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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3期 刊出日期:2017-03-11
基础理论与实验研究
覆盖层上混凝土-堆石混合坝模型试验研究
刘汉龙,刘彦辰,杨 贵,王建新,
. 2017 (3):  617-622.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.001
摘要 ( 2482 )   PDF(565KB) ( 876 )  
混凝土-堆石混合坝由混凝土墙、堆石以及之间的垫层和过渡层组合而成,作为一种新型结构,目前针对其受力机制及变形特性的研究较少。基于此,开展覆盖层上混凝土-堆石混合坝模型试验研究,测得填筑和蓄水期不同高度处墙体的土压力和位移,探讨混合坝的工作机制,最后根据模型试验结果提出了考虑墙体位移的修正土压力计算公式。研究结果表明:在填筑期,堆石处于主动极限状态和静止状态之间,混凝土墙受到的堆石压力较小;蓄水后,堆石接近静止状态,混凝土墙受到的堆石压力比填筑结束时刻增加了一倍左右;修正土压力公式能够较好地反映混合坝在填筑期和蓄水期土压力随墙体位移变化的规律;混凝土墙的抗滑安全系数最小值出现在填筑结束时刻,满足相关要求,说明混合坝对覆盖层有较好的适应性。
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高温对细砂岩力学性质影响机制的试验研究
苏承东,韦四江,秦本东,杨玉顺,
. 2017 (3):  623-630.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.002
摘要 ( 839 )   PDF(3770KB) ( 928 )  
为了研究高温对细砂岩力学性质的影响,对经历400 ℃~1 000 ℃高温后细砂岩试样进行X衍射、电镜扫描及单轴压缩试验,分析了高温后试样矿物成分、结构特征及力学参数与温度的相关性。结果表明:高温后细砂岩试样内矿物发生了多晶转变,经历600 ℃以内高温试样内石英含量随温度升高增加,晶体衍射强度增强,600 ℃高温试样可观察到明显熔融和重结晶现象,超过600 ℃高温后试样内石英含量随温度升高降低,晶体衍射强度减弱,裂隙数量增多,裂隙宽度和长度有所增加,裂隙可分沿颗粒边界裂隙和穿过颗粒裂隙,600 ℃约为主要矿物石英变晶的临界温度;经历400 ℃~800 ℃高温后试样的纵波波速与温度呈线性降低;经历600 ℃以内高温对试样的强度具有强化作用,超过600 ℃高温后试样强度开始弱化,600 ℃可作为试样强弱转化的阈值温度;经历400 ℃高温后试样弹性模量、变形模量随温度升高稍有增加,初始模量和峰值应变基本保持不变。超过600 ℃高温后试样的变形参数随温度升高有所降低,超过400 ℃高温后峰值应变随温度升高单调增加,高温对细砂岩试样变形参数的影响较为敏感。
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水岩作用下砂岩劣化损伤统计本构模型
邓华锋,胡安龙,李建林,张小景,胡 玉,常德龙,朱 敏
. 2017 (3):  631-639.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.003
摘要 ( 1061 )   PDF(564KB) ( 1240 )  
水库蓄水运行后,库水位反复升降变化对库岸边坡岩土体来说是一种疲劳作用,水岩作用下边坡岩体力学性质的劣化将影响整个边坡的稳定。基于此,在前期浸泡-风干循环水岩作用试验数据分析基础上,根据水岩作用过程中砂岩三轴压缩试验应力-应变曲线的特点,借助连续损伤力学和统计理论,将浸泡-风干循环水岩作用的损伤效应耦合到损伤统计本构模型中,并重点考虑了压密段的影响,分段建立了水岩作用下砂岩的统计损伤本构方程。对比分析表明,所建立的分段统计损伤本构模型计算与试验曲线符合较好,说明所建立的统计损伤本构方程可以较好地反映砂岩在浸泡-风干循环水岩作用的损伤效应,在水岩作用过程中,本构模型第2段的Weibull分布参数m和F0均逐渐减小,反映了水岩作用下砂岩脆性逐渐减弱,宏观强度逐渐降低的力学特性。研究成果对大量存在的库岸边坡长期变形稳定分析具有较好的参考价值,同时,相关分析方法也可以为类似试验提供参考。
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复杂卸荷条件下卤水流量对盐岩溶解损伤特征研究
张军伟,姜德义,陈 结 ,赵云峰,程艳飞,
. 2017 (3):  640-648.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.004
摘要 ( 811 )   PDF(664KB) ( 815 )  
为了解水溶造腔过程中盐腔围岩在应力-溶解耦合作用下的溶解损伤机制,利用高温三轴盐岩溶解特性试验机,开展了复杂卸荷条件下(即卸围压的同时增加轴压)不同卤水流量对盐岩的溶解损伤特征研究。研究发现,盐岩的应力和溶解作用相互影响,共同决定盐岩试件在卸荷溶解过程中的变化特征。表现为:卸荷过程中偏应力越大,盐岩溶出速率越大,而且出水口卤水浓度随卸荷溶解时间呈现显著的二次函数关系;盐岩在溶解作用下其力学强度降低,变形能力不断增强,而且流量越大,变化趋势越明显。通过对盐岩卸荷溶解过程中有效溶解面积构成的分析,建立了盐岩卸荷溶解作用下的有效溶解面积模型,分别得到了各有效溶解面积随溶解时间和应力水平的变化方程,并在此基础上构建了盐岩卸荷溶解损伤演化方程,为进一步开展盐岩的损伤-溶解机制研究提供了理论和试验基础。
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基于围岩相互作用的冻结壁弹塑性分析对比研究
管华栋,周晓敏
. 2017 (3):  649-655.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.005
摘要 ( 803 )   PDF(656KB) ( 756 )  
冻结壁弹塑性分析的目的并不是为了减薄冻结壁厚度,而是为可靠性设计提供参考。综述了冻结壁弹塑性分析的发展,基于“包神”公式弹性分析,开展了冻结壁弹塑性力学模型的研究,推导出了应力场和位移场解析表达式,并与不同力学模型进行了对比;分析了采用不同屈服准则时的冻结壁塑性区半径计算公式和进入临塑状态时的水平初始应力判别式。利用工程算例对比分析了不同水平初始应力下,采用不同屈服准则时冻结壁的临塑地压值、塑性区外半径和弹性区外荷载;结果表明,冻结壁临塑地压值增大32%,塑性区半径减小14.5%,冻结壁外载荷减小23.3%,为冻结壁厚度设计的可靠性分析提供了数据支持。
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含水率和干密度对黄土热参数影响的试验研究
叶万军,董西好,杨更社,陈 强,彭瑞奇,刘 宽
. 2017 (3):  656-662.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.006
摘要 ( 988 )   PDF(591KB) ( 1097 )  
黄土的热参数是黄土灾害成因机制研究及热工计算中的重要指标,而含水率和干密度对黄土的热参数具有一定的影响。对不同含水率、不同干密度黄土试样,采用Test Protocol Hot Disk TPS 2500S型热常数分析仪,在常温下开展热参数试验,探讨黄土热参数随含水率及干密度的变化规律。研究结果表明:黄土试样含水率一定时,干密度越大,其导热系数、比热容及热扩散系数也越大;黄土试样的导热系数和比热容随含水率的增大基本呈线性规律增大;当含水率较低时,热扩散系数随含水率的增大而增大;当达到一定含水率时,热扩散系数随含水率的增大而减小;继续增大含水率,热扩散系数趋于稳定。含水率对黄土热参数的影响程度大于干密度对其热参数的影响程度。在热工计算中,可根据土体含水率和干密度动态地选择热参数。
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含喉部裂隙介质CO2反应迁移的格子 Boltzmann模拟研究
田智威,谭云亮,
. 2017 (3):  663-671.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.007
摘要 ( 864 )   PDF(1577KB) ( 1460 )  
CO2地质封存是目前最经济、最可靠的CO2减排技术之一,对CO2反应迁移规律的研究具有重要的理论价值。采用Dardis多孔介质模型与已有的CO2反应迁移模型耦合,对含喉部裂隙的复杂介质中反应迁移规律进行模拟研究。速度场的模拟结果表明,裂隙内的速度明显高于基质速度,在喉部中心线位置处速度达到最大值。溶解反应主要集中于入口段及裂隙的上、下边缘附近;受喉部的影响,喉部下游的裂隙边缘几乎不发生溶解反应。反应物H+在裂隙及喉部中的浓度明显高于在基质中的浓度;而生成物Ca2+的高浓度区则出现在下游基质区中。针对不同喉部位置的情况进行对比,分析其对反应率及组分浓度的影响规律。最后对含突扩孔的裂隙介质进行了模拟,发现其提高了裂隙内的速度及组分迁移,这与喉部裂隙介质内的规律正好相反。上述结果较好地说明了本模型具有模拟研究复杂裂隙介质内的CO2反应迁移规律的能力。
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特殊应力路径下岸坡饱和土体变形特性模拟
陈 勇,杨 迎,曹 玲,
. 2017 (3):  672-677.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.008
摘要 ( 671 )   PDF(486KB) ( 725 )  
库岸边坡土体受到库水位涨落的周期性影响,其受力过程可描述为在前期固结压力范围内有效应力的多次循环加、卸载过程。通过室内应力路径三轴试验模拟土体孔隙水压力的循环加、卸载,并通过对统一硬化模型的扩展和加、卸载准则的修正,来预测土体的变形发展规律,研究结果表明:循环加、卸载过程中,土体的体积变形呈周期性弹性变化,剪应变呈螺旋上升趋势且增幅随循环次数逐渐减小;卸围压屈服阶段,土体变形呈现体积膨胀的剪胀特征和剪应变增幅加快的脆变趋势,且土体剪切变形在6%左右时即出现实测孔压骤减和峰值强度点;建立压缩曲线系数与加、卸载次数的关系,并修正超固结土的加、卸载准则,扩展后的统一硬化模型能够较好地预测特殊应力路径下岸坡饱和土体的变形特性。
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干湿循环下膨胀土基质吸力测定及其对抗剪强度影响试验研究
吴珺华,杨 松,
. 2017 (3):  678-684.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.009
摘要 ( 965 )   PDF(593KB) ( 1038 )  
采用常规直剪仪对干湿循环作用下的非饱和膨胀土进行了不排水剪切试验,获得了不同含水率试样的总应力抗剪强度指标,可采用总黏聚力和总内摩擦角来反映土体的不排水抗剪性能;采用滤纸法测定了剪切完成后试样固定剪切面的基质吸力,结合直剪试验结果建立了全吸力范围内非饱和膨胀土的抗剪强度模型,通过试验对比验证了模型的合理性。干湿循环会显著降低膨胀土的不排水抗剪强度,其中对土体总黏聚力的削弱程度远大于对总内摩擦角的削弱程度。总应力抗剪强度指标与基质吸力的对数值近似为线性关系,土体抗剪强度随着基质吸力的增加而非线性增大,增大速率逐渐减小。试验结果表明,采用常规直剪仪和滤纸法开展干湿循环条件下非饱和膨胀土的抗剪强度研究是可行的。
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地震动场地放大效应的时频特性分析
吴祚菊,张建经,王志佳,吴兴序,汪明元,
. 2017 (3):  685-965.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.010
摘要 ( 973 )   PDF(2214KB) ( 1574 )  
为了详细研究均质及复杂非均质场地中地震动的放大效应,通过大型振动台试验获得原始试验数据,再采用傅立叶变换、时频分析与分段时频分析相结合的手段,对试验数据进行分析和处理。通过对试验结果的对比分析,发现当地震动沿竖直方向传播时,不仅地震动时程曲线的峰值会随场地高度的增加而逐步放大,其频率成分含量、主频段的频谱形状,以及整体地震动能量在时频平面上的分布,均会随着场地高度及各分层介质的不同而发生较大变化。与此同时,场地表面的倾斜程度、软弱夹层的厚度等因素也均对地震动的放大效应具有显著影响。通过以上研究,得到了一系列与地震动竖向传播放大效应相关的研究规律(包括PGA峰值特性、频谱特性、时频面上能量谱的分布特性等)。
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基于PIV分析的含石量对土石混合体边坡破坏过程及模式的影响
龚 健,刘 君
. 2017 (3):  696-704.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.011
摘要 ( 908 )   PDF(2164KB) ( 978 )  
为了探明含石量对土石混合体边坡渐进破坏的影响,进行了5种不同含石量边坡的静力超载试验。在加载过程中测得作用于边坡顶部的力和位移,同时采集边坡侧面的高清图像。通过对比PIV(particle image velocimetry)分析结果与FLAC3D数值模拟结果,揭示了边坡在静力超载作用下的破坏过程,并表明PIV分析结果能够体现土石混合体中砾石对剪切带的影响。对比不同含石量边坡的PIV分析结果,发现剪切带都呈“y”型,但含石量对剪切带的发展有重要影响。随着含石量增加,一方面剪切带受砾石影响而逐渐呈现偏转和曲折的特点,并发现剪切带发展过程中的两种“绕石”模式;另一方面,边坡破坏模式从整体破坏到局部分级破坏逐渐过渡,破坏模式的转折点位于含石量30%~53%的区间内。
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灌注桩套管振动贯入引起的地面振动及隔振研究
肖勇杰,陈福全,林良庆
. 2017 (3):  705-713.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.012
摘要 ( 990 )   PDF(1520KB) ( 980 )  
随着全套管振动取土灌注桩施工工艺的发展,灌注桩在工程中的应用越来越广泛,但关于灌注桩套管振动贯入机制,特别是套管贯入引起的地面振动研究还不全面。在全面介绍了套管振动贯入全过程的有限元-无限元耦合模型的建立过程后,对套管振动贯入引起的地面振动规律及施工安全距离进行了详细研究。采用正交试验与数值模拟相结合的正交有限元法评价了各因素对施工安全距离的影响程度。研究结果表明:套管贯入过程中,地面振动主要沿水平向;在套管贯入初期,地面不会产生水平向峰值速度,当套管贯入到振动临界深度时,地面产生水平向峰值速度;地面水平向峰值速度随径向距离增大呈指数型衰减;施工安全距离随动力荷载幅值、接触面摩擦系数增大而增大,随振动频率、土体模量增大而减小。研究了隔振沟的填充材料、深度和宽度对隔振效果的影响,结果表明,无填充料的隔振沟隔振效果最好;隔振沟的宽度对隔振效果影响不大,其深度对隔振效果影响显著。
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不同沉积年代泥岩卸荷力学特性试验研究
霍 亮,周 雁,杨春和,冒海军,刘俊新,陈西磊,
. 2017 (3):  714-722.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.013
摘要 ( 720 )   PDF(1573KB) ( 853 )  
鄂西渝东地区蕴藏着丰富的油气资源,纵向主要分布有侏罗系和志留系两套泥岩盖层,区域经历的抬升剥蚀过程会导致盖层破裂,影响油气保存。选取沉积于侏罗系沙溪庙组、桐竹园组以及志留系龙马溪组的3个典型区块泥岩,开展10~50 MPa 5种围压下的三轴卸荷力学试验,探索卸荷对泥岩力学特性影响。研究表明:随卸荷围压增大,3类泥岩的卸荷效应均增强,侏罗系泥岩体现在卸荷变形增大,志留系泥岩主要体现在沿卸荷方向的侧向膨胀;对比常规三轴压缩试验中岩石破裂时的应力状态,卸荷得到的泥岩强度均上升,内摩擦角更大,泥岩侧压破裂系数呈负指数分布,随围压增大而减小,并且沉积时间短浅的泥岩在抬升剥蚀过程中更容易产生破坏;岩石破裂形态由岩石组构与应力环境共同决定,沙溪庙组泥岩的裂纹形态为单一剪切断面破坏,并且断口平缓,而桐竹园组泥岩与龙马溪组泥岩则随围压升高,由单一剪切断面向共轭剪切破坏过渡,其中桐竹园组泥岩断口平滑,龙马溪组泥岩断口则呈现锯齿状。
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非均布荷载作用下煤岩力学强度特性试验研究
王 晓,文志杰,MIKAEL Rinne,沈宝堂,谢 军,
. 2017 (3):  723-730.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.014
摘要 ( 836 )   PDF(1319KB) ( 955 )  
考虑不同初始垂向应力、不同初始水平应力及不同应力转移速度条件,借助于自主研发的采动应力试验系统,研究了非均布荷载作用下煤岩体的力学强度特性。研究结果表明:煤岩外部损伤残余块体对煤岩内部力学承载能力具有强化作用,当初始垂向应力、初始水平应力、应力转移速度一定时,煤岩内部力学承载能力近似为煤岩外部力学承载能力的2倍;伴随初始垂向应力的增加,煤岩整体后期力学承载能力不断降低,且处于不同初始垂向应力范围,煤岩内、外部后期力学强度递减特征不同,当处于较小初始垂向应力范围时,煤岩外部后期力学强度递减量大于煤岩内部,当处于较大初始垂向应力范围时,煤岩外部后期力学强度递减量小于煤岩内部;初始水平应力越大,煤岩体的力学承载能力越高,且无论较小还是较大初始水平应力范围,煤岩内部后期力学强度增量总大于煤岩外部;伴随应力转移速度的增加,煤岩峰值强度不断升高,应力转移速度对煤岩内部区域力学性质的影响相对较大。
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木质素加固黄土的工程性能试验研究
贺智强,樊恒辉,王军强,刘 刚,王中妮,余佳辉,
. 2017 (3):  731-739.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.015
摘要 ( 775 )   PDF(1118KB) ( 1202 )  
黄土的水稳性较差,遇水容易产生崩解破坏,可造成黄土地区建筑物失稳。采用无侧限抗压强度试验、湿化崩解试验、单轴拉伸试验、三轴压缩试验和渗透试验,对木质素磺酸盐固化黄土的工程性质进行试验研究,探讨木质素磺酸盐加固黄土的可行性。试验结果表明,木质素磺酸钙可以改善黄土的工程性能,而木质素磺酸钠则相反;随着木质素磺酸钙掺量的增加,固化土的抗压和抗拉强度先增加后降低;含水率越小,密度越大,则固化土的强度越大;随着养护龄期的增长,固化土的强度先增加,而后趋于稳定。黄土在掺入木质素磺酸钙后,黄土的崩解特性显著改善,在掺量为1.0%和养护龄期为7 d时,几乎不发生崩解。木质素磺酸钙掺入土体后,渗透性降低。研究表明,木质素磺酸钙可显著改善黄土的工程性能。在工程应用中,建议在黄土中掺加1.0%的木质素磺酸钙,养护7 d。结合扫描电子显微镜观察,进一步分析木质素磺酸钙对土体工程性能产生影响的作用机制。木质素磺酸钙加固黄土的机制主要在于胶结土颗粒与填充孔隙两部分。
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基于虚内键模型的三维均质岩石本构关系模拟
贾 珺,肖本林,柯长仁
. 2017 (3):  740-746.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.016
摘要 ( 1044 )   PDF(631KB) ( 889 )  
基于虚内键模型,推导出三维条件下虚内键演化函数的四阶弹性张量,对虚内键密度演化函数中的两个参数进行研究,建立单轴压缩下岩石数值模型,得出两参数对岩石应力-应变全过程曲线影响的一般性规律,实现对均质大理岩试样应力-应变全过程曲线的数值模拟。数值结果表明,基于虚内键模型的均质岩石应力-应变全过程曲线与力学试验结果较为吻合。从而证明了用虚内键模型探讨岩石材料本构关系的适用性与可行性,为研究岩石本构关系提供了一个新思路。
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变截面螺纹桩竖向承载特性试验研究
周 杨,肖世国,徐 骏,胡亚运,
. 2017 (3):  747-754.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.017
摘要 ( 1010 )   PDF(991KB) ( 869 )  
变截面螺纹桩是一种新型地基处理桩型。通过室内模型试验和数值模拟,研究了变截面螺纹桩的竖向承载特性,比较分析了变截面螺纹桩与普通螺纹直桩和普通圆柱形光面直桩承载特性的差异,以及螺纹结构参数和地基土体参数对变截面螺纹桩竖向承载能力的影响规律。结果表明,变截面螺纹桩的螺纹结构及圆台形桩身能大幅度提高侧摩阻力;相同地层条件下,变截面螺纹桩桩身材料利用率(极限荷载除以桩身体积)是普通等截面螺纹桩的1.3倍左右,是普通圆柱形光面直桩的3倍左右;变截面螺纹桩的结构参数中,螺纹宽度、厚度、间距及桩身截面变化率是影响单桩竖向承载力的重要因素,在工程设计中应予以充分考虑。
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功能组分对固化土早期强度的影响研究
刘晋铭,欧忠文,肖寒冰,莫金川,杨康辉
. 2017 (3):  755-761.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.018
摘要 ( 854 )   PDF(4624KB) ( 801 )  
根据红黏土的特点,为解决其固化土早期强度低、水稳定性差等问题,提出了使用膨胀组分、早强组分、减薄双电层结构组分、防水组分等功能组分来提高硫铝酸盐水泥固化土的早期强度。通过单掺试验,优选出了硬脂酸铝、三乙醇胺、Fe(NO3)3和石膏作为土壤固化材料的功能组分,并通过正交试验,确定了功能组分的最优配方。在该配方下,固化土的7 d无侧限抗压强度达到了8.60 MPa。利用XRD、SEM等微观表征,对比分析了掺入功能组分前、后固化土的矿物组成以及微观形貌结构变化,结果表明:适量的功能组分掺入有利于高强、难溶具有膨胀性的矿物晶体生成,从而提高固化土早期强度,但功能组分掺量过高,由于矿物晶体过多膨胀作用以及憎水膜的阻碍作用,改变了固化土的联结方式,使其早期强度降低。
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基于变分不等式的地下洞室渗流边界模拟
邓高阳,肖 明,陈俊涛
. 2017 (3):  762-768.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.019
摘要 ( 744 )   PDF(1416KB) ( 989 )  
Signorini型变分不等式在求解有出渗点的渗流自由面问题时,消除了出渗点的奇性,克服了网格的依赖性。在迭代求解过程中多采用约束迭代法,这种数学约束比较严格,对于自由面穿过的单元计算不容易收敛,会造成结果在两种解中震荡。笔者在变分不等式的基础上修改了迭代公式,对数学约束进行了修改,建立了变带宽的迭代方法。通过修改迭代算法提高了Signorini型变分不等式方法的数值稳定性,同时减少了迭代时间。地下厂房开挖后地下水会从洞室的边墙渗出,临界出渗点的确定对分析渗漏量和排水孔效果起到关键作用。通过对工程中开挖边界和排水孔边界的渗流计算模拟分析,证明了改进迭代算法后的Signorini型变分不等式在复杂非线性强的三维渗流计算中收敛性较好。
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基于统一强度理论的冻结壁弹塑性应力分析
曹雪叶,赵均海,张常光
. 2017 (3):  769-774.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.020
摘要 ( 917 )   PDF(456KB) ( 857 )  
将冻结壁等效为弹性模量、黏聚力呈抛物线分布的功能梯度材料(FGM)厚壁圆筒,基于统一强度理论,考虑中间主应力的影响,推导得到冻结壁的弹性极限荷载、弹塑性应力场及塑性极限荷载的解析解。将所得结果与均质冻结壁进行比较,并分析强度理论参数对各个解析解的影响。研究结果表明:考虑冻结壁的FGM特性,应力分布较均质冻结壁有一定的变化,环向应力由线性分布变为抛物线型分布;环向应力的最大值不再出现在冻结壁的内壁或外壁,而是出现在冻结壁厚度的中部;与均质冻结壁相比,FGM冻结壁的弹性极限荷载较大,但塑性极限荷载却较小;FGM冻结壁的弹性极限荷载、塑性极限荷载、径向应力及环向应力均随强度理论参数的增大而增大。所得结果可为冻结壁的设计提供一定的理论参考。
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组合支挡结构加固边坡地震位移松弛区确定方法研究
范 刚,张建经,
. 2017 (3):  775-783.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.021
摘要 ( 653 )   PDF(1493KB) ( 771 )  
利用大型振动台试验对组合支挡结构加固边坡的地震位移松弛区进行研究,提出了位移松弛区边界线的确定方法。选取位移限定值,依次连接不同高程位置处位移曲线上位移限定值对应点,构成位移松弛区的边界线。研究结果发现,随着输入地震波强度的增大,边坡的位移松弛区范围逐渐增大;组合支挡结构作用下,边坡位移响应由表及里逐渐减弱;边坡位移时程峰值出现时间稍晚于输入地震波时程的峰值出现时间;边坡相对高度0.368至坡顶具有位移协调性,表现为位移时程峰值出现时间接近,且均早于坡脚部位。其研究成果对认识边坡的地震位移松弛区及优化组合支挡结构设计具有指导意义。
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岩土工程研究
玄武岩力学参数的随机性统计与概率分布估计
江 权,崔 洁,冯夏庭,刘国锋,王百林,刘 挺,吕勇刚,
. 2017 (3):  784-792.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.022
摘要 ( 763 )   PDF(2115KB) ( 1420 )  
充分认识岩石力学参数的随机性和合理评估其概率分布特征是客观评价岩石工程稳定性的基础。以白鹤滩大型水电站的斜斑玄武岩和杏仁玄武岩为研究对象,对各约50个试样进行单轴压缩试验获得大量全应力-应变曲线。采用统计分析和假设检验的方法,研究了两种玄武岩的特征强度、变形参数、特征应变和破裂面角度的随机分布特征和最优的概率密度函数形式。分析结果揭示:离散性是玄武岩的固有属性,只有一定数量的多次重复试验才能可靠地评估其基本力学特性;两种玄武岩的特征强度、变形参数、特征应变和破裂面角度的最优概率分布形式并不一致,分别为正态分布、对数正态分布、Weibull分布和Weibull分布。该试验的统计分析结果可为深入认识火成岩的变形破坏规律和工程安全可靠度或失效概率研究提供试验数据支撑。
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深井高应力软岩沿空留巷围岩破坏机制及控制
武精科,阚甲广,谢生荣,谢福星,陈冬冬,
. 2017 (3):  793-800.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.023
摘要 ( 804 )   PDF(1129KB) ( 1088 )  
针对深井高应力软岩沿空留巷围岩大变形难题,通过现场调研、理论分析和相似模拟试验,分析了围岩特性、支护结构破坏形式及其破坏演化过程,并对围岩破坏机制和围岩控制技术进行了深入系统研究。结果表明:厚层泥岩低强度、软化吸水膨胀及其在强采动高应力状态下碎裂扩容、长期蠕变是围岩大变形的诱因;围岩变形破坏相对于巷道横截面铅垂和水平方向呈明显不对称状态;原有围岩支护系统没有形成一个完整承载结构,使支护体被各个击破,围岩破坏顺序:充填区域顶板破碎→充填体偏心受载压裂片落→巷内顶板急剧倾斜下沉→实体煤帮外鼓片帮,最终导致围岩失稳;提出顶板分区耦合支护和以充填区域顶板为关键纽带的“四位一体”围岩控制技术,该技术能够提高巷道整体稳定性,避免围岩局部破坏造成的支护结构失稳,保障巷道安全畅通。
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基于上限原理的两种岩溶隧道岩墙厚度计算方法
杨子汉,杨小礼,许敬叔,李永鑫,孙志彬,
. 2017 (3):  801-809.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.024
摘要 ( 1231 )   PDF(996KB) ( 748 )  
岩溶隧道掌子面附近的高压富水溶腔易造成突水、突泥地质灾害,在施工中确定合适的岩墙厚度是一个亟待解决的技术问题。基于极限分析上限原理提出了两种新的岩墙厚度计算思路,即线性Mohr-Coulomb准则方法与非线性Hoek-Brown准则方法。根据构建的相应三维破坏模式,推导演绎了计算步骤,最终得到了这两种方法的岩墙厚度表达式。采用线性Mohr-Coulomb方法计算了Ⅰ~Ⅴ级围岩下的岩墙安全厚度。结果表明:随着围岩等级的逐级降低,即黏聚力、内摩擦角的减小,岩墙厚度在不断增大。对于非线性Hoek-Brown方法则分析了各个参数对岩墙厚度的影响,并根据计算结果绘制了岩墙的破坏形状与范围;同时,给出了Hoek-Brown常数A、B的建议取值,即围岩Ⅰ至Ⅵ级、岩性条件从好至坏,分别建议A取0.5~0.3,B取0.7~0.9。应用这两种方法分别计算了宜万铁路云雾山隧道与野三关隧道溶腔的预留岩墙厚度,与工程实际吻合良好,从而验证了方法的可行性。这两种计算方法可为今后高风险岩溶地区隧道的设计与施工提供参考。
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隧道锚围岩抗拔机制及抗拔力计算模式初步研究
张奇华,李玉婕,余美万,罗 荣,邬爱清
. 2017 (3):  810-820.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.025
摘要 ( 943 )   PDF(2770KB) ( 831 )  
在普立特大桥隧道锚现场模型试验的基础上,采用数值模拟技术揭示了隧道锚围岩变形破坏过程:围岩破坏面从锚体底部与围岩接触面附近启裂,并逐渐向外呈圆台状扩散,破坏形式为拉剪破坏。并且,锚体前部临空岩体被拱出而发生拉破坏。破坏面上的应力分布随着拉拔荷载增大而发生复杂变化。基于此,通过在破坏面上建立力的平衡关系,提出了隧道锚围岩抗拔力计算模式。该计算模式与现有文献不同,体现了夹持效应以及破坏面上的复杂应力变化。破坏面上的应力分布需要通过模型试验和数值模拟论证得到。今后,在针对不同强度、不同结构特征的岩体进行全面试验分析的基础上,可以对破坏面形态和应力大小进行取值建议。采用该模式验证了试验结果,估算得到大桥原型锚碇的极限抗拔力非常大。目前隧道锚设计普遍偏于保守,隧道锚在中、软岩中仍然可以使用。讨论了破坏面形态特征可能的变化、岩体结构特征对抗拔力的影响等问题。
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基于双因素时间函数的松散地层条件下地表点动态沉降预计
孙 闯,徐乃忠,刘义新,刘 贵,高 超,
. 2017 (3):  821-826.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.026
摘要 ( 542 )   PDF(733KB) ( 880 )  
通过分析松散地层条件下地表点沉降规律和Knothe 时间函数模型在预测松散地层条件下的不足,在原时间函数中增加了表达松散地层下沉的时间影响参数c2,构成了双因素时间函数模型;理论分析结果表明,双因素时间函数模型具有收敛慢,对参数值变化适应性强的特点,但并不完全符合地表点动态下沉的全过程;为此结合双因素时间函数的特点对其进行改进,并在薄松散、厚松散和特厚松散地层3种不同条件下对改进后的双因素时间函数进行了验证计算。结果表明:改进后的双因素时间函数能较好的预测赋存不同厚度松散地层条件下地表点的动态沉降全过程。研究成果可为“三下”采煤提供参考。
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基于Info-gap理论的支护围岩稳健可靠性分析
司天琪,苏永华,肖 旺
. 2017 (3):  827-832.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.027
摘要 ( 676 )   PDF(436KB) ( 1007 )  
围岩支护结构稳定性是地下结构设计的关键。针对深部隧道围岩参数信息统计不足,引入Information-gap理论,建立支护围岩结构非概率可靠性分析方法。给出了无量纲不确定水平参数的Info-gap模型,根据系统模型和性能要求得到可靠度分析的稳健函数,并将结构发生失效前能够容许的不确定参量的最大波动幅值作为稳健可靠度指标。结合剪切滑移线场理论,推导了均质弹塑性围岩最优支护阻力,建立围岩支护结构稳定分析的响应函数。实例工程展示了稳健可靠度分析的具体操作程序。参数分析表明,支护阻力越大,结构越稳健性;同时,提高巷道围岩的内摩擦角和黏聚力是增加支护结构稳健性的关键。该方法在参数信息少、样本数据有限情况下,是处理不确定问题的一种合理有效方法。
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基于连续速度场的基坑抗隆起稳定性上限分析
唐 震,黄茂松,袁聚云,
. 2017 (3):  833-839.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.028
摘要 ( 780 )   PDF(1030KB) ( 750 )  
传统的基坑抗隆起稳定分析上限法的变形机构在用于饱和黏土基坑时,往往不符合基坑的真实变形。根据软土地区基坑开挖引起的地表沉降曲线,构造了饱和黏土基坑抗隆起稳定性上限分析的变形机构和运动许可速度场,变形机构内部的土体作为连续变形体,且在边界处没有明显的破坏面。提出了一种新的基于上限法的基坑抗隆起稳定性分析方法,该方法采用的变形机构更符合实际的基坑变形,而且可以考虑支护结构入土深度对基坑隆起变形的影响。结合算例与工程实例,并与基于Terzaghi机构和Prandtl机构的上限法、多块体上限法进行对比,验证了本方法的合理性与适用性。
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基坑圆环支撑体系水平刚度系数计算方法研究
王春艳,张方涛,马 郧,康安栋,徐光黎,李 松,
. 2017 (3):  840-846.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.029
摘要 ( 1070 )   PDF(1263KB) ( 1415 )  
由受力根据刚度分配的原则,引入受力分配系数,对圆环支撑体系水平刚度系数的计算进行了解析式的推导,提出了圆环支撑体系水平刚度系数的简易计算方法,并给出了解析式的修正式。并以某超深基坑圆环支撑体系为例,应用所提出的公式计算该圆环支撑体系的水平刚度系数,并与三维有限元分析结果进行对比,同时分析了不同封闭环梁、发射梁对水平刚度的影响,结果表明:二者误差较小,圆环支撑体系水平刚度主要由受力杆件封闭环梁决定,与发射梁等传力杆件关系不大,依据所提出的解析式进行计算,结果精确且简单易行,可为基坑圆环支撑体系水平刚度系数的取值提供依据。
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二维土层地震反应分析的时域等效线性化解法
杨笑梅,赖强林
. 2017 (3):  847-856.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.030
摘要 ( 917 )   PDF(633KB) ( 1134 )  
考虑非线性特征的局部复杂场地地震反应分析,一直是工程场地地震动预测中需解决的关键问题。借鉴目前一维成层场地地震反应分析中广泛使用的频域等效线性化思想,将其推广至时域及二维问题,提出了可用于考虑非线性特征的时域显式有限元方法,适用于复杂工程场地地震反应分析。本方法内域主要采用可实现显式算法的低阶有限元格式,人工边界处采用与显式算法相匹配的透射边界模拟无限域,单元内先通过求取平面应变状态下的最大切应变替代一维模型中的最大切应变,再依据整个时间过程的切应变求取等效切应变。每次整体求解采用时域中心差分的递推过程,并通过迭代完成非线性特征分析。为了验证本方法,选取水平成层场地及二维盆地两个典型场地模型进行模拟分析,将计算结果与传统的一维等效线性化模型及二维差分非线性计算结果做了对比,计算结果显示本文解与参考解非常吻合,证明了本文方法的可靠性。进一步采用该方法对美国Turkey Flat试验场地进行地表地震动模拟,计算结果与应用广泛的一维等效线性化模型及实测记录比较,探讨该方法的可靠性及与现有分析模型的差异,并阐述了非线性特征对地震动影响的规律。
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软土地区盾构施工参数对土体位移影响的滞后性试验研究
刘树佳,白廷辉,廖少明,陈立生,
. 2017 (3):  857-865.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.031
摘要 ( 1027 )   PDF(608KB) ( 875 )  
由于软土地区深部地层超孔隙水压等因素存在,调整盾构参数对土体位移的影响往往具有一定的滞后性,该时段施工参数调整效应并不完全发生在当前时段,更多影响该断面土体的后期位移。在上海软土地区盾构施工现场设置两相同断面监测土体位移,在盾构施工不同阶段调整关键施工参数,分析各参数对土体位移扰动的时效性。在盾构靠近监测断面前调整土仓压力,穿越断面时调整掘进速度,在盾尾脱出时调整注浆量。通过监测数据以及关联系数时间效应分析得知,在盾构穿越断面时土体位移受前期调整的土仓压力的扰动影响,盾尾脱出时的土体位移体现穿越断面掘进速度所引起挤土效应改变,而后期固结阶段土体位移量体现出盾尾脱出时注浆量增大所带来稳定控制效应。因此,施工时不仅需关注当前土体变形,还应对参数调整后土体变形趋势预测给以足够重视,以避免因忽略滞后效应而导致事故发生。
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数值分析
3D GIS与有限元模拟无缝耦合方法及其在隧道工程中的应用研究
刘振平,刘 建,何雨微,贺怀建,卞 康,
. 2017 (3):  866-874.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.032
摘要 ( 1132 )   PDF(1665KB) ( 1400 )  
为实现数值模拟获得的各种场数据与GIS空间信息的综合集成,有必要对GIS中融合有限元数值计算的方法开展研究。本文采用GRASS GIS、VTK等开源软件,通过Python语言建立了GIS与有限元模拟的复合系统开发框架,针对隧道开挖编写了3DGIS与有限元数值计算无缝耦合分析程序(3DPyGisTFEM)。给出了由中心线上多条轮廓线生成隧道模型的算法,提出了对各地层DEM与隧道模型进行剖切运算获得隧道开挖地质剖面的方法。引入Delaunay网格剖分算法,对GIS中TIN模型不断改良,获得了适合有限元模拟的地质剖面三角形网格。基于多个剖面计算结果,运用插值手段,形成研究区域场数据,结合GIS空间分析方法,对场数据分布规律进行综合分析,实现了GIS与有限元的无缝耦合。黄家寨隧道工程实例表明,相对坡度、隧道中心线缓冲区等因素,地表距隧道拱顶高差的空间分布特征与地表沉降规律相关性更强。
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一种基于强度折减法的刚性桩复合地基整体稳定性评价方法研究
闫 超,刘松玉,邓永锋,
. 2017 (3):  875-882.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.033
摘要 ( 831 )   PDF(1314KB) ( 917 )  
当前在评价复合地基稳定性时通常采用极限平衡法进行分析,即采用复合地基理论,把刚性桩的黏结力和摩擦角等效为地基整体的黏聚力和内摩擦角,然后采用圆弧条分法计算其整体安全系数。显然,该计算方法假定了桩体与土体皆发生剪切破坏。但相关研究成果表明,群桩中存在多种破坏模式,单纯采用剪切破坏模式计算出的安全系数可能偏安全。从刚性群桩的实际破坏模式出发,提出一种适用于刚性桩破坏特征的强度折减法,即通过强度折减法搜索复合地基系统的临界状态时,刚性桩的破坏模式应符合实际破坏情况。同时,根据刚性桩的变形破坏特征,探讨强度折减法临界状态判别方法,通过算例比较只折减抗剪切强度参数和笔者所提方法的差异,验证了本文方法的可行性和合理性。
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一种模拟堆石料的二维多边形离散单元法及程序
罗 滔,OOI E T,CHAN A H C,傅少君,
. 2017 (3):  883-892.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.034
摘要 ( 909 )   PDF(1343KB) ( 863 )  
在考虑堆石料真实颗粒形状的基础上,将每个颗粒用一个多边形离散单元表示,基于一种线性搜索算法对多边形-多边形之间的接触详情进行检索计算,引入基于势能原理的法向多边形-多边形接触模型及切向库仑摩擦模型,形成了一种多边形离散元计算方法,并开发了相应的PDEM程序。可以从颗粒尺度层面展示颗粒之间的相互作用以及每个颗粒的位移和转动,帮助进一步揭示颗粒的细观特性(形状、大小、材料特性等)对堆石料的宏观强度和变形的影响。最后采用PDEM程序对某粗粒料的二维模型试验进行了数值模拟,得到了与室内试验一致的应力变形规律,展现了其方法和程序用于研究堆石料的有效性。
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模拟月壤抗剪强度试验研究及离散元分析
林呈祥,凌道盛,钟世英,
. 2017 (3):  893-901.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.035
摘要 ( 973 )   PDF(4747KB) ( 1514 )  
模拟月壤作为探月工程模型试验的基床材料,其力学特性将直接影响到月球探测器、着陆器等机构的设计,而抗剪强度是其主要力学特性之一。针对软着陆模型试验所用的TJ-1模拟月壤,采用标准应力路径三轴仪对其进行静三轴试验,得到了不同相对密度、剪切速率和围压条件下模拟月壤的应力-应变关系曲线、弹性模量和抗剪强度指标值等,试验结果表明:模拟月壤具有应变软化特征并存在一定大小的表观黏聚力,峰值内摩擦角的值介于43°~51°之间;相对密度越大,应变软化特征越明显,黏聚力和内摩擦角的值都越大;在密实状态时,剪切速率越大,模拟月壤的抗剪强度指标值呈整体下降的趋势。利用PFC3D软件建立三轴试验数值模型,研究了颗粒间摩擦系数、初始孔隙率以及颗粒刚度这3个细观参数对模拟月壤抗剪强度的影响,模拟结果表明:颗粒间摩擦系数是影响抗剪强度指标内摩擦角的主要因素,而初始孔隙率及颗粒刚度的影响则相对不明显;在一定数值范围内,颗粒间摩擦系数越大,内摩擦角的值越大,两者近似呈线性关系。
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一种改进的二维DDA接触查找方法
余鹏程,张迎宾,赵兴权,黄小福,
. 2017 (3):  902-910.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.036
摘要 ( 1380 )   PDF(1234KB) ( 1143 )  
非连续变形分析(discontinuous deformation analysis,DDA)方法在处理非连续变形问题中具有显著的优越性,但由于需要处理接触并进行开闭迭代,计算量较大。为了提高DDA方法中接触查找部分的计算效率,并保持较高的精确度,通过改变距离准则下的接触查找方式,提出了改进的接触查找算法。在接触查找前增加预判,减少需要判断的角点数目,并区分两种类型的角-边接触,将对这两种角-边接触的查找分配到不同循环体中,改造了距离准则下的接触查找逻辑。通过两个计算模型来验证改进后程序的准确性和高效性,模型1用来检验程序在各种接触条件下的计算结果,计算结果表明,改进后的程序精确度可以满足;模型2采用东河口滑坡模型,计算结果表明,在保证计算结果精度的前提下,改进后程序的计算效率可提高10%左右。
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测试技术
特征点压缩算法在分布式光纤桩基检测中的应用
苗鹏勇,王宝军,施 斌,张其琪
. 2017 (3):  911-917.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.037
摘要 ( 919 )   PDF(1580KB) ( 752 )  
布里渊散射光时域反射测量技术(BOTDR/A)是一种重要的分布式光纤感测技术。采用BOTDR/A技术进行分布式光纤桩基检测时,海量的检测数据需要平滑去噪。介绍了分布式光纤桩基检测中最常用的感测光纤埋设工艺、海量检测数据的特点、平滑去噪在检测数据处理分析方面的作用,并据此提出了特征点压缩算法(一种新的平滑去噪方法)的概念和实现流程;结合工程实测数据,分析了该法的平滑去噪效果,验证了该法的实际应用情况。研究结果表明:该方法用于桩基检测数据处理是十分有效的,与常规算法对比,该方法简单高效,能够在不丢失检测数据特征趋势的同时对数据进行较好的平滑去噪,实际应用达到了满意的效果,其结果可在分布式光纤桩基检测的数据处理中推广应用。
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岩石动态扰动伺服三轴试验系统的研制与应用
陈 旭,张俊文,
. 2017 (3):  918-924.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.03.038
摘要 ( 876 )   PDF(989KB) ( 1323 )  
详细地介绍了自行研制的岩石动态扰动伺服三轴试验系统,该试验系统具有在常规三轴试验的同时进行动态扰动的功能。试验系统主要由轴向加载系统、围压加载系统、动态扰动加载系统和数据采集系统构成,试验系统能达到的最大轴向荷载为2 000 kN,最大围压为70 MPa,所能施加的最大扰动荷载为300 kN,扰动荷载的最高频率可达到70 Hz。运用所研制的试验系统,对大理岩进行了一组单轴压缩过程中的动态扰动试验。试验结果表明:当扰动荷载频率相同时,振幅越大,扰动至岩样破坏时经历的时间越短;反之,振幅越小,扰动至破坏时经历的时间越长。从破坏模式来看,扰动力作用下大理岩破坏较为散碎,扰动荷载振幅越小,散碎程度越高。试验机系统稳定、可靠性较高,该试验系统值得在进行深部岩石力学性质研究中推广应用。
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