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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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2021年, 第42卷, 第6期 刊出日期:2021-06-11
基础理论与实验研究
砾石−格栅界面循环剪切软化特性试验研究
刘飞禹, 江淮, 王军,
岩土力学. 2021 (6):  1485-1492.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1692
摘要 ( 564 )   PDF(8407KB) ( 318 )   PDF(English)(577KB) ( 14 )  
为研究砾石?格栅界面在循环剪切过程中的软化特性以及循环后直剪特性,利用动态直剪仪对砾石?格栅界面进行了一系列位移控制的单调直剪试验、循环次数达2 000次的循环直剪试验和循环后直剪试验。对20、40、60、80 kPa 4组竖向应力作用下,筋?土界面在持续的循环剪切过程中强度特性、体积变化、剪切刚度和阻尼比等变化进行了研究,并对比分析了循环剪切前后筋?土界面的直剪特性。结果表明:循环直剪试验中,砾石?格栅界面的平均峰值剪应力随循环次数的增加呈现出先增大后减小,最终趋于稳定的变化规律,界面表现出剪切软化特性;筋?土界面的竖向位移增量随着循环次数的增加而逐渐减小;剪切刚度随循环次数的增加先增大后减小,最终趋于稳定;阻尼比随循环次数的增加先减小后增大,最终趋于稳定;同一竖向应力下,循环后直剪试验相较于单调直剪试验峰值剪应力增大,残余剪应力减小;循环剪切作用使得界面的似黏聚力显著增大,内摩擦角有所减小。
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垃圾土现场渗透性测定与土水特性反演
梁冰, 张柴, 刘磊, 陈锋,
岩土力学. 2021 (6):  1493-1500.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1486
摘要 ( 501 )   PDF(8700KB) ( 343 )  
垃圾土非饱和水力特性是预测和评估填埋场内渗滤液迁移和分布的基础。以武汉市北洋桥垃圾填埋场好氧生态修复工程为背景,开展了现场单井抽注水试验,比较了不同理论方法对渗透系数计算结果的影响,并通过监测抽水试验的水位变化反演了垃圾土土?水特征参数。结果表明:现场试验测试的陈旧型垃圾土饱和渗透系数均在10?6~10?5 m/s量级,不同测试方法对饱和渗透系数测试结果影响不大;根据抽水试验结果推测抽水影响半径约为15 m,单井产流量为0.3 m3/h;垃圾土的平均残余含水率为27%,较室内测试结果偏大;垃圾土的进气值在2 kPa、孔径分布指数为1.20,与室内测试结果相近。利用现场抽水试验不仅可以直接评估垃圾土的导水性能,还能借助数值反演法准确估计有效的垃圾土?水特性,为非饱和水力特性参数的获取提供了一种新方法。
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注浆模式对土遗址裂隙修复浆−土界面 黏结性能影响研究
崔凯, 于翔鹏, 裴强强, 汪小海, 许鹏飞,
岩土力学. 2021 (6):  1501-1511.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1466
摘要 ( 369 )   PDF(9961KB) ( 246 )  
浆?土界面黏结性能是裂隙加固与土遗址修复领域的焦点问题,其抗剪性能则是衡量界面黏结性能的重要标准。为探究SH-(CaO+F+C)浆液、起伏界面以及微型石灰桩单独或组合所形成的4种注浆模式对浆?土界面的黏结性能的影响,通过室内模拟裂隙注浆后的界面直剪试验,对不同龄期、模式下浆?土混合体波速和界面抗剪性能的(界面破坏形式、剪应力?应变特征和抗剪强度参数)变化规律进行对比研究与分析。结果表明:在生石灰、粉煤灰和SH溶液的共同作用下,4种注浆模式浆?土界面的抗剪性能均随龄期增加呈增长趋势,且63 d达到稳定;整个龄期界面的破坏形式以黏结破坏为主,表面残留土体厚度、峰值剪应力、界面等效剪切系数的大小关系均表现为起伏有桩模式>起伏无桩模式>平直有桩模式>平直无桩模式;而且以上规律是由浸润、膨胀挤密、升温加热、机械咬合与离子迁移机制的不同组合而导致的。
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锅盖效应的水汽循环规律研究
姚仰平, 韦彬, 陈含, 李强,
岩土力学. 2021 (6):  1512-1518.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1313
摘要 ( 627 )   PDF(8507KB) ( 230 )  
在已有的锅盖效应研究的基础上,针对实际工程中由上至下具有覆盖层(相当于“锅盖”)、碎石层、黏土层结构的路面和跑道等,研究锅盖效应导致的增水规律。通过开展室内试验,模拟实际工程中的道基结构,在开放和封闭两种条件下,分别分析土层增水规律。试验结果表明:两种试验条件下存在锅盖效应水汽循环现象,两者的水头循环峰值不同。对水头进行计算,解释了两种试验条件下产生水汽循环的内在机制。对封闭系统的循环水量进行计算,验证了两组试验在半个循环内产生的循环水量大致相等。锅盖效应导致的增水规律与碎石层下部是否平坦有关。若碎石层下部不平坦,碎石层里的水会不断累积;若碎石层下部平坦,当碎石层里的水增加到一定量后,水量不会再增加,定量的水在碎石层里进行水汽循环。工程中应该设计有利的道基结构防止道面下大量增水。
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围岩非均质性对隧道突涌水的影响分析
傅鹤林, 安鹏涛, 李凯, 成国文, 李鲒, 余小辉,
岩土力学. 2021 (6):  1519-1528.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1570
摘要 ( 362 )   PDF(8800KB) ( 265 )  
受开挖扰动或地应力的影响,围岩非均质性是普遍存在的,此时将渗透系数视为定值会降低涌水量预测精度。针对此问题构建考虑围岩非均质时隧道突涌水计算模型,基于渗流平衡微分方程及达西定律,推导了涌水量及结构外水压力计算公式,并利用泰勒公式及级数展开定理对解析公式进行退化验证,在此基础上对公式的适用性进行了分析,最后通过与现场实测数据对比检验了模型及公式推导的正确性。研究表明:降低开挖扰动程度,可减弱隧道围岩渗透系数的变异性,对提高隧道阻水能力有积极作用;考虑开挖扰动对围岩渗透系数的影响时,支护结构外缘水头高度计算误差可由14%降低到6%;考虑地应力对围岩渗透系数影响时,涌水量计算误差可由18.2%降低为10.6%,一定程度上提高了预测精度。
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考虑不排水抗剪强度空间变异性的黏土边坡 系统失效概率分析
刘辉, 郑俊杰, 章荣军
岩土力学. 2021 (6):  1529-1539.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1476
摘要 ( 453 )   PDF(8950KB) ( 262 )   PDF(English)(435KB) ( 17 )  
针对黏土边坡,提出了考虑不排水抗剪强度空间变异性的边坡系统失效概率计算方法。首先,引入不排水抗剪强度随机场在滑动面上局部平均后的等效参数,通过计算等效参数的统计特性和等效参数之间的相关系数得到对应滑动面的可靠度指标和不同滑动面失效模式之间的相关系数。其次,综合考虑代表性滑动面的可靠度指标和相关系数,通过逐步搜索代表性滑动面来构建代理系统,利用代理系统的失效概率逼近边坡系统的失效概率。最后,以3个边坡系统可靠度问题为例验证了方法的有效性。结果表明:不排水抗剪强度随机场沿滑动面局部平均后的等效参数能够描述相应滑动面土体参数的不确定性,该方法能够较好地逼近边坡的系统失效概率。随着随机场的空间相关性增强,不同失效模式之间的相关系数增加,在达到相同的收敛条件时,代理模型所需的代表性滑动面个数减少。
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黏质土石混合体渗透特性试验及演化机制探讨
鲁洋, 刘斯宏, 张勇敢, 杨蒙
岩土力学. 2021 (6):  1540-1548.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1279
摘要 ( 522 )   PDF(10956KB) ( 372 )  
为探究含黏土基质的土石混合体的渗透特性演化规律及其物理机制,分别对不同含石量的黏质土石混合体开展重型击实试验和三轴渗透试验。试验结果表明:对于0%~70%含石量的黏质土石混合体,击实曲线形态呈单峰状,与纯黏土类似;当含石量大于70%时,压实效果开始下降;随着含石量的增加,最优含水率持续降低,而最大干密度先增大后减小,在约70%含石量时达到最大值;当黏质土石混合体达到最优压实状态时,其中黏土基质部分的含水率不依赖于含石量而基本保持一致;含石量为0%~30%时,黏土基质达到较高的压实程度,孔隙比基本保持不变,随着含石量的进一步增加,黏土基质孔隙比逐渐增大,当含石量超过70%时,急剧增大。渗透系数随含石量的增加先减小后增大,并在30%含石量附近达到最小值。基于土石细观结构分布和黏土基质压实孔隙比演化规律,提出一个黏质土石混合体渗透路径概念模型,将不同含石量混合体试样的渗透路径划分为:低渗透性压实黏土路径、超低渗透性含砾石黏土路径、中渗透性土石结合面路径、高渗透性骨架空隙路径,较好地解释了黏质土石混合体渗透特性随含石量的演化机制。
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基于微孔填充和毛细管凝聚理论的持水曲线模型
刘樟荣, 叶为民, 崔玉军, 朱合华, 王琼, 陈永贵,
岩土力学. 2021 (6):  1549-1556.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1427
摘要 ( 455 )   PDF(7964KB) ( 275 )   PDF(English)(4049KB) ( 14 )  
持水曲线是研究非饱和土的渗透、强度和体变等水力?力学特性的重要工具。大多数既有持水曲线模型未能反映非饱和土的持水机制或形式较复杂,且对双峰或多峰形态的持水曲线模拟效果欠佳。在分析非饱和土持水机制的基础上,将持水曲线划分为吸附和毛细持水域;再基于微孔填充理论,结合Kelvin定律,构建了吸附持水曲线模型;同时基于毛细管凝聚理论,结合Young-Laplace方程,构建了毛细持水曲线模型;然后通过吸附和毛细持水曲线模型的叠加,建立了全吸力范围内非饱和土的持水曲线模型。采用该模型对上海软土、西安黄土、南阳膨胀土、桂林红黏土、辽西风积土和内蒙古高庙子膨润土等6种代表性非饱和土的实测持水曲线进行了模拟。结果表明,该模型形式简单,参数物理意义明确,且反映了非饱和土的吸附和毛细作用持水机制,可适用于模拟不同条件不同类型土体的不同形状持水曲线。
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湛江结构性黏土自钻旁压试验的加载速率效应
舒荣军, 孔令伟, 师文卓, 刘炳恒, 黎澄生,
岩土力学. 2021 (6):  1557-1567.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1502
摘要 ( 359 )   PDF(12273KB) ( 177 )   PDF(English)(29880KB) ( 10 )  
作为一种具有高结构屈服强度的灵敏性黏土,湛江黏土力学性质的加载速率效应值得关注。为了研究湛江黏土原位力学性质的加载速率效应,开展了不同加载速率的自钻旁压试验,分析应力速率对湛江黏土原位不排水抗剪强度、线性刚度以及剪切模量非线性衰减特性的影响。结果表明:应力速率越大,不排水抗剪强度就越大,二者之间具有良好的线性关系,这一变化关系不同于文献中控制应变速率的研究结果;线性割线剪切模量Gur随应力速率的增大而增大,经相应速率下Gur归一化后的不排水抗剪强度落于较窄的数值区间内,表明应力速率对峰值强度对应的应变影响很小;加载速率越大,切线剪切模量Gt衰减幅度越大、衰减越迅速、Gt-γ衰减曲线越陡,但对于各应力速率,Gt均约在γ = 0.1%时衰减至小于Gur;加载速率影响了各应变区间内Gt的衰减幅度和速度,加载速率越小,衰减集中发生于越低的应变水平。研究指出湛江黏土特殊的微观结构是控制其力学性质加载速率效应的主导因素,并通过开展原状土样和重塑土样的室内超微型贯入试验予以初步印证。认为应当重视土体原位力学性质的加载速率效应,同时关注加载速率历史对土体蠕变性质的影响。
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高温花岗岩水冷却后物理力学特性及微观破裂特征
贾蓬, 杨其要, 刘冬桥, 王述红, 赵永,
岩土力学. 2021 (6):  1568-1578.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1383
摘要 ( 564 )   PDF(13328KB) ( 481 )  
为研究热储层建造时高温岩体水冷却后的物理力学特性及其微细观破裂特征,对常温、200、400、600、800 ℃ 5个组别的花岗岩样进行水冷却冲击后的岩样开展单轴压缩试验,结合超声波无损检测、XRD衍射和偏光显微镜观察等手段,对其宏、微观破裂特征进行分析。结果表明,随温度升高,高温花岗岩水冷却后的单轴抗压强度峰值不断降低,峰值应变不断增大,岩样破坏由突发性破坏向渐进性破坏转变;岩样的质量损失率、体积增长率和密度降低率均随温度升高而增加,波速随温度升高而降低,在400~600 ℃之间水冷却岩样体积膨胀率随温度升高显著增加,600~800 ℃岩样的波速衰减率幅度减小;温度梯度越大,热冲击导致的穿晶裂纹越多,大量沿晶裂纹和穿晶裂纹导致岩样单轴压缩破坏由张剪复合破坏转变为剪切破坏为主,破坏时伴有大量粉末状碎屑的主要原因。
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循环荷载作用下钙质砂地基土压力分布特征研究
饶佩森, 李丹, 孟庆山, 王新志, 付金鑫, 雷学文,
岩土力学. 2021 (6):  1579-1586.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1681
摘要 ( 354 )   PDF(7245KB) ( 203 )  
钙质砂颗粒性形状不规则,且存在咬合作用,对地基土压力传递有较大影响。通过开展循环荷载作用下不同密实度钙质砂地基土压力动力响应的模型试验,揭示了钙质砂地基土压力的响应特征和衰减规律。试验结果表明:循环荷载作用下的近端各点土压力动力响应明显,随埋置深度的增加,各点的土压力峰值呈指数递减,距中轴线水平距离越远的土体,受波动影响越小。方形荷载面以下4倍荷载宽度处土压力衰减殆尽,而震动频率大小对于近端土压力的波动峰值有一定影响,对远端土压力的影响并不明显,且加载前后距荷载中心50 cm外土体密实度变化较小。增大整体试样密实度后,土体颗粒间紧密咬合,减少了承载时的相对运动,增大了循环荷载的波动影响深度。
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基于统一强度理论的临坡加筋地基极限承载力新解
晏青, 赵均海, 张常光
岩土力学. 2021 (6):  1587-1600.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1861
摘要 ( 262 )   PDF(12313KB) ( 223 )   PDF(English)(599KB) ( 10 )  
针对加筋地基整体剪切破坏和复合破坏两种模式,在统一强度理论的基础上,考虑中间主应力、筋材层间距、加筋层数和筋材抗拉强度的综合影响,推导了临坡条形基础加筋地基的极限承载力新解,并给出了应用步骤。通过与其他方法的对比,讨论了该方法的有效性和参数影响特性。研究结果表明:所得极限承载力解答与文献模型试验结果吻合良好,具有广泛的适用性;随着中间主应力效应的增加,整体剪切破坏和复合破坏下临坡加筋地基极限承载力均明显增大;随着筋材层间距的增加,整体剪切破坏下临坡加筋地基极限承载力先增大后减小,而复合破坏下逐渐减小;整体剪切破坏下加筋层数的影响分为3个阶段,复合破坏下分为2个阶段;同时,筋材抗拉强度的影响不可忽略。该研究结果可为临坡加筋地基的优化设计提供有益的参考。
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高温对花岗岩微结构及渗透性演化机制影响分析
邓申缘, 姜清辉, 商开卫, 井向阳, 熊峰,
岩土力学. 2021 (6):  1601-1611.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1515
摘要 ( 709 )   PDF(13609KB) ( 327 )   PDF(English)(701KB) ( 18 )  
高温会使岩石产生热破裂现象,从而影响岩石的渗透性能。为了探寻温度对岩石微结构及渗透性能的影响,对50~800 ℃高温热处理后花岗岩开展了气体渗透率试验,并结合CT扫描技术,对高温热处理后花岗岩内部的微结构进行三维重构及特征分析,深入讨论了花岗岩受热后微结构的变化规律。在此基础上,对Kozeny-Carman模型及其改进模型在高温下的适用性进行讨论与验证,最后结合孔隙分形模型提出了高温后花岗岩温度?渗透率模型。结果表明:(1)温度升高过程中,花岗岩内部微结构发生明显变化,在400 ℃之前,矿物热膨胀性不均,岩石颗粒之间产生微小孔隙,构成了孔隙结构;而随着温度继续增加,孔隙端部产生裂纹并迅速扩展、连通,形成孔隙?裂隙网络结构。(2)当热处理温度不高于600 ℃时,花岗岩内部微结构形状因子概率分布曲线基本保持一致;当温度高于600 ℃时峰值对应的形状因子左移明显,其平均形状因子降低较大。(3)在孔隙结构阶段,花岗岩的渗透率变化不大,约为10?18 m2;在孔隙?裂隙网络结构阶段,花岗岩的渗透率随着裂隙的扩展而呈指数型增长,800 ℃时的花岗岩渗透率是常温下的8×104倍。(4)在应用4种孔隙率?渗透率模型对50~800 ℃孔隙率和渗透率的拟合结果中,Bayles模型和Costa模型描述高温后花岗岩更合理,拟合结果较K-C模型和S-R模型更高。(5)在温度低于600 ℃时,花岗岩内部微结构的形状基本没有变化,可以认为K-C形状系数保持为常数,说明对于花岗岩,Bayles模型和Costa模型在温度低于600 ℃时是适用的。(6)在Costa模型的基础上,结合高温后花岗岩孔隙分形特征,得到了高温后花岗岩温度?渗透率模型。将50~600 ℃的试验数据代入新模型进行验证,结果表明拟合度较好,达到0.99以上。
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水、孔洞及层理耦合作用下的千枚岩 巴西劈裂试验研究
张闯, 任松, 张平, 隆能增,
岩土力学. 2021 (6):  1612-1624.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1668
摘要 ( 315 )   PDF(18120KB) ( 458 )   PDF(English)(31934KB) ( 11 )  
千枚岩普遍分布于我国西南地区,地下水、层理、微孔隙以及微裂隙等因素均会在一定程度上削弱其力学特性,进而给相关工程的稳定性问题提出严峻挑战。基于巴西劈裂试验,研究了水、层理以及孔洞共同耦合作用下千枚岩的抗拉强度、能量以及破坏形式。研究表明:抗拉强度随含水率、孔径以及层理角度的增加均表现出逐渐下降的趋势,但是,抗拉强度对含水率、孔径以及层理角度的变化具有不同的敏感性,主要体现为层理角度最为显著,孔径大小次之,含水率最小;不同层理下的抗拉强度具有明显的各向异性,抗拉强度的各向异性度随含水率以及孔径的增加而增加,且其随含水率的增加速率更为显著;能量随含水率、孔径以及层理角度的增加逐渐增加,与抗拉强度的变化规律具有一致性;不同层理下的能量亦表现出明显的各向异性,但其各向异性度普遍大于同等条件下的抗拉强度的各向异性度;试件破坏形式受孔径、层理角度以及含水率等因素的影响,其中,孔洞的存在主要影响裂纹起裂位置,孔径大小主要影响裂纹起裂强度,层理角度主要影响裂纹扩展路径,含水率主要影响裂纹数量。该研究成果对于更加深入地理解岩石抗拉特性以及提升岩土工程稳定性均具一定价值。
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土工袋界面动力特性的循环直剪试验研究
王柳江, 刘斯宏, 赵志杰, 沈超敏, 鲁洋
岩土力学. 2021 (6):  1625-1634.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1493
摘要 ( 266 )   PDF(11574KB) ( 184 )  
由于多层土工袋组合体袋子与袋子之间的非连续性,将其作为低层建筑物的地基具有较好的减振消能效果,但目前对土工袋界面动力特性的研究较少。为此,利用大型直剪仪,进行了土工袋界面和纯天然河砂的水平变幅循环剪切试验,分析循环荷载作用下土工袋界面和纯天然河砂的剪应力、竖向位移、动剪切刚度以及等效阻尼比随剪切位移的变化规律,探讨水平循环荷载作用下上、下土工袋的界面摩擦特性。结果表明,土工袋界面初始剪切刚度、峰值剪应力和应变软化现象较纯天然河砂有所减弱,但其滞回曲线更为饱满,Kondner-Zelasko模型能够较好地描述其骨干曲线;除在较低竖向应力和较大剪切位移时表现出一定的剪胀性,土工袋界面主要表现为剪缩性,且总体剪缩量随着竖向压力、循环次数和剪切幅度的增加而增大,但每一个循环中的竖向位移变化幅度较纯天然河砂明显减小;相较于纯天然河砂,土工袋界面的动剪切刚度减小,等效阻尼比增大,这进一步阐明了土工袋结构体减隔振机制。
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基于现场原型试验的斜坡降雨入渗分析及 入渗模型研究
郭智辉, 简文彬, 刘青灵, 聂闻
岩土力学. 2021 (6):  1635-1647.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1557
摘要 ( 502 )   PDF(13413KB) ( 601 )   PDF(English)(35197KB) ( 16 )  
我国东南沿海地区台风暴雨多发,而台风暴雨条件下雨水的入渗是东南丘陵山地滑坡的一个重要诱因。有必要深入研究不同地质地形斜坡环境条件下雨水入渗湿润锋的迁移规律。通过滑坡原位监测试验场的监测数据,分析了降雨入渗时空变化规律,建立了综合考虑土体初始含水率分布不均匀性和斜坡环境的降雨入渗模型,并利用现场试验结果及前人经典模型计算结果对该模型进行了对比分析。结果表明:(1)降雨入渗初期,不同深度含水率增长斜率较陡,随着时间的推移,斜率逐渐减缓。当累计降雨量达到44.4 mm以上时,含水率剖面图由Z型变为反S型,随着降雨量的减少,雨水入渗过程由积水入渗转变为非积水入渗。入渗后期,不同深度含水率增长率趋于一个常数,而达到稳定入渗阶段。(2)湿润锋迁移速度随降雨量增大而增加,降雨初期,雨水入渗率大,湿润锋迁移速率快,且迁移速度随土层埋深的增大而减少。(3)改进的降雨入渗模型计算的湿润锋深度随时间的变化结果与现场监测试验结果较为吻合,考虑斜坡倾角和初始含水率分布的不均匀性可提高Green-Ampt模型计算精度。该研究结果对于建立有效的台风暴雨型滑坡的预警模型具有一定的指导意义。
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接缝密封材料对缓冲砌块屏障封闭性能的影响
王英, 张虎元, 童艳梅, 周光平,
岩土力学. 2021 (6):  1648-1658.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1805
摘要 ( 265 )   PDF(13789KB) ( 137 )  
室内制备模拟压实砌块,分别采用膨润土粉末、膨润土泥浆以及微粒膨润土(高密度膨润土颗粒与粉末的混合物)对砌块接缝进行密封,通过室内模拟渗透试验对砌块的膨胀、渗透性能进行研究,并借助X-CT扫描试验、热传导试验以及微观结构分析对砌块接缝的密封程度进行评价。试验结果表明:随着水化时长的增加,砌块核心区膨润土向接缝区孔隙侵入,接缝区膨胀力快速发展,导致砌块轴向膨胀应力的发展速度减缓,产生滞后现象;接缝密封材料类型对砌块体系的水化进程影响显著,膨胀应力发展速率存在差异;接缝的愈合程度与接缝充填材料的初始干密度呈正相关。CT扫描图像表明:水化结束后,密封接缝与砌块已基本“焊接”在一起,而未进行密封的砌块之间仍然存在间隙,并未完全封闭。相较于完整试样,密封接缝区土样的集合体间孔隙尺寸分布范围扩大(3~30 μm),泥浆密封试样接缝区土样结构疏松,出现100~500 μm的大孔隙,而干缝试样的接缝区则存在多条体积较大的裂隙状二维孔隙。密封可以显著提高砌块体系的各向膨胀能力,改善愈合砌块体系的均质性,密封后的砌块体系抗渗性能以及热传导性能与完整样接近,接缝的不利影响弱化。综合来看,采用微粒膨润土对砌块接缝进行密封,接缝的愈合度最高,砌块的各项工程性能最佳,其次为采用膨润土粉末以及膨润土泥浆进行密封的试样,未进行密封处理的干缝试样愈合效果最差。
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基于3D打印技术的复杂三维粗糙裂隙网络 渗流特性试验及数值模拟研究
黄娜, 蒋宇静, 程远方, 刘日成,
岩土力学. 2021 (6):  1659-1668.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1448
摘要 ( 635 )   PDF(9218KB) ( 377 )  
准确地评价岩体裂隙网络渗流特性是地下工程建设与环境安全的重要基础。构建了模拟真实岩体裂隙网络结构的三维数字模型,利用3D打印技术制作了三维粗糙裂隙网络模型试样,进行了不同边界条件下的渗流试验,并采用数值模拟方法进一步研究了裂隙表面粗糙性对渗流特性的影响。研究结果表明:随着注入水流流速的增加,模型中因惯性效应引起的水头损失逐渐增大,试样进出口之间水压差与流量的关系由线性向非线性转变,转折点对应的临界水力梯度范围为0.015~0.195。三维裂隙网络非线性流动特性可以采用Forchheimer方程表征,其中由惯性力引起的压降与总压降的比值随着水力梯度的增加而增大,但增幅逐渐降低,当水力梯度接近1.0时,惯性力引起的压降占总压降的比例高达68.5%。裂隙网络的空间分布特征决定了模型的整体连通性,而裂隙开度的非均匀性进一步使得流体在连通裂隙中将选择渗透性较大、阻力较小的通道优先流动,导致裂隙网络中主要流动区域面积与裂隙总面积比小于41%。裂隙表面粗糙性会降低三维裂隙网络模型的渗透性,且随着表面粗糙度增加,渗透性降低幅度越大,但裂隙开度的增加会削弱裂隙表面粗糙性对其渗透性的影响。提出的研究方法为定量化表征岩体复杂三维裂隙网络渗流特性提供了可靠途径。
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基于DIC技术的含不同节理密度类岩石试件 破裂机制研究
齐飞飞, 张科, 谢建斌,
岩土力学. 2021 (6):  1669-1680.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1710
摘要 ( 636 )   PDF(14986KB) ( 488 )   PDF(English)(25745KB) ( 25 )  
为研究节理密度对岩体强度特征及破坏模式的影响,以石英砂和呋喃树脂为打印基材,采用3D砂型打印技术制备含有不同节理密度的类岩石试件。对3D砂型打印试件进行单轴压缩试验,采用数字图像相关(DIC)方法进行非接触式全场变形测量,从细观力学角度定量分析裂纹萌生、扩展以及贯通行为。试验结果表明:3D砂型打印完整试件的应力?应变曲线形态、压拉强度比与真实岩石相似,属于一种类岩石材料;不同节理密度试件的应力?应变曲线变化过程大致相似,可划分为初始压密、线弹性变形、破裂发展以及残余强度4个阶段;试件力学参数随着节理密度εf的增加而减小,两者之间呈指数衰减关系;通过计算试件表面应变场和位移矢量分布,发现试件变形场分布、裂纹扩展演化均与节理密度密切相关;随着节理密度的增大,试件破坏模式由轴向拉伸破坏(?f = 0.280%)过渡到混合破坏(?f = 1.193%),最后转变为拉贯通带破坏 (?f ≥ 1.712%),而当节理密度超过阈值2.739%,拉贯通带内的块体发生转动,重现了书斜式断层旋转这类地质构造。
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单轴压缩下加锚裂隙类岩石试块裂纹扩展试验 及PFC3D模拟
武东阳, 蔚立元, 苏海健, 吴疆宇, 刘日成, 周键
岩土力学. 2021 (6):  1681-1692.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1501
摘要 ( 1139 )   PDF(21633KB) ( 832 )  
为探究锚杆对裂隙岩体的锚固效应及其对裂纹扩展的影响,分别制作裂隙倾角为15o、30o、45o、60o、75o以及90o的无锚和加锚类岩石试块,利用MTS816岩石伺服试验机进行单轴压缩试验,并采用声发射和数字照相技术对裂纹扩展过程进行同步监测和记录。此外,使用颗粒流软件PFC3D进一步研究不同锚固角对裂纹扩展的影响。结果表明:锚固体的峰值强度、弹性模量以及起裂应力较无锚试块均有提高。锚杆的存在降低了拉伸裂纹萌生和扩展时的应力强度因子,能够有效限制拉伸裂纹的萌生和扩展,并且抑制剪切裂纹的出现。拉伸裂纹的萌生和扩展过程可分为初始阶段和加速阶段,加锚试块预制裂隙两端特征点的位移明显小于无锚试块。根据PFC3D模拟结果,锚固角? = 45o时,锚杆锚固作用最明显,随着锚固角度?的增加,拉伸翼裂纹发育程度先增高后降低,预制裂隙试块破坏模式由剪切破坏转为拉剪复合破坏,再转变为剪切破坏。该研究结果可为分析岩体工程的稳定性提供一定的参考。
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循环加卸载下砂岩变形破坏特征与能量演化研究
李欣慰, 姚直书, 黄献文, 刘之喜, 赵翔, 穆克汉,
岩土力学. 2021 (6):  1693-1704.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1463
摘要 ( 580 )   PDF(11984KB) ( 385 )  
对砂岩进行单轴加载和单轴循环加载试验,得到了循环加卸载作用下砂岩残余变形、变形模量和侧膨胀系数的变化规律,以及岩石的输入能、弹性能、耗散能、阻尼能和损伤能等能量指标的演变规律。利用归一化的损伤能表征砂岩的损伤演化,分析了宏观、微观角度下的岩石的破坏模式。研究表明:在循环荷载作用下,残余变形呈现出减速累积-稳定累积-加速累积的趋势;砂岩的变形模量先增加再减小,侧膨胀系数基本与循环次数正相关;输入能、损伤能均呈U型分布,损伤能占耗散能的比例呈U型分布,阻尼能呈先减小再增加的趋势,阻尼能占耗散能的比例呈倒U型分布,弹性能总体上呈缓慢增加趋势,弹性能占输入能比例呈倒U型分布;随着应力比的提高,阻尼能提高,但阻尼能占比呈减少趋势;砂岩的损伤呈减速累积-稳定累积-加速累积三阶段发展,砂岩破坏总体上呈现出共轭斜面剪切?拉伸型复合破坏模式,破坏由失稳破坏向失效破坏转化
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岩土工程研究
常泰长江大桥施工阶段大型沉井基础沉降变形分析
郭明伟, 马欢, 杨忠明, 王斌, 董学超, 王水林,
岩土力学. 2021 (6):  1705-1712.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1606
摘要 ( 365 )   PDF(8128KB) ( 217 )  
随着我国大跨度桥梁工程建设中沉井基础的规模越来越大,大型沉井基础的整体沉降对高速铁路桥梁线型控制至关重要。以常泰长江大桥公铁两用大跨度斜拉桥主墩沉井基础为工程背景,详细分析了常泰长江大桥桥梁建设阶段沉井基础的整体沉降,并根据实际的沉井基础尺寸和地层分布,设计了对应的离心机模型试验,综合评估了该沉井基础在桥梁施工阶段的整体沉降变化特征。结果表明:在上部结构施工阶段,沉井整体变形可分为缓慢增长、急剧变形、趋于平稳3个阶段;当土体压缩模量依据实际受力状态取值时计算得到的整体沉降量与离心模型试验结果比较吻合;工程荷载施加完毕时,该沉井基础整体沉降量约为225 mm。该研究成果为常泰长江大桥主墩沉井基础设计提供了重要参考,并对类似沉井基础工程具有重要的借鉴意义。
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程潮铁矿西区分段崩落法开采影响范围和 极限角研究
张褚强, 沈强, 陈从新, 夏开宗, 王田龙, 刘轩廷,
岩土力学. 2021 (6):  1713-1723.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1646
摘要 ( 504 )   PDF(18925KB) ( 203 )  
分段崩落法开采金属矿常导致地表变形过大,使得地表建(构)筑物损坏。现有的针对金属矿山的地表研究多集中在地表危险变形区边界(移动线)以及移动角等方面,该边界线是地表建(构)筑物损坏而影响正常居住或使用的分界线,但是在此范围之外仍会产生影响,而对于实际影响区域的研究却很少,因此,研究采矿影响范围和极限角对矿山开采沉陷理论具有重要意义。以湖北鄂州程潮铁矿西区为例,以2016年5月至2020年5月期间的地表水平位移监测数据成果为基础,考虑测量误差并设置阈值,通过克里金法插值得到影响线并确定极限角,将其与移动线和移动角对比分析。结果表明:上盘影响线范围会产生突变,开采水平深入对影响线扩展起主导作用,影响线可以作为危险变形区边界扩展的预警;下盘局部区域较大的开裂结构面会造成该区域影响线范围较大,在影响线和移动线均在开裂结构面之外的情况极限角和移动角变化模式一样;上盘不同水平开采边界的差异对极限角有重要影响,因此,研究金属矿山开采引起的极限角及变形预测时,应考虑上下层的边界差异效应;极限角的稳定取决于开采水平是否发生重大变化;矿柱的存在使得端部区域极限角比移动角小约6o
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数值分析
基于平面网格求交算法的三维地质模型 边界面重构方法
姜逢宇, 黄牧, 熊自明, 孙善政,
岩土力学. 2021 (6):  1724-1732.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1348
摘要 ( 351 )   PDF(9207KB) ( 149 )  
快速、高效地建立准确的三维地质模型是扩展三维地质模型工程应用的关键。目前已有多种方法能够快速、自动化建立B-rep三维地质模型,但当存在夹层、透镜体时,现有方法对其无法准确处理,导致在模型侧边界面上出现面单元重复的错误。针对这一问题,提出一种基于网格快速求交算法的模型侧边界面重构方法,按先建模后更新的思路,解决模型侧边界面上的重复面问题。首先基于钻孔数据建立各地层的地层面模型,根据地层层序连接各地层的上下地层面。其次建立地层侧边界面,构成完整的B-rep地层模型。再次将地层块体按普通地层和夹层进行分类,通过网格求交算法,求出夹层侧边界面上的三角网格和与之相交的普通地层侧边界面上的三角网格的交集多边形。最后使用约束Delaunay三角剖分算法将交集多边形三角化并更新至对应地层块体的网格列表,实现模型侧边界面的重构。将该方法应用于某区域的地质建模中,结果表明该方法自动化程度较高,当存在夹层、透镜体时,能够快速实现模型边界面的重构。
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基于广义Hoek-Brown屈服准则的极限分析 下限有限元法
孙锐, 阳军生, 李雨哲, 杨峰, 刘守花
岩土力学. 2021 (6):  1733-1742.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1576
摘要 ( 405 )   PDF(9834KB) ( 321 )  
基于复合锥优化技术,提出一种基于广义Hoek-Brown屈服准则的极限分析自适应下限有限元计算方法。广义Hoek-Brown屈服准则在主应力空间中的棱线以及尖点处存在数值奇异性等问题,在极限分析有限元方法中的应用一般都需要对其进行近似化处理。如何准确有效地处理该屈服准则,一直是极限分析有限元方法中的难点问题。针对这一问题,基于复合锥优化技术将广义Hoek-Brown屈服函数转化为由半定规划(SDP)约束和幂锥规划(PCP)约束组成的复合锥优化约束,从而直接将该屈服准则应用到极限分析下限有限元方法中,不需要对其数值奇异性问题做额外近似处理。同时,采用所提方法处理屈服准则可以获得严格的下限解。为了提高所提方法的计算精度,引入一种基于单元节点应力的自适应加密策略,在既有研究的基础上,编制相应的极限分析自适应下限有限元计算程序,并开展经典案例对比分析。结果表明该方法可获取较高精度的下限解。
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钻孔全断面分布式光纤监测中光缆-土体变形协调性的离散元数值模拟
向伏林, 杨天亮, 顾凯, 施斌, 刘春, 刘苏平, 张诚成, 姜月华,
岩土力学. 2021 (6):  1743-1754.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1420
摘要 ( 369 )   PDF(14052KB) ( 462 )  
地面沉降是当今危害较大的一种地质灾害问题,利用钻孔全断面分布式光纤监测技术监测地面沉降是一种有效的方法。光缆与土体的变形协调性是影响该技术准确获取地面沉降变形的重要因素。利用自主研发的离散元数值模拟软件MatDEM,建立了二维离散元光缆拉拔试验模型,探究了不同围压下光缆拉拔过程中光缆与周围土体的变形协调性问题。结果表明:二维离散元光缆拉拔模型能够准确反映光缆拉拔过程中的光缆应变分布和土体单元位移;不同围压下光缆拉拔力?拉拔位移曲线及应变分布曲线呈现出渐进式破坏模式;基于离散元方法获得的光缆滑脱深度,修正了光缆?土体变形协调系数。以苏州盛泽地面沉降数据为例,深入分析了不同围压和拉拔位移条件下了光缆-土体的变形协调性。该地区变形协调性较好的临界围压约为0.19 MPa,临界深度约为17 m。研究结果验证了离散元数值模拟方法在探究光缆?土体变形协调性方面的可行性,进一步论证了分布式光纤监测技术在地面沉降监测中的可靠性。
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测试技术
基于光纤传感技术的土工格栅应变监测机制研究
洪成雨, 杨强, 赵勇, 陈登伟, 喻伟
岩土力学. 2021 (6):  1755-1764.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1673
摘要 ( 446 )   PDF(8895KB) ( 213 )  
光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感器是测量土工格栅表面应变的一种重要方法,由于胶结层的存在使得土工格栅的真实应变和FBG传感器所测得的应变之间存在一个应变传递系数。以表面粘贴式裸光纤光栅为研究对象,通过建立光纤层?胶结层?基体层的理论模型,推导出了光纤层与基体层之间的应变传递公式,分析了各材料参数对应变传递系数和平均应变传递系数的影响。通过室内拉伸试验与验证试验验证了应变传递理论的正确性。结果表明:真实值与理论值的最大误差在15%左右。通过参数分析得:各材料参数对平均应变传递系数的影响程度从大到小依次为光纤光栅粘贴长度、胶结层厚度、基体层剪切模量、胶结层宽度和胶结层剪切模量,分别占33%、23%、20%、13%和11%。
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