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期刊信息
  • 岩土力学
    Rock and Soil Mechanics
    (月刊,1979年创刊)
    主管:中国科学院
    主办:中国科学院武汉岩土力学研究所
    主编:孔令伟
    编辑:《岩土力学》编辑部
    ISSN 1000-7598 CN 42-1199/O3
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2023年, 第44卷, 第9期 刊出日期:2023-09-11
上一期   
基础理论与实验研究
深埋隧道软弱围岩拱顶三维渐进性塌落机制上限分析
孙闯, 兰思琦, 陶琦, 关喜彬, 韩希平,
岩土力学. 2023 (9):  2471-2484.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1444
摘要 ( 177 )   PDF(12200KB) ( 178 )  
隧道拱顶塌方是一个渐进性破坏的过程,为研究深埋隧道软弱围岩拱顶渐进性塌落特征,基于极限分析上限定理和非线性Hoek-Brown破坏准则,建立了深埋隧道三维渐进性塌落机制,推导了考虑孔隙水压力作用下的塌方全过程塌落体曲面解析解,绘制了拱顶渐进性塌落形态三维曲面图,分析了相关参数单一变化时塌落体形态特征以及不同孔隙水压力作用下各参数对塌落体重力和隧道支护力的影响规律。结果表明:表征岩体特征的无量纲参数、重度、孔隙水压力和岩体抗拉强度对渐进性塌方塌落体形态、重力和支护力有显著影响;深埋隧道围岩物理力学参数在渐进性塌方过程中逐渐减弱,主要体现为岩体强度随变形的发展逐渐衰减直至一个残余值,围岩强度的衰减情况和残余强度大小对塌落体重力和隧道支护力有一定影响。理论计算得到的隧道拱顶塌落形态与实际隧道工程F3断层破碎带隧道拱顶塌方范围基本吻合,验证了理论计算结果对预测隧道拱顶渐进性塌方塌落体范围的适用性,研究成果可为软弱围岩深埋隧道施工设计及安全防护提供理论依据。
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冲击荷载下土体动力响应与加载速率效应研究
刘勇健, 傅杨攀, 赖明洋, 李彰明, 方昊圆, 谢治堃,
岩土力学. 2023 (9):  2485-2494.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1596
摘要 ( 95 )   PDF(10159KB) ( 107 )  
为揭示土体在冲击荷载作用下的动态响应特征,运用自主研发的附加激发力式平板动力载荷试验系统(flat dynamic load test,简称FDLT试验)对广州大学城区内两种典型土体(砂土和黏土)进行了不同荷载大小和加载速率的FDLT试验,获取了土体在冲击荷载下的荷载−时程曲线、位移−时程曲线、荷载−位移曲线的3种关系曲线。建立了动态变形模量与加载速率的经验公式,对比分析了两种土体在冲击荷载作用下的加载速率效应。研究表明:(1)砂土的FDLT试验存在一个充电量临界值,在该充电量冲击试验过程中,加载速率对砂土的动态强度及变形有较大的影响,而对黏土在本次试验条件下未有明显影响。(2)加载速率对黏土与砂土的位移响应的相同之处在于,最大荷载和最大位移均随加载速率的增大而提高;不同之处在于,黏土达到位移峰值时间会随加载速率增大而延长,而砂土达到位移峰值时间随加载速率增大呈现先增加后减小的规律。(3)土体的动态变形模量与加载速率曲线呈对数变化关系。本研究成果可为土体动力特性研究、土的动静参数换算和工程设计提供依据。
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平面应变条件下不同裂隙方向原状膨胀土变形破坏性状与剪切带演化特征
高志傲, 孔令伟, 王双娇, 刘炳恒, 芦剑锋,
岩土力学. 2023 (9):  2495-2508.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1433
摘要 ( 73 )   PDF(44944KB) ( 97 )  
富含裂隙是膨胀土的重要特性之一,原生裂隙以及受力过程中的裂隙扩展对土的力学行为影响显著。为了调查裂隙对膨胀土的变形规律与破坏模式的影响,借助改进型真三轴仪,对不同原生裂隙主方向角的原状膨胀土(I型裂隙试样长轴垂直优势裂隙方向、II型裂隙试样长轴45º斜交优势裂隙方向、III型裂隙试样长轴平行优势裂隙方向),开展固结排水平面应变剪切试验,并利用数字图像相关(digital image correlation,简称DIC)技术分析变形规律,重点研究裂隙影响的变形局部化特征。结果表明:同一围压作用时,II型裂隙试样的峰值应力最小,应力−应变曲线呈应变软化型,其破坏类型为滑动破坏;I型裂隙试样峰值应力最大,且I型裂隙试样与III型裂隙试样的应力−应变曲线呈应变硬化型。I型裂隙试样的破坏类型为压缩剪切破坏,III型裂隙试样的破坏类型随围压不同而存在差异。同一围压作用下,I型裂隙试样产生的剪切带倾角较其他裂隙类型样品小,且基本不随围压变化。II型裂隙试样的剪切带沿原生裂隙面发育形成,其倾角大小随围压变化并无明显规律,围压影响II型裂隙土试样剪切带发育的数量。对于III型裂隙试样,围压影响剪切带发育类型,且随着围压增大,主剪切带倾角减小。利用Roscoe理论得到不同裂隙方向土样的剪切带倾角大小与试样实际破坏时剪切带的倾角较为符合。该试验为研究裂隙性膨胀土力学特征各向异性奠定了基础。
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化学腐蚀下节理花岗岩法向刚度演变规律试验研究
刘尚, 刘日成, 李树忱, 蔚立元, 胡明慧
岩土力学. 2023 (9):  2509-2524.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1491
摘要 ( 56 )   PDF(31828KB) ( 45 )  
通过开展侧限条件下完整试样及不吻合节理试样法向荷载压缩试验,研究了节理花岗岩法向应力及法向闭合的变化特征,揭示了不同化学溶液酸碱值pH(1、3、7、12)和不同腐蚀时间t(10、30、100 d)条件下含不同初始开度b的节理试样法向刚度演变规律。试验结果表明:不吻合节理试样的应力随应变变化特征不同于完整试样及吻合节理试样,由于节理表面微凸体的崩解,在应力−应变曲线整体增长过程中产生了局部应力降现象。不吻合节理法向闭合曲线呈现非线性的特点,法向位移增加速率随法向应力先增大后减小;相同法向应力下,试样法向位移及节理闭合速率随初始开度的增大而变大。通过引入经典节理闭合模型,分析得出节理试样法向刚度同时受初始开度、pH值及腐蚀天数的影响,其中受初始开度的大小影响最为明显。当pH = 1、t = 10 d时,法向位移从1~3 mm,b = 1.65 mm的试样法向应力较b = 3.4 mm的试样提高46.26%~149.46%;节理法向应力及刚度随着酸性溶液pH值的减小而减小;随腐蚀时间增加,不同化学溶液下的部分节理法向刚度先减小后增大。
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基于图像RGB信息测试湿度场技术的风积沙毛细水上升试验研究
田升奎, 刘观仕, 赵青松, 徐国方, 蔡铭炫,
岩土力学. 2023 (9):  2525-2536.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1459
摘要 ( 55 )   PDF(17083KB) ( 45 )  
毛细作用对诸多工程的变形与稳定有影响,传统方法难以精确监测毛细水上升过程的动态变化。首先研究了风积沙图像RGB(red(红)、green(绿)、blue(蓝))信息与含水率的关系,由此开发了一种利用图像RGB信息测试含水率并获取湿度场的方法与技术;基于此探究了风积沙毛细水上升过程中含水率的时空变化,提取了湿润锋轮廓,分析了湿润锋运移规律。结果表明,风积沙的归一化颜色特征值ξRnor与含水率θ 间存在显著的线性负相关关系,用于预测风积沙含水率效果良好;研发的基于图像RGB信息测试湿度场的技术,具有cm级分辨率和较高精度,能直观展示风积沙柱毛细水上升过程中含水率的时空变化;对毛细水上升过程的图像采用改进的k-means聚类分割法进行分析,能精确识别和量化湿润锋的轮廓信息,比目测法更加准确可靠;在表面张力和惯性力作用下,风积沙毛细水上升初期各高度处含水率存在明显的冲高现象,经历几次小幅波动后回落,稳定含水率相较峰值含水率降低约1.5%;毛细水上升高度与相对密实度Dr成正比,幂函数和双对数二次多项式均能较好拟合湿润锋上升过程。研究工作为毛细水上升试验测试提供了一种精确快捷的新途径。 关 键 词:风积沙;毛细作用;数字图像;湿度场;湿润锋轮廓
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土工泡沫减压膨胀土挡墙侧向压力及影响因素分析
邹维列, 樊科伟, 张攀, 韩仲,
岩土力学. 2023 (9):  2537-2544.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0488
摘要 ( 44 )   PDF(14438KB) ( 71 )  
墙后膨胀性填土在吸水膨胀后,将对挡墙产生较大的侧向压力,严重时可能引起挡墙失稳。在墙背与膨胀性填土之间铺设可发性聚苯乙烯土工泡沫(expanded polystyrene geofoam,简称EPS)缓冲层,利用EPS的高压缩特性,为填土的侧向变形提供空间,可有效减小作用于挡墙的侧向压力。为了探明墙后铺设EPS的膨胀土挡墙在膨胀土浸润至饱和状态时,侧向压力沿墙高的分布规律及影响因素,开展了EPS减压膨胀土挡墙模型试验和相应的理论分析。结果表明:(1)当膨胀土浸润至饱和时,铺设密度为12 kg/m3的EPS可减小膨胀土挡墙约50%的总侧向压力;(2)无EPS的膨胀土挡墙的侧向压力沿墙深逐渐增大,而含EPS的膨胀土挡墙的侧向压力沿墙深基本相同;(3)EPS厚度越大,密度越小,对挡墙侧向压力的减压效果越好。
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不同组分断层泥的剪切特性试验研究
谢礼焕, 刘贺娟, 班胜男, 冒海军, 夏德斌, 宋宇家, 童荣琛, 应琪祺,
岩土力学. 2023 (9):  2545-2554.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1549
摘要 ( 49 )   PDF(9672KB) ( 61 )  
断层泥的强度参数是影响地下储气库断层封闭性好坏的主要因素之一。利用3种矿物含量(高岭土含量K、蒙脱石含量M和石英含量Q)批量制作了不同组分的含水率为30%的断层泥并开展土工直剪试验来获取不同断层泥剪切强度参数(黏聚力c和内摩擦角φ)。试验研究表明:(1)断层泥的黏聚力与蒙脱石含量呈正相关关系,而与石英含量呈负相关关系。高蒙脱石含量(M≥40%)下断层泥黏聚力与高岭土含量呈正相关关系;(2)断层泥的内摩擦角与蒙脱石的含量呈负相关关系,与高岭土的含量呈正相关关系;(3)断层泥的黏聚力与塑性指数IP呈正相关关系,内摩擦角与塑性指数IP呈负相关关系;(4)通过统计学方法获取的断层泥剪切强度参数预测值与试验结果吻合度很高,表明统计学方法可以用于预测断层泥的剪切特性。
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复杂初始应力状态下松砂多向循环单剪特性
李尧, 李嘉评
岩土力学. 2023 (9):  2555-2565.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0432
摘要 ( 36 )   PDF(21908KB) ( 48 )  
松砂极易液化,微小的应力状态变化也会影响其液化特性。基于多向循环单剪试验,采用松砂作为试验材料,开展不同静剪应力大小、方向和复杂剪切路径下的循环单剪试验,研究复杂初始应力状态下松砂循环单剪特性,得到以下主要结论:(1)随静剪应力比增大,试样剪应力峰值增大,第1个循环内孔隙水压力增量变大,试样更易液化;初始静剪应力大小对孔隙水压力的影响在剪切初期更显著。(2)随初始静剪应力和动剪应力主轴之间夹角增大,试样在X方向的剪应力峰值减小,试样孔隙水压力加速增长,在第1个循环以及最后1个循环内孔隙水压力增量变大,循环间差值增大,试样更易发生瞬时液化。(3)8字形剪切路径试样的应力−应变滞回圈面积最大,每个循环消耗能量最多,圆形剪切路径次之,直线剪切路径最小。复杂剪切路径会在剪切开始时诱发孔隙水压力的突然增加,加大各循环中孔隙水压力的增量,试样更易液化。(4)影响松砂液化因素的排序为:初始静剪应力与动剪应力夹角、剪切路径、初始静剪应力大小。
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地震作用下含软弱夹层顺层岩质斜坡 动力响应的试验研究
王志颖, 郭明珠, 曾金艳, 王晨, 刘晃
岩土力学. 2023 (9):  2566-2578.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1642
摘要 ( 33 )   PDF(12549KB) ( 61 )  
以青藏高原金沙江流域下归洼滑坡为原型,开展了含软弱夹层的顺层岩质斜坡振动台模型试验,基于斜坡峰值加速度PGA的放大系数和Hibert-Huang变换(Hibert-Huang transform,简称HHT)时频特征分析地震作用下含软弱夹层顺层岩质斜坡动力响应规律。试验结果表明:斜坡在地震作用下表现出明显“高程效应”和“趋表效应”,PGA在坡表距离坡底1/4高度处、坡顶、软弱夹层处较大。随着输入地震动强度的增加,斜坡刚度逐渐降低,自振频率逐渐减小。当输入波幅值达到0.7g之后,斜坡发生开裂和结构变形。输入波幅值相同的情况下,PGA放大系数与高程呈正相关,同一测点随着输入波幅值增加,放大系数逐渐下降,不同输入波的类型和时间压缩比对斜坡动力响应影响差异较大。Hilbert谱显示,高程和软弱夹层对地震波能量有放大作用,高频部分的能量放大尤其明显。Hilbert边际谱表明,软夹层作用下高频部分的累积能量放大明显,在坡表距离坡底1/4高度处的测点能量突然增大,与加速度放大效应部分的结论类似;Hilbert边际谱显示,随着输入地震波幅值增加,高频部分和代表斜坡自振频率部分的累积能量逐渐降低,输入地震波主频部分的累积能量逐渐占据主导地位,表明斜坡逐渐损伤破坏,斜坡的模态特性逐渐消失。
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实时高温富有机质页岩变角剪切力学特性及应变场演化研究
王磊, 张睿, 杨栋, 康志勤, 张鹏宇,
岩土力学. 2023 (9):  2579-2592.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1465
摘要 ( 34 )   PDF(20340KB) ( 26 )  
原位注热开采富有机质页岩是复杂的固流热化学耦合过程,矿层热解过程中采场和井筒均受到剪切力作用,而高温作用后与实时高温作用下页岩的力学响应规律是截然不同的。为了研究实时高温作用下页岩剪切力学特性和变形演变规律,设计了实时高温岩石变角剪切试验系统,结合声发射和数字图像相关技术,对不同温度和剪切角度下页岩的抗剪强度和变形场分布特征进行了深入研究。研究结果显示:首先,随着温度的升高,页岩表现出由脆性破坏向延性破坏的转化,而抗剪强度随着剪切角度的增大呈减小趋势;然后,页岩的抗剪强度随温度的升高呈现“V”字形变化趋势,400 ℃ 后其抗剪强度降至最低(2.93 MPa),可将该温度点视为页岩剪切特性的阈值温度;当温度超过400 ℃时,页岩内部矿物晶格的转变使得其抗剪强度继续增大;最后,常温~600 ℃范围内页岩在剪切过程中的应变场演化可以分为两个阶段:常温~400 ℃,页岩在剪切破坏时沿层理结构形成一条明显的应变局部化带,沿着该局部化带发生直接剪切破坏;400~600 ℃范围内,页岩表现出明显的应变软化特征,沿各层理间发生相互“错位剪切”,不再以沿层理结构直接发生剪切破坏,表现为渐进剪切破坏特征。
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循环剪切对格栅−土石混合体界面特性的影响
齐添, 孔剑捷, 刘飞禹
岩土力学. 2023 (9):  2593-2602.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1589
摘要 ( 26 )   PDF(10406KB) ( 38 )  
为了研究不同含石量下土石混合体−格栅界面的循环剪切特性,采用循环直剪仪,在不同的竖向应力、剪切位移幅值和剪切频率下进行了单调直剪试验、循环直剪试验和循环后单调直剪试验,探究了5种含石量(0%、25%、50%、75%、100%)、3种剪切位移幅值(1、3、6 mm)和3种剪切频率(0.2、1.0、2.0 Hz)对土石混合体−格栅界面的峰值剪切应力和体变规律的影响。试验结果表明,含石量在0%~75%之间时,随着含石量的增大,土石混合体−格栅界面的循环峰值剪切应力和最大剪切刚度均随之提高,最终竖向位移绝对值和最大阻尼比随之减小;含石量继续增大至100%,土石混合体−格栅界面的最大峰值剪切应力和最大剪切刚度均随之减小,最终竖向位移的绝对值和最大阻尼比随之增大。在同一含石量下,剪切位移幅值和剪切频率越大,界面最大峰值剪切应力和最终竖向位移绝对值也越大。与单调直剪试验相比,循环后单调直剪试验得到的内摩擦角和似黏聚力有所增加,含石量在0%~75%的范围内,内摩擦角和似黏聚力随含石量的增大而线性增加,含石量继续增加至100%,内摩擦角和似黏聚力随之减小。
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阳离子交换量和盐溶液浓度对膨润土膨胀变形的影响
于海文, 马田田, 韦昌富, 郝丰富
岩土力学. 2023 (9):  2603-2610.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1628
摘要 ( 33 )   PDF(12570KB) ( 32 )  
膨润土遇水产生的膨胀变形以及膨胀力是由于颗粒间的斥力引起的,而该斥力大小与土体的固定负电荷密度(采用阳离子交换量CEC来表征)以及孔隙溶液的浓度有关,已有的对膨润土膨胀变形研究多针对孔隙溶液而非土体的阳离子交换量。现以钠基膨润土为研究对象,采用Li+固定法来控制膨润土的固定负电荷密度,以达到降低膨润土阳离子交换量的目的,再采用LiCl为盐溶液,获得了上述不同阳离子交换量的膨润土在不同浓度的盐溶液作用下的膨胀指数。结果表明:随着溶液浓度升高,土样的膨胀指数降低;当浓度小于1 mol/L时,下降较为显著,之后则缓慢降低;随着阳离子交换量的减少,土样的膨胀指数也呈降低趋势。这是因为土颗粒的阳离子交换量和溶液浓度是影响土样与孔隙溶液物理化学作用的决定性因素,阳离子交换量越小,浓度越高,土颗粒之间的斥力降低,土样的膨胀指数则会降低。采用考虑颗粒间物理化学作用的粒间应力来描述试验结果,表明对于该种膨润土来说,不同阳离子交换量以及不同盐溶液作用下的回弹变形和回弹应力几乎在一条曲线上,这也进一步验证了粒间应力在膨胀土模拟中的有效性和适用性。
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不同高孔隙水压砂岩三轴压缩力学特性及多向破裂机制
傅翔, 黄平, 谢强, 班宇鑫, 苏焓
岩土力学. 2023 (9):  2611-2618.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1428
摘要 ( 33 )   PDF(8708KB) ( 52 )  
高坝水库蓄水后,坝基及库岸岩体水压环境改变,易诱发岸坡失稳、坝体垮塌等工程问题。为探究不同恒定水压对坝基裂隙岩体作用差异与机制,开展了带初始损伤砂岩不同高恒定孔隙水压三轴压缩试验研究,同时结合CT与电镜扫描对其多向破裂机制进行了分析。试验结果表明:(1)在围压为80 MPa条件下,孔隙水压越大,砂岩脆性越强,峰值强度越低,体积扩容应力越小,孔隙水压由10 MPa增至50 MPa,峰值强度降低33%。(2)孔隙水压不同,砂岩内部劣化范围和劣化效果差异显著,表现为砂岩试件破裂面形式多样、方向各异。CT扫描显示,随着孔隙水压增大,劣化作用由试件中部向两端扩散,水压−围压比小于25.0%,孔隙水压劣化作用主要集中在试件中部约1/3范围,水压−围压比大于62.5%,孔隙水压对整个试件均有明显劣化作用。(3)电镜扫描发现,随着孔隙水压增加,砂岩细观颗粒结构由剪切滑移破坏向剪切断裂破坏转变,砂岩微观晶体结构由菜花状向米粒状转变。宏观破坏模式由塑性破坏向脆性破坏转变,形成多向破裂面,与孔隙水压作用下细观结构中细颗粒不均匀堆积和大颗粒断裂有关,其中多向破裂面形成与其微观晶体结构抗剪强度直接相关。
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基于冲击耗能指数定量评价岩石硬度试验研究
曹瑞琅, 王玉杰, 邢泊, 赵宇飞, 沈强
岩土力学. 2023 (9):  2619-2627.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1868
摘要 ( 33 )   PDF(12648KB) ( 41 )  
岩石硬度是反映岩层软硬、可钻性和爆破难易程度的重要指标,解译冲击钻进钻具响应信息可为原位、快速、定量评价岩石硬度提供新思路。采用高精度数字型位移、液压和转速传感器监测冲击钻机的关键传动部位,搭建了冲击钻机数字钻进过程监测系统。平行开展岩石硬度测定和冲击钻进正交试验,建立了各类岩石的钻进响应信息标准数据库,深入剖析推进压、冲击压、旋转速度与冲击耗能之间函数关系,并提出利用冲击耗能指数定量评价岩石硬度的方法。研究发现,推进压和冲击耗能呈负相关的线性关系;冲击压和钻进耗能拟合曲线为开口向上抛物线,各种岩石对应曲率半径不尽相同,但对称轴基本一致;钎杆转速对钻进耗能的影响可忽略。通过对单位体积钻进耗能进行无量纲化处理,滤除了冲击钻进机械参数的影响,定义了可用于表征岩石硬度的新指标:冲击耗能指数,其离散性小且与岩石硬度具有良好的相关性。利用数字传感技术获取和解译常规钻孔的钻进过程响应信息,可在不额外增加勘测或试验工作量情况下测定岩石硬度,为工程现场直接评价岩体参数提出了新途径。
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浑水渗流对黏性土内贯穿性裂缝修复演化研究
何涛, 毛海涛, 张超, 谷易
岩土力学. 2023 (9):  2628-2638.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1600
摘要 ( 34 )   PDF(12537KB) ( 37 )  
以黏性土为主要物源的大坝防渗体,常会因为极端温差、不均匀沉降等原因出现贯穿性裂缝进而诱发渗流破坏,水力充填和淤堵是一种经济有效的修复方法。为深入研究其修复机制,以重塑黏性土为研究对象,在土体内预制裂缝以模拟防渗体开裂,系统研究了浑水浓度、水头、渗流方向(即水平、竖直、斜向)、反滤层不均匀系数等因素对裂缝修复的影响,对裂缝修复时缝内流体的运动状态进行了判定,并基于数字图像处理技术开展了裂缝在浑水渗流作用下的演化规律研究。结果表明:在浑水渗流作用下,黏性土内裂缝修复过程可分为3个阶段,分别是过渡期(阶段1)、修复期(阶段2)和稳定期(阶段3);裂缝修复过程会影响裂缝中流体的渗流特性,阶段1、阶段2内的流体运动规律满足Forchheimer流动,阶段3内的流体运动规律符合Darcy流,且阶段3的起点为流态转捩的临界点,可根据裂缝内流态的变化判断裂缝修复所处阶段;浑水浓度、水头、裂缝形式、反滤层不均匀系数为裂缝修复的主要影响因素,在高浓度、低水头下裂缝修复所需时间最短;裂缝修复后的渗出量Q、流速ν 相比修复前均显著降低,分别降低99.83%、99.98%,而水力梯度J明显增加,增长幅度为27.92倍,修复后的土体抗渗性能明显增强。研究成果对于大坝防渗体裂缝的演化机制与防治措施具有一定的理论指导价值。
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植入式排水桩固结理论
邓岳保, 张晨豪, 王忻, 张日红
岩土力学. 2023 (9):  2639-2647.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1538
摘要 ( 27 )   PDF(6889KB) ( 61 )  
植入式排水桩可消除临近土层中的超静孔压、提升桩侧土体强度,是一种适用于滨海深厚软土地基的新型桩基技术。为研究桩侧临近土层中孔压消散和固结度发展规律,将水泥土视为涂抹区,并基于椭圆柱排水体假设和坐标变换方法,推导了真空负压作用下植入式排水桩固结解析解。在模型试验检验理论可靠性的基础之上开展算例分析,发现真空负压传递主要集中在塑料排水板附近,土层中超静孔压平面分布呈“8”字型;真空负压作用时间和水泥土渗透性对排水桩加固效果影响显著;水泥土渗透性在排水固结和硬化作用下快速下降,真空抽排水时间应控制在5 d以内。研究成果为植入式排水桩技术进一步研发及推广应用奠定了基础。
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循环加载频率对饱和珊瑚砂液化特性的影响
杨铮涛, 秦悠, 吴琪, 陈国兴,
岩土力学. 2023 (9):  2648-2656.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1497
摘要 ( 29 )   PDF(10110KB) ( 40 )  
人们对循环加载频率f对饱和石英砂液化特性的影响已进行大量的不排水循环试验研究,但循环加载频率f对饱和珊瑚砂液化特性的影响尚未引起重视。为探究f对饱和珊瑚砂液化特性的影响,针对中密、均等固结的饱和珊瑚砂试样,开展了f = 0.01~1.00 Hz、循环主应力路径90º跳转的系列不排水循环剪切试验。试验表明:孔压比ru和广义剪应变γg的增长速率随f增大而降低,到达初始液化所需的液化次数NL随f增大而增大;不同循环加载方式引起的广义剪应变幅值γga与峰值孔压比rumax存在事实上的唯一性关系,且γga可表示为以rumax为自变量的正切函数;f的增大会减弱试样的剪胀性。引入单元体循环应力比USR作为施加于试样的循环应力水平指标,USR−NL关系曲线随f的增大而移向右上侧,不同f的USR−NL关系曲线均服从相同形式的负幂函数。这意味着饱和珊瑚砂的抗液化强度随f的增大而增大。
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地震历史对各深度土体抗液化性影响的振动台试验研究
王晓磊, 刘理腾, 刘润, 刘历波, 董林, 任海
岩土力学. 2023 (9):  2657-2666.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1638
摘要 ( 28 )   PDF(11298KB) ( 53 )  
地震引起的液化会对岩土结构造成重大破坏,而震后伴随的余震可能导致砂土再次发生液化。为研究自由场地下地震历史对各深度饱和砂土的抗液化能力的影响,设计并开展了一系列振动台试验。试验中对砂土输入了4次不同加速度的震动事件,细分为7次小的事件。通过计算对比每次振动事件的超静孔压比、加速度响应以及土体沉降,以研究不同地震历史下各深度土体抗液化能力的变化规律。试验结果表明:输入的地震波加速度大小与加速度响应系数呈正相关关系;饱和砂土遭受轻微和中等地震时液化更容易发生在浅层而非表层;表层土体中,强烈地震后的中等余震使得土体对地震烈度的敏感性降低,孔隙水压力在峰值加速度后消散迅速,液化时间缩短;有强震历史的土体会降低浅层土体的抗液化性能,深层土体抗液化性反而会在经历强地震后增强,影响深度范围取决于地震的烈度;通过数据拟合得到了不同等级的循环地震在各深度土体的抗液化提升比的量化公式。试验结果可以反映在地震实际中各等级的地震历史对各深度土体的不同影响。
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地下水流速对地铁联络通道冻结壁形成过程影响的模型试验
刘欣, 沈宇鹏, 刘志坚, 王炳禄, 刘越, 韩昀希
岩土力学. 2023 (9):  2667-2678.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1670
摘要 ( 28 )   PDF(11042KB) ( 37 )  
人工地层冻结技术具有封水可靠、对环境影响小、适用性强等优势,是城市地铁建设中暗挖工程达到无水施工环境行之有效的工法之一。地下水流动加速了对流传热,导致冻结壁交圈困难,厚度不及预期。依托北京地铁19号线草桥站―景风门站区间联络通道冻结工程,基于相似理论开展实际工程地下水流速分别为0、5、10、15 m/d的联络通道冻结模型试验,研究渗流对冻结壁形成过程的影响效应,讨论制冷功率在冻结进程中的变化规律。研究表明:渗流条件下,联络通道底板和顶板先交圈,其次是下游侧墙,上游侧墙受对流传热影响显著,是冻结工程的薄弱环节。地下水流速为0、5、10 m/d时,联络通道冻结壁的交圈时间分别为60、114、444 min;流速为15 m/d时,冻结壁不能实现交圈。地下水流速越大,制冷功率越高,流速为5、10、15 m/d时的有效能耗较静水条件分别增长67.0%、88.5%和120.1%。研究成果可为渗流条件下联络通道冻结工程的设计和施工提供依据。
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岩土工程研究
气煤叠置区埋地管道的保护煤柱优化设计及多参量演化规律研究
任建东, 赵毅鑫, 孙中博, 王文, 刘世民
岩土力学. 2023 (9):  2679-2695.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1627
摘要 ( 22 )   PDF(28032KB) ( 24 )  
为了优化采煤沉陷区内浅埋管道保护煤柱的宽度,以鄂尔多斯盆地气煤重叠区为工程背景,通过概率积分法提出了管道拉伸应变的理论算法。结合拉伸应变极限建立了沉陷区内管道保护煤柱宽度的预测方法模型,并采用数值分析和工程应用等方法进行对比验证,分析了工作面推进过程中邻近埋地管道的拉伸应变、体积应变和剪切应变等参量的分布演化规律。结果表明:预测方法在确保管道安全的前提下,缩短了管道保护煤柱的宽度,提高了煤炭资源的采出率。随着工作面与管道间水平距离的减小,管道整体的拉伸量、拉伸应变呈指数函数增长;拉伸增量呈现先增大后减小的趋势。工作面向管道靠近过程中,管道轴向上的体积应变分布呈现“V”形、环向上呈现“M”形。管道轴向上的剪切应变分布呈现“W”形、环向上大致呈现“一”形。工作面推进过程中,管道的体积应变和剪切应变均与工作面及管道间的距离呈指数函数关系。管道最易发生破坏的位置处于沉陷区中心和边缘,类似工况需要重点关注。预测方法的应用有利于实现油气煤资源的精准协调开采,而多参量的力学规律研究则有助于对管道的预防性维护和预测结果的修正提供决策支持。
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基于等效质点峰值振动速度的高铁线路周边建筑结构振动评价研究
贾宝新, 周志扬, 苑文雅, 张晶
岩土力学. 2023 (9):  2696-2706.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1438
摘要 ( 26 )   PDF(11587KB) ( 26 )  
高速铁路列车运行过程中产生的振动波对沿线建筑结构的影响不可忽视,适用于高速铁路线路周边建筑结构的振动评价方法具有重要工程意义。首先,基于萨道夫斯基公式与简谐激励作用下建筑结构响应的原理,建立了等效质点峰值振动速度(peak particle vibration velocity,简称PPV)计算式;随后,开展现场土体监测试验,分析了振动信号质点峰值振动速度的衰减特征,并通过小波包变换分析振动信号的频带能量特征,理论计算得出了等效PPV;最后,以现有交通振动作用下建筑容许振动值为评价标准,进行高速铁路线路周边建筑结构的振动安全评价。结果表明:除局部放大程度显著的位置外,高架桥桥墩地基中高铁振动波质点峰值振动速度衰减公式对实际质点峰值振动速度的整体拟合结果较好;基于等效PPV的振动评价方法发现,在振源距45 m处,G924次列车的0~10 Hz等效PPV值大于1 mm/s,超过了振动敏感和具有保护价值建筑的振动容许值;与现有振动评价相比,等效PPV的振动评价方法具有振动敏感性大、可针对特定建筑结构进行振动控制、可在高铁线路周边建筑选址前进行振动评价等优点。
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软土地区超深圆形竖井的坑底隆起特性与机制
乔亚飞, 闫凯, 赵腾腾, 丁文其,
岩土力学. 2023 (9):  2707-2716.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1583
摘要 ( 32 )   PDF(9963KB) ( 46 )  
依托上海某超深圆形竖井工程,收集了施工期坑底土体隆起的实测数据,总结了坑底土体隆起的竖向分布模式、演变规律和主要影响因素;建立并验证了轴对称数值模型,探讨了开挖卸荷、降水、地下连续墙和土体力学特性对坑底土体隆起的影响规律,探明了坑底土体的隆起机制。土体隆起是开挖卸荷、降水和地下连续墙约束作用下土体力学响应的综合结果,其中开挖卸荷和墙体挤压会引起隆起,降水和墙体的负摩阻力会抑制隆起。开挖卸荷存在主要影响深度,卸荷回弹主导了该深度范围内土体的隆起,而土体剪切变形则控制了该深度范围外的土体隆起。土体流变以及负孔隙水压的消散共同导致了土体隆起的时间依赖性。软土地区小直径超深竖井的坑底隆起沿深度方向减小近似线性,最大值位于开挖面中心处;土体隆起随开挖先缓慢增加后近似线性快速增大,而在非开挖阶段,土体隆起随时间有缓慢增大趋势。
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数值分析
非等温分布条件下三层复合衬垫中有机污染物一维瞬态运移规律研究
李江山, 江文豪, 冯晨,
岩土力学. 2023 (9):  2717-2731.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1471
摘要 ( 29 )   PDF(13449KB) ( 41 )  
针对非等温分布条件下由土工膜(geomembrane,简称GMB)+土工复合膨润土衬垫(geosynthetic clay liner,简称GCL)+压实黏土衬垫(compacted clay liner,简称CCL)组成的3层复合衬垫中有机污染物一维瞬态运移问题,考虑了对流、扩散、机械弥散、吸附、降解和热扩散等因素,建立了相应的数学模型。该模型可考虑扩散系数和渗透系数等参数随温度变化。利用有限差分法,获得了该模型的数值解。通过将所建模型计算结果分别与试验结果、已有解析模型计算结果和COMSOL软件计算结果进行对比,验证了所建模型的正确性。基于所定义的击穿时间tb,以甲苯作为代表性有机污染物分析和讨论了不同因素对运移行为的影响。结果表明:(1)非等温分布条件会使渗透系数、扩散系数和线性吸附系数等参数发生变化,其中渗透系数和扩散系数的变化会加快运移过程,尤其是扩散系数,而线性吸附系数的变化会减慢运移速率;(2)复合衬垫上部和底部温度差ΔT的增大会使击穿时间tb减小,底部运移通量Jb增大;当ΔT为0、10、20、30、40 K时,对应的tb依次为65.7,58.5,54.3,52.0,51.2 a;(3)当GMB扩散系数Dm,R  在3.0×10−14~3.0×10−13 m2/s之间变化时,Dm,R tb的影响较为显著;通过对比两种情况下的tb可发现,GCL存在对运移行为的影响较小。
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利用近场动力学方法模拟隧道掘进机滚刀三维贯入破岩
周建, 尚肖楠, 刘福深, 沈君逸, 廖星川,
岩土力学. 2023 (9):  2732-2743.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1593
摘要 ( 32 )   PDF(13615KB) ( 42 )  
近场动力学方法是一种非局部无网格数值方法,在模拟固体的动力损伤断裂方面具有优势,首次提出采用近场动力学方法模拟隧道掘进机(tunnel boring mechine,简称TBM)滚刀三维贯入破岩,并模拟了7组试验来验证。通过模拟压头贯入试验,展示了近场动力学方法模拟刀具贯入破岩的可行性。同时,提出了非线性短程力接触模型,证明了该接触模型可以较好地反映TBM滚刀法向力随贯入深度的变化趋势,还能够反映滚刀在贯入过程中与岩石接触面积的变化情况。利用所提非线性短程力接触模型模拟了5组不同围压作用下的TBM滚刀三维贯入试验,并与试验结果比对。模拟结果表明,提出的接触模型能够计算滚刀峰值力随不同围压的变化,并且可以得到合理的岩石表面破坏形式。近场动力学方法使用简便,仅需要两个标定参数便可以模拟TBM滚刀三维贯入破岩,具有实际工程应用前景。
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一种新的高渗透性地层中盾构隧道同步注浆浆液损失的多物理场模拟方法
刘映晶, 杨杰, 朱汉华, 尹振宇,
岩土力学. 2023 (9):  2744-2756.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1602
摘要 ( 31 )   PDF(10920KB) ( 25 )  
为满足精细化分析的要求,首先建立了一种计算高渗透性饱和地层中盾构隧道同步注浆浆液渗流扩散的多物理场水力耦合模拟方法。该方法以基于连续介质力学的质量平衡方程描述浆液的运移,通过在质量平衡方程中引入了质量交换项来考虑浆液在土体孔隙中的淤堵及其引起的土体渗透特性的变化,并结合混合物系统的动量平衡来考虑多孔介质的水−力耦合过程。随后,通过ABAQUS二次开发,建立了一个新的7自由度平面应变单元,使得该方法可被应用于分析工程尺度的初边界值问题。最后,以一个典型的盾构隧道开挖与注浆过程为例,进行建模分析。结果表明,所提出的多物理场模拟方法可以实现对注浆及注浆后浆液压力、地面沉降以及浆液扩散范围的时空变化预测。研究还发现,当地层渗透系数大于1.0×10−6 m/s时,需考虑浆液在地层中的渗透流失;同时,浆液在土体孔隙中的淤堵会导致土体孔隙度及渗透性的降低,从而减少了浆液的进一步流失,但其对地层变形没有显著影响,因此在工程实际中,可不考虑浆液淤堵以分析浆液最大流失量及地层变形。
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循环剪切作用下三维粗糙裂隙非线性渗流特性数值模拟研究
蔚立元, 杨瀚清, 王晓琳, 刘日成, 王蓥森
岩土力学. 2023 (9):  2757-2766.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1524
摘要 ( 35 )   PDF(21628KB) ( 37 )  
研究了循环剪切过程中剪切位移和循环次数对三维粗糙裂隙非线性水力特性的影响。首先,基于天然粗糙裂隙面的高程数据生成三维裂隙面,并通过前人的研究结果确定循环剪切过程中的法向位移变化值,建立了16个开度空间模型,从而得到了不同剪切位移和循环次数下接触面积和开度分布情况,发现当循环次数一定时,随着剪切位移的增加,原本吻合的上下表面发生错动,平均开度和各向异性增大,接触面积减小;剪切位移一定时,随着循环次数的增加,上下表面起伏在剪应力作用下被磨平,接触面积增大,平均开度减小。将模型导入数值模拟软件进行计算得到流量数据,结果表明,水力梯度随流量变化规律符合Forchheimer定律。循环1次时,随着剪切位移从4 mm增加到10 mm,线性Fochheimer系数减小了88.3%,非线性Fochheimer系数减小了95.2%;循环2次时,随着剪切位移从4 mm增加到10 mm,线性Fochheimer系数减小了95.4%,非线性Fochheimer系数减小了99.7%,两系数减小的幅度随循环次数增大而增大。进一步分析发现,剪切位移的增加对裂隙渗透性有促进作用,循环次数增加对渗透性起抑制作用。此外,归一化渗透系数随雷诺数变化规律与Zimmerman等提出的预测公式相吻合,且本研究数值模拟计算结果与其公式的拟合系数趋近1,公式中的Fochheimer系数β 随剪切位移增大而减小,随循环次数增大而增大。
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加卸载状态下散粒体力链结构的复杂网络分析
刘嘉英, 许智超, 魏纲, 胡成宝, 孙苗苗, 王雨婷
岩土力学. 2023 (9):  2767-2778.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1436
摘要 ( 46 )   PDF(11656KB) ( 65 )  
岩土类散粒体在加卸载过程中会呈现出不可逆的力学行为,可从复杂网络参数演化角度分析散粒体加卸载细观机制。采用离散单元法,进行散粒体加载―卸载―再加载过程的三轴数值模拟,并分析了加卸载过程中散粒体的宏观应力−应变演化及其对应的不同强接触体系的复杂网络特征。研究表明:散粒体的应力−应变曲线在加卸载过程中形成“滞回环”,在微观配位数和聚类系数上亦表现出了不可逆行为;采用不同阈值划分不同加卸载状态的强弱接触体系,随着阈值的增大,各应力状态对应的细观结构差异减小;强接触体系的最大簇在特定阈值区间内达到贯穿边界的极限,其几何特征与拓扑特征反映了散粒体加卸载过程的不可逆变化。
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