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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10期 刊出日期:2017-10-10
基础理论与实验研究
不同加载速率下岩石变形场演化试验研究
宋义敏,邢同振,邓琳琳,赵泽鑫
. 2017 (10):  2773-2779.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.001
摘要 ( 740 )   PDF(807KB) ( 942 )  
开展不同加载速率条件下岩石变形场演化特征的试验研究,对岩石安全施工及岩石工程灾害预测预警等具有重要意义。通过不同加载速率下红砂岩单轴压缩试验,在以数字散斑相关方法分析试件变形场的基础上,对加载速率与岩石变形局部化演化特征、泊松比变化及能量积累和释放特征的对应关系进行分析。结果表明:随着加载速率的增加,岩石试件的峰值强度及脆性呈增加趋势。加载速率越大岩石试件的变形局部化启动应力越接近强度峰值,且变形局部化启动时对应的应力量值总体上呈增加的趋势。在不同量级加载速率下岩石试件泊松比量值差别明显,总体趋势表现为:在岩石试件变形局部化启动前,随着加载速率增加,岩石试件泊松比减小;在岩石试件变形局部化阶段,随着加载速率增加,岩石试件泊松比增大。在能量积累阶段,岩石试件最大变形能密度随加载速率增加而增大;在能量释放过程中,岩石试件能量释放速率随着加载速率增加而增大。
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特大断面浅埋暗挖隧道十字岩柱开挖技术模型试验研究
刘泉声,彭星新,雷广峰,王俊涛,张 静,肖龙鸽4
. 2017 (10):  2780-2788.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.002
摘要 ( 880 )   PDF(932KB) ( 795 )  
特大断面浅埋暗挖隧道是一种新型隧道,目前尚无相应的设计施工技术规范与标准可循。以重庆市轨道交通3号线红旗河沟车站隧道为工程背景,结合以前施工方法的优缺点,提出了一种新的施工方法十字岩柱法。为了解这种施工方法在施工过程中隧道围岩位移和应力的变化情况,采用地质力学模型试验方法进行研究。试验对监测断面的位移和应力进行系统监测,全方位地了解各开挖步隧道围岩各处的应力与位移变化情况。选取工程背景现场的地质参数,采用ABAQUS软件建立数值分析模型,将数值计算与试验实测结果进行对比,两者的位移与应力变化规律基本一致,这表明模型试验实测的数据比较准确地揭示了隧道围岩位移及应力变化规律。其研究工作可对今后类似工程的施工提供经验和指导。
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软-硬自然节理的改进JRC-JCS剪切强度公式
宋磊博,江 权,李元辉,杨成祥,刘 畅,杨 冰,李邵军,
. 2017 (10):  2789-2798.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.003
摘要 ( 731 )   PDF(1525KB) ( 803 )  
借助三维白光扫描技术和3D打印技术,浇筑了若干块含相同自然节理面、上下盘壁面强度不同的吻合软-硬节理混凝土试块,并对其进行了不同常法向应力下的剪切试验。试验表明,试件的剪胀程度随着节理壁面强度系数 值的增大而增大,剪切强度随着 值的增大而减小。同时,研究表明,对于软-硬节理,在剪切过程中,软-硬节理两侧都发生了破坏,节理的等效壁面强度JCS等效受壁面强度系数 的影响,相对于硬节理侧,较软节理侧对等效壁面强度JCS等效的贡献更大,并且这种趋势随壁面强度系数 的增大而增强,这也是JRC-JCS(节理粗糙系数-节理壁面强度)强度公式预测软-硬节理强度时具有一定局限性的原因。根据以上分析,以较软节理侧的壁面强度JCS软为基准,建立了关于壁面强度系数 的修正关系函数f( )来确定软-硬节理的等效壁面强度JCS等效,进而提出了考虑软-硬节理不同壁面强度组合类型的修正JRC-JCS剪切强度公式,该新公式是对现有的JRC-JCS强度公式的完善。
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非饱和黏土状态相关本构模型的数值实现
李 舰,韦昌富,刘 艳,
. 2017 (10):  2799-2808.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.004
摘要 ( 661 )   PDF(816KB) ( 766 )  
基于双重塑性机制,即剪切滑移和加载湿陷机制,及毛细滞回和变形间的耦合作用,提出了一个适用于非饱和黏土的状态相关本构模型。建立了该模型的隐式积分算法,并处理了双重固相屈服面交点处的应力积分问题。考虑了吸力与应力间的关系,推导了本构关系的一致性切线模量。最后,利用该模型预测了一组非饱和黏土的三轴试验,以此反映模型的描述能力;对比了不同应变步长下应变控制试验的计算结果,并以此验证算法的收敛性和准确性;利用有限元程序平台U_DYSAC2计算了二维情况下非饱和土地区地基固结问题,从而验证所得一致性切线模量的有效性。
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上海淤泥质黏土固结蠕变过程中结合水与微结构的变化
李 硕,王常明,吴 谦,张志敏,张兆楠,
. 2017 (10):  2809-2816.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.005
摘要 ( 578 )   PDF(770KB) ( 1145 )  
为深入了解软土蠕变机制,开展了上海淤泥质黏土的一维固结蠕变试验、结合水测试试验和扫描电镜(SEM)试验,定量分析了固结蠕变过程中结合水和微结构的分阶段变化规律。结果表明:p?k后,渗透结合水逐渐转化为自由水排出,蠕变变形和等速蠕变率明显增大。蠕变过程由渗透结合水主导,随着结合水排出土的结构逐渐固化,含水率随荷载增加呈指数型衰减,存在固结-蠕变耦合效应。松散的骨架-絮凝结构演变为紧密的团聚-絮凝结构,颗粒在经历了蠕变调整之后定向性降低,小孔隙数量大量增加,孔径<1 μm的小孔隙组占优。存在荷载、结合水与颗粒的响应机制,其结果可以较好地解释工程现象。
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考虑三维波动的饱和土中管桩群桩的水平振动研究
刘林超,闫启方,闫 盼
. 2017 (10):  2817-2825.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.006
摘要 ( 506 )   PDF(727KB) ( 985 )  
考虑桩周饱和土和桩芯饱和土的三维波动效应研究了饱和土中管桩群桩的水平振动,得到了管桩群桩的水平动力阻抗。将桩周土和桩芯土视为两相饱和土,并利用多孔介质理论来描述其力学特性。运用数学物理手段求得了桩周饱和土和桩芯饱和土的水平动力阻抗。运用波的传播理论和叠加原理,同时考虑边界条件和三角函数的正交性,求得了管桩群桩中任一根管桩的水平作用力。考虑刚性承台处管桩桩顶位移协调条件和桩顶水平作用力平衡条件,得到了饱和土中管桩群桩的水平动力阻抗。以2×2管桩群桩为例分析和讨论了有关物理参量对饱和土中管桩群桩水平振动特性的影响。研究结果表明:实芯群桩与管桩群桩的水平动力阻抗都存在一定的差异,频率较小时需要考虑桩芯饱和土与桩周饱和土性质的差异对管桩水平动力阻抗的影响,管桩长径比和管桩壁厚对饱和土中管桩群桩水平振动的影响较大,在实际工程设计中需要重点考虑桩身尺寸。
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分段锚预应力锚杆加固围岩力学分析
顾士坦,胡成成,戴华宾,严超超,
. 2017 (10):  2826-2832.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.007
摘要 ( 479 )   PDF(625KB) ( 855 )  
基于端锚锚杆支护的优越性和围岩破坏分区及破坏深度逐步向深部发展的规律,针对煤矿深部巷道采用加长或全长锚固锚杆支护时,锚杆的锚固段整体受力不均,抗剪切承载能力低,而端锚锚杆无法适应其大变形缺点的问题,建立了两段锚预应力锚杆支护模型。运用理论计算和数值模拟的手段研究了两段锚预应力锚杆锚固段的受力特征和承载能力,并进行了算例对比分析。结果表明:两段锚分区锚固的支护方式明显改变了加长或全长锚固锚杆锚固段的剪应力曲线变化趋势,使原本呈负指数变化趋势的剪应力曲线变得平缓,提高了锚杆锚固段的剪切承载能力;在相同预紧力作用下,与端锚锚杆相比,明显降低了锚杆锚固段的荷载和剪切应力;在不同预紧力下,两段锚预应力锚杆的两锚固段可分别起到围岩不同变形时期端锚锚杆的支护作用,继续发挥端锚支护的优越性。
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吕梁山压实花岗岩风化土的强度特性及本构模型
牛玺荣,姚仰平,陈忠达,
. 2017 (10):  2833-2840.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.008
摘要 ( 702 )   PDF(761KB) ( 869 )  
吕梁山花岗岩风化土与长江以南的花岗岩风化土具有较大差异。为了全面认识花岗岩风化土的力学性状,并为合理评价山区路基填料的工程性质提供依据,通过常规物理力学试验和大三轴试验,评价了吕梁山压实花岗岩风化土的基本物理特性和强度特性,发现所研究风化土在较低围压下即表现出颗粒破碎特性。参照既有研究成果,修正了花岗岩风化土峰值应力比Mf和状态应力比Mc的关系,确定了吕梁山压实花岗岩风化土的弹塑性本构模型。基于等向压缩-卸载试验与初始剪切的连续性假定,结合邓肯-张模型,最终获得了修正强度条件下风化土本构关系的所有模型参数。通过比较计算和试验结果,验证了峰值应力比与状态应力比的乘积为平均主应力的幂函数关系的合理性。
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含层理砂岩热膨胀系数的试验研究
刘海涛,周 辉,胡大伟,张传庆,渠成堃,汤艳春,
. 2017 (10):  2841-2846.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.009
摘要 ( 840 )   PDF(880KB) ( 754 )  
在放射性核废料处置、地热能源开采以及地下油气储存等工程中,热量的传递将会在很大程度上改变岩土材料的力学性质,因此,岩土体及缓冲材料的热力学参数,包括热传导系数、热膨胀系数、比热容对工程设计以及安全性评价有着至关重要的作用。利用自主研制的岩石膨胀系数测试仪对含层理砂岩进行了热膨胀系数试验,研究了岩石轴向和径向热膨胀系数的变化规律,结果表明:对于含水平层理岩样,随着温度的变化,当膨胀均匀后,轴向热膨胀系数约为14×10-6 ℃-1,而径向热膨胀系数约为9×10-6 ℃-1,前者约为后者的1.56倍,表现出明显的各向异性;相比于含水平层理岩样,含竖直或倾斜层理岩样的轴向膨胀系数未见显著差异,但径向热膨胀系数明显增加;相同温度下,径向热膨胀系数从大到小的顺序为:竖直方向、倾斜方向和水平方向;由于岩样中沉积层的存在,砂岩与沉积物质的膨胀性能并不相同,这将导致岩样的轴向和径向热膨胀系数表现出各向异性。该研究成果对于岩体的热-力耦合特性研究具有一定的参考意义。
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荆门石膏矿岩遇水软化力学特性试验研究
周意超,陈从新,刘秀敏,潘玉丛,夏开宗,蒋玄苇,
. 2017 (10):  2847-2854.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.010
摘要 ( 900 )   PDF(949KB) ( 589 )  
针对荆门市荆花石膏矿中留作矿柱的新鲜石膏岩进行天然和饱水两种状态下的单轴和三轴压缩试验,结合微观扫描电镜试验,研究石膏岩的强度和变形软化特性及机制。结果表明:石膏岩遇水会发生显著的强度和变形软化。随溶液中SO42-、Ca2+浓度不同,强度软化系数在0.6~0.72之间,弹性模量软化系数在0.66~0.75之间,凝聚力c显著下降而内摩擦角? 基本保持不变。石膏岩具有良好的延性,天然状态下峰后应变软化转为理想塑性变形的临界围压在2.5~5.0 MPa之间,经饱水软化后临界转换围压低于2.5 MPa。石膏岩遇水软化机制与其主要矿物成分二水硫酸钙的微溶性质密切相关。在蒸馏水中,石膏岩主要因溶解造成矿物流失,弱化内部结构而软化;在硫酸钙饱和溶液中,石膏矿物溶解-重结晶的动态平衡改变了岩石内部结构,使其疏松化,造成其力学性质发生软化。试验结果加深了对石膏岩遇水软化力学特性的认识,对石膏矿采空区稳定性分析具有重要意义。
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五星形桩截面尺寸优化及竖向承载机制试验研究
任连伟,詹俊峰,杨权威,王新泉,张敏霞,
. 2017 (10):  2855-2864.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.011
摘要 ( 495 )   PDF(631KB) ( 643 )  
五星形混凝土桩是一种新型截面异形桩,由圆截面均匀内切5个圆弧形成,其截面参数主要有被切割圆半径R、切割圆半径r、切割圆弧所对应的外包圆圆心角2x、外包圆弧对应圆心角θ。经截面尺寸优化分析,推导出周长最大化五星形桩和周长面积比最大化五星形桩。为进一步掌握五星形桩承载性能,以砂雨法制作土样,在干砂中进行了4根单桩对比模型试验研究,4根单桩为:周长面积比最大化五星形桩F2、周长最大化五星形桩F1、与F2等截面周长圆桩C1、与F2等截面面积圆桩C2。试验结果表明:与F1相比,F2的桩侧表面积与其相近,极限承载力大致相同,但F2混凝土用量是F1混凝土用量的0.75倍,单位体积混凝土承载力更高,F2为最优的截面尺寸;与等截面面积小圆桩C2相比,F2桩侧表面积是其1.53倍,极限承载力是其2.4倍,显示出在相同混凝土用量下五星形桩F2具有良好的承载性能,截面异性扩大效应明显;与相同截面周长的大圆桩C1相比,F2桩截面面积是其0.44倍,极限承载力是其0.96倍,但F2桩单位体积混凝土承载力是C1桩的2.21倍,显示出更高的承载性价比。各级荷载作用下五星形桩侧摩阻力所占比例在80%以上,特别是F2桩,在90%以上,表现出摩擦桩的特性。研究成果可对五星形桩的工程应用提供一定理论支持。
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有厚度天然结构面法向循环加载变形特性研究
张雨霆,丁秀丽,邬爱清,卢 波
. 2017 (10):  2865-2872.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.012
摘要 ( 737 )   PDF(617KB) ( 618 )  
采用室内试验和理论分析相结合的方法,对有厚度天然结构面的法向循环加载变形特性进行研究。研究的天然结构面属平直稍粗型,厚2~3 mm,层间充填以岩屑为主,夹少量泥,母岩为灰岩。首先,对工程作用下的结构面应力演化过程进行梳理,并根据对结构面法向应力-闭合变形曲线特征的总结,设计了室内试验的法向荷载应力路径。其次,介绍了取样、基本物理和力学特性测试以及试件制备,分别开展了单次和多次法向加、卸载试验,并对试验曲线特征和法向变形力学机制进行分析。然后,对结构面法向循环加载本构关系进行研究,认为当法向应力在20 MPa以内时,分别采用双曲线模型和考虑修正参数的改进双曲线模型,可较好地模拟不同荷载阶段时的结构面法向应力-闭合变形关系;同时,发现当法向应力进入高应力区间后(定义大于20 MPa的应力为高应力,低于20 MPa的应力为中低应力),试验数据呈现新的特点,试验变形值与模型预测值的差距越来越大。最后,分析了造成差异的可能原因,认为在研究高应力条件下的结构面法向变形特征时,采用天然结构面试样是必要的。
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基于扩孔理论的挤密砂桩复合地基桩土应力比计算方法
沈才华,王 媛,李鹤文,胡玉田,
. 2017 (10):  2873-2880.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.013
摘要 ( 612 )   PDF(665KB) ( 793 )  
基于圆孔扩孔理论,考虑挤密砂桩挤密过程中砂桩本身的挤密体积变化,建立了砂桩桩身压缩模量的计算方法。采用Mohr-Coulomb屈服准则计算桩周土屈服区范围,同时结合桩间土的e-p曲线压缩理论,提出了基于扩孔理论的桩周土平均压缩模量计算公式,从而提出了考虑埋深影响的分层桩土应力比计算方法。结合越南河内-海防高速公路实际工程进行了计算分析,随着套管直径增大(0.5~0.6 m),挤密砂桩和桩周土的压缩模量都变小,但平均桩土应力比增大,从2.56增大至2.72,这符合《复合地基技术规范》中对于无实测资料时,桩间土强度低时桩土应力比取大值,桩间土强度高时取小值的规定。桩土应力比理论计算结果处于规范建议取值2~3之间。说明理论方法合理可靠,从而提高了挤密砂桩设计的科学性。
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可溶盐对兰州非饱和重塑黄土抗剪强度的影响
闫亚景,文宝萍,黄志全,
. 2017 (10):  2881-2887.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.014
摘要 ( 521 )   PDF(566KB) ( 840 )  
岩土体抗剪强度是分析评价斜坡稳定性的关键指标。为了弄清可溶盐在黄土抗剪特性中的作用程度及控制机制,以兰州重塑黄土为对象,基于直剪试验,研究了黄土抗剪强度及其参数在不同溶滤次数下的变化特征。结果显示,可溶盐对非饱和黄土抗剪强度及黏聚力具有明显非线性弱化作用,而对内摩擦角的影响则相对微弱。其中,抗剪强度与黏聚力随可溶盐的变化规律存在临界分段现象,其降低幅度在溶滤1次时达到最大值,在溶滤5次后近似于0;而降低速率以易溶盐含量 2 620 mg/100 g干土为分界值,呈先快后慢的变化特征。上述关系的内在机制是,在溶滤初始阶段,黄土抗剪特性弱化主要源于易溶盐与部分难溶盐分解;随溶滤次数增加,则更多依赖于易溶盐分解与基质吸力减弱。
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温度对黄土热参数影响的试验研究
董西好,叶万军,杨更社,吴 迪,申艳军,刘 慧,
. 2017 (10):  2888-2894.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.015
摘要 ( 721 )   PDF(590KB) ( 943 )  
黄土的热参数是黄土冻融灾害成因机制研究及热工计算中的重要指标,而温度对黄土的热参数具有一定的影响。对不同含水率、不同干密度的原状黄土试样,采用Test Protocol Hot Disk TPS 2500S型热常数分析仪,在不同温度下开展热参数试验,探讨黄土的热参数随温度的变化规律。研究结果表明:随着温度的降低,试样的导热系数变化曲线大致可分为缓慢增大、迅速增大和基本稳定3个阶段;比热容随温度的降低先增大后减小,最后趋于稳定;热扩散系数则随温度的降低先减小后增大,当温度低于-20 ℃时保持基本稳定;含水率越大,温度对试样热参数的影响越显著。土体处于未冻结和冻结两种状态下的热参数相差较大。干密度主要通过土体内部矿物质和自由水的含量对热参数产生影响。在黄土冻融灾害成因机制研究和热工计算中,可根据土体温度、含水率和干密度的变化动态选择热参数,而判断土体是否处于冻结状态是确定热参数的关键。
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钙质砂的渗透特性及其影响因素探讨
胡明鉴,蒋航海,朱长歧,翁贻令,阮 洋,陈伟俊,
. 2017 (10):  2895-2900.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.016
摘要 ( 1006 )   PDF(558KB) ( 961 )  
钙质砂在沉积过程中大多保持着原生生物骨架中的细小孔隙,多孔隙且含内孔隙、形状不规则、强度低易破碎、颗粒棱角度高、会胶结等特殊性质。其工程力学性质较一般陆相、海相沉积物有较大的差异,尤其多孔性和形状高度不规则性致使其渗透性与其他岩土介质差异明显。针对钙质砂的渗透特性开展现场多组双环渗透试验,分析密实度和颗粒级配对钙质砂渗透性的影响。现场渗透试验显示,钙质砂中的渗流速度先缓慢增大再趋于稳定,最后稳定在小幅度波动范围内;钙质砂的渗透系数K与不均匀系数Cu呈负相关关系;由于颗粒分析曲线上小于有效粒径d10的曲线拐点多出现在小于某粒径土重累计百分含量为4%对应的粒径d4附近,以新变量d4与限制粒径d60之比d4 /d60分析其与钙质砂渗透性的关系,并经指数函数拟合得一定干密度 和压实度 下的钙质砂的渗透系数关系式 或 ,根据Cu≤5、5<Cu≤10、10<Cu≤20和Cu≥20的取值,n分别取值2、5、4、3。
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岩石应变软化变形特性及损伤本构模型研究
刘冬桥,王 焯,张晓云,
. 2017 (10):  2901-2908.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.017
摘要 ( 800 )   PDF(646KB) ( 798 )  
对滇藏铁路三江段的花岗岩进行了单轴和常规三轴压缩试验,研究了岩石在不同围压条件下的变形特性及其损伤演化规律。试验结果表明:该岩石压缩变形过程中,内部裂隙的演化经历了无起裂、起裂并稳定扩展、加速扩展、扩展变缓以及扩展停止5个阶段,且围压对岩石变形特性有显著影响。在此基础上,提出了基于有损微元生成的损伤演化模型,建立了三轴压缩条件下岩石应变软化损伤本构模型。该模型能够统一描述岩石峰前及峰后全部变形特性及其损伤演化规律,且损伤方程形式简单、参数物理意义明确。理论结果和试验数据具有很好的一致性,且参数分析结果也表明了该模型的合理性。
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含水率单次递减条件下粗颗粒硫酸盐渍土盐胀的室内模拟试验
杨 鹏,朱彦鹏,曹亚鹏,米海珍,
. 2017 (10):  2909-2915.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.018
摘要 ( 633 )   PDF(687KB) ( 789 )  
为探究粗颗粒硫酸盐渍土含水率单次递减条件下的盐胀特性,利用自主设计的多功能盐胀试验装置,开展了粗颗粒硫酸盐渍土盐胀率随4因素(孔隙比、含盐量、温度、初始含水率)变化规律的试验研究。试验结果表明,硫酸盐渍土的体积变化受两种效应的影响:含水率递减引起的干缩效应以及土体中硫酸钠相态变化引起的盐胀效应。含水率单次递减过程中硫酸盐渍土的失水速率与硫酸盐渍土的孔隙比、试样温度、初始含水率呈正相关关系;而与硫酸盐渍土的含盐量呈负相关关系。试验结果中部分试样的盐胀率达到了9%,这表明粗颗粒硫酸盐渍土在含水率单次递减条件下引发的盐胀不容忽略。其研究结果可为西北地区高含盐量的残余型硫酸盐渍土的盐胀性评价提供参考依据。
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基于应力增量的单桩p-y曲线分析方法
李洪江,刘松玉,童立元,
. 2017 (10):  2916-2922.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.019
摘要 ( 625 )   PDF(725KB) ( 964 )  
p-y曲线研究进展一直缓慢,究其原因是缺乏一套成熟的理论体系作支撑。通过考虑桩侧土的实际应力状态,引入Vesic圆孔扩张理论对水平受荷桩p-y曲线进行研究,建立了新的基于应力增量的p-y曲线分析方法。该方法综合考虑了桩侧土体径向应力增量、纵向应力增量效应及桩体深层转动挠曲对水平土抗力的贡献,是一种考虑多种因素的p-y曲线解,可适用于不同桩型条件下的单桩受力分析。算例结果表明:基于应力增量的p-y曲线分析方法在水平受荷桩应用中赋有很好的正确性和准确性,较Reese 法、API法和Kim法对大变形问题有更高计算精度。以上研究成果对p-y曲线的发展及深入研究具有重要意义。
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石膏矿矿柱-护顶层支撑体系的流变力学模型分析
夏开宗,陈从新,刘秀敏,宋许根,蒋玄苇,周意超,
. 2017 (10):  2923-2930.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.020
摘要 ( 534 )   PDF(792KB) ( 551 )  
采用房柱法开采石膏矿体,将石膏矿柱简化为满足西原模型的黏弹塑性体流变模型,采空区上部留设的护顶层简化为弹性矩形薄板,建立了石膏矿矿柱-护顶层支撑体系的流变力学体模型。在此模型的基础上推导了矿柱支撑下采空区护顶层受流变作用的挠度微分方程,并根据其在不同阶段的边界条件采用伽辽金方法对该微分方程进行了求解。研究结果表明:当作用在矿柱上的应力? 大于极限摩阻力?s时,石膏矿柱的塑性流变大变形将随时间逐渐增大,极易导致石膏矿柱-护顶层支撑体系破裂直至坍塌;所建立的考虑矿柱流变特性的石膏矿采空区矿柱-护顶层支撑体系力学模型,可以对支撑体系的稳定时间进行预测。
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双层非饱和地基中Rayleigh波的传播特性
章 敏,尚 微,周忠超,郭 诚,
. 2017 (10):  2931-2938.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.021
摘要 ( 510 )   PDF(728KB) ( 757 )  
研究了双层非饱和地基中Rayleigh波(以下简称R波)的传播特性问题。首先将迂曲度引入孔隙流体的渗流连续性方程,对三相孔隙介质波动方程进行修正,接着采用体波的势函数之和构建各相介质的势函数,并借助Helmholtz分解,以及考虑土层边界条件和层间连续性条件,建立了R波的弥散特征方程,分析了饱和度、迂曲度和上覆土层厚度等参数与波速和衰减性的关系。结果表明,R波波速随饱和度的增加而线性减小;在渗透系数中间区段,则随着固有渗透系数? 的增大而增大;水力迂曲度?f对波速的影响主要体现在高频区段,而空气迂曲度?a的影响则非常有限;对于上软下硬地层,覆盖层厚度的增加将引起波速的减小,并逐渐趋于上覆土层本身的R波波速;且频率越高或表面层刚度越低,趋近速度越快。
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裂隙岩体中弹性波传播特性试验及宏细观损伤本构模型研究
赵 航,李新平,罗 忆,董 千,黄俊红,
. 2017 (10):  2939-2948.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.022
摘要 ( 559 )   PDF(590KB) ( 641 )  
以不同加载方式下裂隙岩体中弹性波传播特性试验为基础,首先通过对比试验中弹性波波速、波幅与岩体宏观损伤的关系,给出了采用弹性波波幅来表征的裂隙岩体宏观损伤变量;其次利用统计强度理论定义了岩石的细观损伤变量,并基于连续损伤理论建立了宏、细观裂隙耦合的裂隙岩体损伤本构模型;最后结合试验数据对该模型进行了验证与分析。研究表明:完整岩体中细观裂隙的起裂和扩展对岩体中传播弹性波的波幅和波速的影响较小,而裂隙岩体中宏观裂隙的张开和闭合对弹性波波幅和波速的影响较大。裂隙岩体在外力作用下时,弹性波波速和波幅的变化规律类似,相较于弹性波波速,弹性波波幅对裂隙岩体宏观损伤的变化表现的更敏感,可用来定义裂隙岩体的宏观损伤变量。不同加载方式下裂隙岩体的损伤特性与宏、细观裂隙以及其所处的应力状态相关,基于宏、细观裂隙耦合的裂隙岩体损伤本构模型可以较好地反映不同加载方式下裂隙岩体的损伤力学特性。在三轴压缩试验中,宏观裂隙对岩体轴向压应力方向上损伤的影响主要体现在试验的中后期阶段,在三轴拉压试验中,宏观裂隙对岩体轴向拉应力方向上损伤的影响贯穿于试验全过程中。
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γ辐照老化对高庙子天然钠基膨润土力学强度和变形特性影响研究
刘 鹏,刘俊新,冒海军,杨仲田,刘 伟,巫尚蔚,王文清,
. 2017 (10):  2949-2956.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.023
摘要 ( 513 )   PDF(810KB) ( 660 )  
为探究高放核废物深地质处置缓冲材料的长期稳定性,以内蒙古高庙子(GMZ)天然钠基膨润土为研究对象,揭示了γ辐照老化作用对高压实天然钠基膨润土样品力学强度和变形特性的影响。采用钴源在室温下对该膨润土进行不同累积剂量的辐照作用,分析了辐照前、后膨润土的矿物成分变化,并开展了三轴剪切以及膨胀变形试验。结果表明:γ辐照老化作用引起膨润土部分矿物成分的变化,蒙脱石微观结构稳定性降低并转化为更稳定的硅酸盐和硅铝酸盐矿物;膨润土经过辐照作用后剪切强度有所增长且随辐照剂量增大,矿物成分发生了变化,同等围压下膨润土的剪切峰值强度逐渐提高;随着围压的增大,强度增长的幅度逐渐变缓,辐照剂量对强度的影响减弱,表明围压对膨润土强度的增长有一定的抑制作用;由于辐照后蒙脱石的含量减少,膨润土的膨胀变形性能相应减弱,即膨胀力、自由膨胀应变、有荷膨胀应变等指标降低。
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主动围压状态人工冻结砂土SHPB试验与分析
马冬冬,马芹永,袁 璞,姚兆明,
. 2017 (10):  2957-2961.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.024
摘要 ( 698 )   PDF(649KB) ( 884 )  
为研究主动围压状态人工冻结砂土的动态力学性能,利用直径50 mm变截面分离式霍普金森压杆试验装置,以取自山东济宁某矿-94.52 m处冻结砂土为研究对象,对长径比为0.5的冻结砂土试件进行主动围压状态下的冲击压缩试验,分析了主动围压和应变率对冻结砂土动态力学性能的影响。研究结果表明,无围压状态下,冻结砂土动态应力-应变曲线可分为弹性阶段、塑性阶段、黏性阶段和破坏阶段,冻结砂土呈脆性破坏;主动围压状态下,应力-应变曲线塑性阶段明显增长,无黏性阶段,冻结砂土呈微裂破坏。相同条件下,主动围压状态下冻结砂土的动态抗压强度均高于无围压状态,且随着围压的增大,动态抗压强度逐渐增大;当应变率为220 s-1,温度为-15 ℃时,主动围压为0.5、1.0、1.5、2.0 MPa的动态抗压强度为无围压状态下的119%、140%、158%和181%。不同主动围压下的应力-应变曲线表现出汇聚现象,汇聚点趋向于无围压状态。冻结砂土的动态抗压强度随应变率的提高而增加。
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岩土工程研究
引大济湟工程TBM挤压大变形卡机计算分析与综合防控
黄 兴,刘泉声,彭星新,雷广峰,魏 莱,
. 2017 (10):  2962-2972.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.025
摘要 ( 692 )   PDF(8254KB) ( 1016 )  
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临江地下结构抗浮计算方法研究
曹 洪,朱东风,骆冠勇,潘 泓,
. 2017 (10):  2973-2979.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.026
摘要 ( 525 )   PDF(766KB) ( 980 )  
临江地下结构进行浮力计算时,其抗浮设计水位直接采用地面高程或江河水位是不合理的,需要对场地进行渗流分析才能确定。在沿用本奈特假定的前提下,推导出一种简化算法用于临江二元地层的渗流分析,可得到强透水层中的水头分布。在此基础上,提出地下结构物底板水压力的实用计算方法为抗浮设计提供依据。其方法适用于堤前、堤后覆盖层有不同的厚度和渗透系数,以及宽度为有限或无限的边界情况。该法计算简便,结果足够精确。经过算例验证和比较,堤后小型结构物对强透水层中的水头分布影响不大,但大型结构物和堤后宽度收窄将会显著抬高水头。位于覆盖层中的地下室底板浮力呈中部大、四周小的分布形态,但位于强透水层中时则呈线性分布。
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不同埋深砂土盾构隧道掘进开挖面前方土拱效应研究
孙潇昊,缪林昌,林海山
. 2017 (10):  2980-2988.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.027
摘要 ( 713 )   PDF(999KB) ( 1036 )  
盾构施工过程中,开挖面前方土拱效应与掌子面盾构机推力大小和埋深密切相关。通过室内模型试验,研究不同砂土密度和不同隧道埋深条件下,盾构开挖面前方土拱效应,分析了砂土颗粒位移变化模式和土拱发展的时变特征,并揭示了不同埋深下土拱的发展规律和对失稳破坏机制的影响;同时基于室内模型试验,采用颗粒流程序进行模拟,从细观角度进一步研究了土拱效应。结果表明:不同埋深条件下,土拱发展规律一致且与支护力大小,地表沉降密切相关;低密度时土体破坏模式呈漏斗状,高密度为条带状,且土拱范围随埋深比增大而增大;颗粒流模拟得到不同埋深条件下,颗粒接触力、孔隙率和平均土压力变化规律一致。最后得出室内试验和PFC2D颗粒流模拟得到的土拱效应相似的结论。
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近距离煤层层间基本顶损伤及破断规律研究
侯运炳,何尚森,谢生荣,
. 2017 (10):  2989-2999.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.028
摘要 ( 656 )   PDF(960KB) ( 555 )  
为掌握近距离煤层层间基本顶的损伤及破断规律,采用连续损伤模型对上煤层开采引起的底板损伤规律进行了研究,并依据层间基本顶在采空区损伤区域的层位对基本顶进行了分类,获得了损伤基本顶初次断裂长度计算公式。结果表明:底板损伤区域呈勺形分布,损伤量由损伤核区域向边缘区域递减;层间基本顶可分为无损伤、部分损伤以及完全损伤3类,3类基本顶对下煤层矿压显现的影响依次减弱;损伤基本顶的断裂长度随损伤量的增大而减小,存在极限损伤量,使得损伤基本顶的断裂长度趋近于0;损伤基本顶断裂形成的关键块高长比增大,砌体梁结构更易发生滑落失稳,其情况与斜沟煤矿现场矿压观测结果吻合。
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考虑滑床复合倾斜岩体综合地基系数的抗滑桩受力特征研究
董曼曼,王亮清,葛云峰,王 聪
. 2017 (10):  3000-3008.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.029
摘要 ( 500 )   PDF(851KB) ( 823 )  
在抗滑桩内力与变形计算中,当前理论分析多将滑床岩体等效成均质体或水平的非均质体,而三峡库区大部分滑床多为复合倾斜岩体。通过3DEC数值试验,研究了抗滑桩的有效影响范围与桩截面宽度、深度的关系,确定了抗滑桩有效影响范围的上、下限;利用面积等效,在桩的有效影响范围内提出了滑床复合倾斜岩体综合地基系数KZi的公式;推导了基于KZi的弹性抗滑桩嵌固段受力特征研究的计算公式并编写了MATLAB计算程序。以马家沟滑坡为例,采用等效法、水平层状地基系数法和基于KZi的计算方法分别进行了抗滑桩嵌固段内力、位移的计算。结果表明,基于KZi的计算方法与水平层状地基系数法相比,滑面处位移增大14.6%,内力相差较小;同时,基于KZi的计算方法根据滑动面处的位移反求桩顶的位移与现场监测位移较为接近,而利用传统方法计算位移偏小,设计偏于危险。该方法可为复合倾斜岩体地区的抗滑桩设计提供理论支撑。
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厚煤层综放双巷工作面巷间煤柱尺寸研究
王 琦,樊运平,李 刚,郭文孝,闫殿华,张立平,
. 2017 (10):  3009-3016.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.030
摘要 ( 602 )   PDF(782KB) ( 549 )  
为解决厚煤层综放双巷布置工作面巷间煤柱的留设问题,以某矿四盘区4301工作面运输顺槽与辅助运输顺槽之间的煤柱为工程背景,首先对巷间煤柱进行理论分析:一次采动影响后将巷间煤柱沿倾向划分为采动影响区、相对稳定区和锚杆支护区,应用极限平衡理论分析得出了一次采动影响区的宽度为2.82 m,进而得出巷间煤柱的宽度为7.83 m。其次,应用数值模拟的方法系统地分析了宽度分别为4、6、8、10、12、15、20 m时,在两次采动影响下巷间煤柱的应力演化、破坏、巷道围岩变形规律;一次采动影响后,随着煤柱宽度增大,髙应力由实体煤向煤柱内转移;给出了最大临界尺寸、最小临界尺寸的定义,并指出巷间窄煤柱宽度应小于最大临界尺寸。综合分析数值模拟研究结果,同时结合理论分析结果及煤柱留设原则,最终确定巷间煤柱宽度为8 m。最后,通过现场工程实践验证了所确定的巷间煤柱宽度的合理性。研究结果对类似条件下综放双巷布置工作面巷间煤柱宽度的确定具有参考意义。
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数值分析
黏弹性地基中基坑开挖对邻近桩基变形影响的时域解
张治国,鲁明浩,宫剑飞,
. 2017 (10):  3017-3028.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.031
摘要 ( 526 )   PDF(916KB) ( 621 )  
目前就软土基坑开挖卸荷对邻近桩基变形影响的研究一般是基于瞬时开挖工况,很少考虑时间效应对桩-土相互作用的影响,但实际工程中软土在开挖情况下具有较为明显的流变效应。从地基黏弹性角度出发,采用两阶段法研究了黏弹性地基中基坑开挖与邻近桩基相互作用的时域问题。第1阶段基于Boltzmann黏弹性模型推导出Mindlin时域解,用于分析黏弹性地基中基坑开挖引起的邻近桩基处的土体附加应力;第2阶段采用Pasternak地基模型分析桩基与黏弹性土体之间的相互作用,并求得考虑流变效应的桩基水平变形的简化时域解。最后,采用大型有限差分软件对相关工况进行数值模拟,并将数值模拟结果与简化时域解进行对比分析,得到了较好的一致性。此外,也针对Boltzmann黏弹性模型参数(体积模量、剪切模量、黏性系数)、桩径、基坑开挖深度、桩与基坑间距和基坑开挖尺寸进行了影响因素分析。分析结果表明,所得出的简化时域解能较好地反映基坑开挖对邻近桩基水平变形的影响,以及桩基变形随时间的发展趋势,可为相关实际工程提供一定理论依据。
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堆石料碾压试验的颗粒流模拟新方法
李 杨,佘成学,焦小亮
. 2017 (10):  3029-3038.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.032
摘要 ( 522 )   PDF(822KB) ( 820 )  
针对堆石料现场碾压试验,研究基于颗粒流的仿真模拟新方法。首先,以随机多边形颗粒簇形式,建立堆石料的颗粒流模型,充分体现了堆石料的级配、细观组构和破碎效应,从而可以较为真实地模拟堆石料在碾压过程中的宏、细观力学响应;然后,提出振动碾压荷载及碾压过程的模拟新方法,实现振动碾压荷载及碾压过程的仿真模拟;最后,结合水布垭主堆石料的现场碾压试验,利用该方法进行模拟验证,从而论证该方法的可靠性。该方法可为仿真模拟堆石料碾压试验以及研究碾压效应对堆石料宏观力学特性的影响奠定基础,具有重要工程指导意义。
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软土地基渗透性条件对基坑预降水过程中支护墙侧移的影响研究
曾超峰,薛秀丽,郑 刚,
. 2017 (10):  3039-3047.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.033
摘要 ( 552 )   PDF(855KB) ( 992 )  
最新工程案例表明,在基坑开挖前,现场预降水可引起支护墙发生显著初始侧移。依托工程实测资料,建立并验证了数值分析模型,通过一系列参数分析研究了软土地基渗透性条件对基坑开挖前预降水过程中支护墙侧移的影响规律及机制。结果表明,基坑预降水深度范围内土层渗透系数越大,渗透性各向异性越明显;在相同的预降水时间内,被降水土层中将会发生更大程度的孔隙水压力减小;在更强的墙-土界面总压力重分布下,预降水引起的支护墙侧移更大。预降水过程中支护墙侧移沿深度的分布范围与预降水深度底部及其以下土层渗透性有关,若为渗透性较差的深厚弱透水层,则当预降水深度位置不超过0.5倍该弱透水层厚度位置时,支护墙侧移将主要发生在预降水深度范围内;若为渗透性较好的透水层,预降水引起的支护墙侧移深度范围可能达到该层以下的另一弱透水层单元位置处。另外,当预降水深度底端紧邻透水性较好土层时,再增大预降水深度会引起支护墙发生较大增量的侧移,此时,应严防“超降”;当预降水深度底面以下为深厚弱透水层时,再增大预降水深度引起的支护墙侧移增量并不明显。
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基于半隐式积分方案统一强度理论 ANSYS二次开发
柯锦福,吴爱祥,
. 2017 (10):  3048-3052.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.034
摘要 ( 729 )   PDF(500KB) ( 648 )  
目前,岩土工程中常用的塑性屈服准则多为局部不可导的分段函数,在隐式有限元求解中均采用显式向前欧拉法更新应力和Newton-Raphson迭代法求解方程。但显式向前欧拉法容易导致应力偏离屈服面和计算不收敛,而Newton-Raphson迭代法需频繁求导,对于分段函数而言这些方法均不利于求解。为此,提出了采用半隐式向后欧拉法和免导数的Steffensen迭代法联合更新应力与一致切线模量的方案。根据上述方案,利用ANSYS提供的UserMat模块编写了基于统一强度理论与拉破坏复合屈服准则的理想塑性模型。用自定义的本构模型模拟深埋圆形巷道弹塑性开挖过程,数值模拟结果与理论解很好地吻合,验证了模型代码和所提出方案的正确性和可行性。采用半隐式向后欧拉法与Steffensen迭代法相结合的手段,可简化应力与一致切线模量的求解,该方法避免了应力偏离屈服面和求解流动函数偏导,算法简便,易于推广应用。
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测试技术
应力-渗流耦合三轴渗透试验系统研制及其在充填介质渗透特性试验中的应用
李利平,柳 尚,李术才,石少帅,陈迪杨,周 毅,林 鹏,王健华,刘 聪,
. 2017 (10):  3053-3061.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.035
摘要 ( 590 )   PDF(907KB) ( 919 )  
为研究充填介质在赋存条件下的渗透、力学特性及其破坏机制,改进研制了大比尺三轴应力-渗流耦合试验系统,开发了三维应力-渗流耦合压力室,进行了完善的密封和加载系统设计。系统具备自动化轴压加载、围压渗压加载、涌水涌砂量采集和多元信息并行监测等功能,该套装置可针对大尺寸、不同规格岩溶管道和裂隙还原其在原始地应力状态下进行渗透性及相关力学试验研究。围压、渗压值可分别加到2 MPa和5 MPa,轴向荷载最大可加到300 kN。光纤技术、电阻元件柔性防水技术和自动化数据采集分析系统的应用,实现了水环境下试件内部渗压、应变的精确采集和分析。在试验系统的基础上,开展了赋存环境下充填介质渗透特性试验研究,分析了充填介质类型、渗流路径、管道断面形状及应力条件4种因素对渗透特性的影响及充填介质的响应特征,揭示了充填体稳定性和渗透性的变化规律。该装置解决了小水力梯度及赋存条件下的充填介质渗透特性和力学性质试验研究技术难题,具有重要意义。
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基于特征函数的钻孔图像结构面识别方法
王川婴,邹先坚,韩增强,汪进超,王益腾,
. 2017 (10):  3062-3066.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.036
摘要 ( 444 )   PDF(463KB) ( 738 )  
针对数字全景钻孔摄像系统获取的实测图像,提出了一种基于特征函数的钻孔图像结构面识别方法。该方法根据井壁结构面在钻孔图像中呈正弦曲线状的特征,采用正弦函数作为特征函数来匹配识别结构面。通过改变特征函数参数来统计分析结构面及附近像素点灰度梯度的匹配情况,然后筛选出一条匹配最优的正弦曲线作为该结构面的特征曲线,从而实现了钻孔图像结构面的识别。该方法省略了传统方法中人工选取结构面特征点和特征点曲线拟合的过程,其方法稳定可靠、准确率高,为钻孔图像结构面的自动识别与工程应用提供了一种实际可行的有效途径。
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负压环境下新型地下水位测试装置研发
鲍树峰,娄 炎,董志良,牛 飞,谢荣星,
. 2017 (10):  3067-3073.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.037
摘要 ( 415 )   PDF(677KB) ( 598 )  
现行负压环境下的地下水位测试方法均不能正确反映真空预压条件下地基中的地下水位变化情况。鉴于此,先深入分析了现行负压环境下地下水位测试方法的局限性,然后详细地介绍了一种负压环境下新型地下水位测试技术,即闭口测压管法-激光测试法,最后依托实际工程进行了现场试验研究并验证了其合理性。研究结果表明:现行闭口测压管测试法均存在一定的局限性,主要体现在两方面:①测试装置均非常复杂,不便于现场安装埋设;②测试结果的影响因素较多,测试结果均不能代表真空预压条件下地基土体中地下水位的真实值。文中提出的新型测试技术,即闭口测压管测试法-激光测试法是基于激光测距原理进行测试的,其方法简便、成本低、结果直观。现场试验结果表明:真空预压条件下,地基中的地下水位总体上随地基的沉降而下降,且总的下降幅度稍大于真空预压期间地基的固结沉降值;激光测试法能正确反映真空预压条件下地基中的地下水位变化情况,有助于对真空预压加固效果进行正确评价和分析。
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孔壁钻孔图像的结构面参数提取方法研究
汪进超,王川婴,胡 胜,韩增强,王益腾,
. 2017 (10):  3074-3080.  DOI: 10.16285/j.rsm.2017.10.038
摘要 ( 559 )   PDF(2234KB) ( 884 )  
为了提升岩体结构面参数提取的自动化程度以及准确性,结合钻孔图像中岩体结构面的特性,开展了适用于结构面图像预处理和结构面参数提取的方法研究。首先,采用自适应中值滤波法对钻孔图像进行去噪处理,通过对梯度算子法和最大类间方差法的图像分割进行比较,提出了更适用于实际钻孔图像分割的改进方差法,即结合梯度算子与最大类间方差法;然后对分割后的图像进行Canny算子边缘检测;最后,通过多项式曲线拟合获得结构面的正弦曲线,从而计算出岩体结构面的参数——倾向、倾角和隙宽。通过将提取方法与传统的手动识别结果进行对比,其结果表明:提取方法获取的参数较为精确。从而证明了该结构面参数提取方法具有可行性和准确性,且提取效率高于传统的手动识别。
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