾,王東偉,施  斌

(南京大學地球科學與工程學院,江蘇 南京 210023)

摘  要:土體厚度和界面粗糙度對土體干縮開裂有著重要影響,為了探究土體在不同厚度和界面粗糙度條件下的干縮開裂特性,開展了一系列室內干燥試驗。試驗中共配置了9組初始飽和的泥漿樣,分別設置3種不同的土體厚度和3種不同的界面粗糙度,并在恒溫30℃的條件下進行干燥,實時記錄試樣含水率變化及表面裂隙的演化過程,利用數字圖像處理技術,對裂隙網絡進行了定量分析,得到不同厚度和不同界面粗糙度條件下土體龜裂的動態發展過程及相關參數。試驗結果表明:①界面粗糙度越大,龜裂發育速度越快,然而土體厚度越大,龜裂發育速度越慢,且土體整體收縮效應越明顯;②界面粗糙度越大,龜裂發育程度越高,然而增加土體厚度可以削弱界面粗糙度對龜裂發育過程的影響;③土體厚度和界面粗糙度都對土體開裂時的臨界含水率有重要影響,且兩者對龜裂發育過程的影響具有耦合作用關系。最后,結合土體干燥收縮特性,探討了上述兩種因素對龜裂的影響機理。

關鍵詞:龜裂;土體厚度;界面粗糙度;數字圖像處理;定量分析;耦合關系

巖石的損傷、黏結和摩擦特性研究

尤明慶

(河南理工大學能源科學與工程學院,河南 焦作 454003)

摘  要:收集文獻上多種完好及損傷后巖石的常規三軸壓縮強度,研究材料的損傷、黏結和摩擦特性及其對圍壓與強度之間關系的影響。圍壓增大使裂隙的摩擦承載能力增大,若達到附近材料或其他弱面承載能力后則不再直接影響試樣的強度;材料局部損傷的影響隨著圍壓增大降低,試樣承載的主應力差以指數形式趨于極限,即最大剪切力等于材料的真實黏結力。大理巖塑性變形引起局部剪切屈服,但真實黏結力沒有降低;加熱600℃足夠長時間后造成使晶界完全開裂則引起真實黏結力降低。巖石剪切破壞時強度與圍壓的關系可用指數準則描述;不過,花崗巖在圍壓 20 MPa之內可出現沿軸向劈裂破壞而強度隨圍壓線性增加。

關鍵詞:巖石力學;強度準則;損傷;塑性變形;高溫烘烤;黏結;摩擦

高心墻堆石壩填筑標準的試驗研究

朱  晟1,2,鐘春欣1,王  京1,2,何順賓3

(1. 河海大學水文水資源與水利水電工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210024;2. 河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210024;

3. 中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610081)

摘  要:近期建成的幾座高心墻堆石壩的監測資料表明,壩體的分區變形協調性并沒有達到設計目標。為此,結合建設中的長河壩300 m級心墻堆石壩,開展了壩殼料的室內和現場大型相對密度試驗,得到了相應的相對密度指標,并對各分區的填筑標準進行了討論。結果表明:①由于級配為較好的分形分布、壓實性優良,現場堆石區的填筑平均孔隙率達到19%,優于21%的設計指標,但相對密度僅為0.65;②根據規范要求設計的反濾2區、過渡區和堆石區的填筑相對密度在0.96~0.65之間,其壓實程度存在明顯差異,不易保證壩體各分區的變形協調;③采用與現場壓實功能相匹配的室內相對密度試驗技術,可解決高心墻壩的反濾料或面板壩的墊層料相對密度大于1的問題;④高壩堆石體的變形控制設計,需要考慮級配效應的影響,宜采用孔隙率和相對密度雙控填筑指標。結論可為高堆石壩的設計與建設提供參考。

關鍵詞:分形理論;堆石壩;填筑標準;孔隙率;相對密度;變形協調

海底滑坡對管線沖擊力的數值分析

王忠濤,張  宇,楊  慶,王寒陽

(大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連 116023)

摘  要:輸送原油和天然氣的海底管線常處于復雜的海洋地質環境,在海底滑坡的沖擊下可能發生失穩破壞。以往研究成果多集中討論海底滑坡對懸跨管線的沖擊力,但對置于海床表面的管線受不同角度海底滑坡的沖擊作用討論較少,也未深入討論懸跨高度對管線受海底滑坡沖擊力的影響。基于Herschel–Bulkley模型,采用計算流體動力學CFD法模擬了不同沖擊角度下海底滑坡對置于海床表面管線的作用力,對比已有模型試驗成果提出了管線縱向和軸向阻力系數的計算公式。按照土力學方法對CFD數值計算結果重新整理,指出土力學和流體力學方法在計算管線受海底滑坡沖擊力方面的實質對應關系,并給出管線破壞包絡線的解析表達式。隨后討論了懸跨高度對管線受力的影響,最后提出了綜合考慮沖擊角度和懸跨高度影響的海底滑坡對管線作用力的計算公式。研究成果對海底路由選址和海底管線設計具有一定的應用價值。

關鍵詞:海底管線;海底滑坡;CFD模擬;懸跨高度

基于掃描電鏡圖像的土體三維視孔隙率定量計算方法

馮懷平 1,2,馬德良1,劉啟塬1,葉朝良*1,2

(1. 石家莊鐵道大學土木工程學院,河北 石家莊 050043);2. 石家莊鐵道大學道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室,河北 石家莊 050043)

摘  要:通過掃描電鏡來觀察土體微觀結構是目前研究微觀土力學的重要手段。目前,大部分通過SEM圖像反映土體孔隙率的研究多采用二維表觀孔隙率定性分析,而此時得到是土體的二維表觀孔隙率難以反映土體真實的三維孔隙率。因此,建立一種基于二維掃描圖像計算三維孔隙率的計算方法具有重要研究意義。基于SEM電鏡掃描圖像,利用SEM圖像處理軟件IPP,變換不同的閾值得到不用閾值下的二維表觀孔隙率,并且引入二重積分的思想,提出了一種基于SEM掃描電鏡二維圖像確定土體三維視孔隙率的計算方法。最后對不同種類的土進行了對比試驗驗證,結果表明本文提出的計算方法能夠較好地反映土體真實的三維孔隙率。

關鍵詞:掃描電鏡;三維視孔隙率;IPP

特征應力空間中土的分數階臨界狀態模型

梁靖宇,杜修力*,路德春,韓佳月

(北京工業大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室,北京 100124)

摘  要:分數階微分具有連續描述零階微分到一階微分的特性,曲線的分數階梯度方向不再與曲線切線垂直。分數階微分的梯度非正交性質,可用于描述土的塑性流動方向與屈服面非正交的特性。基于特征應力與臨界狀態理論,在特征應力空間中利用非正交流動法則描述土的塑性應變增量方向,從而建立土的分數階臨界狀態本構模型。所建立的模型首次將分數階微分與特征應力統一于臨界狀態理論框架內,一方面模型可以同時描述三軸壓縮和三軸伸長試驗條件下土的變形和強度特性,另一方面也給出了利用三軸試驗確定分數階階次的方法。所建立的本構模型只有5個材料參數,參數物理意義清晰,可通過常規室內土工試驗確定,且模型可退化為修正劍橋模型。通過對典型應力路徑條件下的試驗結果進行預測表明,所建的模型能夠合理地描述土的變形與強度特性。

關鍵詞:土;本構模型;分數階微積分;特征應力;臨界狀態理論

火山灰改良粗粒硫酸鹽漬土路基填料及其作用機理研究

張莎莎1,謝山杰2,1,楊曉華1,陳偉志3

(1. 長安大學公路學院,陜西 西安 710064;2. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北 武漢 430063;

3. 中國中鐵二院工程集團有限責任公司,四川 成都 610031)

摘  要:針對硫酸鈉含量為2%的礫砂類硫酸鹽漬土,開展了在不同石灰配比、石灰+火山灰配比工況下的擊實試驗、鹽脹試驗、溶陷試驗、無側限抗壓強度試驗,在此基礎上,分析了其改良機理和微觀特性,結果表明:摻加石灰或石灰+火山灰改良劑不僅可以有效減少礫砂類硫酸鹽漬土的鹽脹量,而且可以降低鹽脹敏感溫度區間;在采用無機改良劑改善硫酸鹽漬土的鹽脹變形時,應結合當地氣候條件考慮,在溫度較高地區可以適當減少改良劑摻量,溫度較低時,適當增加改良劑摻量;相比于石灰改良土,摻加火山灰后,土樣的壓密階段縮短,彈性階段增長,土樣達到強度極限時產生的應變減小,土體的結構性變強,抗變形性能增強;添加火山灰對于此類鹽漬土的強度增長速率亦有加速作用;采用石灰摻量高于11%時或采用石灰+火山灰不少于15%時,改良后土體的鹽脹和溶陷變形率均小于1%,7 d飽和無側限抗壓強度均不小于0.35 MPa。

關鍵詞:高速鐵路;路基工程;硫酸鹽漬土;火山灰;粗粒土

氯化鈉溶液飽和不同初始含水率膨潤土的膨脹特性

于海浩1,2,孫德安*1,韋昌富2,顏榮濤2

(1. 上海大學土木工程系,上海 200444;2. 桂林理工大學廣西巖土力學與工程重點實驗室,廣西 桂林 5401004)

摘  要:采用不同初始含水率控制土顆粒擴散雙電層的形成程度,進行了一系列氯化鈉溶液飽和膨脹試驗,探究了具有不同擴散雙電層厚度膨潤土樣在不同濃度氯化鈉溶液中的膨脹特性,并對不同初始含水率膨潤土樣進行核磁試驗。核磁試驗結果表明,當初始含水率小于10%時,最優T2值不隨著含水率增加而增加,根據T2值與水的賦存半徑關系,說明此時土樣只有強結合水存在,即土樣強結合水率為10%。這與用其它方法算出的強結合水率基本一致,說明核磁共振技術可測定出土樣的強結合水率。膨脹試驗結果表明,當初始含水率小于10%時,不同濃度氯化鈉溶液飽和試樣時,其膨脹性基本不變;而用氯化鈉溶液初始含水率大于10%試樣時,隨著其濃度的增加,膨脹率明顯降低。造成上述差異的原因是,當只有強結合水存在時,試樣被氯化鈉溶液飽和后,土顆粒會吸附水化的陽離子,增加土顆粒固定電荷,導致膨脹力增加,增加試樣的膨脹性,而隨著溶液濃度的增加雙電層厚度與膨脹力降低,會降低試樣的膨脹性。

關鍵詞:膨潤土;雙電層;初始含水率;膨脹;核磁共振

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