2018年 40卷 第9期
2018, 40(9): 1563-1570.
DOI: 10.11779/CJGE201809001
摘要：
基于Biot饱和多孔介质理论和非局部弹性理论,构建了非局部Biot运动方程及本构方程。利用波函数展开法及饱和土与衬砌边界连续条件和衬砌内边界自由边界条件,求解了饱和土体中圆柱形衬砌对平面波散射问题的解析解。并通过将该解退化为单相介质中及经典Biot理论下衬砌对平面P波散射稳态解,验证了计算结果的正确性。研究结果表明,衬砌内边界及外边界动应力集中因子均随非局部因子的增大而减小;隧道内边界动应力集中因子分布曲线随非局部因子的减小而扩大;当入射波频率大于0.045 MHz时,饱和土中空隙尺寸及空隙动力的影响将不可忽略;非局部因子一定时,衬砌外径与内径比越大则衬砌内边界动应力集中因子越大,且当衬砌较薄时,衬砌内边界动应力集中因子可能产生负值。
基于Biot饱和多孔介质理论和非局部弹性理论,构建了非局部Biot运动方程及本构方程。利用波函数展开法及饱和土与衬砌边界连续条件和衬砌内边界自由边界条件,求解了饱和土体中圆柱形衬砌对平面波散射问题的解析解。并通过将该解退化为单相介质中及经典Biot理论下衬砌对平面P波散射稳态解,验证了计算结果的正确性。研究结果表明,衬砌内边界及外边界动应力集中因子均随非局部因子的增大而减小;隧道内边界动应力集中因子分布曲线随非局部因子的减小而扩大;当入射波频率大于0.045 MHz时,饱和土中空隙尺寸及空隙动力的影响将不可忽略;非局部因子一定时,衬砌外径与内径比越大则衬砌内边界动应力集中因子越大,且当衬砌较薄时,衬砌内边界动应力集中因子可能产生负值。
2018, 40(9): 1571-1583.
DOI: 10.11779/CJGE201809002
摘要：
基于岩石变形记忆效应DME & DRA法,为准确便捷测量初始地应力提供了全新的思路,国际上及中国台湾的一系列实践应用证明了其巨大的潜力。但是,岩石变形记忆效应的研究和工程应用在中国（除中国台湾外）刚起步,同时,试验及理论的系统性研究整体上落后于工程应用,成为制约DME & DRA法成熟和普及的瓶颈问题。因此,开展岩石变形记忆效应的应用、试验、理论的研究进展综述具有重要意义。首先给出岩石DME & DRA法的基本概念,然后给出在国际上的应用实践现状;从7个方面的内容对试验研究进展进行系统性评述：①岩石变形记忆DRA曲线特征;②岩石变形记忆效应的失忆性;③人工记忆与地应力记忆;④初始加载保持时间;⑤初始加载重复次数;⑥记忆存在应力区域;⑦三维应力记忆特征;详细探讨各方面成果及不足;探讨了岩石变形记忆效应形成机理的两种认识及相应的理论模型,深入剖析现有研究结论与进展揭示存在的挑战,最终给出研究方向与建议。为推动国内开始开展岩石变形记忆效应的研究与应用提供基础。
基于岩石变形记忆效应DME & DRA法,为准确便捷测量初始地应力提供了全新的思路,国际上及中国台湾的一系列实践应用证明了其巨大的潜力。但是,岩石变形记忆效应的研究和工程应用在中国（除中国台湾外）刚起步,同时,试验及理论的系统性研究整体上落后于工程应用,成为制约DME & DRA法成熟和普及的瓶颈问题。因此,开展岩石变形记忆效应的应用、试验、理论的研究进展综述具有重要意义。首先给出岩石DME & DRA法的基本概念,然后给出在国际上的应用实践现状;从7个方面的内容对试验研究进展进行系统性评述：①岩石变形记忆DRA曲线特征;②岩石变形记忆效应的失忆性;③人工记忆与地应力记忆;④初始加载保持时间;⑤初始加载重复次数;⑥记忆存在应力区域;⑦三维应力记忆特征;详细探讨各方面成果及不足;探讨了岩石变形记忆效应形成机理的两种认识及相应的理论模型,深入剖析现有研究结论与进展揭示存在的挑战,最终给出研究方向与建议。为推动国内开始开展岩石变形记忆效应的研究与应用提供基础。
2018, 40(9): 1584-1592.
DOI: 10.11779/CJGE201809003
摘要：
低渗储层采收率的准确评价是制定合理开发方案的重要理论基础,有效揭示开采过程诱发岩体渐裂的渗透性演化机理至关重要。以低渗储层砂岩为研究对象,分析不同荷载组合下岩体裂纹的发展规律,研究渗流-应力-损伤破裂过程中渗透率与裂纹状态的关联特性。试验结果表明：加载初期由于岩石内部孔隙及微裂隙的压密,渗透率减小;随着环向裂纹应变增大,岩石内部裂纹开始稳定扩展,渗透率缓慢增大,随着荷载的增大,裂纹加速扩展导致渗透率快速增大;最后断裂面发生相对滑移,岩石碎屑堵塞原有的渗流通道,渗透率下降。基于试验结果,运用理论方法研究不同荷载下的岩体损伤特征,建立损伤变量与裂纹环向变形的关联性,推导岩体渗透率与损伤变量的关系式,描述岩体渗流-应力-损伤渐裂中的渗透特性,揭示低渗储层砂岩的渗透率演化机理。其研究成果可为低渗砂岩储层开发过程的优化及产能预测提供新的研究思路和技术手段,对确保石油工业的可持续发展具有重要的实践价值。
低渗储层采收率的准确评价是制定合理开发方案的重要理论基础,有效揭示开采过程诱发岩体渐裂的渗透性演化机理至关重要。以低渗储层砂岩为研究对象,分析不同荷载组合下岩体裂纹的发展规律,研究渗流-应力-损伤破裂过程中渗透率与裂纹状态的关联特性。试验结果表明：加载初期由于岩石内部孔隙及微裂隙的压密,渗透率减小;随着环向裂纹应变增大,岩石内部裂纹开始稳定扩展,渗透率缓慢增大,随着荷载的增大,裂纹加速扩展导致渗透率快速增大;最后断裂面发生相对滑移,岩石碎屑堵塞原有的渗流通道,渗透率下降。基于试验结果,运用理论方法研究不同荷载下的岩体损伤特征,建立损伤变量与裂纹环向变形的关联性,推导岩体渗透率与损伤变量的关系式,描述岩体渗流-应力-损伤渐裂中的渗透特性,揭示低渗储层砂岩的渗透率演化机理。其研究成果可为低渗砂岩储层开发过程的优化及产能预测提供新的研究思路和技术手段,对确保石油工业的可持续发展具有重要的实践价值。
2018, 40(9): 1593-1600.
DOI: 10.11779/CJGE201809004
摘要：
锚杆支护系统是控制深部脆性围岩动力灾害的重要措施,但锚固理论研究仍滞后,锚杆支护下的脆性岩体破坏问题困扰着深部岩体工程实践。根据实际工程中锚杆支护下脆性围岩的浅表局部破坏特点,通过室内相似模型试验研究单轴压缩条件下锚杆杆径影响完整脆性岩体的破坏特性,试验表明,锚杆杆径对脆性岩体弹性模量和强度的提升存在最优匹配的特点,一味强调增大锚杆直径并不能达到理想的围岩控制效果;锚杆改变了脆性岩体单轴压缩破坏模式,宏观上由劈裂破坏转为剪切破坏,杆径对试样剪切破坏的程度有所影响。从细观角度,建立了含两条固有主裂纹的裂纹扩展分析模型,加锚试样单轴压缩破裂模式的改变,可以归结为锚杆锚固止裂效应对试样内部裂纹扩展的抑制作用,使翼裂纹与主裂纹长度比η变小。根据最易开裂角度ζ的计算结果,翼裂纹较长时,翼裂纹朝外载作用方向扩展,产生劈裂破坏,翼裂纹较短时,翼裂纹偏离外载作用方向扩展,产生剪切破坏。从细观上很好地解释了锚杆改变脆性岩体破裂模式的作用机制。
锚杆支护系统是控制深部脆性围岩动力灾害的重要措施,但锚固理论研究仍滞后,锚杆支护下的脆性岩体破坏问题困扰着深部岩体工程实践。根据实际工程中锚杆支护下脆性围岩的浅表局部破坏特点,通过室内相似模型试验研究单轴压缩条件下锚杆杆径影响完整脆性岩体的破坏特性,试验表明,锚杆杆径对脆性岩体弹性模量和强度的提升存在最优匹配的特点,一味强调增大锚杆直径并不能达到理想的围岩控制效果;锚杆改变了脆性岩体单轴压缩破坏模式,宏观上由劈裂破坏转为剪切破坏,杆径对试样剪切破坏的程度有所影响。从细观角度,建立了含两条固有主裂纹的裂纹扩展分析模型,加锚试样单轴压缩破裂模式的改变,可以归结为锚杆锚固止裂效应对试样内部裂纹扩展的抑制作用,使翼裂纹与主裂纹长度比η变小。根据最易开裂角度ζ的计算结果,翼裂纹较长时,翼裂纹朝外载作用方向扩展,产生劈裂破坏,翼裂纹较短时,翼裂纹偏离外载作用方向扩展,产生剪切破坏。从细观上很好地解释了锚杆改变脆性岩体破裂模式的作用机制。
2018, 40(9): 1601-1609.
DOI: 10.11779/CJGE201809005
摘要：
锁固段的地质结构及力学性质是“三段式”岩石滑坡的关键控制因素。根据“三段式”滑坡的地质结构特征,采用物理模型试验和颗粒流数值模拟方法,研究了锁固段岩桥角（后缘拉裂隙与前缘蠕滑段末端连线和水平方向间的角度）对锁固段的破坏模式及演化机制的影响规律。锁固段破裂的模式主要有张拉贯通破坏和张-剪混合贯通破坏两种。随着锁固段岩桥角的增大,锁固段破坏模式由张拉破坏向张-剪混合破坏转变：岩桥角小于90°时,为张拉破坏;岩桥角位于90°~110°之间,为张-剪混合破坏;当岩桥角大于110°时,锁固段并不发生破坏,边坡以其它形式发生破坏。通过锁固段的应变时程分析,随着锁固段岩桥角增大,锁固段区域拉应力的影响范围逐渐减小,由全部受拉向全部受压转变。
锁固段的地质结构及力学性质是“三段式”岩石滑坡的关键控制因素。根据“三段式”滑坡的地质结构特征,采用物理模型试验和颗粒流数值模拟方法,研究了锁固段岩桥角（后缘拉裂隙与前缘蠕滑段末端连线和水平方向间的角度）对锁固段的破坏模式及演化机制的影响规律。锁固段破裂的模式主要有张拉贯通破坏和张-剪混合贯通破坏两种。随着锁固段岩桥角的增大,锁固段破坏模式由张拉破坏向张-剪混合破坏转变：岩桥角小于90°时,为张拉破坏;岩桥角位于90°~110°之间,为张-剪混合破坏;当岩桥角大于110°时,锁固段并不发生破坏,边坡以其它形式发生破坏。通过锁固段的应变时程分析,随着锁固段岩桥角增大,锁固段区域拉应力的影响范围逐渐减小,由全部受拉向全部受压转变。
2018, 40(9): 1610-1618.
DOI: 10.11779/CJGE201809006
摘要：
岩土材料在外荷载作用下其变形通常表现出时间与空间分布上的非均匀性特征,在应用DSCM（数字散斑相关方法）进行图像像素测点的相关搜索过程中,传统方法通常对于全部试验阶段的图像和同一幅图像上的所有测点均采用相同的搜索范围,显然,这是一个虽然简单但效率很低的图像搜索分析方法。提出一种依据参考网格的测点动态范围搜索方法（简称PDSS）,即首先利用常规搜索方法分析获得一个间距较大且覆盖正式分析范围的测点网格的位移,然后以其作为正式图像测点分析的参考网格,最后,对任一测点,以其所在的参考单元节点的最大位移作为该测点的搜索范围值,从而可实现与测点变形大小相适应的动态范围搜索。PDSS方法本质上是通过减少相关分析的像素点数量来大幅提高图像分析速度。试验检验结果表明,PDSS方法相对于普通方法的图像分析速度通常可提高10倍左右。研究成果解决了具有时空非均匀变形特征的岩土材料DSCM的快速优化分析问题,可进一步提高DSCM在岩土材料变形量测中的应用技术水平。
岩土材料在外荷载作用下其变形通常表现出时间与空间分布上的非均匀性特征,在应用DSCM（数字散斑相关方法）进行图像像素测点的相关搜索过程中,传统方法通常对于全部试验阶段的图像和同一幅图像上的所有测点均采用相同的搜索范围,显然,这是一个虽然简单但效率很低的图像搜索分析方法。提出一种依据参考网格的测点动态范围搜索方法（简称PDSS）,即首先利用常规搜索方法分析获得一个间距较大且覆盖正式分析范围的测点网格的位移,然后以其作为正式图像测点分析的参考网格,最后,对任一测点,以其所在的参考单元节点的最大位移作为该测点的搜索范围值,从而可实现与测点变形大小相适应的动态范围搜索。PDSS方法本质上是通过减少相关分析的像素点数量来大幅提高图像分析速度。试验检验结果表明,PDSS方法相对于普通方法的图像分析速度通常可提高10倍左右。研究成果解决了具有时空非均匀变形特征的岩土材料DSCM的快速优化分析问题,可进一步提高DSCM在岩土材料变形量测中的应用技术水平。
2018, 40(9): 1619-1626.
DOI: 10.11779/CJGE201809007
摘要：
碎石垫层沉箱基础是一种适于强震区深厚软弱土地基的深水基础形式,具有抗震性能良好、承载力高、便于施工、造价合理等优点。采用自主设计的大周数水平循环加载装置对碎石垫层沉箱基础开展了室内1g模型试验研究,探讨了基础在水平静力加载、循环加载以及循环后静力加载下的承载变形特性。试验研究表明,基础在长期水平循环荷载作用下具有安全可靠的工作性能。静载下基础的荷载-水平位移关系可视为刚塑性、滑动破坏前为双曲线关系。循环荷载下基础的累积位移发展呈现收敛的趋势,并随着荷载幅值的增大而增大;基础在单向循环荷载下的累积位移大于同等大小荷载静载下的位移。循环加载后基础沿各方向的水平承载力和刚度均有所提高。然后,对基于边界面理论的修正G-M弹塑性接触面本构模型进行改进,利用ABAQUS接触面子程序UINTER将其嵌入ABAQUS中,对碎石垫层沉箱基础的模型试验进行了有限元数值分析,模拟得到的规律与试验结果相近。
碎石垫层沉箱基础是一种适于强震区深厚软弱土地基的深水基础形式,具有抗震性能良好、承载力高、便于施工、造价合理等优点。采用自主设计的大周数水平循环加载装置对碎石垫层沉箱基础开展了室内1g模型试验研究,探讨了基础在水平静力加载、循环加载以及循环后静力加载下的承载变形特性。试验研究表明,基础在长期水平循环荷载作用下具有安全可靠的工作性能。静载下基础的荷载-水平位移关系可视为刚塑性、滑动破坏前为双曲线关系。循环荷载下基础的累积位移发展呈现收敛的趋势,并随着荷载幅值的增大而增大;基础在单向循环荷载下的累积位移大于同等大小荷载静载下的位移。循环加载后基础沿各方向的水平承载力和刚度均有所提高。然后,对基于边界面理论的修正G-M弹塑性接触面本构模型进行改进,利用ABAQUS接触面子程序UINTER将其嵌入ABAQUS中,对碎石垫层沉箱基础的模型试验进行了有限元数值分析,模拟得到的规律与试验结果相近。
2018, 40(9): 1627-1634.
DOI: 10.11779/CJGE201809008
摘要：
考虑车辆荷载影响,将沉管隧道管节等效为置于黏弹性地基上的Timoshenko梁,改进传统柔性接头等效模型,考虑接头阻尼作用,建立沉管隧道管节动力响应计算模型。依据Timoshenko梁理论,推导管节竖向振动微分方程,采用数值方法对管节位移响应进行求解。依托宁波甬江沉管隧道工程,分析车辆荷载下沉管隧道管节中点和端部的竖向位移响应情况,计算接头两端最大竖向位移差,并进行单因素影响分析。研究结果表明：江中段管节竖向位移较岸边段大,管节中点竖向位移较管节端部大,最大竖向位移达到3.7 mm;各接头参数相同的情况下,岸边接头的竖向位移差较中间接头大,最大竖向位移差达到1 mm;地基分布弹簧系数、接头刚度和车速对管节竖向位移幅值影响较大,而在安全车距范围内,车流密度对管节竖向位移幅值影响不大。
考虑车辆荷载影响,将沉管隧道管节等效为置于黏弹性地基上的Timoshenko梁,改进传统柔性接头等效模型,考虑接头阻尼作用,建立沉管隧道管节动力响应计算模型。依据Timoshenko梁理论,推导管节竖向振动微分方程,采用数值方法对管节位移响应进行求解。依托宁波甬江沉管隧道工程,分析车辆荷载下沉管隧道管节中点和端部的竖向位移响应情况,计算接头两端最大竖向位移差,并进行单因素影响分析。研究结果表明：江中段管节竖向位移较岸边段大,管节中点竖向位移较管节端部大,最大竖向位移达到3.7 mm;各接头参数相同的情况下,岸边接头的竖向位移差较中间接头大,最大竖向位移差达到1 mm;地基分布弹簧系数、接头刚度和车速对管节竖向位移幅值影响较大,而在安全车距范围内,车流密度对管节竖向位移幅值影响不大。
2018, 40(9): 1635-1641.
DOI: 10.11779/CJGE201809009
摘要：
渗透性是土体的重要工程性质之一,其受孔隙率、颗粒粒径及流体性质等诸多因素影响,但通常认为与水力梯度无关。现采用研制的刚性壁固结渗透装置,对经不同固结压力固结的黏土试样,进行先逐级施加水压、后逐级卸除水压条件下的固结和渗透试验。试验结果表明,水压加载时,受渗透力的影响,孔隙比和渗透系数均随水力梯度增大而减小,理论分析验证了递增水力梯度下渗透系数测试值变化趋势的合理性。水压卸载时,孔隙比不变,但渗透系数随水力梯度减小而继续减小,主要与颗粒堵塞和弱结合水相关,水力梯度较大时弱结合水处于流动状态,水力梯度递减后,弱结合水处于黏滞状态,孔隙导水能力下降,渗透系数降低,基于试验数据的线性拟合式显示降幅可达初始值的一半。
渗透性是土体的重要工程性质之一,其受孔隙率、颗粒粒径及流体性质等诸多因素影响,但通常认为与水力梯度无关。现采用研制的刚性壁固结渗透装置,对经不同固结压力固结的黏土试样,进行先逐级施加水压、后逐级卸除水压条件下的固结和渗透试验。试验结果表明,水压加载时,受渗透力的影响,孔隙比和渗透系数均随水力梯度增大而减小,理论分析验证了递增水力梯度下渗透系数测试值变化趋势的合理性。水压卸载时,孔隙比不变,但渗透系数随水力梯度减小而继续减小,主要与颗粒堵塞和弱结合水相关,水力梯度较大时弱结合水处于流动状态,水力梯度递减后,弱结合水处于黏滞状态,孔隙导水能力下降,渗透系数降低,基于试验数据的线性拟合式显示降幅可达初始值的一半。
2018, 40(9): 1642-1651.
DOI: 10.11779/CJGE201809010
摘要：
上海交通大学既有的空心圆柱扭剪仪只有扭矩可以进行动态控制,可进行动剪应力扭剪试验。为了研究应力主轴旋转对土体力学特性的影响规律,在仪器采用应力控制模式和考虑经济性的前提下,对既有空心圆柱扭剪仪进行气动化改造,使之具备轴力、扭矩和内外围压都可以独立自动控制的四向振动能力。首先介绍改造后仪器（SJTU-HCA）的组成和技术参数,梳理了气动控制相比于液压控制的优点,推导了进行主轴固定单调剪切试验和纯应力主轴循环旋转试验的基本公式,并且设计了仪器控制程序和自动控制算法。通过对砂土任意主应力角的主轴固定单调剪切试验,初步验证了仪器的静态加载能力。通过保持偏应力q、平均主应力p和中主应力参数b这3个控制参数下的纯应力主轴循环旋转试验,验证了仪器的动态加载能力,说明了改造后仪器具备各种复杂应力路径的工作能力。气动式改造经验可为今后研发土工仪器设备提供参考。
上海交通大学既有的空心圆柱扭剪仪只有扭矩可以进行动态控制,可进行动剪应力扭剪试验。为了研究应力主轴旋转对土体力学特性的影响规律,在仪器采用应力控制模式和考虑经济性的前提下,对既有空心圆柱扭剪仪进行气动化改造,使之具备轴力、扭矩和内外围压都可以独立自动控制的四向振动能力。首先介绍改造后仪器（SJTU-HCA）的组成和技术参数,梳理了气动控制相比于液压控制的优点,推导了进行主轴固定单调剪切试验和纯应力主轴循环旋转试验的基本公式,并且设计了仪器控制程序和自动控制算法。通过对砂土任意主应力角的主轴固定单调剪切试验,初步验证了仪器的静态加载能力。通过保持偏应力q、平均主应力p和中主应力参数b这3个控制参数下的纯应力主轴循环旋转试验,验证了仪器的动态加载能力,说明了改造后仪器具备各种复杂应力路径的工作能力。气动式改造经验可为今后研发土工仪器设备提供参考。
2018, 40(9): 1652-1658.
DOI: 10.11779/CJGE201809011
摘要：
超固结非饱和土经常出现于工程实践中,表现出复杂的力学性质。从已有的非饱和土水力-力学耦合的本构模型出发,将超固结的影响加入到了模型中,使模型可以考虑超固结对非饱和土力学性质的影响。超固结非饱和土本构方程的求解是一个复杂的非线性问题,给出了该超固结非饱和土水力-力学耦合模型的隐式积分算法和本构模型的一致切线模量,并对该算法进行验证,证明了该算法的正确性,最后采用该算法对某非饱和土质边坡在地下水位上升的情况下进行有限元分析。
超固结非饱和土经常出现于工程实践中,表现出复杂的力学性质。从已有的非饱和土水力-力学耦合的本构模型出发,将超固结的影响加入到了模型中,使模型可以考虑超固结对非饱和土力学性质的影响。超固结非饱和土本构方程的求解是一个复杂的非线性问题,给出了该超固结非饱和土水力-力学耦合模型的隐式积分算法和本构模型的一致切线模量,并对该算法进行验证,证明了该算法的正确性,最后采用该算法对某非饱和土质边坡在地下水位上升的情况下进行有限元分析。
2018, 40(9): 1659-1667.
DOI: 10.11779/CJGE201809012
摘要：
随着近年来人类活动加剧和极端天气的频繁出现,古滑坡复活问题日益突出,严重威胁着工程设施和城镇安全。以青藏高原东缘松潘县上窑沟古滑坡为例,在剖析古滑坡复活特征的基础上,分析了不同重现期降雨条件下滑坡的破坏范围和失稳概率,并采用DAN3D软件模拟研究了滑坡运动过程和堆积范围,开展了古滑坡复活的危险性预测评价。结果表明：①受坡脚浸润侵蚀和强降雨的影响,上窑沟古滑坡前缘局部H1已经复活,呈现出多级序、多期次活动的特点,目前地表宏观变形迹象清晰,存在进一步失稳可能;②H1在20 a一遇的10 d连阴雨条件下处于不稳定状态,失稳概率达99.12%,而后部的H2在100 a一遇10 d连阴雨条件下处于不稳定状态,失稳概率达96.36%,可能和前部H1发生连续失稳下滑;③仅前缘局部H1失稳时,滑体最远运移距离约350 m,堆积体前缘不会抵达居民区;④当后部H2和前部H1连续失稳时,滑体最远运移距离达550 m,沟口居民区的排导槽首端至国道G213间半径约150 m的扇形区遭受滑坡-碎屑流的危险性大。
随着近年来人类活动加剧和极端天气的频繁出现,古滑坡复活问题日益突出,严重威胁着工程设施和城镇安全。以青藏高原东缘松潘县上窑沟古滑坡为例,在剖析古滑坡复活特征的基础上,分析了不同重现期降雨条件下滑坡的破坏范围和失稳概率,并采用DAN3D软件模拟研究了滑坡运动过程和堆积范围,开展了古滑坡复活的危险性预测评价。结果表明：①受坡脚浸润侵蚀和强降雨的影响,上窑沟古滑坡前缘局部H1已经复活,呈现出多级序、多期次活动的特点,目前地表宏观变形迹象清晰,存在进一步失稳可能;②H1在20 a一遇的10 d连阴雨条件下处于不稳定状态,失稳概率达99.12%,而后部的H2在100 a一遇10 d连阴雨条件下处于不稳定状态,失稳概率达96.36%,可能和前部H1发生连续失稳下滑;③仅前缘局部H1失稳时,滑体最远运移距离约350 m,堆积体前缘不会抵达居民区;④当后部H2和前部H1连续失稳时,滑体最远运移距离达550 m,沟口居民区的排导槽首端至国道G213间半径约150 m的扇形区遭受滑坡-碎屑流的危险性大。
2018, 40(9): 1668-1675.
DOI: 10.11779/CJGE201809013
摘要：
降雨入渗模型在渗流理论、地质灾害评价等方面具有重要的理论意义及工程应用价值。基于饱和入渗的Mein-Larson模型及李宁等学者提出的非饱和入渗模型,利用非饱和土的Van Genuchten水土特性及渗透系数模型,提出了简化的非饱和锐利浸润锋模型,用以分析均匀含水率土体及含水率随深度变化的土体,其含水率、浸润深度、吸力等随雨强、降雨持时的变化。通过3种模型在不同工况下与有限元模拟结果进行对比,验证了本文提出的模型能更好的描述黄土中的非饱和水分迁移。
降雨入渗模型在渗流理论、地质灾害评价等方面具有重要的理论意义及工程应用价值。基于饱和入渗的Mein-Larson模型及李宁等学者提出的非饱和入渗模型,利用非饱和土的Van Genuchten水土特性及渗透系数模型,提出了简化的非饱和锐利浸润锋模型,用以分析均匀含水率土体及含水率随深度变化的土体,其含水率、浸润深度、吸力等随雨强、降雨持时的变化。通过3种模型在不同工况下与有限元模拟结果进行对比,验证了本文提出的模型能更好的描述黄土中的非饱和水分迁移。
2018, 40(9): 1676-1683.
DOI: 10.11779/CJGE201809014
摘要：
钢悬链线立管触地段管土作用对管线埋深及管线寿命的影响显著。对触地段管土相互作用p-y曲线用二段线弹性近似,考虑了土体刚度的非线性,更好地反映土体刚度随管线贯入深度增大而降低的特性。根据贯入深度建立了多段管线控制微分方程,结合边界条件求得静力状态下管线贯入响应的解析表达式。在验证解析解正确的基础上,对土体刚度变化、泥线处土体不排水抗剪强度、土体强度梯度、外部弯矩荷载及管线自重下的管线贯入响应进行了分析。结果表明二段线弹性模型中得到的土体阻力与p-y曲线更接近。管线贯入深度随泥线处土体不排水抗剪强度、土体强度梯度的增大而减小。外部弯矩荷载的增大会使管线贯入深度及触地段管线的最大剪力变大。管线自重增加会使管线贯入深度增加,弯矩增大。
钢悬链线立管触地段管土作用对管线埋深及管线寿命的影响显著。对触地段管土相互作用p-y曲线用二段线弹性近似,考虑了土体刚度的非线性,更好地反映土体刚度随管线贯入深度增大而降低的特性。根据贯入深度建立了多段管线控制微分方程,结合边界条件求得静力状态下管线贯入响应的解析表达式。在验证解析解正确的基础上,对土体刚度变化、泥线处土体不排水抗剪强度、土体强度梯度、外部弯矩荷载及管线自重下的管线贯入响应进行了分析。结果表明二段线弹性模型中得到的土体阻力与p-y曲线更接近。管线贯入深度随泥线处土体不排水抗剪强度、土体强度梯度的增大而减小。外部弯矩荷载的增大会使管线贯入深度及触地段管线的最大剪力变大。管线自重增加会使管线贯入深度增加,弯矩增大。
2018, 40(9): 1684-1689.
DOI: 10.11779/CJGE201809015
摘要：
土的比热容是冻结法施工中的重要参数,但既有混合量热法得到比热容是某一负温到平衡正温这一阶段的平均比热容而不是该负温点的比热容。根据黏土在冻结过程中孔隙水的相变随负温增加逐渐发生的客观事实,基于传统混合量热法建立了冻土比热容的递推算法。首先,待测试冻土试样分别由某一负温的左右两个微小增量开始,经混合量热法各个步骤后到达热平衡状态。则由负温开始至热平衡状态,试样吸收的热量Q,必然等于负温至0℃和0℃至平衡温度这两个阶段热量交换Q1和Q2的代数和。由于不存在相变,试样从0℃至热交换平衡温度需要的热量可以由常规的混合量热法获得。因此,试样由负温开始至0℃的热量可以通过两者相减得到,并可进一步得到试样由该负温左侧增量升温至该负温右侧增量需要的热量。最终,试样在该负温点的比热容可以根据比热容的定义得到。本文建立的冻土比热容递推算法能得到某温度点的比热容而非某温度段的平均比热容,且包含了潜热的贡献,因而更为合理有效。
土的比热容是冻结法施工中的重要参数,但既有混合量热法得到比热容是某一负温到平衡正温这一阶段的平均比热容而不是该负温点的比热容。根据黏土在冻结过程中孔隙水的相变随负温增加逐渐发生的客观事实,基于传统混合量热法建立了冻土比热容的递推算法。首先,待测试冻土试样分别由某一负温的左右两个微小增量开始,经混合量热法各个步骤后到达热平衡状态。则由负温开始至热平衡状态,试样吸收的热量Q,必然等于负温至0℃和0℃至平衡温度这两个阶段热量交换Q1和Q2的代数和。由于不存在相变,试样从0℃至热交换平衡温度需要的热量可以由常规的混合量热法获得。因此,试样由负温开始至0℃的热量可以通过两者相减得到,并可进一步得到试样由该负温左侧增量升温至该负温右侧增量需要的热量。最终,试样在该负温点的比热容可以根据比热容的定义得到。本文建立的冻土比热容递推算法能得到某温度点的比热容而非某温度段的平均比热容,且包含了潜热的贡献,因而更为合理有效。
2018, 40(9): 1690-1697.
DOI: 10.11779/CJGE201809016
摘要：
中国江苏北部连云港地区海相软土蒙脱石族矿物含量相对较高,且在海陆交互环境沉积形成,沉积过程中具有孔隙水盐分较高的特点,但在后沉积过程中由于地表和地下淡水入侵,会使孔隙水盐分发生变化。工程设计一般依据既有地下水环境中土体参数,未能考虑盐分变化后土体参数变化,会造成工程安全系数的冗余度不足,进而导致工程风险。为了解决江苏北部地区基础设施运营中,孔隙水盐分变动环境下软黏土地基长期性状与工程性质变异问题,需要深入了解矿物成分、孔隙水盐分在软黏土物理和力学特性中的作用机制。由于天然软黏土的矿物成分、孔隙水成分差异较大,在黏土矿物盐敏性的研究和当地地下水盐分测试基础上,试验材料采用矿物成分均一的商用高岭土与膨润土组成的人工黏土作为研究对象,配制不同浓度的NaCl溶液作为孔隙水,模拟孔隙水盐分变化。通过液塑限试验、常规固结试验和固结不排水剪切试验,发现对于含蒙脱石矿物的人工黏土,液限wL、压缩指数Cc和回弹指数Cs随着孔隙水盐分的增加而减小,而内摩擦角随着孔隙水盐分的增加而增加;对于高岭石矿物为主的人工黏土,液限wL、压缩指数Cc、回弹指数Cs和内摩擦角都基本不随孔隙水盐分的增加而改变。将孔隙水盐分效应采用渗透吸力进行表征,在试验规律、修正剑桥模型和BBM模型认知的基础上,建立了考虑盐分效应的人工软黏土本构模型,并对比了计算结果与试验结果,两者在趋势上较为接近,验证了本构模型的实用性,可为近海岩土工程设计提供参考。
中国江苏北部连云港地区海相软土蒙脱石族矿物含量相对较高,且在海陆交互环境沉积形成,沉积过程中具有孔隙水盐分较高的特点,但在后沉积过程中由于地表和地下淡水入侵,会使孔隙水盐分发生变化。工程设计一般依据既有地下水环境中土体参数,未能考虑盐分变化后土体参数变化,会造成工程安全系数的冗余度不足,进而导致工程风险。为了解决江苏北部地区基础设施运营中,孔隙水盐分变动环境下软黏土地基长期性状与工程性质变异问题,需要深入了解矿物成分、孔隙水盐分在软黏土物理和力学特性中的作用机制。由于天然软黏土的矿物成分、孔隙水成分差异较大,在黏土矿物盐敏性的研究和当地地下水盐分测试基础上,试验材料采用矿物成分均一的商用高岭土与膨润土组成的人工黏土作为研究对象,配制不同浓度的NaCl溶液作为孔隙水,模拟孔隙水盐分变化。通过液塑限试验、常规固结试验和固结不排水剪切试验,发现对于含蒙脱石矿物的人工黏土,液限wL、压缩指数Cc和回弹指数Cs随着孔隙水盐分的增加而减小,而内摩擦角随着孔隙水盐分的增加而增加;对于高岭石矿物为主的人工黏土,液限wL、压缩指数Cc、回弹指数Cs和内摩擦角都基本不随孔隙水盐分的增加而改变。将孔隙水盐分效应采用渗透吸力进行表征,在试验规律、修正剑桥模型和BBM模型认知的基础上,建立了考虑盐分效应的人工软黏土本构模型,并对比了计算结果与试验结果,两者在趋势上较为接近,验证了本构模型的实用性,可为近海岩土工程设计提供参考。
2018, 40(9): 1698-1705.
DOI: 10.11779/CJGE201809017
摘要：
针对具有柔性锚胫的Stevmanta法向承力锚的安装轨迹和承载性能进行研究。首先,通过机构分析提出了由拖曳力与锚板之间夹角确定锚胫形态的方法,然后将该方法引入塑性方法建立了可以考虑锚胫形态变化的数值计算方法。基于该数值方法,计算了法向承力锚在拖曳安装与系泊调节过程中的运动轨迹和承载力,研究其性能特点,并讨论了锚胫几何参数对锚性能的影响。研究发现：在拖曳嵌入的初始阶段,锚胫的形态改变能够使锚板发生显著旋转从而获得良好的下潜姿态;在拖曳嵌入与系泊调节过程中,锚胫最终都会达到稳定状态,形态不再发生变化;锚胫几何参数的变化对锚的运动轨迹、承载性能均有明显影响,实际工程中应权衡各方面性能进行合理取值。
针对具有柔性锚胫的Stevmanta法向承力锚的安装轨迹和承载性能进行研究。首先,通过机构分析提出了由拖曳力与锚板之间夹角确定锚胫形态的方法,然后将该方法引入塑性方法建立了可以考虑锚胫形态变化的数值计算方法。基于该数值方法,计算了法向承力锚在拖曳安装与系泊调节过程中的运动轨迹和承载力,研究其性能特点,并讨论了锚胫几何参数对锚性能的影响。研究发现：在拖曳嵌入的初始阶段,锚胫的形态改变能够使锚板发生显著旋转从而获得良好的下潜姿态;在拖曳嵌入与系泊调节过程中,锚胫最终都会达到稳定状态,形态不再发生变化;锚胫几何参数的变化对锚的运动轨迹、承载性能均有明显影响,实际工程中应权衡各方面性能进行合理取值。
2018, 40(9): 1706-1713.
DOI: 10.11779/CJGE201809018
摘要：
为模拟颗粒破碎对散体材料应力-应变特性产生的显著影响,提出了一种改进的基于离散元的模拟颗粒破碎的方法。首先将颗粒复杂的受力状态简化成颗粒球心附近的最大拉应力并假定颗粒破碎服从最大拉应力准则。当颗粒满足破碎条件时,将破碎颗粒的直径缩小。当由缩小颗粒直径导致的质量损失达到某一规定值时,向样本内的孔隙插入新颗粒。为模拟破碎产生碎片的颗粒级配,新生成的颗粒尺寸服从分形分布,同时,为考虑颗粒强度的变异性和尺寸效应,未破碎颗粒、已破碎颗粒和破碎产生的碎片的抗拉强度均服从Weibull分布。该方法满足质量守恒条件,且适用于能在超级计算机上并行运行的开源离散元软件。采用本文方法模拟了一维压缩和直剪试验并与室内试验结果进行对比,结果表明本文方法模拟颗粒破碎是可行的。
为模拟颗粒破碎对散体材料应力-应变特性产生的显著影响,提出了一种改进的基于离散元的模拟颗粒破碎的方法。首先将颗粒复杂的受力状态简化成颗粒球心附近的最大拉应力并假定颗粒破碎服从最大拉应力准则。当颗粒满足破碎条件时,将破碎颗粒的直径缩小。当由缩小颗粒直径导致的质量损失达到某一规定值时,向样本内的孔隙插入新颗粒。为模拟破碎产生碎片的颗粒级配,新生成的颗粒尺寸服从分形分布,同时,为考虑颗粒强度的变异性和尺寸效应,未破碎颗粒、已破碎颗粒和破碎产生的碎片的抗拉强度均服从Weibull分布。该方法满足质量守恒条件,且适用于能在超级计算机上并行运行的开源离散元软件。采用本文方法模拟了一维压缩和直剪试验并与室内试验结果进行对比,结果表明本文方法模拟颗粒破碎是可行的。
2018, 40(9): 1714-1722.
DOI: 10.11779/CJGE201809019
摘要：
冲击地压的发生是一个多因素诱发的结果。以郓城煤矿1301工作面为工程背景,研究“动—静”应力效应诱发的（“动”指工作面回采时,上覆岩层运动对前方煤体施加超前支承压力及扰动;“静”指水仓突水后,煤层上方相当于开采一个解放层,突水区域上覆岩层部分应力向周边转移,使突水区域周边的静应力升高）新型冲击地压发生的机理,本文采用采用理论分析、现场监测、工程试验、数值模拟等方法研究了冲击地压发生的应力来源、突水造成的煤体岩性改变特征、工作面回采的动态影响等,得出以下结论：①突水打破了原岩应力平衡,使其周边煤体静应力升高,这是冲击地压发生的静应力来源。②煤体浸水30天,使煤体的强度大幅降低,使其在同等应力作用下增大了“蠕变”冲击发生的风险。③1301工作面回采,超前支承压力是发生冲击地压的动应力来源;超前支承压力与高静应力叠加,增大了应力的集中程度,再加上上覆岩层对高应力集中区的动态扰动,使冲击地压发生的风险进一步加大。该方法对于富水工作面的防冲评价具有重要的参考意义。
冲击地压的发生是一个多因素诱发的结果。以郓城煤矿1301工作面为工程背景,研究“动—静”应力效应诱发的（“动”指工作面回采时,上覆岩层运动对前方煤体施加超前支承压力及扰动;“静”指水仓突水后,煤层上方相当于开采一个解放层,突水区域上覆岩层部分应力向周边转移,使突水区域周边的静应力升高）新型冲击地压发生的机理,本文采用采用理论分析、现场监测、工程试验、数值模拟等方法研究了冲击地压发生的应力来源、突水造成的煤体岩性改变特征、工作面回采的动态影响等,得出以下结论：①突水打破了原岩应力平衡,使其周边煤体静应力升高,这是冲击地压发生的静应力来源。②煤体浸水30天,使煤体的强度大幅降低,使其在同等应力作用下增大了“蠕变”冲击发生的风险。③1301工作面回采,超前支承压力是发生冲击地压的动应力来源;超前支承压力与高静应力叠加,增大了应力的集中程度,再加上上覆岩层对高应力集中区的动态扰动,使冲击地压发生的风险进一步加大。该方法对于富水工作面的防冲评价具有重要的参考意义。
摘要：
在寒区进行高速公路和高速铁路等对变形要求严格的工程时,必须考虑冻土的压缩性。以冻结饱和标准砂为研究对象,利用自主研发的冻土侧限压缩仪开展不同温度下的分级加载试验。试验采用-0.5,-1.0,-2.0,-3.0和-5.0℃五级温度,压力分为1,2,3,5和10 MPa五级。根据试验结果得到e-σz和e-lgσz曲线,求得压缩系数和压缩指数,比较分析室温下的融土试样与不同温度下冻土试样的压缩系数和压缩指数随温度的变化,得到从正温到负温完整温度序列的试验规律。根据前人的模量公式得出相关参数,从而建立公式中参数与温度之间的关系。试验表明：饱和冻结标准砂压缩曲线与常温土相似;在高温条件下冻土的压缩性比较可观;冻土的压缩性受温度的影响十分显著,即压缩系数随温度的升高而增大,呈现指数函数的形式;模量公式中的参数与温度之间可建立一定的定量关系。
在寒区进行高速公路和高速铁路等对变形要求严格的工程时,必须考虑冻土的压缩性。以冻结饱和标准砂为研究对象,利用自主研发的冻土侧限压缩仪开展不同温度下的分级加载试验。试验采用-0.5,-1.0,-2.0,-3.0和-5.0℃五级温度,压力分为1,2,3,5和10 MPa五级。根据试验结果得到e-σz和e-lgσz曲线,求得压缩系数和压缩指数,比较分析室温下的融土试样与不同温度下冻土试样的压缩系数和压缩指数随温度的变化,得到从正温到负温完整温度序列的试验规律。根据前人的模量公式得出相关参数,从而建立公式中参数与温度之间的关系。试验表明：饱和冻结标准砂压缩曲线与常温土相似;在高温条件下冻土的压缩性比较可观;冻土的压缩性受温度的影响十分显著,即压缩系数随温度的升高而增大,呈现指数函数的形式;模量公式中的参数与温度之间可建立一定的定量关系。
摘要：
采用大型静动力简单剪切仪,对某面板堆石坝灰岩堆石料进行了动剪切模量阻尼比试验和动残余变形试验。试验资料表明,堆石料的模量阻尼特性采用修正等价黏弹性模型描述可取得较好效果。考虑到在围压和动应力比较高时,残余应变与振次的关系和半对数规律偏差较大,采用幂函数描述残余应变的发展,建立了以平均主应力、固结应力比和动剪应变为自变量的残余变形计算模型。通过拟合不同堆石料的试验结果,表明该模型具有较好的适用性。
采用大型静动力简单剪切仪,对某面板堆石坝灰岩堆石料进行了动剪切模量阻尼比试验和动残余变形试验。试验资料表明,堆石料的模量阻尼特性采用修正等价黏弹性模型描述可取得较好效果。考虑到在围压和动应力比较高时,残余应变与振次的关系和半对数规律偏差较大,采用幂函数描述残余应变的发展,建立了以平均主应力、固结应力比和动剪应变为自变量的残余变形计算模型。通过拟合不同堆石料的试验结果,表明该模型具有较好的适用性。
2018, 40(9): 1736-1745.
DOI: 10.11779/CJGE201809022
摘要：
小直径桩在桩基础的抗震设计、加固中已得到越来越多的应用。针对美国石油协会（API）规范的p-y曲线法和中国规范的m法对小直径单桩的适用性问题,通过拟静力试验研究了砂土地基小直径单桩的浅层土（深度小于1 m）p-y曲线。对实测桩身弯矩采用分段函数的拟合方法来推算土反力和桩身变形,获得了小直径单桩在饱和中砂中的浅层土静力p-y曲线,并基于试验结果提出了三线性本构。进一步地,通过数值模拟分析比较了所提出的浅层土三线性p-y曲线、API规范的p-y曲线、中国规范的m法对预测小直径桩基受力和变形的有效性。结果显示API规范的p-y曲线可能稍低估桩基的水平承载力,并获得更深的桩身最大弯矩位置,而提出的浅层土三线性p-y曲线可更好地预测桩基的整体水平力和位移关系、桩身弯矩及变形。另外,传统的m法仍然适用,当桩身变形较小时（土面桩身变形不超过6 mm）,m值宜取推荐范围内的较大值,而当桩身变形较大时,m值宜取推荐范围内的最小值。
小直径桩在桩基础的抗震设计、加固中已得到越来越多的应用。针对美国石油协会（API）规范的p-y曲线法和中国规范的m法对小直径单桩的适用性问题,通过拟静力试验研究了砂土地基小直径单桩的浅层土（深度小于1 m）p-y曲线。对实测桩身弯矩采用分段函数的拟合方法来推算土反力和桩身变形,获得了小直径单桩在饱和中砂中的浅层土静力p-y曲线,并基于试验结果提出了三线性本构。进一步地,通过数值模拟分析比较了所提出的浅层土三线性p-y曲线、API规范的p-y曲线、中国规范的m法对预测小直径桩基受力和变形的有效性。结果显示API规范的p-y曲线可能稍低估桩基的水平承载力,并获得更深的桩身最大弯矩位置,而提出的浅层土三线性p-y曲线可更好地预测桩基的整体水平力和位移关系、桩身弯矩及变形。另外,传统的m法仍然适用,当桩身变形较小时（土面桩身变形不超过6 mm）,m值宜取推荐范围内的较大值,而当桩身变形较大时,m值宜取推荐范围内的最小值。
2018, 40(9): 1746-1752.
DOI: 10.11779/CJGE201809023
摘要：
对出现上浮事故的地下结构进行处理过程十分复杂,因为重新施工桩或锚杆需要大面积破坏底板,而盲目排水减压则可能对周边环境产生影响。截排减压抗浮系统是对该类事故进行处理的良好方式。其理念在于,利用基坑周边止水帷幕形成相对封闭的地下水环境,拦截外部大部分流量,同时利用底板上的减压井排水,并辅以观测及自动控制措施,实现自流自排。排水构筑物采用大直径减压井,降低了井周水力坡降,消除了产生淤堵的水力条件,同时方便后期的清理维护。减压井为预制无砂混凝土井环吊装而成,施工过程简单方便。该系统成功应用于地下车库的上浮事故处理,监测结果表明：流量及水头可控,且运行成本低廉。
对出现上浮事故的地下结构进行处理过程十分复杂,因为重新施工桩或锚杆需要大面积破坏底板,而盲目排水减压则可能对周边环境产生影响。截排减压抗浮系统是对该类事故进行处理的良好方式。其理念在于,利用基坑周边止水帷幕形成相对封闭的地下水环境,拦截外部大部分流量,同时利用底板上的减压井排水,并辅以观测及自动控制措施,实现自流自排。排水构筑物采用大直径减压井,降低了井周水力坡降,消除了产生淤堵的水力条件,同时方便后期的清理维护。减压井为预制无砂混凝土井环吊装而成,施工过程简单方便。该系统成功应用于地下车库的上浮事故处理,监测结果表明：流量及水头可控,且运行成本低廉。
2018, 40(9): 1753-1758.
DOI: 10.11779/CJGE201809024
摘要：
近年山区城市通过高填方工程扩展城市空间的实例越来越多,关于填方后地下水位的变化一直备受关注。以陕西某高填方工程为依托,对填方场地工后15个月里地下水位、填筑土体含水率的变化进行了持续的监测。监测结果表明填方后主沟下游地下水位上升幅度明显大于两侧支沟达到1.3 m。主沟下游位置地下15 m以下的深层填土含水率随着深度递增。黄土沟壑高填方工程中主沟位置的地下水排导措施应进一步加强,防止地下水位持续上升,主沟下游位置进行工程建设时应考虑深层填土含水率增加带来的不利影响。
近年山区城市通过高填方工程扩展城市空间的实例越来越多,关于填方后地下水位的变化一直备受关注。以陕西某高填方工程为依托,对填方场地工后15个月里地下水位、填筑土体含水率的变化进行了持续的监测。监测结果表明填方后主沟下游地下水位上升幅度明显大于两侧支沟达到1.3 m。主沟下游位置地下15 m以下的深层填土含水率随着深度递增。黄土沟壑高填方工程中主沟位置的地下水排导措施应进一步加强,防止地下水位持续上升,主沟下游位置进行工程建设时应考虑深层填土含水率增加带来的不利影响。
