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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8期 刊出日期:2021-08-11
基础理论与实验研究
土的颗粒形貌研究现状及展望
马成昊, 朱长歧, 刘海峰, 崔翔, 王天民, 姜开放, 易明星,
岩土力学. 2021 (8):  2041-2058.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1904
摘要 ( 1168 )   PDF(18483KB) ( 969 )  
颗粒形貌是颗粒最为重要的特征之一,其与力学性质间的相关性已经受到了越来越多的关注。为了更深入系统地梳理颗粒形貌对集合体力学性质的影响规律,对颗粒形貌的物理表征、数值模拟及室内试验等方面的研究成果进行了综述分析。研究结果表明:基于3个尺度(形状、棱角度及表面纹理参量)上对颗粒形貌的定义方法是最为理想的表述颗粒形貌特征的方法;数值方法可以模拟单个凸形颗粒的形貌及其集合体的排列结构,但对于凹形颗粒的刻画精度不理想;颗粒形貌与孔隙结构、天然休止角、界限孔隙比和粒径大小间存在着相关性;在相同级配和孔隙率下集合体的渗透系数较大程度上受控于颗粒的形貌特征;由于颗粒间咬合作用及接触点数量的不同,在均一粒径中颗粒形貌不仅会对集合体小应变强度、峰值强度及残余强度产生影响,同时还会影响其剪胀性。最后对颗粒形貌研究中存在的问题进行了讨论并对未来的研究工作进行了展望。
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透明胶结土材料强度特性的试验研究
冷先伦, 王川, 庞荣, 盛谦,
岩土力学. 2021 (8):  2059-2068.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0181
摘要 ( 452 )   PDF(11292KB) ( 363 )   PDF(English)(49530KB) ( 21 )  
基于透明土的可视化物理模型试验技术在岩土工程力学机制与变形破坏研究中发挥着越来越重要的作用,制备透明度高、物理力学性质稳定、适用于模拟不同岩土体的透明土是该技术发展的基础。针对当前一般黏土和软岩的透明土相似材料较为缺乏的问题,配制了一种适用于模拟一般黏土和软岩的透明胶结土。该透明胶结土以熔融石英砂为土骨架,以纳米级疏水性气相二氧化硅粉为黏结剂,以正十二烷和15#白油的混合矿物油为孔隙液,通过调整黏结剂的含量或占比、土骨架的粒径或级配可获得折射率相近且具有不同强度特征的透明胶结土材料。根据不同黏结剂含量和土骨架级配等影响因素设计了11组对照试验,并通过三轴剪切试验测试了其强度特征及其变化规律。结果表明:(1)透明胶结土的抗剪强度随石英砂的粒径和级配、二氧化硅粉的含量和占比等因素的改变而发生复杂变化,但整体而言提高二氧化硅粉的占比或降低石英砂的级配优良度可使得透明胶结土的抗剪强度降低;(2)通过调整土骨架和黏结剂的配比可制得黏聚力范围为5~65 kPa、内摩擦角为25°~44°的透明胶结土,可为天然黏土和软岩的透明土物理模型试验中相似材料的选取和配制提供依据。
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真三轴应力路径花岗岩卸荷破坏力学特性研究
刘婕, 张黎明, 丛宇, 王在泉,
岩土力学. 2021 (8):  2069-2077.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0110
摘要 ( 554 )   PDF(8645KB) ( 513 )   PDF(English)(2497KB) ( 16 )  
开展某洞库花岗岩真三轴加载破坏试验和卸载破坏试验,分析花岗岩的特征应力、破坏形式和能量演化特征。试验结果表明:真三轴加、卸荷应力路径下,花岗岩的破坏方式均为张剪复合破坏,表现出高损伤应力特征和明显的脆性特征;利用体积应变曲线提出新的脆性指数评价岩石脆性,发现卸荷条件下花岗岩的脆性指数更高;真三轴加荷试验中,总能量-轴向应变曲线经历缓慢增大、快速增大、稳定增大3个阶段;真三轴卸荷试验中,卸荷瞬间耗散能迅速增加,在能量分配中所占的比例迅速提高,成为消耗能量的主体;加荷试验中花岗岩破坏时的耗散能量值明显大于卸荷试验,表明加荷路径下需要消耗更多的能量才能发生破坏,且卸荷路径下可释放弹性应变能多,相较于加荷路径更加危险。
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单级荷载下极软煤岩长期蠕变规律及本构模型研究
王兴开, 夏才初, 朱哲明, 谢文兵, 宋磊博, 韩观胜,
岩土力学. 2021 (8):  2078-2088.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0178
摘要 ( 435 )   PDF(11586KB) ( 568 )   PDF(English)(3121KB) ( 18 )  
为探究极软煤岩的长期蠕变力学特性,利用自主开发的长期三轴岩石蠕变试验系统,开展单级荷载下极软煤岩单轴和三轴蠕变特性试验。结果表明:(1)单轴蠕变下极软煤岩历时232 h发生了衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变,累积蠕变量高达3.45%,是瞬时变形量的10.5倍;稳态蠕变速率高达8×10–5~10×10–5/h且长时保持不变;加速蠕变阶段最大速率高达0.043/h;蠕变全程速率变化呈现出典型的U形曲线分布特征。(2)相同轴压下,随着围压由0增大至0.6 MPa,极软煤岩抵抗长期变形的能力不断增强,表现为蠕变量显著减小、稳态蠕变速率呈数量级式大幅减小、蠕变破坏前的持续时间显著增长、蠕变与瞬时应变量的比值明显降低、加速蠕变破坏的强烈程度显著减弱。蠕变速度和蠕变量尤其对0~0.2 MPa范围内的围压变化更加敏感。(3)极软煤岩的加速蠕变阶段表现为渐进式加速变形失稳,具有显著的时间过程,与普通岩石加速蠕变阶段突变式加速破裂失稳的特征不同。(4)引入关于加速蠕变启动时间的新型非线性黏塑性元件,与Burgers模型串联,建立了能描述单级荷载下极软煤岩衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变全程的非线性黏弹塑性蠕变模型;基于Levenberg- Marquardt优化算法对试验曲线进行了非线性拟合,辨识了模型参数,试验曲线与拟合曲线吻合度极高,验证了模型的正确性。该研究成果可为极软岩长期非线性大变形理论分析和支护设计提供参考。
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地聚合物固化淤泥强度增长影响因素及机制分析
周恒宇, 王修山, 胡星星, 熊志奇, 张小元,
岩土力学. 2021 (8):  2089-2098.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0018
摘要 ( 606 )   PDF(14588KB) ( 500 )   PDF(English)(2500KB) ( 22 )  
针对传统固化剂碳排放及高能耗等问题,提出以煤系偏高岭土(CMK)地聚合物为固化剂稳固淤泥,首先通过无侧限抗压强度试验确定碱激发剂的配合比,并在此基础上研究碱固比、前驱物掺量、NaOH浓度、养护龄期、养护温度和矿渣掺量等因素对固化淤泥力学特性的影响,最后通过扫描电镜试验和X射线衍射试验分析固化淤泥的微观结构。试验结果表明:地聚合物固化淤泥强度随Na2SiO3:NaOH增加而先升后降,合理的碱激发剂的配合比为Na2SiO3:NaOH=75:25;固化淤泥强度随碱固比、前驱物掺量和NaOH浓度提高而增强,而延长养护龄期、提高养护温度和掺入矿渣对固化淤泥强度提升更显著;微观结果表明,地聚合物固化淤泥中没有新矿物生成,随着碱固比、前驱物掺量、NaOH浓度、养护龄期、养护温度和矿渣掺量提高,无定形凝胶产物N-A-S-H和C-(A)-S-H增多,凝胶通过黏结作用增强了土颗粒间凝聚力,并能有效填充土颗粒间隙,使土体结构更密实,是固化淤泥强度提升的主要原因。
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围压下岩石填充裂隙对应力波衰减规律的试验研究
刘鑫, 许宏发, 范鹏贤, 耿汉生, 莫家权, 王德荣
岩土力学. 2021 (8):  2099-2108.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0076
摘要 ( 257 )   PDF(9474KB) ( 195 )   PDF(English)(8438KB) ( 7 )  
为了研究填充裂隙作为地下防护结构抗爆、消波手段的有效性,利用含围压室的SHPB装置,分别对完整岩石试件及填充裂隙的岩石试件开展了36次一维冲击试验,得到了不同工况下试件的透射率、应力波波速和峰值应力,分析了围压水平、填充材料及填充厚度对应力波衰减的影响。结果表明,随着填充裂隙厚度的增加,试件透射率、应力波波速以及应力波峰值应力衰减极其明显,填充裂隙厚度越大,应力波在传过程中透射能量越小;随着围压的增大,填充裂隙消波效果受孔隙闭合的影响而有所降低,但仍然可起到一定的消波作用。故工程防护中适当选用抗压强度较高的颗粒作为裂隙填充层、相应增加填充厚度可有效提高消波效果。
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近疲劳强度循环荷载对泥质石英粉砂岩 力学特性影响研究
苗胜军, 王辉, 杨鹏锦, 王亚欣,
岩土力学. 2021 (8):  2109-2119.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1691
摘要 ( 300 )   PDF(17564KB) ( 287 )  
通过开展上限为80%单轴抗压强度的循环加卸载转单调加载试验,研究近疲劳强度循环荷载作用下泥质石英粉砂岩的峰值强度、扩容点应力、弹性模量、泊松比及滞回环、应变、加载和卸载柔量等随循环次数的演化规律与力学特性。结果表明:(1)岩石峰值强度随循环次数呈先小幅下降后持续提升最终趋于稳定的演化趋势,最小和最大峰值强度分别低于和高于单轴抗压强度7.35%和16.57%。(2)每次循环扩容点应力与扩容点体应变呈线性负相关关系;不同试件循环末次扩容点应力与峰值强度比值随循环次数服从对数函数分布,由此提出近疲劳强度循环荷载转单调加载岩石峰值强度预测公式。 (3)多次循环后岩石单调加载应变比和峰值处应变比分别稳定于0.58和1.02附近,说明近疲劳强度循环加卸载使泥质石英粉砂岩抵抗变形能力显著提升,并可将单轴压缩试验峰值处应变作为循环荷载下岩石变形破坏的参考量值。(4)每次循环轴向应变和体应变加载柔量分别呈先增大后线性衰减和弯钩形演化规律,而卸载时分别呈加速增大和V形演化趋势;且下限荷载处体应变加载和卸载柔量均与其对应的残余应变呈线性正相关关系,可用于反映循环荷载下岩石的损伤累积进程。(5)基于泥质石英粉砂岩力学参数和变形演化规律及微细观结构特征,揭示了近疲劳强度循环荷载下岩石峰值强度和扩容点应力演化机制。
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基于粒子图像测速技术的黄土径向劈裂试验研究
姜彤, 翟天雅, 张俊然, 赵金玓, 王俪锦, 宋陈雨, 潘旭威
岩土力学. 2021 (8):  2120-2126.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0001
摘要 ( 394 )   PDF(13379KB) ( 292 )  
用粒子图像测速(PIV)测试系统对黄土原状样和重塑样进行了一系列劈裂试验,同时用压汞仪对黄土原状样和重塑样进行了微观结构定量对比分析,探讨结构性、初始干密度对抗拉强度的影响。试验结果表明:当试样劈裂破坏时,原状样峰值荷载比重塑样的大,重塑样的峰值荷载随着初始干密度的增加而增加。由位移矢量场可知,原状样劈裂破坏时主裂隙倾斜,次生裂隙不发育;重塑样劈裂破坏时主裂隙呈径向垂直,次生裂隙较发育;不同初始干密度重塑样的裂隙发育形态基本一致。当初始干密度相等时,原状样的累计汞压入量曲线和孔径分布密度曲线均高于重塑样,原状样的集聚体间孔隙比重塑样的多,但由于原状样具有明显的结构性,因而原状样的抗拉强度比重塑样的高。随着初始干密度增加,重塑样的累计汞压入量曲线向下移动,孔径分布密度曲线峰值向左移动,集聚体间孔隙逐渐减小甚至消失,导致抗拉强度随着初始干密度增大而增加。
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动静组合加载下含孔洞层状砂岩破坏机制探究
李地元, 高飞红, 刘 濛, 马金银
岩土力学. 2021 (8):  2127-2140.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0051
摘要 ( 334 )   PDF(20346KB) ( 594 )  
为揭示层理岩石在动静组合加载条件下的力学特性及破坏模式机制,采用分离式霍普金森压杆装置对层状黄砂岩试样施加一维动静组合载荷,结合数字图像相关技术,实时监测试样的动态破裂过程,并分析不同倾角下岩石的破裂演化过程及能耗特性。研究结果表明:动静组合荷载作用下,随层理倾角的增大,含孔洞层状黄砂岩试样的动态强度总体上呈现出先增大后减小的变化规律;不同层理倾角含孔砂岩试样的破坏模式存在明显差异并可被归纳为4类;层理角度为45°时,岩石强度最高,吸收能占比最大。在深部地层的冲击破岩中,合理布置冲击荷载与层理方向间夹角以及破岩位置,可有效提高破岩效率,减小动力扰动对围岩带来的不利影响,提高深部岩石工程的稳定性。
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饱水裂隙花岗岩周期冻胀力演化特性试验研究
乔趁, 王宇, 宋正阳, 李长洪, 侯志强,
岩土力学. 2021 (8):  2141-2150.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0144
摘要 ( 329 )   PDF(15862KB) ( 322 )   PDF(English)(1022KB) ( 10 )  
由于寒区含水裂隙岩体的水冰相变和体积膨胀产生的冻胀力会促使新裂隙的萌生和扩展,进一步导致裂隙岩体发生损伤劣化。为揭示周期冻融循环作用裂隙岩体的冻胀劣化机制,对预制不同宏观裂隙的饱水裂隙花岗岩进行不同冻结温度下反复冻胀力监测试验,分析了周期冻胀力演化特征及裂隙尺寸、冻结温度及冻融循环次数对饱水裂隙花岗岩冻胀力的影响规律。研究结果表明:饱水裂隙单次冻融循环冻胀力演化曲线形态基本类似,均大致可以分为5个阶段;随着冻融循环次数增加,峰值冻胀力呈指数函数形式减小,并且峰值后的跌落幅度越大;峰值冻胀力随着裂隙长度增大呈线性增长,且裂隙宽度越小,冻胀力在冻结和融化阶段出现时间越早;冻结温度越低,冻胀力出现时间越早,峰值冻胀力随温度降低呈线性增加,冻结温度对冻胀力的影响随着冻融循环次数增多而减弱,冻结温度越低,裂隙尺寸对峰值冻胀力影响越显著。该研究成果可对寒区裂隙岩体冻胀力理论计算及数值分析提供借鉴。
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主动排水固结法气举降水效应模型试验研究
吴慧明, 赵子荣, 林小飞, 史建乾, 龚晓南,
岩土力学. 2021 (8):  2151-2159.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1645
摘要 ( 491 )   PDF(8359KB) ( 188 )  
高压气溶胶解构排水固结法是一种新型主动排水技术,通过在设置竖向排水通道的土体内旋射高压气溶胶,起到深部立体排水、深层增压及气举降水三大作用,有效提高了排水效率。针对气举降水作用,采用自主研制的大尺寸气举模型试验装置,分别以下部介质、周围介质、注气气压、注气深度、竖向排水体直径与长度等为变量进行了一系列的试验研究。研究结果表明:周围介质对气举降水深度影响很小、但对降水速度影响很大;注气压力与最大气举降水深度并非正比关系,只有注气压力与竖向排水体直径匹配良好时才能达到最大气举降水深度;当竖向排水体直径一定时,注气深度决定了最大降水深度与降水速率。该研究成果可指导该项主动排水技术的工程实施,也为深入研究气举降水机制提供依据
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高温及碱性条件对高庙子钠基膨润土膨胀力的影响
刘俊新, 唐伟, 李军润, 张建新, 郭招群, 陈龙, 刘育田,
岩土力学. 2021 (8):  2160-2172.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1779
摘要 ( 323 )   PDF(14289KB) ( 207 )  
为研究长期强碱-热作用下高庙子钠基膨润土膨胀力的劣化效应,针对内蒙古兴和县高庙子钠基膨润土,设计了24组试验,试验条件为:NaOH浓度为0.5 mol/L,碱-热温度为25、90、150、210 ℃,时长为2、4、6、8、10、12个月。对碱-热处理后的膨润土进行X射线衍射(XRD)试验,采用自制膨胀仪对初始干密度为1.7 g/cm3的膨润土试样进行恒体积膨胀力试验,渗透介质为蒸馏水,结果表明:(1)随着碱-热时长及温度的提高,蒙脱石含量、最大膨胀力和水化反应时长均减小;(2)径向与竖向最大膨胀力的比值为0.5左右,与碱-热条件无关;(3)基于膨胀力损伤因子和老化时长缩减因子建立膨胀力随时间演化的调动函数,该模型较好地预测了各碱-热环境下膨胀力时程曲线;(4)损伤增量由碱-热温度或时长下的损伤速率决定,温度会促进膨胀力劣化效应。
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基于界面黏结的含根土抗剪强度极限值估算模型
夏鑫, 姜元俊, 苏立君, MEHTAB Alam, 李佳佳,
岩土力学. 2021 (8):  2173-2184.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1873
摘要 ( 316 )   PDF(11488KB) ( 283 )  
目前根系力学固土定量评估模型中缺乏对根-土界面黏结作用的考虑,为提高量化模型精度及适用性,以广泛应用的Wu模型为基础,结合含根土中根系的破坏模式,通过界面黏结强度参数量化根-土界面间的黏结作用,建立了基于界面黏结的含根土抗剪强度极限值估算模型,考虑了含根土中土体应力、根径、根长、根系与剪切方向初始夹角的影响。含根土直剪试验的实测结果均在估算模型计算值范围内,其中根系与剪切方向夹角为45°时实测值接近模型计算最大值,夹角为90°时实测值接近模型计算极限值的平均值。与Wu模型计算值相比,估算模型精度平均提高了5倍。模型参数敏感性分析表明,根系提供的土体附加强度受根系数量参数、尺寸参数及界面黏结强度参数的影响较大。
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泥水盾构泥浆渗透-扩散时空演化解析模型
周中, 张俊杰, 张称呈, 龚琛杰
岩土力学. 2021 (8):  2185-2194.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1818
摘要 ( 353 )   PDF(8805KB) ( 236 )  
泥水盾构在施工时泥浆易大量渗透滤失引起开挖面失稳,泥浆渗透成膜对维持开挖面的稳定具有重要意义,充分认识泥浆渗透规律是研究泥水盾构开挖面稳定的关键。通过考虑土体骨架对渗透泥浆颗粒的滤过效应,建立了泥浆浓度扩散模型,得到了泥浆浓度和地层孔隙率变化关系式,并基于多孔介质流体力学理论求解了泥浆渗透参数,构建了泥浆渗透-扩散解析模型。采用室内模型试验以及已有的理论对比验证了所建模型的准确性。最后依托工程实例分析了泥浆渗透扩散时空演化规律,解析结果与工程认识相符合,地层孔隙率随泥浆渗透距离的增加而逐渐增加随后保持不变,随泥浆渗透时间增加逐渐减小;泥浆渗透距离随渗透时间逐渐增加随后趋于稳定;泥浆浓度、泥浆渗透速度及渗流量随渗透时间和渗透距离的增加不断减小。结果表明,泥浆渗透-扩散解析模型能够较好地揭示不同地层参数下泥浆渗透扩散规律,并对各泥浆渗透参数进行量化,对实际泥水盾构施工具有较好的指导作用。
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单级等速加载下高压缩性软土 非线性大应变固结解析解
仇超, 李传勋, 李红军,
岩土力学. 2021 (8):  2195-2206.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0175
摘要 ( 354 )   PDF(9607KB) ( 231 )  
饱和软土大应变固结理论涉及复杂的材料非线性和几何非线性问题,致使其解析解很难获得,但非线性大应变固结模型解析解的工程意义却不言而喻。目前土体非线性压缩和渗透特性通常采用e- 和e- (e为孔隙比, 为有效应力, 为渗透系数)非线性关系描述。但大量室内固结渗透试验的结果表明,高压缩性软土发生较大应变时该非线性关系不再适用,而 - 和 - 非线性关系却能有效描述高压缩性软土的有效应力、渗透系数与孔隙比间的非线性变化规律。基于此,建立了变荷载下高压缩性软土一维非线性大应变固结模型,并给出特定参数下该固结模型的精确解析解和普适条件下固结模型的近似解析解。将应用固结模型计算的沉降曲线与室内等速加载下的试验沉降曲线对比,验证了该解析理论的可靠性。在此基础上,通过大量的计算研究参数 和 、外荷载和加荷速率对固结性状的影响。结果表明:压缩指数 一定时, 越小,土层的固结速率越快,底部超静孔压消散越快; 一定时, 越小,土层的固结速率越快, 底部超静孔压消散越快。按沉降定义的平均固结度 一般大于按孔压定义的平均固结度 ,即沉降的发展速率要快于孔 压消散速率。 ( 2) 1时,土层的沉降速率随外荷载的增加而减慢; ( 2) 1时,土层的沉降速率随外荷载的增加而加快; ( 2) 1时,土层的沉降速率与外荷载的大小无关。外荷载一定时,土层的平均固结速率随加荷速率增大而加快,同一深度处的超静孔压随加载速率增大而减小。
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基于新主滑趋势方向的矢量和边坡稳定分析方法
陈栋, 李红军, 朱凯斌
岩土力学. 2021 (8):  2207-2214.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0118
摘要 ( 376 )   PDF(7714KB) ( 282 )  
矢量和法安全系数求解的关键在于确定边坡的真实应力状态和主滑趋势方向,其求得的安全系数与边坡的真实应力状态和最终确定的滑动趋势方向紧密相关。现有矢量和法多基于单一抗滑力或滑动力确定滑坡体主滑趋势方向,但边坡的滑动实际上是抗滑力和下滑力共同作用的结果,在主滑趋势方向的定义中也需要考虑两者的共同作用。因此,将整个滑坡体作为隔离体,基于隔离体上作用的外荷载,滑动体底部法向力和极限抗滑力的整体矢量合力方向确定主滑趋势方向,进而通过矢量和法安全系数的定义确定滑坡体的安全系数。经理论推导及标准考题验证,基于新主滑趋势方向得到的最危险滑动面位置、安全系数和主滑趋势方向均与常规边坡稳定分析结果具备可比性,且基于新主滑趋势方向的边坡安全评价结果更偏于安全和便于工程师采取更具针对性的边坡支护措施。
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岩土工程研究
基于多因素耦合效应的锚索预应力长期损失研究
冯忠居, 江冠, 赵瑞欣, 龙厚胜, 王政斌, 张正旭,
岩土力学. 2021 (8):  2215-2224.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1506
摘要 ( 508 )   PDF(9374KB) ( 257 )   PDF(English)(303KB) ( 14 )  
为研究锚索锚固力长期损失规律及计算方法,基于广义胡克定律、松弛率时程响应方程与改进西原锚固耦合本构模型,建立了三因素锚固力损失计算方法,利用三因素损失计算方法分别计算了锚具垫板内滑锁紧、索体钢绞线应力松弛、岩体蠕变耦合的锚索预应力理论损失值。开展锚索拉拔破坏原位试验进一步验证长期损失计算方法的准确性,通过分析拉拔荷载传递机制,确定了荷载-增量位移曲线自由段拉拔阶段为锚索的工作荷载区间,取其区间中值为锚索时效锚固力,并获取了预应力长期损失实测值。研究结果表明:20年运营期锚索预应力损失值约为17.5%~27.5%;岩体蠕变是锚索预应力长期损失的最显著影响因素;三因素损失计算方法理论值与现场预应力损失实测值误差约4.2%,验证了三因素损失计算方法的准确性,表明长期预应力损失的三因素计算方法满足一定精度要求,具有可行性。
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地堑构造区冲击地压发生机制及矿震活动规律
吴振华, 潘鹏志, 潘俊锋, 王兆丰, 高家明
岩土力学. 2021 (8):  2225-2238.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1732
摘要 ( 414 )   PDF(21974KB) ( 540 )  
针对地堑构造区域发生冲击地压的灾害问题,基于地堑结构的特殊性及覆岩赋存特征,采用现场调研、理论分析和数值模拟等手段,分析了地堑构造区域覆岩运动特征及煤岩体应力演化规律并建立了相应的力学模型,研究了地堑构造区域冲击地压发生机制。同时,分析了冲击地压前后微震能量、频次的演化特征,得到了地堑构造区域冲击地压微震前兆信息时序规律。研究结果表明:楔形体的滑移下沉与采空区宽度密切相关,地堑构造区内采空区的存在会打破楔形体的稳定状态,FD6和FD8断层的局部滑移错动导致楔形体滑移下沉,而地堑构造区的悬顶结构也对未开采煤体有相应挤压作用,两者的共同作用为冲击地压发生提供了高静应力条件,悬顶结构的破断为冲击地压的发生提供了动载扰动条件,静荷载和动荷载的共同作用导致地堑结构内部的上平巷和三联巷发生冲击显现;在冲击前的一定时间内微震能量和频次期间呈现明显的偏差,且微震日平均能量具有明显的突降和突升现象。基于分析结果结合现场实际,提出了“断链增耗”的防冲技术,为地堑构造区工作面冲击地压防控提供一定的理论参考。
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基于岩体质量的爆破控制参数及可靠度分析
于崇, 岳好真, 李海波, 周传波, 陈士海, 邵珠山,
岩土力学. 2021 (8):  2239-2249.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0040
摘要 ( 443 )   PDF(12531KB) ( 267 )  
中国现有爆破相关规范仅依据岩石的软硬程度选取萨道夫斯基公式中爆破振动控制参数K、a值,存在一定的主观性和随意性。基于此,统计多个工程实例的爆破振动衰减规律和岩体质量分级,量化参数K、a。同时,鉴于岩体参数离散特性所引起的爆破振动不确定性,对质点峰值振动速度(PPV)进行了概率分析。结果表明:(1)与现场爆破试验相比,所建立的K、a与岩体质量分级指标BQ的关系式,可以应用到无爆破试验条件下的爆破振动控制参数的选取;(2)所提出的爆破振动不确定性概率分析方法,可以兼顾岩性参数离散的特点与场地实测爆破振动衰减规律,获得的PPV不确定性因子分布,可以定量评估爆破振动的可靠度,是合理预测PPV的必要补充。
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数值分析
基于修正立方定律的岩体粗糙裂隙网络 注浆过程模拟研究
崔溦, 王利新, 江志安, 王超, 王枭华, 张社荣,
岩土力学. 2021 (8):  2250-2258.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0007
摘要 ( 448 )   PDF(11629KB) ( 430 )   PDF(English)(533KB) ( 30 )  
受裂隙起伏程度影响,粗糙岩体裂隙中浆液流动规律与已有成果存在明显不同。从单一裂隙中流体流动的平行板模型出发,通过修正立方定律,建立了黏性流体粗糙裂隙中的流动规律模型,其与单条裂隙注浆试验的结果具有较好的一致性;基于岩体随机裂隙网络(DFN)模型,通过改变裂隙网络特性和注浆压力,对裂隙岩体中注浆过程进行模拟和研究。研究结果表明:岩体渗透性决定注浆扩散范围,但连通性是影响流体扩散过程的重要因素,可以在局部区域对流体扩散起到影响;注浆压力的增加会改变浆液扩散速度大小,使浆液更容易扩散至离注浆点远、局部连通性差的区域,但过大的注浆压力反而容易导致裂隙张开,甚至破坏岩体。
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川藏铁路红层改良路基填料压缩试验 与颗粒流模拟研究
徐华, 周廷宇, 王歆宇, 张杰, 张小波, 刘雨辰,
岩土力学. 2021 (8):  2259-2268.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1966
摘要 ( 342 )   PDF(11342KB) ( 502 )   PDF(English)(826KB) ( 20 )  
红层在我国云贵川地区以及东南亚一带分布极为广泛,具有风化剥蚀严重、遇水易软化等工程特点,不宜直接作为路基填料。依托川藏铁路成雅(成都-雅安)段红层路基改良工程,将弱风化泥岩碎石按比例掺入红层黏土以改善其颗粒级配及密实程度。通过现场取样及室内试验获得了红层改良填料应力-应变曲线;改进了基于椭球表面形态的多面体构造法,提出了一种随机构造具有凹凸多面体形状的碎石几何模型,通过建立PFC3D压缩几何模型,研究红层改良填料不同类型的强接触力链在加载全过程时的占比情况及在峰值强度时概率密度分布规律,解释了影响红层改良填料强度的内在机制。研究表明:含石量为50%的红层改良填料力学及变形特性最好,无侧限抗压强度可达421.9 kPa,碎石与碎石的咬合接触最好,红层黏土相互黏结作为弱力链起辅助填充作用,体系内能形成有效的超强力链,支撑体系承受荷载作用;不同掺石量比例的红层改良填料力学特性优劣顺序为:50%>40%>60%;推荐在对川藏铁路红层黏土改良时掺入50%的弱风化泥岩级配碎石作为路基填料。
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柱状危岩体坐落式崩塌产生涌浪的 简化数值模型与校验
黄波林, 殷跃平, 李滨, 白林丰, 秦臻,
岩土力学. 2021 (8):  2269-2278.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1639
摘要 ( 333 )   PDF(9670KB) ( 216 )  
许多水库峡谷区和海岸带存在柱状崩塌,它们可能因为软弱基座的破坏而发生坐落式崩塌,碎屑冲击入水将形成涌浪;快速、准确地预测分析大面积、长距离的该类涌浪问题面临着挑战。将崩塌体-水体耦合作用过程黑箱化,利用物理试验公式形成高精度的初始涌浪产生模型,利用Boussinesq模型控制初始涌浪事件波的传播,构建了一个计算精度与物理试验相近的简化涌浪数值模型3D-LWBM。并对这一数值模型进行了应用校验,结果显示:(1)3D-LWBM模拟的伪二维数值液面和测点水位过程的时序性和精确度都和物理试验结果有很好的一致性,精确度高。(2)在三峡库区龙门寨危岩体复杂地形河道中,3D-LWBM预测了涌浪的产生与传播;与流固全耦合模拟结果相比较,它具有较好的计算精度和极快的计算速度。(3)网格尺寸是初始波长的1/6~1/4时,3D-LWBM可以得到较精确的合理解;同时,3D-LWBM有其自身的适用范围。该研究可为相关涌浪防灾减灾提供技术支撑。
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砂土临界状态模型的隐式积分算法 在有限元分析中实现
陈洲泉, 陈湘生, 庞小朝,
岩土力学. 2021 (8):  2279-2286.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0032
摘要 ( 365 )   PDF(7095KB) ( 244 )  
材料状态相关的临界状态砂土模型,能够合理描述不同密实度砂土在不同围压条件下的应力-应变关系以及剪胀特性。考虑到实际工程问题中的土体通常处于真三轴应力状态,基于该模型在多轴应力状态下的扩展形式,在包含第三应力不变量的模型框架中构造了模型隐式应力积分算法的迭代格式。然后,基于ABAQUS的材料用户子程序Vumat进行二次开发,将砂土本构模型在有限元分析中实现。通过Explicit分析模块,模拟了不同密实度条件下砂土的单元试验,同时分析了圆形及条形基础的地基承载力问题。结果显示该隐式算法收敛性较好,强健有效,适用于计算大规模的边值问题。
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非一致性地震动作用下某长大隧洞动力响应的 时空效应初步研究
周永强, 盛谦, 李娜娜, 付晓东,
岩土力学. 2021 (8):  2287-2297.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0102
摘要 ( 332 )   PDF(20047KB) ( 282 )  
为研究非一致性地震动作用下长大隧洞动力响应的时空效应,首先,采用随机地震动合成法生成了能反映某长距离隧洞行波效应、衰减效应等局部场地效应的多条不同地震动时程曲线。通过底部分区域垂直输入的方式,分析了一致性和非一致性地震动作用下某长大隧洞围岩和衬砌的动力响应。在此基础上,通过傅里叶谱、传递函数及相干函数揭示了输入地震与围岩动力响应的频谱相关性。其次,从加速度、位移及相对位移时程等方面研究了不同部位围岩动力响应的空间非一致性。最后,通过分析地震动作用下围岩与结构的动力学特征,研究了围岩与结构地震动力响应的协调性。结果表明,与一致性地震动情况下保持不变相比,非一致性地震动使隧洞沿轴向上相同位置处围岩监测点的传递系数在主频段的变化过程明显不一致;地震动向上传播过程中,沿高程分布各监测点响应和输入地震动的最大相干系数与高程的关系基本符合二次多项式关系,但非一致性地震动输入情况的最大相干系数明显大于一致性地震动输入情况;在非一致地震动输入下,沿隧洞轴向方向上同一个位置的围岩监测点的位移时程虽存在一定的延时现象,但隧洞出口位置处围岩最大位移出现的时间却是早于隧洞进口位置处,而且隧洞围岩监测点加速度峰值、最大位移以及顶底监测点最大相对位移沿隧洞轴向基本呈现两端较大、中间较小的分布趋势;非一致地震动输入下,行波效应还会使隧洞左右两端产生一定的剪切作用。该研究可为地震作用下长大隧洞破坏机制的研究提供整体宏观认识。
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基于多参数拟合的EDEM岩石建模方法
申浩翰, 张海, 范俊锴, 徐瑞阳, 张小明
岩土力学. 2021 (8):  2298-2310.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1475
摘要 ( 1489 )   PDF(11381KB) ( 747 )  
以EDEM软件的Hertz-Mindlin with bonding(HMB)接触模型为基础,对岩石离散元模型构建方法进行了研究。首先,确保HMB岩石模型的黏结键全部为弱键,即黏结键抗拉强度小于其法向极限应力,然后通过仿真试验,分别建立了岩石模型的弹性模量E、泊松比 和抗拉强度 与颗粒和黏结键参数之间的3个回归关系式。根据上述3个回归关系式,构建了用HMB模型拟合真实岩石E、 、 的数学模型。对HMB岩石模型的抗压强度 ,当黏结键的极限应力比(法向极限应力 /切向极限应力 ) 在1~2范围内时, 受到 、 以及二者比值 的共同影响,特别是 在1.5附近时,单轴压缩仿真试验的破坏形式与试验结果吻合的较好,且 一定时, 与 呈线性关系。综合上述成果,提出了一种拟合真实岩石试样的弹性模量E、泊松比 、抗拉强度 、抗压强度 以及岩石试样破坏形式的HMB岩石模型构建方法,并给出了详细拟合步骤。最后通过实例验证了按照此方法构建的砂岩和花岗岩模型既能够拟合岩石的静态力学特性,也可用于分析岩石的动态力学特性。
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测试技术
气体水合物喷射合成与直剪试验系统的研制与应用
周远, 韦昌富, 周家作, 陈盼, 魏厚振,
岩土力学. 2021 (8):  2311-2320.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1847
摘要 ( 487 )   PDF(9100KB) ( 220 )  
为更好研究不同赋存模式对含水合物土力学特性影响,克服现有非饱和制样法的局限,研制了气体水合物喷射合成与直剪试验系统,系统包括水合物喷射合成子系统和含水合物土低温高压直剪子系统。水合物喷射合成装置是在高压低温的环境中,通过喷射水雾,水雾与气体反应快速合成水合物,通过这种方法可快速高效地制备持力体型气体水合物。直剪系统可使用非饱和法和水合物粉混合法两种方法制备含水合物土,不同的制样方法对应着不同的赋存模式。直剪试验可比较不同赋存模式下含水合物土的强度,以泥质粉细砂和二氧化碳水合物为试验材料,进行了胶结型和填充型水合物的直剪试验。结果表明,相同水合物饱和度下,胶结型水合物的强度大于填充型水合物强度,最终检验了仪器的可靠性。
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岩石结构面基本摩擦角测试仪的研制与应用
陈琼, 吕原君, 杜时贵,
岩土力学. 2021 (8):  2321-2330.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0160
摘要 ( 350 )   PDF(10633KB) ( 607 )  
倾斜试验法是获取岩石基本摩擦角的常用方法,但是现有倾斜测试技术未形成公认的规范,导致同种岩石材料测试结果差异较大。在现有试验仪结构及测试机制的基础上,研制出可通过倾斜或推拉方法获取岩石基本摩擦角的测试仪。它可测试尺寸长为50~150 mm、高为25~75 mm的系列多尺度试样,通过伺服电机和高速比减速器实现了角速度范围为6~60(°)/min的高精度匀速转动控制,并可实时监控并记录试样滑移距离、倾斜转角等试验参数。提出了测试基本摩擦角的操作流程,分析了试样尺寸及粒度、旋转角速度、滑移距离设置、结构面干燥度等影响测试结果的主要因素,给出了花岗岩、辉绿岩等11种结构面尺寸为100 mm×100 mm的试样基本摩擦角,为完善基本摩擦角测试仪的试验规范提供参考。
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