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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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2016年, 第37卷, 第10期 刊出日期:2016-10-11
基础理论与实验研究
高静载条件下受频繁动力扰动时蛇纹岩动力学特性研究
唐礼忠,程露萍,王 春,舒计步,武建力,陈 源
. 2016 (10):  2737-2745.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.001
摘要 ( 880 )   PDF(779KB) ( 1026 )  
基于改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)岩石动静组合加载试验系统,进行了在不同静力轴压条件下受频繁动力扰动作用的动力学试验,研究蛇纹岩在高静载下受频繁冲击扰动过程中的动态变形特性、动态峰值应力和应变、能量变化规律和岩石破坏模式等动力学特性。研究结果表明:高静载条件下受频繁冲击扰动作用时,在动态峰值应力前,动态应力与应变呈正相关关系,而在动态峰值应力后,出现变形回弹和不回弹两种现象;随着动力扰动次数的增加,岩石动态峰值应力减小、动态峰值应变增大、动态变形模量减小、岩石由释放能量向吸收能量方向转化;随着预加静力轴压的增大,单次冲击过程中岩石损伤加剧,岩石破坏需要的扰动冲击次数减少,同时岩石由拉伸破坏模式向压剪破坏模式转变,破坏块度由小变大、均匀度降低。试验结果对揭示深部岩体承受高地应力和频繁开挖爆破等动力扰动作用下的破坏机制具有重要意义,同时为工程实际中通过调整围岩静应力状态和爆破以提高围岩长期稳定性的可行性提供了室内试验支持。
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带分舱板海上风电筒型基础承载特性试验研究
练继建,贺 蔚,吴慕丹,王海军
. 2016 (10):  2746-2752.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.002
摘要 ( 1115 )   PDF(1237KB) ( 742 )  
为正确评估分舱对于海上风电筒型基础承载特性的影响,对有、无分舱板的相同钢筒进行室内模型对比试验,分别得出在水平荷载及弯矩共同作用下和竖直荷载作用下的荷载-位移曲线,及筒内外侧壁土压力及顶盖土压力的分布规律,同时进行有限元分析模拟。试验和计算结果表明:在竖向荷载作用下,分舱板使基础的极限承载力略有提高,分舱板分担了筒顶盖和筒壁的竖向承载,降低了顶盖的承载比例;在水平荷载和弯矩共同作用下,分舱板为筒型基础提供了较大的抗拔承载力,使筒型基础在水平和弯矩荷载作用下的极限承载力提高了20.2%,降低了极限状态下的水平位移和倾角。总之,分舱板不但可以提高海上风电基础施工浮运过程的稳定性,还可以提高基础运行时的极限承载力。
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基于微观力学特性的脆性岩石变形过程模拟
曹文贵,张 超,贺 敏,刘 涛
. 2016 (10):  2753-2760.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.003
摘要 ( 1085 )   PDF(492KB) ( 757 )  
为了建立能够描述岩石宏观变形及其组成部分的变形模拟方法,考虑微缺陷的不均匀性对岩石宏观变形产生的影响,将岩石视为由空隙部分材料和骨架部分材料两部分组成。首先,基于岩石各组成部分材料变形分析,利用真应变描述方法及非线性变形的特点建立空隙部分材料的变形力学分析方法,同时,引入统计损伤以及固体力学理论建立骨架部分材料的变形力学分析方法。然后,通过岩石及其组成部分的变形力学分析建立岩石宏观变形力学分析方法,从而获得能够模拟岩石变形破坏全过程的统计损伤本构模型,并给出了模型参数的确定方法。最后,将文中模型与既有模型的理论曲线与试验曲线进行了对比分析,且基于文中模型对岩石及其组成部分变形进行了讨论。研究结果表明:文中模型不仅能反映既有模型所描述的主要变形特征,还能克服其难以较好地反映初期宏观变形非线性的不足;同时,该模型还能描述岩石组成部分的变形过程,不仅揭示了岩石宏观变形与其组成部分变形之间的关系,也揭示了空隙部分材料变形是引起岩石宏观变形非线性的根本原因。表明本文模型与方法具有一定的合理性与优越性。
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脆性岩石三轴压缩渐裂过程中的渗透性演化规律研究
王 伟 ,李雪浩 ,胡大伟 ,曹亚军 ,
. 2016 (10):  2761-2768.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.004
摘要 ( 1025 )   PDF(4245KB) ( 740 )  
岩石渐进破坏伴随着裂纹的开展发育,岩石的渗透性演化与裂纹的开展规律有着密切的联系。运用三轴渗流伺服装置对凝灰岩进行了不同围压和渗压下的渗流-应力耦合试验,分析了岩石在渐裂过程中不同裂纹开展阶段渗透率的演化规律。结果表明:在裂纹的稳定扩展阶段,渗透率的变化不明显,起裂强度对应的渗透率可用于确定最小渗透率;进入裂纹非稳定扩展阶段后,渗透率出现明显增大,增大过程可以分为两个阶段,裂纹环向应变能较好地反映渗透率增大的两个阶段,其拐点可用于确定起始渗透率的位置;在峰后软化阶段,渗透率出现下降并进入残余稳定阶段,裂纹环向应变率可以反映渗透率的下降阶段,并可用于确定峰值渗透率的位置。
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橡胶砂应力-应变特性三轴-单剪联合试验研究
刘方成,张永富,任东滨
. 2016 (10):  2769-2779.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.005
摘要 ( 844 )   PDF(790KB) ( 831 )  
橡胶砂作为一种环保的岩土材料有广泛的应用前景。应用三轴和单剪两种试验方法对2种固结压力下、7种配比橡胶砂的应力-应变特性、体变特性和模量衰减特性进行了对比研究,结果表明:随着橡胶颗粒含量的增加,橡胶砂模量降低,应力-应变曲线向应变硬化型转变,线性关系增强;随着橡胶颗粒含量的增加,橡胶砂剪胀特性减弱,剪缩增大;橡胶砂应力-应变关系可用扩展邓肯-张模型进行模拟,模型参数受橡胶颗粒含量影响的规律明显;随着橡胶颗粒含量的增加,橡胶砂的静剪切模量Gs与剪应变? 曲线降低,而橡胶砂模量衰减曲线Gs /G0 -?(G0为初始剪切模量)向大应变方向偏移;三轴和单剪两种试验方法得到的橡胶砂应力-应变特性、体应变-剪应变规律类似,但试验参数明显受应力状态和应力路径的影响,两者的差异主要表现为三轴试验得到的应力-应变曲线和模量曲线高于单剪试验,产生这种差异的主要原因是由于前者的平均应力相对较大。试验还得到了橡胶砂初始模量随橡胶颗粒含量降低的经验关系。
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基于复数傅里叶分析的岩土颗粒细观特征识别与随机重构方法
石 崇 ,白金州 ,于士彦 ,王 伟 ,
. 2016 (10):  2780-2786.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.006
摘要 ( 745 )   PDF(655KB) ( 1034 )  
岩土细观特征的识别与分析是岩土力学研究的重要内容。基于傅里叶变换原理,将任意岩土颗粒的二维轮廓变换为傅里叶描述符与相位进行分析,建立了基于复数傅里叶分析的细观特征表征与重构方法。通过两组不同颗粒的傅里叶细观特征统计,研究了不同阶傅里叶描述符与细观特征参量的对应关系。结果表明:-12~0及16~20阶对应的傅里叶描述符决定颗粒的形状;-23~-11及1~15阶对应的傅里叶描述符与颗粒粗糙度密切联系;傅里叶描述符曲线峰值与颗粒的粒径显著线性相关;高阶傅里叶系数与阶数近似呈对数线性关系,低阶系数则由不同颗粒形状决定。采用建立的傅里叶描述符对应关系进行颗粒相似重构研究,发现重构颗粒的外轮廓及傅里叶统计参量与实际颗粒十分接近,且反映颗粒的粗糙度、纹理等细部特征,其成果可用于大量岩土颗粒与力学特性的相关性研究。
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基于非对称双侧破坏模式的临坡地基承载力上限分析
胡卫东 ,曹文贵 ,袁青松,
. 2016 (10):  2787-2794.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.007
摘要 ( 1166 )   PDF(485KB) ( 757 )  
临坡地基已成为一种广泛的地基形式。针对临坡条形基础地基破坏模式的非对称性特点,首先引进双侧破坏模式的研究思路,重点考虑临坡地基基础两侧滑块大小和同一滑块几何形状的双重非对称性特征,构建了临坡条形基础地基非对称双侧破坏模式,为临坡地基承载力分析奠定了坚实基础;然后在此基础上,引进极限上限分析和优化理论,建立了临坡条形基础地基承载力分析的模型与方法,该方法不仅可考虑地基破坏模式,还可考虑基础与坡顶距离对临坡地基承载力的影响,而且还可较好地蜕化为平地地基承载力的分析;最后通过工程实例计算,并与现有相关分析方法进行对比分析,表明该方法的可行性与合理性以及普遍适用性。
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K0及三轴应力状态下压实膨胀土膨胀模型研究
刘清秉 ,吴云刚 ,项 伟 ,汪 稔,
. 2016 (10):  2795-2802.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.008
摘要 ( 887 )   PDF(638KB) ( 850 )  
以不同初始压实状态下的南阳中膨胀土为对象,在常规固结仪上开展侧限膨胀试验及采用GDS三轴仪进行恒定偏差应力的三轴膨胀试验,通过多元非线性拟合分析,分别获得考虑初始压实度、含水率、上覆压力耦合关联影响的K0膨胀模型以及体积膨胀率与球应力(体积应力)关系的三轴膨胀经验模型。基于K0膨胀模型,提出了压实土膨胀潜势能的定量计算公式,并推导出膨胀土边坡处理层厚度的理论计算方法。基于膨胀体积应变只随球应力变化而不受偏差应力影响的假设条件,分析了同一起始条件下,膨胀土K0模型与三轴膨胀模型的内在关联,并建立了通过K0模型推算三轴应力条件下体积膨胀率的理论方法。试验结果表明:采用多因素耦合的K0膨胀模型预测压实土膨胀势具有较好的准确度及合理性;联系K0模型与三轴膨胀模型的纽带在于假设侧限膨胀全程存在一个平均静止侧压力系数,采用反演方法得到平均侧压力系数呈现随上覆压力增大而减小的趋势,这种变化规律的根本原因则在于侧向膨胀力随上覆压力的增大而减小。
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花岗岩张拉和压剪裂隙渗透率演化研究
张 帆 ,王 亮 ,赵建建 ,吕 涛 ,
. 2016 (10):  2803-2809.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.009
摘要 ( 901 )   PDF(1282KB) ( 979 )  
地下工程开挖造成围岩破坏,其破坏方式可归纳分析为两类:张拉型破坏和压剪型破坏,这两种破坏导致的裂隙面的细观形态并不相同,这种不同的细观形态导致张拉和压剪型裂隙的渗透率表现出不同的演化规律。为此,对花岗岩进行了不同围压下三轴压缩试验,产生张拉和压剪型裂隙,进行含裂隙岩样在静水压力加载条件下渗透系数试验。试验表明,相比于含压剪裂隙试样,含张拉裂隙试样的渗透率对静水压力更敏感。进而,分别对不同围压条件下的三轴压缩试验获得的张拉和压剪裂隙面进行扫描电镜试验,获得张拉和压剪裂隙面的细观形态,花岗岩单轴压缩试验所产生的裂隙面表现为典型的张拉型裂隙,破裂面比较光滑;随着围压的不断增大,破裂面的细观形态发生明显的变化,从破裂面上可以明显地观察到逐渐增多的压剪型裂隙,破裂面比较粗糙。在静水压力的作用下,张拉裂隙较快闭合;而压剪裂隙的锯齿能够一定程度上阻止裂隙的闭合。张拉和压剪裂隙面的不同细观结构决定了含张拉和压剪裂隙岩样的不同渗透率演化规律。研究结果对于地下工程分析中确定围岩的渗透率具有一定的意义。
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基于传递矩阵法的层状土中管桩水平动力阻抗分析
沈纪苹,陈 蕾
. 2016 (10):  2810-2816.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.010
摘要 ( 813 )   PDF(643KB) ( 1034 )  
在考虑土体分层特性的基础上,分别建立了管桩桩周土体和桩芯土体的水平振动控制方程。通过引入势函数并考虑桩周土和桩芯土径向位移和环向位移的边界条件及其奇偶性,求得了管桩-土动力相互作用的刚度系数和阻尼系数。将土体模拟为连续分布的弹簧-阻尼器,并考虑桩芯土和桩周土的作用,建立了层状土中管桩的水平振动方程。借助初参数法和传递矩阵法求解了管桩的水平振动,得到了管桩桩顶的水平动力阻抗。通过数值分析,得到了土层剪切模量、管桩壁厚、桩周土和桩芯土剪切模量比、土层厚度等对管桩桩顶动力阻抗的影响规律。土层剪切模量、管桩壁厚、桩周土和桩芯土剪切模量比对层状土中管桩水平振动的影响主要在低频处,土层厚度在较宽的频率范围内对管桩水平振动有影响;管桩壁越厚,桩周土的剪切模量越大时,管桩水平动力阻抗的绝对值越大。
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岩体裂隙网络非线性渗流特性研究
刘日成,蒋宇静,李 博,蔚立元,杜 岩,
. 2016 (10):  2817-2824.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.011
摘要 ( 1265 )   PDF(726KB) ( 1033 )  
基于人工交叉裂隙模型,通过室内透水试验,利用电荷耦合元件(CCD)照相机可视化技术,对流体在裂隙交叉点内的非线性流动特性进行研究。建立两种离散裂隙网络(DFN)模型,考虑两种边界条件,改变模型进口和出口之间的压力,直接求解Navier-Stokes(简称N-S)方程,对DFN的非线性渗流特性进行研究。结果表明,室内试验可以观测到与出口3相连的裂隙单元内发生了明显的非线性流动,且通过模型的流量Q和模型两端的压力P具有非线性关系。数值计算结果也表明,在水力梯度J较大时(比如J > 0.1),通过DFN的Q和P具有非线性关系,而当J较小时(比如J < 10-4),Q与P线性相关;根据文中的算例,建议利用局部立方定律求解DFN内每条裂隙的渗流特性的临界条件为J ≤10-4;裂隙表面粗糙会造成通过DFN渗流量的降低,但对相对流量误差的影响可忽略不计。
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软土狭长深基坑抗隆起破坏模式试验研究
张 飞,李镜培,孙长安,沈广军,李 飞,
. 2016 (10):  2825-2832.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.012
摘要 ( 1171 )   PDF(885KB) ( 881 )  
针对软土地区基坑底土层为饱和软黏土的情况,设计了狭长深基坑的抗隆起离心模型试验,分析不同开挖深度和水位条件下的基坑围护墙弯矩、土压力分布、水平位移以及基坑隆起稳定破坏机制。基于离心模型试验的基本参数和工况,建立了有限元数值模型,分析试验工况基坑的抗隆起稳定性与破坏状态,并进行对比验证。试验结果表明:随着开挖深度和坑外水位的增加,坑底软土层产生向上的隆起变形,当隆起变形较大时,围护墙由于坑内土体侧向约束的减弱,底部产生较大的向坑内的水平位移,同时导致支撑轴力增大,基坑最终表现出围护墙绕某道支撑点向坑内的转动踢脚破坏。数值计算结果表明:随着坑外水位的升高,基坑抗隆起稳定性安全系数逐渐减小,当发生抗隆起稳定破坏时,基坑底产生较大的隆起位移,破坏机制与离心模型试验结果相同。
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基于突变理论的单根锚杆脱黏分析
王 辉,郭院成,
. 2016 (10):  2833-2838.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.013
摘要 ( 890 )   PDF(443KB) ( 645 )  
针对工程中单根预应力锚杆的脱黏失效问题,基于突变理论提出一种研究的新思路。在建立简化力学模型的基础上,推导出锚固界面的非线性剪切滑移模型;视预应力锚杆为弹性体,根据弹性理论得出锚杆的总势能;引入突变理论,将锚杆势函数化简为尖点突变模型的标准形式,构建锚杆失效的临界判据,并进行脱黏分析。结果表明:所建非线性剪切滑移模型可以合理考虑锚固界面的软化特性;拉拔荷载作用下,锚杆杆体与周围注浆体的界面剪应力分布逐渐演化为单峰曲线,直至极限状态下整个锚固界面发生软化破坏;推导出的临界松动位移理论公式简单实用,可为研究单根预应力锚杆的脱黏失效提供参考。通过对工程算例进行验算分析,证明所提方法是合理可行的。
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温度梯度作用下非饱和土水分迁移研究
李彦龙,王 俊,王铁行,
. 2016 (10):  2839-2844.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.014
摘要 ( 988 )   PDF(467KB) ( 1113 )  
为了探明非饱和土中的水分在温度梯度作用下的迁移规律,开展了非饱和土在不同温度梯度作用下的气态水迁移试验和混合态水迁移试验。试验结果表明土样内部的温度场在24 h内均能达到稳态且稳定后的温度场沿土样长度方向线性变化。气态水迁移量和液态水迁移量均随着温度梯度的增加而增加,气态水迁移量的增幅显著大于液态水迁移量的增幅。在气态水迁移中,温度效应随着土样初始含水率的增加而显著增加;在液态水迁移中,温度效应与土样初始含水率的关系不大。最后建立了非饱和土在不同温度梯度作用下,当其水分场接近稳态时,土样内部含水率梯度的表达式,该表达式包含温度梯度和初始含水率两个影响因素。
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断层破碎带隧道突水突泥灾变演化模型试验研究
王德明,张庆松,张 霄,王 凯,谭英华
. 2016 (10):  2851-2860.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.016
摘要 ( 1055 )   PDF(4860KB) ( 1069 )  
为研究断层破碎带隧道开挖扰动作用下突水、突泥灾变演化过程,建立了三维地质模型试验系统,以江西永莲隧道F2断层突水、突泥灾害为例,通过大量的材料配比及物理力学性能参数测试,研制出适用于流-固耦合模型试验的新型断层及正常围岩相似材料,对隧道突水、突泥灾害进行研究。试验结果有效地揭示了无支护条件下断层破碎带隧道的洞周位移、渗流压力、应力-应变以及突出物质量等特征参数对时效性的响应规律。随着时间的增长,渗流压力整体呈上升趋势,越靠近开挖面其波动范围及幅度越大;突出物质量在发生突水、突泥灾害前出现短时减小后迅速增加;洞周围岩拱顶以竖向位移为主,而拱腰以水平位移为主;在相同相应力状态下,拱腰位置应变比拱顶位置大。将试验灾变特征与现场实际演化过程进行对比分析,两者结果较为吻合。该系统可广泛应用于其他地下工程的模型试验研究,其研究方法及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。
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水-动力耦合作用下红砂岩力学性质及能量机制研究
王浩宇,许金余,王 鹏,刘 石,刘少赫,
. 2016 (10):  2861-2868.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.017
摘要 ( 982 )   PDF(537KB) ( 774 )  
以干燥试样为对照,对自然、吸水和饱水3类含水试样进行单轴冲击试验,分析水-动力耦合作用下红砂岩试样的动态强度与变形特征以及损伤破坏前后的能量演化机制。试验结果表明:试样的动态抗压强度和峰值应变受含水率和冲击荷载影响较大,而峰值模量主要受含水率影响较为明显,这是由于红砂岩在水弱化作用下颗粒结构疏松膨胀、胶结强度减弱,加之在中高应变率下孔隙水所具有的细观力学效应,致使试样表现出低强度和高应变,而冲击荷载带来的应变率效应则使试样强度增强,塑性变形受到抑制;试样峰值点前吸收的总应变能U多以可释放弹性能Ue存储起来,耗散能Ud占比较小,各部分应变能随着脉冲强度的升高而增加,但随着含水率的变化趋势则不尽相同;不同脉冲强度下的脆性指标修正值BIM(Ud与Ue的比值)显示红砂岩试样的含水率以及冲击荷载的脉冲强度均存在一个阀值,使其塑性变形在水-动力耦合作用下的响应截然不同,而引入的有效冲击能指标Keff显示应变率效应对干燥试样和自然试样的冲击倾向性具有显著影响,对于含水率较高的吸水试样,水弱化作用降低了应变率效应,达到饱水状态时,因为饱和液体对应变率效应的促进作用,饱水试样的应变率效应得到强化。
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传递函数在场地振动台模型试验中的应用研究
范 刚,张建经,付 晓,汪明元,
. 2016 (10):  2869-2876.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.018
摘要 ( 851 )   PDF(821KB) ( 1036 )  
利用场地大型振动台试验,基于传递函数理论,计算得到场地的相对传递函数和绝对传递函数,并对两类传递函数特征以及利用两类传递函数计算场地动力特性参数的差异性进行了对比,并对采用传递函数进行场地频域动力响应估算的可行性和准确性进行了分析。研究结果表明:相对传递函数和绝对传递函数的虚部重合,采用两种传递函数虚部计算场地动力参数具有等同性,且采用两种传递函数虚部曲线计算得到的动力特性参数较为准确;固有频率的计算适合采用两种传递函数的虚部或是相对传递函数的模;场地阻尼比的计算宜采用两种传递函数的虚部或绝对传递函数的模;利用两种传递函数实部、虚部或模计算得到的场地加速度振型是一致的;利用传递函数估算场地频域动力响应是可行的,且相对传递函数的估算结果更加准确。该研究对传递函数在场地动力特性参数计算及场地频域响应估算方面进行了有益的尝试。
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砂土中桩土侧向相互作用的应变楔模型修正
杨晓峰,张陈蓉,黄茂松,袁聚云,
. 2016 (10):  2877-2885.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.019
摘要 ( 714 )   PDF(549KB) ( 1077 )  
提出了砂土中水平受荷单桩的修正应变楔方法。从3个方面对应变楔模型进行了修正,首先假设三维被动土楔后桩身的水平位移呈非线性变化,从而使得楔形体内的水平应变不再是一常量,而是沿深度变化。其次引入了两个双曲线型的模型分别用以模拟楔形体中土体的水平应力增量-应变关系和桩-土界面处桩侧剪应力-位移关系。然后通过算例验证了修正方法的有效性,模拟结果与实测结果吻合较好。最后分析了各个修正因素对计算结果影响,结果显示,非线性位移假设的引入对原应变楔模型计算的水平承载力偏高有明显地改善,新的水平应力增量-应变关系和桩侧剪应力-位移关系的引入使得应变楔方法更加简便有效。
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水化学作用对滑坡滑带土的物理力学特性影响试验研究
汤 文,姚志宾,李邵军,孙钱程,
. 2016 (10):  2885-2892.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.020
摘要 ( 882 )   PDF(738KB) ( 1209 )  
滑带是影响滑坡稳定的最关键内在因素之一。对原状土进行X射线衍射、压汞试验,获得了滑带土体的成分及其含量和孔隙结构参数,结果表明,滑带土成分以石英、拉长石、伊利石等为主,孔隙孔径以小孔和过渡孔居多;依据工程实例滑坡滑带土所处的水化学环境,模拟不同水化条件,通过剪切试验、渗透试验和扫描电镜试验,获得不同化学条件的强度和渗透性参数及微细观结构特征,分析了滑带土在不同水化学条件下力学特性和渗透性变化规律。试验结果表明:相同pH条件下,较之蒸馏水,土样经化学溶液浸泡后峰值强度和残余强度变大,且残余强度的变化更明显;不同pH条件下,酸碱性溶液使得土的强度参数显著降低。该研究结果为水化学条件下滑坡滑带土力学特性变化、多场耦合理论模型分析提供了重要的基础数据。
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透水管桩加速超静孔压消散的单桩模型试验研究
黄 勇 ,王 军 ,梅国雄 ,
. 2016 (10):  2893-2899.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.021
摘要 ( 973 )   PDF(690KB) ( 894 )  
基于室内模型试验,研究透水管桩促进桩周土超静孔压消散的效果和规律。通过透水管桩和普通管桩单桩沉桩模型试验对比,发现使用透水管桩更有利于桩周土超静孔压消散,其促进作用沿深度方向递增,沿水平方向递减。在桩周土超静孔压消散前期,透水管桩的促进作用最明显,有利于加快施工进度。改变透水管桩初始排水时刻,观察桩周土超静孔压消散情况,发现初始排水时刻设在沉桩完成时的情况下,桩周土超静孔压峰值明显减小。试验结果表明,沉桩施工中,透水管桩提高了施工进度,降低了对周围环境的影响。
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不同倾角多层节理深部岩体开挖变形破坏规律模型试验研究
马腾飞,李树忱,李术才,徐咸辉,张露晨,平 洋
. 2016 (10):  2899-2908.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.022
摘要 ( 914 )   PDF(1203KB) ( 865 )  
深部资源开发中地下洞室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,目前深部多裂隙岩体开挖强卸荷引起的围岩变形破坏规律尚不清楚,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用大尺度三维模型相似试验系统,分析具有不同倾角的多层节理的岩体在高地应力下开挖变形破坏规律。试验结果表明:裂隙倾角较小时,隧道上、下侧围岩主要发生大变形,左、右侧围岩呈现分层破裂现象,随着裂隙倾角增大,破裂区从洞室左、右两侧逐渐扩展到洞室全周,顶部岩体越容易发生大体积滑塌;隧道围岩由内向外应力和位移值呈波动状分布;洞周塑性区范围随裂隙倾角增大而增大,裂隙倾角越大,洞周塑性区越容易与洞室上、下侧裂隙面连通。该研究为保障深部工程的安全修建与运营提供了试验基础。
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岩土工程研究
基坑围护结构最大侧移深度对周边环境的影响
康志军 ,谭 勇 ,李 想 ,卫 彬 ,徐长节,
. 2016 (10):  2909-2914.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.023
摘要 ( 1106 )   PDF(790KB) ( 1095 )  
围护结构最大侧移所在深度是衡量基坑变形的重要指标之一,而目前鲜有关于其对周边环境变形影响的研究。基于工程实测数据分析和有限元数值模拟,系统地研究了基坑围护结构最大侧移深度对邻近桩基础建筑物不均匀沉降和坑外深层土体位移场的影响。经研究发现:围护结构最大侧移的下移会导致坑外土体位移场扩大,进而降低相应区域的桩基础承载力,导致邻近桩基础建筑物发生显著的不均匀沉降。不同深度的土体经历复杂的竖向位移,且位移形态与围护结构最大侧移深度密切相关。随围护结构最大侧移深度的逐渐下移,坑外土体位移场向深层土体发展,且主要影响范围相应地扩大。在实际工程中,根据基坑周边环境合理地控制围护结构最大侧移所在深度,可有效降低基坑开挖对周边环境的不利影响。
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武汉长江Ⅰ级阶地含水层水文地质参数研究及工程应用
徐杨青,刘国锋,吴西臣
. 2016 (10):  2915-2920.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.024
摘要 ( 1084 )   PDF(627KB) ( 1011 )  
武汉地区长江Ⅰ级阶地含水层在水流等沉积动力的分选作用和上覆土层压力的固结作用下,其渗透系数必然存在各向异性。因此,基于含水层渗透系数的各向同性和以单井稳定流抽水试验得到的含水层水文地质参数所完成的基坑降水设计亦必然与工程实际存在差异。通过现场分层抽水试验、群井抽水试验,结合三维数值模拟反演计算,得出了武汉长江Ⅰ级阶地各含水层水文地质参数的基本规律和特性,即:各含水层渗透系数自上而下逐渐增加且表现为各向异性,其水平渗透系数大于垂直渗透系数,其比值介于1.6~2.6之间。工程实例表明,采用各向异性的水文地质参数和三维渗流分析进行的超深基坑降水设计,结果更接近于实际,且有利于降低工程造价和基坑周边环境损伤,亦有利于节约宝贵的地下水资源。
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基于节理网络有限元的柱状节理岩体等效变形模量结构效应研究
崔 臻,魏 倩,侯 靖,盛 谦,李良权,
. 2016 (10):  2921-2928.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.025
摘要 ( 1100 )   PDF(4505KB) ( 851 )  
因其特殊的地质成因,柱状节理成为一种具有强烈非连续性及各向异性的特殊岩体结构。以白鹤滩水电工程设计、建设中所遇到的柱状节理玄武岩体为背景,针对柱状节理岩体的等效变形模量问题,在探讨了其结构效应表征参数的基础上,利用节理网络有限元为工具,研究各结构效应表征参数对柱状节理岩体等效变形模量的影响。研究结果表明:在柱轴线横向平面上,对于柱体不规则程度,当柱体完全不规则相对于完全规则情况,等效模量提高大约10%左右;在其他条件不变情况下,当柱体平均边长从0.1 m增加至0.5 m时,等效模量从5.36 GPa增加至23.4 GPa;对不同加载方向的研究结果表明,柱状节理在柱轴横向平面上可以视作各向同性;当节理刚度线性递增时,相应的岩体等效模量也基本符合线性递增的规律。在平行柱体轴线平面,节理组2间距越大,柱状节理岩体的等效变形模量越大;随着错距比的增加,柱状节理岩体的等效变形模量呈现先增加后减少的趋势,当错距比为50%时,节理岩体的等效变形模量取最大值;对于节理刚度的影响,与柱轴横向平面类似的,随柱体轴线平面上节理刚度的线性增加,相应的岩体模量也基本符合线性递增的规律。该研究成果与已有的现场研究成果及三维数值模型成果相比,吻合良好。说明了文中提供的研究结论具有较好的可信度及参考价值。
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采动支承压力引起应变型冲击地压能量判据研究
刘学生,谭云亮,宁建国,田成林,田智威,
. 2016 (10):  2929-2936.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.026
摘要 ( 705 )   PDF(506KB) ( 932 )  
采动支承压力引起的能量积聚及其突发释放是导致应变型冲击地压发生的根源之一。在将工作面前方煤体划分为阻力区、驱动区和无明显影响区的基础上,把应变型冲击地压从孕育到发生全过程分为能量稳定积聚、能量平衡和能量非稳定释放3个阶段,并研究其发生的基本条件;建立了采动支承压力引起应变型冲击地压的能量判据,即认为力学平衡状态破坏时驱动区煤体释放的弹性应变能与阻力区煤体完全破坏消耗能量的比值大于1。从冲击地压防治角度出发,提出了阻力区临界宽度的概念,建立了以阻力区宽度为指标的应变型冲击地压发生判据。现场实测表明,本文所建立的能量判据和指标与实测结果相吻合。其研究成果可为采动支承压力引起应变型冲击地压的预测预报和防冲、减冲工作的实施提供依据。
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北山花岗岩深部节理间距分布多重分形研究
薛东杰,周宏伟,任伟光,赵 彪
. 2016 (10):  2937-2944.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.027
摘要 ( 699 )   PDF(4645KB) ( 695 )  
岩体节理几何特征定量描述是岩体力学性质和渗透性研究的基础,更是核废料处置库场址筛选和评价过程的主要内容。基于甘肃北山高放废物深地质处置库预选区BS17、BS18和BS19钻孔岩芯节理数量修正数据,针对节理间距建立了类负指数分布数学统计模型,进一步应用于RQD体系定量评价深部岩体完整性,通过与RID体系对比验证了概率模型的可靠性。指出节理数量-间距关系具有明显的分段线性特征,分维数随着间距增大而增大。确定了节理间距-数量关系符合尺度律,得出了数量与间距关系的多重分形特征。进一步分析了数量与埋深的多重分形特征,初步实现了岩芯节理的定量描述。验证了多重分形谱可以很好地统计分形维特征,尤其是节理几何形状及分布特征。该研究结果可为实现基于钻孔岩芯节理几何特征数据的深部岩体节理三维网格模拟提供参考。
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考虑溶洞顶板自重时桩端持力岩层安全厚度计算方法
柏华军
. 2016 (10):  2945-2952.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.028
摘要 ( 1037 )   PDF(509KB) ( 819 )  
通过对溶洞顶板持力层模型的合理简化,进一步完善了已有研究成果的溶洞顶板持力层抗冲切、抗剪切厚度公式,考虑自重影响因素。提出了可以考虑有效宽度、自重等影响因素的单向板、双向板抗拉弯破坏溶洞顶板持力层厚度公式。该公式力学概念清晰,计算简便。进一步结合工程实际中各种参数的取值范围,按照常规抗冲切、抗剪切和抗拉弯破坏模式,得出一般情况下溶洞持力层顶板抗冲切、抗剪切净厚度大于2.5~3.5倍桩径和抗拉弯破坏顶板总厚度大于5.0~5.5倍桩径即可满足设计要求。该研究可供岩溶区桥梁桩基工程设计和施工参考。
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考虑开挖卸荷影响的桩侧摩阻力等效计算方法
周平槐1, 2,杨学林1
. 2016 (10):  2953-2960.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.029
摘要 ( 866 )   PDF(511KB) ( 886 )  
基坑开挖后的卸荷回弹会导致桩侧摩阻力减小,但这一影响仅局限于基坑底部一定深度范围内。在计算开挖后的桩侧摩阻力时,可将卸荷视为作用在坑底的均布上拔荷载。当荷载作用在地表以下,土体附加应力应采用Mindlin应力解。定义基于Mindlin解计算开挖后桩侧摩阻力与开挖前变化为5%时的深度为开挖影响计算深度Hc,开挖深度和宽度对Hc的影响明显,土体内摩擦角的影响较小,而泊松比的影响可以忽略。据此推导出Hc的计算公式。开挖卸荷导致的竖向附加应力,Boussinesq解求得的结果大于Mindlin解,但随着深度增加,二者差异逐渐减小。分别针对开挖深度、宽度和内摩擦角不同取值的216种组合进行计算,结果表明,Hc范围内基于Mindlin解求得的桩侧摩阻力与基于Boussinesq解结果的比值? 最大为1.124,最小为1.001。工程实践中为偏于安全,可直接采用Boussinesq解进行桩侧摩阻力计算。
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考虑地应力分布形式的坝址区初始应力场二次反演方法
裴启涛,丁秀丽,卢 波,黄书岭,付 敬,韩晓玉
. 2016 (10):  2961-2970.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.030
摘要 ( 858 )   PDF(774KB) ( 730 )  
在建的乌东德水电站区域构造运动强烈,断层、褶皱及节理较为发育,加之河谷纵横、沟谷深切,导致该区域岩体地应力分布极为复杂,非线性特征显著。为准确获取坝址区初始地应力场的分布特征,通过对地应力分布形式进行优化,提出了考虑地应力张量分布特征的岩体应力场二次反演方法。首先,将地应力张量分解成自重应力、构造应力及非线性应力3个部分,同时依据坝址区地形地貌、地质构造及非均匀性岩层等因素,构建FLAC3D计算模型,利用叠加法原理对坝址区初始地应力场进行一次反演。然后,主要考虑坝址区附近小规模构造及局部开挖条件的影响,构建三维离散元(3DEC)精细模型,同时从一次反演中提取精细模型的初始地应力侧压系数和自重修正系数,并利用均匀设计法进行优化,对精细模型进行二次反演。研究结果表明:一次反演计算获得的初始应力场整体上与实际情况吻合较好,但在局部构造附近与实测值相差较大;二次反演考虑局部地质构造及开挖条件的影响,同时结合一次反演的计算成果,各测点的应力计算值与实测值基本一致;通过将大型商业软件FLAC3D和3DEC相结合来反演复杂条件下工程区初始应力场,在一定程度上实现了岩体应力场在大范围内整体连续、小范围内受局部地质构造等影响导致不连续分布的特点。该研究方法可为类似工程提供借鉴。
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岩体强度对牙轮单齿作用下破碎坑的体积及形态影响研究
郭汝坤 ,冯 春 ,李战军 ,李世海,
. 2016 (10):  2971-2978.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.031
摘要 ( 729 )   PDF(623KB) ( 665 )  
借助连续-非连续单元法(CDEM),对牙轮钻单齿压入破岩的机制进行了探讨,研究了加载过程中破碎体积及破碎坑的演化规律,分析了岩体凝聚力和内摩擦角对单齿破岩体积及破碎坑形态的影响。数值计算结果表明,破碎坑基本上呈半椭球体,其宽深比仅受内摩擦角控制,随着内摩擦角的增加,破碎坑的宽深比减小。破碎坑的宽度、深度及单齿破岩体积可用齿压F、钻齿半径r、凝聚力c及内摩擦角? 表征,基于数值计算结果给出了破碎坑的宽度、深度及单齿破岩体积定量表述的公式;基于相关理论公式,考虑各个同时与岩石接触的几个齿轮对岩石的损伤是相互影响的,引入单齿破岩体积的修正系数,建立了牙轮钻的工作参数(轴压、转速、进尺速度等)与岩体凝聚力及内摩擦角的函数关系。在鞍千矿南采区进行了牙轮钻随钻测试的现场试验,获得了不同岩性下的单齿破岩体积,并就近取样测试了岩体的凝聚力及内摩擦角。当修正系数取0.363时,现场测试结果与基于数值计算得到的单齿破岩体积基本一致,从而证明了数值计算及相关理论推导的正确性。研究成果可以为岩体强度的动态测试提供依据。
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数值分析
爆破荷载应力波在无限弹性介质中传播的特征线法解
雷卫东 ,李宏军 ,柳 纯,
. 2016 (10):  2979-2983.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.032
摘要 ( 796 )   PDF(461KB) ( 805 )  
双指数爆破荷载的应力时程关系是爆破工程的数值分析常用的动力输入。其在弹性岩石中传播衰减的特征线法解是工程爆破数值分析中弹性以及弹塑性分析的重要参照,也是动力学数值分析算法开发的重要高阶校准工具。应用统一弹性波的特征线法解求解源自圆形孔洞的双指数爆破荷载在理想介质中的传播。介绍了源自圆形孔洞的双指数爆破荷载在周围弹性介质传播过程中的径向应力、周向应力、位移以及速度波的特征线法解的具体过程,在MATLAB中进行了4种波的特征线法解的数值实施。对径向应力、周向应力、位移以及速度波的特征线法解的结果进行了多方面讨论。结果表明,特征线法是求解双曲型偏微分方程的一种有效方法,双指数爆破荷载在弹性岩石中传播衰减的特征线法解可为爆破工程数值分析以及动力学数值分析算法开发提供重要的支撑。
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自由度具有物理含义的线性无关高阶数值流形法
徐栋栋 ,杨永涛 ,郑 宏 ,邬爱清,
. 2016 (10):  2984-2992.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.033
摘要 ( 855 )   PDF(544KB) ( 883 )  
数值流形方法(NMM)基于两套覆盖(数学和物理覆盖)和接触环路而建立,能够统一地处理岩土工程中的连续和非连续变形分析问题。与其他基于单位分解理论的数值方法一样,NMM可以自由地提高物理片上局部位移函数(多项式)的阶次,从而在不加密网格的情况下显著地提高计算精度,但有可能会使总体刚度矩阵奇异,产生线性相关问题。针对这种情况,引入了一种新的高次多项式形式的局部位移函数,在此基础上,建立了新的NMM求解体系,并应用于求解一般的弹性力学问题。结果表明:它有效地消除了线性相关问题;较之传统局部位移函数取一次多项式的NMM,达到了更高的精度;节点应力是连续的;定义在物理片上的所有自由度都具有明确的物理含义,其中第3~5个刚好是物理片所对应插值点处的应变分量,因此,直接获得此处的应力状态。该方法可以很容易地推广到其他基于单位分解的数值方法中。
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基于软硬石模板库的土石混合体细观损伤与力学特性分析
何春灿 ,胡新丽 ,龚 辉 ,谭福林 ,章 涵 ,张小勇,
. 2016 (10):  2993-3002.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.034
摘要 ( 794 )   PDF(1164KB) ( 923 )  
为了探究含软、硬两种岩性碎块石土石混合体的变形破坏过程与力学性质,发展了一种基于软硬石模板库的土石混合体建模方法。通过在PFC2D中建立符合原位结构特征的软硬石模板库,利用此模板库生成了不同含石量土石混合体颗粒流模型,对土石混合体进行了单轴压缩颗粒流模拟。结果表明:土石混合体破坏始于土-石接触面,土石介质分离大多因剪切破坏导致,加载前期微裂纹迅速增长,中、后期微裂纹增长速率减缓,但宏观变形渐趋显著;随着含石量的增加,土石混合体单轴抗压强度逐渐降低,块石的转动与侧向移动会加剧土石混合体的整体破坏;相同含石量下,随着软石比例的增加,单轴抗压强度呈下降趋势,试验后试样破裂率与单个软石颗粒的破裂程度均保持在较高水平,软石颗粒破裂是引起土石混合体单轴抗压强度降低的重要原因。
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水力劈裂对岩体中自然裂纹的影响研究
石路杨 ,李 建 ,许晓瑞 ,余天堂,
. 2016 (10):  3003-3010.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.035
摘要 ( 885 )   PDF(630KB) ( 672 )  
建立了求解自然裂纹和水力裂纹扩展的扩展有限元法,对裂纹附近区域的节点采用广义形函数,并采用线增函数消除混合单元,以提高裂纹附近的精度。引入水力劈裂的非耦合模型,即假设裂纹中的水压力为均布力;用砂浆法(线段-线段接触法)结合增广型拉格朗日乘子法处理受压裂纹段的接触条件。并通过算例分析了以下内容:计算了受压裂纹和裂纹面分布均布水压力的水力裂纹的应力强度因子,并与解析解进行了比较,结果表明,提出的方法具有很高的精度;模拟了水力裂纹对自然裂纹面的影响,并分析了自然裂纹面上的接触力和接触状态。
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既有隧道扩建爆破振动数值模拟研究
刘 冬,高文学,孙宝平,刘丹卉,周世生,
. 2016 (10):  3011-3016.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.036
摘要 ( 1126 )   PDF(835KB) ( 977 )  
基于原有隧道改扩建拱顶塌腔段扩建开挖,系统研究了多临空面条件下岩体爆破振动规律。采用完全重启动数值方法和拉格朗日算法分析岩体爆破振动规律,模拟爆破振动对隧道塌腔加固区和既有隧道围岩的影响,并获得了特征点的振动速度和衰减规律。数值模拟的最大振速符合爆破振动安全允许标准的要求,从而验证了爆破设计的可行性,并指导了爆破施工。同时,对隧道塌腔段开挖进行爆破振动监测。通过对比分析现场振动监测数据,数值模拟与现场监测结果吻合。结果表明,采用拉格朗日算法和完全重启动数值模拟方法可以描述隧道多孔毫秒延期爆破破岩和质点振动传播规律。该研究结论对隧道多孔毫秒延时控制爆破工程具有参考和指导意义。
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三维数值流形法在裂纹扩展中的应用研究
杨石扣,张继勋,任旭华,张道法
. 2016 (10):  3017-3025.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.037
摘要 ( 960 )   PDF(974KB) ( 1153 )  
运用三维数值流形法(3D NMM)进行三维裂纹扩展分析,并采用C++语言编写了相应的程序。充分利用三维数值流形法模拟裂纹扩展的优势,只需要更新裂纹尖端线附近的边界环路和流形单元,不需要使用阶跃函数。根据三维数值流形法计算得到的应力结果,应用非局部求迹方法分析每个裂纹尖端的破坏状态,如果发生破坏则沿垂直于其最大主应力方向扩展。针对裂纹扩展后的不同状况,采用四边形或三角形推进法。裂纹扩展后为了使变形后的面保持平面,必须对新生成的面进行三角化分割。对诸如单边裂纹、平行钱币型裂纹和倾斜钱币型裂纹扩展问题进行数值模拟。计算结果表明,采用三维数值流形法进行裂纹扩展模拟是可行的,文中方法对裂纹尖端线非闭合和闭合的情形均适用,且文中方法对于裂纹尖端线位于单元内部的非平面裂纹扩展也是有效的。
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孔隙填充型能源土的宏微观力学特性真三轴试验离散元分析
贺 洁 ,蒋明镜 ,
. 2016 (10):  3026-3034.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.038
摘要 ( 1037 )   PDF(815KB) ( 936 )  
天然气水合物沉积物因其作为绿色新型能源且具有广阔的开发前景而备受全球瞩目。水合物在水合物沉积物(俗称能源土试样)中有不同的赋存型式,如孔隙填充型和胶结型等。针对孔隙填充型水合物的赋存形态,生成特定饱和度的能源土试样。开展了同一 平面上不同中主应力系数(b = 0、0.25、0.50、0.75、1.00)的真三轴排水试验的三维离散元模拟,将微观参数接触组构及剪切滑移率的演化规律与材料的宏观力学响应相结合,分析了中主应力对孔隙填充型能源土的宏微观力学响应的影响。结果表明:强接触处组构张量的大、中、小主值随b的变化规律与大、中、小主应力及大、中、小主应变随b的变化规律表现出良好的相关性。三向应力状态下的破坏强度接近Lade-Duncan破坏准则。能源土试样剪切滑移率随着中主应力系数的增大而增大;当处于三轴拉伸状态时,试样的剪切滑移率最大。
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测试技术
基于固有振动频率的危岩安全监测试验研究
杜 岩,谢谟文,蒋宇静,李 博,高 阳,刘秋强,
. 2016 (10):  3035-3040.  DOI: 10.16285/j.rsm.2016.10.039
摘要 ( 1016 )   PDF(519KB) ( 1011 )  
危岩体在经历地震和强降雨之后其抗滑力下降,从而导致重力作用失稳,是一种常见的破坏形式。危岩块体的失稳破坏取决于岩体结构面的状况,随着结构面的张开及黏结程度下降,危岩块体会发生失稳而崩塌,基于常规位移监测方法难以达到危岩块体监测预警的目的。而固有振动频率可以有效反映岩体的物理力学参数的变化,进而可以对其安全性做出预判。基于模型试验,在保持下滑力不变的情况下,通过固有振动频率来对滑坡内部的黏结力和摩擦力等力学指标进行分析。通过实际静摩擦力是否达到最大静摩擦力的方法来科学判识岩体的稳定情况。试验结果得出:计算的摩擦力可以有效分析岩体的安全性,并证明固有振动频率在降低至6 Hz以下,岩体开始趋于破坏。同时,得出由于摩擦力破坏后期占据抗滑力的比重逐渐升高,最高达到抗滑力的80%,从而造成破坏末期摩擦力不降反升的情况。基于固有振动频率的监测,可对岩体的损伤做出定量判断,也可评估岩体静摩擦力指标,从而实现扰动后岩体的安全评价。这种基于振动模态的岩体安全监测与损伤评价新的技术思路,将在实际工程中发挥重大作用。
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