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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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2017年, 第38卷, 第2期 刊出日期:2017-02-11
基础理论与实验研究
振动荷载作用下软土加速蠕变的微观机制研究
雷华阳,卢海滨,王学超,李 宾,任 倩,
. 2017 (2):  309-316.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.001
摘要 ( 1365 )   PDF(905KB) ( 1234 )  
研究软土加速蠕变过程中的微观结构变化可深入了解加速蠕变特性的内在机制。在对天津滨海地区软土进行多种条件下的三轴蠕变试验的基础上,利用微观定量化技术,对比静、动荷载蠕变条件下土样的微观结构,从微观角度对加速蠕变机制进行了解释。研究表明,土样产生加速蠕变后,结构单元体的丰度和复杂度降低;结构单元体形状趋向扁圆形,边缘趋于圆滑;土体颗粒在自然状态下无明显定向性,加速蠕变后其定向性显著增强。振动荷载使得蠕变程度增大,也使得土体蠕变的速率加快。研究结果揭示了土体的加速蠕变实际上是在动荷载作用下土体的内部结构不断自我调整再造的过程。
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三向土工格栅筋-土界面特性拉拔试验研究
郑俊杰,曹文昭,周燕君,江金国
. 2017 (2):  317-324.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.002
摘要 ( 1089 )   PDF(2069KB) ( 1879 )  
现有关于格栅与土的筋-土界面特性研究多以单、双向格栅为研究对象,而对三向土工格栅筋-土界面特性开展的试验研究较少。以三向土工格栅为研究对象并考虑0°和90°两种拉拔方向的影响(记为TX_0工况和TX_90工况),开展了一系列室内拉拔试验,通过对三向土工格栅沿拉拔方向4个断面的位移进行量测,分析了格栅拉伸应变、筋-土相对位移、界面摩阻力分布及格栅变形与破坏模式,并分别从峰值剪切强度和残余剪切强度两个方面对筋-土界面强度参数和表观摩擦系数的变化规律进行了探讨。研究结果表明:由于平面外挠曲变形的影响,TX_0工况下横肋的嵌锁作用随法向应力增大而增强,从而使TX_0工况的拉拔性能逐渐优于TX_90工况;拉拔过程中,筋-土界面摩阻力的发挥是一个渐进的过程,其分布形式不断发生调整,筋-土界面呈弹塑性-软化特征;TX_0工况的筋-土界面摩擦角显著大于TX_90工况,黏聚力则刚好相反,法向应力较高时TX_0工况的筋-土界面强度更高,更有利于材料性能的发挥。
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表面源激发的瑞利波传播特性分析
柴华友,柯文汇,黄祥国,李忠超,李天祥,
. 2017 (2):  325-332.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.003
摘要 ( 878 )   PDF(958KB) ( 960 )  
自由状态下层状介质中平面瑞利波相速度与频率及层状介质特性参数有关,表面源激发的瑞利波以柱面波阵面传播,传播速度不仅与频率有关,而且还与传播距离有关,这样,自由状态下层状介质中平面瑞利波传播特性理论不能有效地用于激发瑞利波相速度分析。以薄层法得到的圆盘状表面垂直源激发瑞利波位移响应为基础,导出激发瑞利波相速度,比较激发模态与简正模态相速度差异,分析激发模态空间特性,揭示这种空间特性形成机制。结果表明:源对激发模态传播影响距离不超过一个波长,波场距源越近,激发模态竖直振动传播速度越低;在多模波场,激发模态间相长相干或相消相干导致表观相速度具有较明显的空间特性。该研究可为发展考虑瑞利波频率及空间特性反演数学模型及算法提供指导。
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预埋与绑扎埋管形式能量桩传热特性研究
刘汉龙,吴 迪,孔纲强,王成龙,吴宏伟,
. 2017 (2):  333-340.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.004
摘要 ( 1195 )   PDF(1434KB) ( 1330 )  
预埋钢管能量桩是一种新型桩埋管形式的地源热泵技术,然而,针对其特殊埋管形式下传热特性的研究却相对较少。针对预埋钢管单U型埋管能量桩的传热管-钢管-混凝土-桩周土的传热特性开展模型试验和数值模拟研究,测得在热-冷循环温度荷载作用下预埋钢管单U型埋管能量桩桩体及桩周土体的温度变化规律;为了对比分析,同时开展了传统绑扎单U型埋管能量桩的传热特性模型试验,并分析了预埋钢管能量桩的适用性。研究结果表明,预埋钢管能量桩的传热性能略低于绑扎埋管能量桩的传热性能;夏季工况两种埋管形式能量桩桩体温度和桩周土体温度最终变化量分别相差23%和16%左右;冬季工况该数值约为14%和18%左右。
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修正Van Genuchten模型拟合干旱、半干旱地区遗址土颗分曲线的可靠性研究
谌文武,毕 骏,沈云霞,李文娟,陆 恺,刘 伟,
. 2017 (2):  341-348.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.005
摘要 ( 938 )   PDF(490KB) ( 1003 )  
不均匀系数、曲率系数在土力学中的应用很广,但对精确求解 、 、 3个参数的方法研究较少。提出了一种修正Van Genuchten(MVG)方程描述颗分曲线。以Matlab编程语言中的cftool为拟合工具,以青海黄土、青海遗址土、甘肃遗址土和新疆遗址土等33组土为研究对象,对比拟合方程描述遗址土颗分曲线的效果,分析MVG模型中3个参数 、 、 对曲线的影响。结果表明:MVG模型在拟合33组土的颗分曲线时均具有较好的效果,相关系数 0.98;参数 导致曲线偏移并可以推测土粒中的最大粒径,参数 影响土中的各颗粒组分的比例,参数 影响曲线的斜率。提出的MVG方程能够精确地求解 、 、 3个参数。
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基于最优含水率的聚丙烯纤维增强膨胀土强度研究
邓友生,吴 鹏,赵明华,段邦政,
. 2017 (2):  349-353.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.006
摘要 ( 1310 )   PDF(431KB) ( 1255 )  
将不同长度的聚丙烯纤维按照0.0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%的重量比分别掺入膨胀土中配制试样,通过大量的室内试验研究了聚丙烯纤维对膨胀土强度的影响规律。试验结果表明:随着纤维的加入,膨胀土的抗剪强度得到了明显的增强,且无侧限抗压强度也随着纤维含量的增加而急剧增加,但当纤维含量超过最优加筋量0.3%时,加筋膨胀土的无侧限抗压强度和抗剪强度反而呈现降低趋势。相同纤维含量的情况下,膨胀土的强度也会随着纤维长度的增加而明显增加,同时聚丙烯纤维还可以增加纤维复合膨胀土的峰值强度,延缓土样的破坏,其研究结果为膨胀土性质的改良提供一种可借鉴的方法。
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低温对煤岩渗透性影响试验研究
杨兆中,张云鹏,贾 敏,李小刚,魏 卓,张 璐,
. 2017 (2):  354-360.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.007
摘要 ( 1071 )   PDF(543KB) ( 1011 )  
液氮压裂过程向地层注入液氮而产生的低温会对煤层岩石造成破坏,导致煤层渗透率升高。为揭示液氮注入地层过程对煤层渗透率影响的规律,采用压力脉冲衰减法开展了低温处理前、后煤岩渗透率测试试验。对比干燥与饱水煤岩在不同处理温度下的渗透率测试结果,-10、-25、-40 ℃及液氮(-195.8 ℃)低温处理30 min都会导致煤岩渗透率升高,饱水煤岩渗透率升高幅度高于干燥煤岩;随着处理温度的降低,煤岩渗透率升高幅度变大,拟合得到了渗透率升高率与煤岩处理温度之间的指数关系。通过试验结果分析,详细论述了低温导致煤岩破坏并提高煤层渗透率的原理。
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桩侧截面形式对扩底桩竖向抗压特性影响分析
孔纲强 ,顾红伟,车 平,任连伟,彭怀风,
. 2017 (2):  361-367.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.008
摘要 ( 1562 )   PDF(534KB) ( 986 )  
针对常规楔形桩桩底进行注浆或夯扩施工形成的扩底楔形桩,具有单位材料利用率高、竖向桩侧摩阻力和桩端阻力较常规等截面桩高的技术优点。然而针对该新型桩竖向承载力提高幅度的定量试验研究相对较少。基于室内模型试验方法,开展两种桩周土(砂性土和黏性土)情况下扩底楔形桩竖向抗压承载力特性试验,测得桩顶荷载-沉降关系曲线,不同荷载等级下桩侧摩阻力、桩端阻力的分布规律及分担比;同时,开展等体积混凝土用量情况下的常规扩底桩的竖向抗压承载力特性试验作为对比分析。研究结果表明,试验条件下,砂性土中,等混凝土用量扩底楔形桩的极限承载力约为常规扩底桩的1.25倍;黏性土中扩底楔形桩和常规扩底桩的极限承载力比砂土中分别提高了11.1%和66.7%。
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盾构地中对接冻结加固模型试验(Ⅰ) ——冻结过程中地层冻结温度场的分布特征
石荣剑,岳丰田,张 勇,陆 路,
. 2017 (2):  368-376.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.009
摘要 ( 1306 )   PDF(640KB) ( 1110 )  
针对软土地层中盾构地中对接冻结加固施工边界条件复杂、形成冻结壁体积小且形状不规则的特点,以上海地区某盾构对接冻结加固工程为原型,按照相似理论设计进行了冻结加固模型试验,分析了冻结过程中地层温度场的分布规律,获得以下结论:在盾构壳体内表面保温的条件下,冻结管内部冻土的平均发展速度是冻结管外部的1.5倍左右;冻结28 h后,冻结管内部冻结壁的温度分布基本稳定,盾构壳体与土体交接面的温度均处于 20 ℃左右,内部冻结壁的平均温度约为外部的1.9倍。在同圈冻结管的叠加作用下,冻结过程中冻结壁主面和界面的温度变化规律基本一致,仅在冻结初期有少许差别。在外圈冻结管的低温屏蔽作用下,内圈冻结管对外部土体基本不发挥冻结作用,在不同冻结管排间距及多根冻结管交叉冻结的情况下,冻结管外部的冻土扩展规律基本相同,仅两排冻结管之间的土体温度分布存在差别。研究结果表明,盾构地中对接冻结加固形成的冻结壁形状与外圈冻结管的布置形式相似,形成的冻结壁厚度及平均温度在冻结28 h后基本稳定。
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考虑起始水力坡降的软土大变形非线性固结分析
李传勋,董兴泉,金丹丹,谢康和,
. 2017 (2):  377-384.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.010
摘要 ( 1057 )   PDF(566KB) ( 886 )  
软黏土中渗流存在起始水力坡降的现象已逐渐为人们所认识,但变荷载下考虑起始坡降的软土大变形非线性固结理论还很鲜见。考虑土中渗流存在的起始水力坡降及非线性压缩渗透特性,在拉格朗日坐标系中建立变荷载下以超静孔压为变量的软土大变形非线性固结模型并给出其有限差分解。在此基础上,通过与达西定律下大变形固结半解析解对比分析,验证了解的可靠性。最后着重分析起始水力坡降对软土大、小变形固结性状影响的差异。结果表明,无论采用小变形假定还是采用大变形假定,考虑起始坡降后超静孔压的消散速率及最终沉降量均比达西定律下小。大、小变形假定下起始坡降均会引起超静孔压不能完全消散的现象,且大变形假定下超静孔压残留值要小于其小变形假定下的残留值,致使大变形假定下土层最终沉降量要比其小变形假定下大。起始水力坡降和几何变形假定均会影响固结性状,且起始坡降值无疑影响更明显,故在软黏土中渗流存在的起始水力坡降在固结计算中不容忽视。
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蠕动型滑坡滑带土蠕变特性研究
孙淼军,唐辉明,王潇弘,胡新丽,汪明元,倪卫达,
. 2017 (2):  385-391.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.011
摘要 ( 1100 )   PDF(564KB) ( 1537 )  
蠕动型滑坡表现为长期缓慢的变形响应,其演化过程和稳定性受到滑坡滑带土蠕变性质的控制。选取三峡库区典型蠕动型滑坡马家沟滑坡为研究对象,针对该滑体滑带土原状试样开展大尺寸三轴蠕变试验,研究滑带土试样在不同围压和应力水平下的蠕变规律,并进一步采用等时曲线法确定滑带土长期强度与常规强度的差异。研究结果表明,马家沟滑坡滑带土具有典型的稳定蠕变材料特性,蠕变阶段可分为衰减蠕变和稳定蠕变2个变形过程,其变形趋势与滑坡宏观变形演化具有较好的一致性;滑带土绝对蠕变量和稳定蠕变阶段的变形速率均与轴向应力值呈正相关,而衰减蠕变阶段的持续时长随着剪应力水平增加基本呈线性增加。滑带土长期强度参数与常规强度参数比较,其长期黏聚力c值和长期内摩擦角?值分别下降24.8%和22.4%。
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细/粗粒二元结构边坡的排水防渗效果试验研究
吴庆华,张家发,崔皓东,朱国胜,刘习银,
. 2017 (2):  392-399.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.012
摘要 ( 1068 )   PDF(785KB) ( 915 )  
膨胀土边坡开挖时因干-湿循环作用形成裂隙,导致降雨入渗深层土壤,影响边坡稳定性。针对传统工艺存在生态效果差与使用寿命短等不足,进行了6组兼顾生态和防渗功能的非饱和上细下粗二元结构的边坡排水防渗效果的试验研究。采用亮蓝染色示踪方法直接观测了降雨条件下二元结构水分入渗过程,其结果表明:粗粒层粒径越大,级配越差,越易形成优先渗流通道,难以形成连续的水平渗流场,排水效果差。降雨直接入渗至边坡防护层,增加了其入渗边坡土体失稳的风险。通过监测侧向与底部排水体积,分析结果表明:二元结构具有较好的防渗排水效果,其稳定排水效率和综合排水效率分别介于80%~100%和43%~79%之间,随着粗粒层粒径减小、颗粒级配变好,稳定排水效率呈先减小后增加的趋势,而综合排水效率却呈先增加后缓慢减小的趋势。因此,从排水效果和工程材料造价等角度考虑,认为方案4最优。该研究成果可为南水北调膨胀土边坡治理以及其他工程的边坡防渗问题处理提供技术支撑。
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基于修正Drucker-Prager准则的岩石次加载面模型
周永强,盛 谦,朱泽奇,付晓东
. 2017 (2):  400-408.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.013
摘要 ( 1009 )   PDF(935KB) ( 1520 )  
为模拟岩石在循环加、卸载作用下的变形特性,结合Drucker-Prager(简称D-P)屈服准则与次加载面理论,建立了能考虑岩石材料实际抗拉强度和应力角效应的循环加、卸载模型。首先考虑岩石在三轴压缩和在三轴拉伸状态下不同的强度特性,在传统的D-P屈服准则中引入角隅模型,并借鉴殷有泉提出的D-P-Y准则,形成了修正的D-P屈服准则;进一步结合修正屈服准则和次加载面理论,提出了适用于岩石循环加、卸载的次加载面模型,并通过自编程序,实现了循环加、卸载模型的数值表达与岩石循环加、卸载试验数值仿真。计算结果表明,基于修正D-P屈服准则的次加载面模型能较好地描述岩石的曼辛效应和棘轮效应;通过改变抗拉强度的大小,可以发现随着抗拉强度的减小,岩石的变形量相应增加,且增加的幅度逐渐提高,说明修正模型可准确反映抗拉强度对岩石的循环加、卸载变形的影响。
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基于声学数据反演定量评价致密砂岩储层微裂隙应力敏感性新方法
尹 帅,丁文龙,单钰铭,周 文,谢润成,
. 2017 (2):  409-418.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.014
摘要 ( 1006 )   PDF(519KB) ( 792 )  
设计试验方法流程对塔中地区深层致密砂岩储层岩样进行不同围压条件下声学测试,提出基于声学数据反演定量研究致密砂岩储层微裂隙应力敏感性的评价方法。通过Biot相洽理论和DEM理论组合模型分别对岩石裂隙密度 和孔隙纵横比 进行反演,探讨了不同围压条件下岩石 、 的变化规律,并对微裂隙应力敏感性进行评价。结果表明: 随围压的增加而降低, 随围压的增加而增加,这主要是由于微裂隙的闭合引起的;根据不同围压条件下 值降低幅度可以确定发生闭合的裂隙或依然保持张开的裂隙所占的百分比;在较高围压条件下依然具有较大 值的样品应力敏感性较弱,反之,应力敏感性较强;定义试验中岩石内部孔裂隙性质发生急剧变化的点为转折点,发现该点对应的 值相差不大,该值可视为该致密砂岩储层的裂隙共性特征,并可作为裂隙相对发育程度的对比指标;分别探讨了 值(围压65 MPa)及所定义转折压力与岩石孔隙度间的相关性,结果表明,两者正相关性均非常好,对于该地区深层低渗致密砂岩储层而言,存在低应力敏感性的有利类型裂隙受岩石物理性质影响程度最大。
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水土化学作用对土体黏聚力的影响 ——以蒙脱石-石英砂重塑土为例
刘 剑,崔 鹏,
. 2017 (2):  419-427.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.015
摘要 ( 964 )   PDF(604KB) ( 1116 )  
为研究水土化学作用对土体黏聚力的影响,通过将蒙脱石-石英砂重塑土分别浸泡于超纯水(正常水体)、pH=3的HNO3(酸雨)和pH=13.5的NaOH溶液(碱性废液)中,对黏聚力变化规律和机制进行了探讨。研究发现:超纯水条件下,黏聚力先上升后下降再上升;酸性条件下,黏聚力先下降后上升再下降;碱性条件下,黏聚力先下降后上升再下降,后期出现反弹。温度对各种条件下的反应均有促进作用,但程度不一。X射线衍射(XRD)结果表明,酸会溶蚀胶结物蒙脱石,且没有新物质生成,导致黏聚力下降,浸泡中期黏聚力增大的原因尚不明确。碱性条件下有水化硅酸钙(CSH)生成,超纯水条件下还有碳酸钙(CaCO3)生成。两种新胶结物均为离子化合物,晶胞之间以化学键相连,其键强度远大于相邻蒙脱石层组间的结合力强度。新生胶结物造成超纯水和碱性条件下黏聚力上升,化学溶蚀和离子交换是黏聚力下降的主要原因。此外,结合土质滑坡垂压和内摩擦角情况,分析了水土化学作用下的土体抗剪强度变化。超纯水条件下,抗剪强度总体变化不大;酸性条件下,抗剪强度变化与黏聚力变化一致;碱性条件下,抗剪强度表现为总体增大。
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平移模式下挡墙塑性临界深度极限分析
刘 杰,黄 达,赵 飞,杨 超,孙 莎,
. 2017 (2):  428-434.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.016
摘要 ( 932 )   PDF(483KB) ( 1038 )  
土压力的分布及大小与挡墙的位移模式密切相关。挡墙后的填土处于主动土压力状态时,塑性临界深度是设计时需要考虑的问题。应用极限分析上限原理,将弹性覆盖层以下且与挡墙相邻的三角形土体微元作为研究对象。推导了外力功率和内能耗散功率,得到了挡墙在平移模式下塑性临界深度的计算公式,推导过程中考虑了挡墙位移方向效应。研究结果表明:朗肯等理论计算结果是推荐方法的一个特例。塑性临界深度随挡墙位移方向与水平面之间夹角、墙-土界面黏聚力和摩擦角以及填土黏聚力和内摩擦角的增大而增大。但当挡墙位移方向水平时,塑性临界深度与墙-土界面摩擦角无关。
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描述循环荷载作用下黏土累积变形的改进模型
臧 濛,孔令伟,曹 勇
. 2017 (2):  435-442.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.017
摘要 ( 1166 )   PDF(861KB) ( 1041 )  
软土地基在长期循环荷载作用下的变形特性十分重要,经验模型是动荷载引起的土体变形预测的实用方法,虽拟合方法众多,仍存在一定的局限性。根据典型结构性黏土的动力变形的曲线形态演化规律,通过引入指数型函数 与指数双曲线函数 的叠加融合,提出了一种能更好描述在循环荷载作用下黏土累积变形的改进模型,该模型既适用于具有应变极限值的“稳定型”应变曲线,也能拟合不同应力水平下的“破坏型”应变曲线。不仅如此,该改进模型对呈脆性破坏特征的强结构性黏土变形特性表征也具有明显的优越性,对于不同结构性土体与应力水平下土体的动力变形响应性状均能较好描述,具有很好的普适性。改进模型可近似计算土体的临界动应力,针对动荷载下的结构性黏土破坏突然且破坏前的轴向应变较小,认为宜用应变-振次曲线拐点对应的应变值来确定相应土体应变破坏标准。
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考虑浆液黏度时空变化的速凝浆液渗透注浆扩散机制研究
张连震,张庆松,刘人太,李术才,王洪波,李 卫,张世杰,朱光轩
. 2017 (2):  443-452.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.018
摘要 ( 1129 )   PDF(937KB) ( 1119 )  
速凝类浆液的黏度时变性及双液注浆方式导致浆液黏度空间分布不均匀,在渗透注浆理论模型中应当考虑浆液黏度空间分布不均匀性的影响。基于黏度时变性宾汉流体本构模型,引入了描述渗流过程的均匀毛管组模型,建立了恒定注浆速率条件下考虑浆液黏度时空变化的一维渗透注浆扩散模型。设计了一维可视化渗透注浆扩散模拟试验系统,获得了不同介质渗透率及不同注浆速率条件下水泥-水玻璃浆液(C-S)注浆压力随时间变化规律。研究结果表明:考虑浆液黏度空间分布不均匀性时,孔口注浆终压计算值为试验值的1.2~1.4倍,浆液扩散距离计算值为试验测量值的0.9~1.1倍,计算值与试验值的误差在可接受范围内,所创建的理论模型可较好地描述速凝浆液一维渗透注浆扩散过程。不考虑浆液黏度空间分布不均匀性时,孔口注浆终压计算值为试验值的3.5~4.1倍,浆液扩散距离计算值为试验测量值的0.5~0.7倍,显著高估了注浆压力、低估了浆液扩散范围。因此,在注浆设计中应充分考虑速凝浆液黏度空间分布不均匀性。
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膨胀土原位孔内剪切试验与强度响应特征
李晶晶,孔令伟,穆 坤,
. 2017 (2):  453-461.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.019
摘要 ( 1074 )   PDF(1126KB) ( 799 )  
针对膨胀土堑坡防护工程中不同的施工工序和降水入渗诱发灾害频发现象,基于原位孔内剪切试验,通过施加不同法向应力水平,以及成孔后注水浸泡等工况下的现场剪切试验,获得南阳某堑坡膨胀土强度特性随荷载施加方式与浸水条件的变化规律。结果表明:膨胀土孔内剪切试验所得的剪应力-剪切位移曲线总体上呈现弱硬化变形特征;浸水对抗剪强度影响很大,最大降幅达56.9%,主要表现为黏聚力的降低,最大值达18.1 kPa。预加载荷对浸水软化效应具有一定抑制作用,但当预加载荷超过某一应力水平时,难以发挥更大的抑制效果。黏聚力与预加载荷呈线性正相关;内摩擦角与预加载荷呈线性负相关,但降幅甚微。在实际工程中,膨胀土边坡稳定性分析应考虑降雨入渗对强度参数的影响,同时充分利用抗剪强度参数和预加载荷的线性关系,可根据工程要求达到的安全系数反推出所需的预加载荷大小,从而指导实际工程施工。该研究可为膨胀土工程场地评价、参数选取与灾害评价提供技术依据和参考。
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多级框架锚索和抗滑桩联合作用下边坡抗震性能的振动台试验研究
付 晓,张建经,周立荣,
. 2017 (2):  462-470.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.020
摘要 ( 894 )   PDF(815KB) ( 881 )  
基于原型边坡设计了大型振动台模型试验,通过监测锚索轴力、桩身土压力、坡体加速度和坡面位移时程,研究多级锚索框架梁与双排抗滑桩组合结构加固含软弱夹层岩质边坡的地震动力特性。试验结果表明:在0.15g El Centro地震波激振时锚索预应力产生损失,最大损失比为23%,建议对变形等级要求较高的边坡在锚索抗震设计时适当提高预应力初始值1.2~1.3倍;沿边坡不同高度布置的锚索其轴力响应峰值几乎同一时刻到达,而峰值增加比例呈现出空间非一致性,在锚索抗震设计时应以坡体中部抗滑桩为界将边坡分为上、下区分别考虑;坡脚抗滑桩受荷段、锚固段土压力均随着输入地震波峰值加速度的增加而增大,主动土压力分布规律将由“上小下大”转变成“上大下小”的形状,被动土压力Ⅰ、Ⅱ区的分界点将向桩体下部发展;锚索与抗滑桩在地震时表现为协同工作机制,工程设计中要充分考虑地震效应对桩锚下滑力分担比的影响。该研究成果可为更加合理地考虑地震区锚索框架梁与抗滑桩组合支护结构的设计提供指导。
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换填覆重法处理砂类硫酸盐渍土地基的室内模拟试验
岳浩淼,黄建明,文 桃,米海珍,
. 2017 (2):  471-478.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.021
摘要 ( 885 )   PDF(603KB) ( 837 )  
为实现换填覆重法处理砂类硫酸盐渍土地基的量化设计,依据换填覆重法的原理设计并制作了试验仪器。通过室内模拟试验,研究了温度、含盐量、含水率、最小孔隙比等因素对砂类硫酸盐渍土试样膨胀的影响规律,探讨了换填覆重垫层设计的量化方法。研究发现,盐渍土膨胀的温度敏感区间是0~2.5 ℃, 5 ℃后试样只发生微小的膨胀变形;并不是最小孔隙比越小,砂类硫酸盐渍土试样的膨胀现象就越明显;含水率和含盐量对盐渍土试样膨胀变形的影响具有耦合作用;试样胀力增长率与体积膨胀应变呈现出很好的反相关性,冻-膨胀应力 和其通过反力装置直接作用于土样后产生的竖向应变 呈线性关系,线性系数与换填土厚度有关。其探索性试验仪器和方法对实际工程设计具有一定的参考价值。
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煤与瓦斯突出物理模拟试验中甲烷相似气体的探索
张庆贺,王汉鹏,李术才,薛俊华,张 冰,朱海洋,张德民,
. 2017 (2):  479-486.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.022
摘要 ( 884 )   PDF(567KB) ( 1009 )  
当前煤与瓦斯突出物理模拟试验多采用二氧化碳代替甲烷,导致试验结果偏差较大。为了保证模拟试验相似性并规避甲烷气体带来的安全风险,提出了甲烷相似气体的概念。基于瓦斯在突出过程中的作用机制和相似准则,结合煤与瓦斯突出防治规定,建立了以瓦斯含量、瓦斯放散初速度、初始瓦斯膨胀能和含瓦斯煤力学性质为参数的相似指标。初步采用二氧化碳体积分数为20%、40%、60%、80%的二氧化碳和氮气二元混合气体作为甲烷相似气体的筛选气体。按照相关规范,分别测定了甲烷和筛选气体的相似指标参数值,确定了与瓦斯含量、瓦斯放散初速度、初始瓦斯膨胀能和含瓦斯煤力学性质接近的混合气体组分分别是二氧化碳体积分数为60%、35%、45%和54%。相关性分析结果表明,上述4种配比气体与甲烷性质相关性高,可以作为相似气体的待定气体。采用待定气体和甲烷进行了模拟试验,结果表明,二氧化碳体积分数为45%的混合气体的突出现象和突出临界值与甲烷接近,与甲烷相似性高。
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渗流条件下含裂缝压实膨润土应力及渗透性能试验研究
陈 洁,张永浩,韩小元,刘 勇,刘 艳,何艺峰
. 2017 (2):  487-492.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.023
摘要 ( 1425 )   PDF(649KB) ( 992 )  
压实膨润土是放射性废物处置库的理想缓冲/回填材料,但它在失水收缩过程中易产生裂缝,该裂缝在浸水条件下能否愈合是放射性废物处置安全评价中的重要课题。其研究对含纵向单裂缝的压实膨润土样品开展渗透试验,以渗透系数、隙面法向应力及含水率为指标,研究含裂缝压实膨润土吸水膨胀后应力及渗透性能的变化,从而评价裂缝对膨润土屏障层性能的影响。研究结果表明,样品渗透系数随时间逐渐递减,隙面法向应力随时间逐渐递增,且在85 d时两参数达到稳定水平,分别为4.64 m/s和2.5 MPa,与完整压实膨润土样品的渗透系数及内部应力处于相同水平,可以认为,此时土体实现了饱和及均一化。该研究从渗透性和应力角度证实了裂缝对压实膨润土渗透系数及应力参数未产生显著影响,膨润土具有较好的自愈合能力。研究建立了膨润土裂缝自愈合效果评价方法,为膨润土作为回填材料的安全性评价提供理论依据。
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熔融石英粒径对透明土位移测量精度的影响
常 艳,雷振坤,赵红华,于绅坤,
. 2017 (2):  493-500.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.024
摘要 ( 778 )   PDF(3801KB) ( 885 )  
利用透明土技术和激光散斑图像结合数字图像相关方法(DIC方法)测量土体内部的位移场,是研究土力学问题的一种新方法。通过试验研究不同粒径范围的熔融石英颗粒(中细砂0.1~0.3 mm、中砂0.3~0.5 mm、粗砂0.5~2 mm、细砾2~5 mm),揭示粒径对激光散斑图像质量、DIC查询窗口和位移场测量精度的影响。结果表明,不同粒径的熔融石英透明土模型产生的散斑场图像、灰度直方图明显不同;相同入射激光下,小粒径比大粒径模型获得更好质量的散斑图像。位移误差直方图显示,位移误差依赖于查询窗口尺寸和颗粒大小。通过平均灰度梯度调整查询窗口,不同粒径的透明土模型可以给出彼此相当的测量精度。数字和物理平移试验显示,由小粒径石英颗粒配置的透明土模型能够得到更高的测量精度。
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岩土工程研究
三维滑体锚固力计算方法及工程应用
卢坤林,王运敏,朱大勇,
. 2017 (2):  501-506.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.025
摘要 ( 4326 )   PDF(620KB) ( 891 )  
基于恰当的假设,构造了锚固边坡的三维滑面正应力分布,建立了一种三维滑体锚固力计算方法。首先通过类比经典土压力理论和Spencer的条间力假定,提出了条柱间作用力假设模型,并由典型条柱的平衡条件构造了滑面正应力的分布函数(含3个待定参数),再根据整个滑体的4个主要平衡条件,建立了关于3个待定参数及1个锚固力系数的线性方程组,可直接求解出预定安全系数下的锚固力系数。这种新的三维滑体锚固力计算方法的优点是计算过程简单,易于实现;满足4个主要平衡条件,精度较高。该方法已用于乌江银盘重力坝左岸边坡三维滑体的加固设计,取得了令人满意的效果,具有进一步推广应用的价值。
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高拱坝基础不对称性及其加固效果研究
宋子亨,刘耀儒,杨 强,徐建荣,何明杰,张伟狄,
. 2017 (2):  507-516.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.026
摘要 ( 1343 )   PDF(5230KB) ( 1106 )  
高拱坝工程基础地质及地形条件的不对称是威胁拱坝安全的重要问题。以白鹤滩高拱坝作为工程实例,通过地质力学模型试验重点研究基础不对称的高拱坝应力、变形及破坏模式的特点。针对初始方案和改进后方案分别建立三维数值模型,并进行弹塑性有限元超载计算。对比分析两方案坝体变形、坝肩应力分布、局部和整体稳定性等的不同,并结合试验现象,分析和评价针对基础不对称性的改进措施的加固效果及加固机制。结果表明:体形不对称性设计及基础加固的协同作用能有效改善坝体变形对称性、坝肩应力状态和传力效果,并提高拱坝-地基系统的整体稳定性。白鹤滩拱坝不对称性问题的研究对深入高拱坝设计优化和工程加固的认识具有重要意义。
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土体参数空间变异性对边坡失效模式间相关性及系统可靠度的影响
郑 栋,李典庆,曹子君,方国光,
. 2017 (2):  517-524.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.027
摘要 ( 981 )   PDF(548KB) ( 1176 )  
常用的计算失效模式间近似相关系数存在一定的误差,采用Pearson相关系数准确地表征边坡失效模式间相关性。基于近似相关系数和Pearson相关系数,研究了土体参数空间变异性对边坡失效模式间相关性、代表性失效模式数目、边坡系统失效概率上、下限3方面的影响。简要介绍了选取边坡代表性滑动面的风险聚类法以及系统失效概率上、下限的Ditlevsen双模界限公式。以单层和两层边坡为例研究了近似相关系数的适用性。结果表明:常用的近似相关系数不能考虑土体参数空间变异性对边坡失效模式间相关性的影响,而Pearson相关系数能够有效地反映土体参数空间变异性对边坡失效模式间相关性的影响。当土体参数空间变异性较弱时,近似相关系数与Pearson相关系数间差别明显,基于近似相关系数会选取过多的代表性滑动面,不能有效地反映边坡代表性破坏模式。此外,基于近似相关系数计算的边坡系统失效概率上限会超过1,系统失效概率上、下限范围很宽,使得系统失效概率上、下限失去了意义。相比之下,基于Pearson相关系数计算的边坡系统失效概率上、下限范围较窄,能够有效地反映系统失效概率变化情况。
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基于剪切行为结构面形貌特征的描述
宋磊博,江 权,李元辉,杨成祥,冉曙光,王百林,刘 挺,
. 2017 (2):  525-533.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.028
摘要 ( 1393 )   PDF(7565KB) ( 894 )  
描述岩石结构面形貌特征的一个重要作用就是为了能更好地理解结构面的剪切行为。首先,从结构面剪切具有方向性的特点出发,抓住在剪切方向上对剪切行为起关键作用的结构面形貌特征,提出描述结构面形貌特征的参数抗剪系数SC。该参数描述了在剪切方向上二维形貌的起伏特征、起伏的统计分布特征以及高度特征,并且还可以表征结构面形貌的方向性。同时,在对10条节理粗糙度系数JRC标准曲线的数字化基础上,建立了抗剪系数SC与JRC值之间的拟合关系。基于三维白光扫描技术得到的自然岩石结构面的点云数据,进一步将抗剪系数SC进行了三维化扩展,使其能够较好地描述结构面的三维形貌特征。最后,以某自然岩石结构面为算例,用三维抗剪系数SC3D度量其沿不同分析方向上的形貌特征,结果表明,抗剪系数能很好地表征结构面形貌特征的各向异性。
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基础理论与实验研究
基于数据新旧程度和预测取值区间调整的沉降组合预测方法
曹文贵,印 鹏, 贺 敏,刘 涛
. 2017 (2):  534-540.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.029
摘要 ( 934 )   PDF(411KB) ( 881 )  
工后沉降预测是建筑物地基或路基的安全性评价及其加固维护方案决策的重要依据。为此,引入组合预测思想,首先通过探讨实测沉降数据新旧程度对工后沉降预测效果的影响规律,引入新鲜度函数,建立出考虑实测沉降数据新旧程度对沉降预测影响的分析模型;其次,通过研究沉降组合预测可能取值的变化规律,引进平行修正的思路,建立出有利于提高沉降组合预测精度的组合预测可能取值区间的调整方法;然后,在此研究基础上,提出了同时考虑实测沉降数据新旧程度和组合预测可能取值区间调整,对沉降预测效果影响的改进工后沉降组合预测新方法。最后,通过工程实例计算与比较分析,表明了改进的工后沉降组合预测方法的合理性与可行性。
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岩土工程研究
开采沉陷动态预计的分段Knothe 时间函数模型优化
张 兵,崔希民,
. 2017 (2):  541-548.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.030
摘要 ( 998 )   PDF(504KB) ( 856 )  
针对分段Knothe时间函数在理论上存在的不足,为了扩展其应用范围,改善其在地表动态下沉预计时的精度,通过理论分析和对比研究,对该时间函数存在的理论缺陷进行了深入探讨,并针对存在的问题提出了相应的改进方法,进而构建了一种新的、适用范围更广、预测精度更高的分段Knothe时间函数模型。研究结果表明:该模型的构建解决了原时间函数在分段点处函数值与理论值不一致的问题以及原时间函数值最终不能收敛于1的问题;新的函数模型在应用上也摆脱了原模型对预计参数选取的某些特殊限制,扩展了利用该模型在不同地质采矿条件下进行动态预计的适用性。通过对实测数据的对比预测,证明采用该时间函数模型进行预测的精度比采用原时间函数进行预测的精度有所提高,并且地表下沉的终态预计值在达到最大下沉值后不会再随着下沉时间的增加而改变。
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地下洞室分期开挖应力扰动特征与规律研究
李建贺,盛 谦,朱泽奇,牛利敏,卞晓曼,
. 2017 (2):  549-556.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.031
摘要 ( 1125 )   PDF(600KB) ( 1411 )  
针对地下洞室开挖扰动分析中常忽略应力主轴旋转以及应力扰动无法量化的现状,以大岗山水电站地下厂房为研究实例,根据主应力方向与洞室横断面及洞轴线之间的几何关系,定义了描述应力主轴旋转的特征角。研究表明,洞室开挖引起了顶拱和边墙不同程度的应力释放和主方向旋转,围岩主应力均在开挖当期卸荷强烈,主应力方向在开挖当期和后继一个开挖期中旋转强烈,且顶拱和边墙部位主应力方向调整具有一定的共性,表现为最小主应力方向最终近似垂直于洞室开挖面,而最大主应力与中主应力方向则近似在平行于开挖面的平面内调整。在此基础上,考虑应力主轴旋转影响,定义应力扰动指标SDI作为描述洞室围岩应力场扰动程度的力学表征量,研究了大岗山水电站地下厂房围岩应力场扰动的时间演化过程和空间分布特征,并将数值模拟得到的强应力扰动区与现场测试的开挖损伤区进行了对比分析,相关认识和结论具有一定理论和工程意义。
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伊犁深厚湿陷性黄土浸水入渗及沉降变形特征分析
安 鹏,张爱军,邢义川,倪万魁,张 博,
. 2017 (2):  557-564.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.032
摘要 ( 987 )   PDF(781KB) ( 902 )  
新疆伊犁黄土原位试验实测资料非常缺乏,为了研究其浸水入渗规律和自重沉降特征,开展了原状土和重塑土的现场浸水试验研究,并对表面沉降和水分进行观测。研究表明:浸水过程中,任一点的饱和度存在明显的暂态饱和区,封闭压缩气体上收缩膜承受的孔隙气压力、孔隙水压力和进气值的短暂力学平衡是其存在的主要原因;原状土因黄土结构性和地层结构性,其沉降特征具有明显的阶段性,其可用分段函数进行描述,重塑土因结构性破坏,其变形阶段性不明显;浸水21 d,湿润锋面到达8.8 m,重塑土(S4)的沉降量为120 cm,原状土(S5)的沉降量为78 cm,前者比后者大35%;鉴于软弱土层存在应力集中,湿润锋面以上相邻饱和土变形尚未稳定时,其下非饱和土不发生增湿变形,因此,原状土沉降变形为湿润锋面以上饱和土尚未变形稳定的沉降量,小于自重湿陷量的计算值85 cm。研究结果对伊犁黄土浸水变形机制和增湿变形计算奠定了基础。
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基于统计参数的二维节理粗糙度系数非线性确定方法
王昌硕,王亮清,葛云峰,梁 烨,孙自豪,董曼曼,张 楠
. 2017 (2):  565-573.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.033
摘要 ( 1147 )   PDF(8337KB) ( 771 )  
岩体节理粗糙度系数JRC与其统计参数之间具有复杂的非线性关系,单一统计参数因存在对结构面形貌描述的片面性,从而导致JRC计算结果的可靠性较低。从结构面起伏角、起伏高度及其分布特征的角度选取了平均起伏角 、平均相对起伏度 、起伏角标准偏差 和起伏高度标准偏差 4个参数共同反映结构面形貌。以已知JRC试验反算值的102条结构面剖面线作为样本数据对支持向量机进行训练,构建JRC与所选取的统计参数之间的非线性映射关系,建立了JRC支持向量回归(SVR)预测模型,并通过Barton标准剖面线的JRC预测值与试验反算值的对比证明了模型的可靠性。以三峡库区秭归县马家沟滑坡所处地层岩体结构面为例,基于三维激光扫描试验获取了其表面形貌数据并建立了三维形貌模型,开展室内直剪试验反算得到了其JRC。实例JRC的计算结果表明,SVR模型预测结果与试验反算值的相对误差仅为4.5%,不同统计参数回归关系式对于相同剖面线的估算结果存在较大差异,表明基于所选取的统计参数,采用SVR模型预测得到的JRC更加可靠。该方法为JRC的定量确定提供了新思路。
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数值分析
季节性冻土区土钉边坡支护结构冻融反应分析
张 媛,董建华,董旭光,王永胜,
. 2017 (2):  574-582.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.034
摘要 ( 1726 )   PDF(603KB) ( 911 )  
季节性冻土区边坡支护结构往往受冻融循环作用而发生破坏,对边坡支护结构造成很大的安全隐患。结合兰州地区某实际工程,应用大型非线性有限元软件ADINA中的热-流体-固体耦合分析模块建立了季节性冻土区土钉边坡支护结构的有限元模型,开发了土体在冻胀、融沉时的本构模型,并用实测结果考证了程序的有效性。然后采用二次开发的软件分析土钉边坡支护结构在冻融循环作用下的反应特性及规律。分析结果表明:在冻融循环作用下,每层土钉钉头附近轴力值增加最大,沿土钉轴向增加值逐渐减小;轴力相对增量沿坡高逐渐增大;水平位移、坡顶地面沉降量均因冻土融化使得含水率增加而突增。研究结论可为季节性冻土地区边坡支护的设计和施工提供参考。
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地震条件下危岩崩塌运动特性的初步探讨
黄小福,张迎宾,赵兴权,余鹏程,邢 昊,张 珏,陈岩岩,
. 2017 (2):  583-592.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.035
摘要 ( 1223 )   PDF(1881KB) ( 959 )  
危岩崩塌是一种常见且破坏性极大的地质灾害,而地震是导致危岩崩塌的主要因素之一。数值模拟是研究危岩崩塌的重要手段。以概念危岩为例,运用非连续变形分析(DDA)法研究了地震荷载对危岩体崩塌块体运动特性的影响。对无地震荷载和3种不同地震荷载输入方式的4种工况进行了模拟。研究结果表明:地震荷载对危岩崩塌破坏有促进作用,不同的地震荷载输入方式对崩塌块体的运动特性有着显著的差异。从算例来看,竖向地震动对崩塌块体运动距离的影响程度甚至比水平地震动对其的影响程度更大,这与人们的传统观念不同,在今后的地震危岩崩塌防治措施设计中,应对竖向地震荷载给予足够的重视。
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基于切比雪夫谱元模型的成层场地地震反应分析
邢浩洁,李鸿晶,杨笑梅,
. 2017 (2):  593-600.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.036
摘要 ( 850 )   PDF(567KB) ( 1175 )  
将切比雪夫谱元模型应用于成层场地的一维波动分析,发展了一种具有高阶数值格式的场地地震反应时域分析方法。通过谱单元离散基岩和覆盖土体,建立各个单元的波动方程,并在基岩内设置透射人工边界,模拟底部无限域对内域波动的影响;利用切比雪夫正交多项式构造高阶单元位移模式,得到空间离散后的场地节点运动方程;利用中心差分原理,结合人工边界的数值格式,推导了一种稳定的时域积分数值方案。最后通过2个算例阐释了该方法在场地地震反应分析中的应用,并与传统方法进行了对比分析。数值试验表明,该方法具有高精度特性,在使用较少节点的条件下仍能得到较为可靠的计算结果,可显著地提高场地地震反应分析的计算效率。
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一种双重孔隙-裂隙岩体流变模型及其在地下洞室有限元分析中的应用
符贵军,张思渊,张玉军
. 2017 (2):  601-609.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.037
摘要 ( 1009 )   PDF(727KB) ( 1039 )  
用西原模型描述双重孔隙-裂隙介质的流变特性,在理论上给出了其流变参数及强度指标的确定方法,建立了瞬弹-黏弹-黏塑性平面有限元求解格式和研制了相应的计算程序。针对一个矩形地下洞室围岩为裂隙岩体和完整岩体的两种工况进行数值分析,对比了围岩中的位移、应力及塑性区。其结果显示:相比于单一介质的情况,双重介质因其变形模量、凝聚力和内摩擦角减小,故洞室围岩中随时发展的位移和塑性区有明显的增长,两种工况的围岩应力分布亦存在较大的不同,特别是双重介质围岩中最大主应力 和最小主应力 的差值较大,因此,提高了围岩破坏的可能性。
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裂纹扩展和连接过程的近场动力学数值模拟
谷新保,周小平,
. 2017 (2):  610-616.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.02.038
摘要 ( 1448 )   PDF(837KB) ( 2117 )  
利用传统应变能密度与近场动力学的应变能密度相等以及近场动力学的基本方程,推导了以状态为基础的近场动力学基本方程。引入损伤理论,对以状态为基础的近场动力学基本方程进行离散化,编制了近场动力学数值分析程序。利用近场动力学理论对经典的带孔单侧拉伸板破裂过程及双向拉伸状态下岩石裂纹扩展和连接过程进行了数值模拟,并与RFPA2D数值结果进行了对比分析。结果表明,以状态为基础的近场动力学理论不仅突破了以键为基础的近场动力学理论恒定泊松比的限制,而且不需要借助任何外部断裂准则就能很好地模拟裂纹的扩展和连接过程,相对于其他的数值模拟方法具有很大的优势,同时也给裂纹的扩展和连接的数值模拟提供了更好的思路。
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