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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10期 刊出日期:2021-10-11
基础理论与实验研究
相变储能充填体孔隙结构及强度劣化机制研究
金爱兵, 巨有, 孙浩, 赵怡晴, 李海, 张舟, 陆通,
岩土力学. 2021 (10):  2623-2633.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0541
摘要 ( 610 )   PDF(12368KB) ( 493 )   PDF(English)(33432KB) ( 6 )  
为探究相变储能充填体孔隙结构特征及其对充填体强度劣化的影响,以硬脂酸丁酯为相变材料,膨胀珍珠岩为吸附介质制备复合相变材料,将其与水泥、尾砂混合制备不同复合相变材料添加量的相变储能充填体,并采用CT(电子计算机断层)扫描、MRI(核磁共振成像)分析、单轴压缩试验等方法得到不同添加量相变储能充填体的强度特征和结构特征,分析其影响机制。研究结果表明:(1)相变储能充填体孔隙率随添加量增大逐渐增大,其中大孔孔隙率近似线性增加,大孔占比逐渐增加,孔隙趋近球体。(2)随着相变材料添加量增加,充填体连通性增大,孔喉长度增加,大孔径孔隙数量增多,孔喉配位数集中在5以下,分形维数先下降再大幅上升,孔隙分布复杂。(3)当复合相变材料的添加量为5%时,受大孔隙及孔隙连通性增大的影响,充填体单轴抗压强度下降了30.2%;当复合相变材料的添加量为10%时,孔径分布趋于均匀,充填体单轴抗压强度下降了48.9%。
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氯氧镁水泥固化淤泥力学特性应变速率效应研究
王东星, 陈政光,
岩土力学. 2021 (10):  2634-2646.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0577
摘要 ( 342 )   PDF(11013KB) ( 203 )  
对氯氧镁水泥(MOC)固化淤泥进行无侧限压缩与间接拉伸试验,研究养护龄期、延迟压实对试样强度与刚度的影响,分析恒定多应变速率加载和交替应变速率加载下固化淤泥的应变速率效应。结果表明,应变速率增加,纯淤泥的拉压强度、弹性模量、破坏应变与总应变能均随之增加。MOC固化淤泥抗压强度、抗拉强度及其总应变能随应变速率增加呈增加趋势,而弹性模量和破坏应变受应变速率影响较弱。应变速率越快,试样破裂面越扭曲且崎岖不平。养护龄期延长,MOC固化淤泥抗压强度及总压缩应变能显著增加,而抗拉强度及总拉伸应变能略有减少,不同计算方法下龄期对应变速率敏感性的影响不同。延迟压实会折减固化淤泥的拉压强度、弹性模量和总应变能,降低应变速率敏感性。应变速率突变产生的应力跳跃随应力增大而增加,随应变增大先增加后持平。速率敏感性系数结果表明,固化淤泥的速率敏感性低于纯淤泥,劈裂抗拉强度对应变速率变化的敏感性大于无侧限抗压强度。该研究结果可为固化淤泥材料应变速率效应分析提供理论参考。
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动静组合加载下砂岩破坏机制 及裂纹密度试验研究
王伟, 梁渲钰, 张明涛, 贾泽钰, 张思怡, 王奇智,
岩土力学. 2021 (10):  2647-2658.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0095
摘要 ( 392 )   PDF(11348KB) ( 389 )  
为探讨砂岩在动静组合加载条件下的破坏特征及损伤规律,采用三维动静组合分离式Hopkinson压杆测试系统对砂岩试样进行了多组动静组合、不同加载速率条件下的冲击试验,利用CT扫描与数字岩芯技术得到了砂岩试样内部不同截面的破坏图和损伤后试样内部的三维重构图及裂纹密度,研究了砂岩在不同受力情况下的破坏形式和破坏机制,并对轴压、围压及应变率对砂岩裂纹密度的影响规律进行了探究。试验结果表明:常规动态冲击作用下,砂岩的动态破坏形式为典型的拉伸劈裂破坏;一维动静组合加载下,砂岩的动态破坏形式为典型的压剪破坏,内部呈现出共轭双曲线形的压剪面;三维动静组合加载下,砂岩的动态破坏形式同样表现为压剪破坏,但内部破坏面为圆台(锥)形,并对不同加载条件下砂岩的动态破坏机制进行了分析。在不同加载状态下砂岩的裂纹密度随应变率的增加均呈递增趋势,轴压、围压的施加限制了裂纹的产生和增长速率,围压相对于轴压对裂纹产生和扩展的限制程度更大,并从砂岩的抗压强度和裂纹产生的补偿空间角度对其进行了解释;利用轴压、围压模拟地应力,分析了地下0、200、400、600 m处应变率对砂岩裂纹密度的影响规律,并对其进行了定量分析,若要产生同样效果的裂纹密度,地下600 m处的砂岩所需应变率大约是无地应力状态下的3.4倍。从裂纹密度角度构建了不同加载状态下损伤变量和应变率之间的量化关系式,该研究结果可为无临空面爆破开采过程中不同爆炸应力波与岩石内部裂纹开展程度的量化问题提供了参考。
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基于CT的岩石三维裂隙定量表征及 扩展演化细观研究
张艳博, 徐跃东, 刘祥鑫, 姚旭龙, 王帅, 梁鹏, 孙林, 田宝柱,
岩土力学. 2021 (10):  2659-2671.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0339
摘要 ( 785 )   PDF(18109KB) ( 556 )   PDF(English)(1387KB) ( 32 )  
岩石破裂是裂纹萌生、扩展演化直至贯通的过程,为了研究受载岩石发生变形破坏时其内部裂纹动态扩展演化过程,利用工业CT对岩石破裂过程进行阶段性观测扫描,通过CT图像堆栈矢量化处理构建岩石三维裂隙模型,并对裂纹结构特征参数进行统计分析,定量化表征岩石破裂过程中裂纹扩展情况。在此基础上,提取裂纹扩展路径上的局部破坏形态特征,结合岩矿鉴定试验进行细观尺度分析研究。研究结果表明:利用裂隙体积V、表面积S及分形维数D等参数可以将三维裂隙扩展过程量化,且参量呈现基本不变—小幅增大—大幅激增的变化规律;CT切片图像中裂纹面积可以表征岩石局部裂纹扩展特征,且与同阶段三维裂隙的扩展演化特征相对应;岩石细观结构对裂隙扩展影响较大,裂隙扩展遇到砾石将形成绕砾扩展、穿砾扩展及分叉扩展3种方式。该研究成果将为岩石失稳破坏、工程岩体致灾预警工作提供研究基础。
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高温三轴应力下大理岩损伤演化与声发射 活动特征研究
李浩然, 王子恒, 孟世荣, 赵维刚, 陈锋,
岩土力学. 2021 (10):  2672-2682.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0253
摘要 ( 407 )   PDF(13193KB) ( 466 )   PDF(English)(669KB) ( 15 )  
为了揭示温度影响下的大理岩裂隙发展与损伤演化规律,利用岩石高温三轴伺服试验机与声发射测试系统,研究了30、60、90、120、150 ℃条件下的大理岩变形破坏特征与声发射活动规律。研究结果表明,高温作用下大理岩三轴压缩破坏经历压密和弹性变形阶段、塑性变形阶段、延性破坏阶段以及失稳破坏阶段共4个阶段,且试验温度越高,压密变形阶段和延性破坏阶段历时越长,岩石由弹脆性破坏逐步向弹塑性破坏转化。大理岩峰值强度、弹性模量和内摩擦角随温度升高而降低。岩石的声发射活跃度和声发射定位与宏观裂纹的对应性随试验温度的升高而降低。分析大理岩损伤演化过程的声发射信号幅值、撞击、振铃计数、声发射能量、峰值频率和b值特征发现,声发射幅值波动较小、温度敏感性较差,峰值频率和b值参数可以较好地表征岩石内部的裂纹发展情况,且峰值频率的温度敏感性最佳,可优选作为岩石破裂失稳的预测指标。三轴压缩破坏过程中大理岩产生张剪复合裂纹,并以剪切裂纹占主导,高温抑制了岩体内部裂纹的萌生,试验温度越高,岩石的张拉破坏越弱、剪切破坏越强。该研究成果为揭示岩石热损伤机制及工程热害预报提供了参考。
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红砂岩蠕变破坏声发射震源演化及其分形特征
龚囱, 赵坤, 包涵, 赵奎, 曾鹏, 王文杰,
岩土力学. 2021 (10):  2683-2695.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0012
摘要 ( 374 )   PDF(15498KB) ( 252 )  
对红砂岩进行了蠕变声发射定位试验,分析了声发射震源在沿加载方向与垂直于加载方向上的演化规律。在此基础上,以固定的时间窗口和时间步距,计算并研究了震源zi值与ri值的分形维数特征。试验结果表明:当蠕变应力等于或大于损伤应力时,声发射震源时空演化规律反映的是微裂纹萌生、成核与扩展、贯通的过程。微裂纹的萌生主要产生于减速蠕变阶段,在此过程中微裂纹在沿加载方向与垂直加载方向上,表现为自试件端部与外壁向试件中心演化的过程,并且zi值与ri值的分形维数总体呈现减小的特征。微裂纹的成核过程出现在等速蠕变阶段,其位置位于试件的中心部位。而后,随着蠕变时间的增大,微裂纹步入扩展阶段,此时微裂纹演化表现为自试件中心向端部与外壁方向扩展的过程。对应的zi值与ri值的分形维数均处于较低水平,该特征可作为微裂纹步入成核与扩展过程的标志。微裂纹的贯通产生于加速蠕变阶段,在此过程中沿加载方向上微裂纹主要分布于试件轴向中上部与中下部,而在垂直加载方向上微裂纹遍布试件半径方向,但震源zi值与ri值的分形维数均随着蠕变时间的增大而小幅度上升,该特征可作为微裂纹步入贯通过程的标志。该研究结果可为探索岩石蠕变细观机制与蠕变破坏预测方法提供理论与试验支撑。
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非平衡解吸状态下页岩气储层渗透率演化机制
张宏学, 刘卫群,
岩土力学. 2021 (10):  2696-2704.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1875
摘要 ( 300 )   PDF(8445KB) ( 148 )  
为了研究非平衡解吸状态下储层压力和气体解吸对煤系页岩气储层渗透率的影响机制,考虑气体在基质中的动力学扩散作用,提出了非平衡解吸状态下储层基质和裂隙的有效应力?渗透率模型,建立了储层在非平衡解吸状态和单轴应变条件下的渗透率模型。结合储层渗透率和岩样渗透率的现场和室内试验研究,分析了渗透率模型的有效性。结果表明,非平衡解吸状态下的渗透率模型能较好地拟合渗透率试验值。非平衡解吸状态下,孔隙体积模量越小,基质渗透率反弹越急剧;裂隙压缩系数越大,裂隙渗透率下降越急剧。研究了各参数对储层渗透率的影响机制,结果表明,当裂隙压力降至特定值时,随着基质压力的减小,基质渗透率先下降然后反弹,裂隙渗透率逐渐增大;当基质压力降至特定值时,随着裂隙压力的减小,基质渗透率逐渐增大,裂隙渗透率逐渐减小。
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注入位置对化学电渗法加固软黏土 效果影响试验研究
任连伟, 曹辉, 孔纲强,
岩土力学. 2021 (10):  2705-2712.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0116
摘要 ( 248 )   PDF(6928KB) ( 136 )  
电渗法是低渗透软黏土地基加固的有效方法之一。然而,传统电渗法也存在耗电量大、加固效果不均匀等方面的不足。在电渗加固软基后期注入硅酸钠(Na2SiO3)及氯化钙(CaCl2)溶液,可提高软基加固均匀性、缩短电渗时间从而降低耗电量;开展化学电渗法加固软黏土模型试验,实测电渗及化学电渗过程中排水量、排水速率等,着重分析试剂注入位置对土样电阻、电流等能耗系数,以及含水率、土样强度等加固效果的影响规律;结合电镜扫描(SEM)和电感耦合等离子体质谱检测(ICP-MS),初步探讨化学电渗法加固土样微观机制。研究结果表明:本文试验条件下,在土样阳极和中间同时注入化学试剂CaCl2溶液与Na2SiO3溶液,化学电渗排水和加固效果相对最优;与传统电渗相比,排水量增加了25.5%,抗剪强度值提高了168.8%,且同时一定程度上改善了传统电渗法存在的加固效果不均匀的弊端。
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聚丙烯纤维加筋砾质黏土的拉伸断裂特性研究
张志韬, 陈生水, 吉恩跃, 傅中志,
岩土力学. 2021 (10):  2713-2721.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0285
摘要 ( 232 )   PDF(9993KB) ( 169 )  
自主研发了一种用于土体拉伸试验的新型拉伸装置,针对不同砾石含量、不同纤维含量的砾质黏土开展了多组拉伸试验。由试验结果发现,砾质黏土的抗拉强度随着砾石含量的增大而降低,在砾质黏土中掺入聚丙烯纤维后,其抗拉强度和极限拉应变明显增大;纤维加筋砾质黏土的抗拉强度和极限拉应变与其中的纤维含量呈正相关关系,但随着砾质黏土中砾石含量的增大,纤维的掺入对其抗拉强度的提升作用明显降低。电镜扫描分析表明,纤维与土颗粒界面产生的摩擦作用是导致加筋砾质黏土抗拉强度提高的主要原因,砾石含量为0%的纯黏土试样,因仅存在纤维/土颗粒界面的I类纤维,土体的抗拉强度提高非常明显;随着砾石含量增大,纤维/土颗粒/砾石界面II类纤维的占比增加,纤维的掺入对其抗拉强度的提升作用明显降低。最后,基于60个试样的试验结果,提出了一个纤维加筋砾质黏土的抗拉强度的多元回归模型,可快速预测不同砾石含量和纤维含量下砾质黏土的抗拉强度。相关试验结果可为高土质心墙坝防渗心墙的抗裂设计提供参考。
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干湿循环−动荷载贯序耦合作用下压实粉质 黏土电阻率演化规律
胡智, 艾聘博, 李志超, 马强, 李丽华,
岩土力学. 2021 (10):  2722-2732.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0443
摘要 ( 367 )   PDF(10221KB) ( 173 )   PDF(English)(7822KB) ( 9 )  
路基土体在干湿循环、动荷载等多因素耦合作用下的性能演化规律对于路基安全稳定至关重要。采用交流二极法,对经历不同干湿循环、动荷载条件的压实粉质黏土试样开展了电阻率测试,研究了干湿循环?动荷载贯序耦合作用对试样电阻率的影响规律,建立了基于电阻率的试样动力性能定量表征数学关系,最后探讨了电阻率法用于压实土体状态评价的有效性。试验结果表明:压实土试样在干湿循环?动荷载耦合作用下,经历干湿循环次数越多、干湿循环幅度越大,试样电阻率下降幅度越大,但动荷载作用引起的下降幅度逐渐降低。该研究结果可为利用电阻率法评价干湿循环?动荷载耦合作用下路基土体状态提供一定参考。
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水力作用诱发硬土软岩滑坡启动机制研究
朱谭方, 辛鹏, 姚磊华, 胡乐, 胡波,
岩土力学. 2021 (10):  2733-2740.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0601
摘要 ( 386 )   PDF(12115KB) ( 414 )  
在我国西北地区,降雨诱发了大量的新近纪硬土软岩滑坡灾害。为减轻该类灾害造成的损失,以蔡家坡老滑坡为例,采用地质分析与降雨离心机模型试验相结合的方法,进行了两组不同水力条件的离心机模型试验,研究水力作用下硬土软岩质滑坡的启动机制。结果表明:(1)在水力作用下,硬土软岩质滑坡呈多级、渐进式破坏,变形演化具有初始变形阶段、加速变形阶段和流动破坏阶段;(2)孔隙水沿着裂隙和结构面渗流扩散使孔隙水压力持续累积,微地貌陡变区与坡脚强变形挤压区内的张裂隙为水体富集的主要空间;(3)孔隙水压力的增量呈加速式变化导致了固态滑体短时流体化运动。今后在灾害风险防控过程中,应加强裂隙化区域孔隙水压增长速度监测。
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基于核磁共振的季冻区膨胀土三峰孔隙结构演化特征及其力学效应
李甜果, 孔令伟, 王俊涛, 王凤华,
岩土力学. 2021 (10):  2741-2754.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0244
摘要 ( 336 )   PDF(12618KB) ( 318 )  
为探讨季冻区膨胀土的孔隙结构演化特征及其孔隙结构与宏观力学特性之间的联系,对佳木斯原状膨胀土开展了核磁共振(NMR)试验,并辅以扫描电镜(SEM)试验,来分析土样的孔隙结构。同时,对膨胀土在不同固结压力和冻融循环作用下的孔隙结构演化规律进行了研究,并探究了孔隙结构演化与力学特性之间的联系。试验结果表明:(1)佳木斯膨胀土内部存在发育的裂隙,使得其T2时间分布曲线呈现三峰特征;在固结压力的作用下,原状样的孔隙分布特征根据固结压力小于、略大于和远远大于前期固结压力表现明显不同,随着固结压力的增加,孔隙结构的调整速率减小;在冻融循环作用下,膨胀土的孔隙比减小,微孔基本保持不变,但中孔比例增加,大孔比例减小。(2)冻融循环作用使应力?应变曲线由应变软化型转变为应变稳定型,破坏模式由脆性破坏模式转变为塑性破坏;无侧限抗压强度随着冻融循环次数的增加呈指数型函数减小;冻融循环作用使膨胀土的收缩性显著增强。(3)孔隙结构的变化与力学特性具有较好的线性关系,冻融循环作用对土体孔隙结构的影响,与土体的宏观行为表现具有较好的一致性,可供建立膨胀土孔隙结构与工程性能定量关系参考。
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考虑能源土渗透性影响的水合物分解 超孔压特性研究
胡伟, 朱海涛, 蒋明镜, 李文昊,
岩土力学. 2021 (10):  2755-2762.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.1906
摘要 ( 297 )   PDF(6422KB) ( 241 )  
天然气水合物分解会产生超孔隙压力,导致深海能源土工程性质劣化,引发海底滑坡等地质灾害。考虑深海能源土渗透性的影响,建立修正的Grozic-Nixon超孔隙压力模型,以Storegga海底滑坡为研究案例与Grozic-Nixon模型和Xu-Leonid模型的研究结果进行对比分析。基于修正模型开展超孔隙压力时变规律研究和参数研究,揭示超孔隙压力的时变规律和不同参数对超孔隙压力的影响效应。结果表明:采用修正模型计算的超孔隙压力最大值相比于原模型减小约21.5%;超孔隙压力先累积后消散,累积速率逐渐减小,消散速率先增大后减小;水合物分解速率和深海能源土渗透率对超孔隙压力的影响最为显著,超孔隙压力最大值可相差6倍。
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干湿循环条件下黏性土干缩裂隙演化特征
刘俊东, 唐朝生, 曾浩, 施斌
岩土力学. 2021 (10):  2763-2772.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0459
摘要 ( 512 )   PDF(12659KB) ( 456 )   PDF(English)(19313KB) ( 18 )  
自然界中土体通常会经历多次干湿循环作用,干湿循环是影响土体工程性质的重要因素。为了研究黏性土干缩裂隙网络在干湿循环作用下的演化特征,在室内对尺度为60 cm×40 cm×1.5 cm的试样开展了5次干湿循环试验,实时监测了试样表面裂隙网络在干、湿过程中的变化,并利用数字图像处理软件定量分析了表面裂隙率、裂隙长度、宽度、交角等几何形态参数。结果表明:(1)干湿循环作用对土体干缩裂隙发育特征有重要影响,第1次干燥过程中裂隙发育存在明显的级序特征,但该现象在后续干燥轮次中消失;(2)裂隙在湿化过程中发生崩解愈合,并沿裂隙位置形成“浅坎”,干湿循环后裂隙基本在原位置产生,但裂隙发育方向在每次干燥过程中不尽相同;(3)干湿循环作用会导致裂隙边缘变得粗糙,并在土样中诱发更多的微小裂隙;(4)干湿循环作用会导致试样起裂时间变早,裂隙发育速度变快,裂隙总长度增加,裂隙平均宽度减小,但裂隙率变化不明显;(5)裂隙网络的交点形态随干湿循环次数的增加逐渐由T形转变为Y形,裂隙之间的交角由90°逐渐演变为120°。
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基于3D-ILC含水平内裂纹脆性固体 三点弯断裂特性研究
王海军, 乐成军, 汤雷, 赵初, 李汉章, 戚海棠,
岩土力学. 2021 (10):  2773-2784.  DOI: 10.16285/j.rsm.2019.1066
摘要 ( 344 )   PDF(8930KB) ( 165 )  
断裂力学是固体力学的重要分支,三点弯试验是力学领域的一个经典试验,含裂纹的三点弯研究多集中于穿透或表面裂纹,含纯封闭内裂纹的三点弯断裂研究较少。基于3D-ILC技术,在对试样表面无任何影响的情况下,生成任意参数的纯封闭内裂纹,开展含不同深度共勉内裂纹试样及完整试样三点弯断裂试验,分析应力双折射规律、破坏荷载、断口特征、断口特征区尺寸及破坏形态。通过对含不同深度内裂纹的试样进行数值模拟,得到裂纹尖端KⅠ、KⅡ、KⅢ分布规律。结果表明:(1)内裂纹改变了完整试样的应力双折射规律,云纹在裂纹上端呈半圆状,色差对比显著。(2)内裂纹的存在显著降低了试样三点弯破坏荷载,含深度10、20、30 mm单内裂纹试样及含深度20 mm双、三内裂纹试样与完整试样破坏荷载相比,下降百分比分别为11.8%、19.5%、78.4%、30.9%、35.5%。(3)内裂纹深度10、20 mm试样与完整试样破坏形态均为动态裂纹分叉破坏,呈现出镜面雾化羽毛平纹特征;含深度30 mm单内裂纹试样发生I-II-III型复合扩展,断口为光滑的翼状扩展。(4)得到了破坏断口特征区尺寸与内裂纹深度关系的拟合公式。(5)KⅠ、KⅡ、KⅢ与内裂纹深度成反比关系;裂纹越远离试样中心,KⅠ越小,KⅡ、KⅢ越大;左右侧裂纹对中间裂纹的K值不影响。该研究表明3D-ILC可做为研究断裂力学中的内裂纹及复合裂纹问题的重要工具。
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潮汐作用下的沉管隧道竖向位移计算
周桓竹, 寇晓强, 王延宁,
岩土力学. 2021 (10):  2785-2794.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0190
摘要 ( 396 )   PDF(10685KB) ( 254 )  
港珠澳大桥和深中通道工程中跨越深水航道部分均采用了沉管隧道的通过方式,传统理论分析往往将地基简化为多个互不联系的弹簧,忽略了土体的连续性,模型简单、参数少。考虑潮汐荷载影响,将沉管隧道管节等效为置于Vlasov 双参数地基上的 Timoshenko梁,以此推导了其竖向变形计算公式,并与Winkler 地基上的 Timoshenko梁计算模型进行对比分析以验证所提出的计算方法的合理性。以甬江沉管隧道工程为例,分析潮汐荷载影响下的沉管隧道管节接头竖向位移,将两种模型的理论计算结果与实测结果进行对比分析。研究结果表明,基于Vlasov双参数地基上的 Timoshenko梁假设的简化模型能更好地描述沉管隧道管节接头竖向位移特征,与实测数据更吻合。该研究结果对沉管隧道的设计计算具有一定指导意义。
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考虑围岩流变及衬砌劣化特性的隧道 长期服役性能解析
刘昌, 张顶立, 张素磊, 房倩, 方黄城,
岩土力学. 2021 (10):  2795-2807.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0404
摘要 ( 625 )   PDF(12781KB) ( 480 )   PDF(English)(14044KB) ( 178 )  
衬砌劣化普遍存在于隧道工程,对隧道运营安全产生威胁。针对流变岩体中运营隧道衬砌劣化现状,建立了考虑围岩流变及衬砌劣化特性的时效解析模型,分析了隧道全寿命周期内围岩位移、支护反力变化规律。通过数值建模验证了解析模型的正确性,借助本模型对衬砌劣化系数、衬砌厚度、支护时间及围岩流变特性等参数进行敏感性分析,最后对隧道服役性能进行了探讨。研究表明:在围岩流变效应下支护压力随时间增大,而支护结构在服役环境下力学性能逐渐降低,两者的耦合作用缩短了结构达到屈服强度发生破坏的时间;获取了支护荷载及承载能力时程曲线,建立了围岩流变及支护性能劣化耦合作用下隧道服役寿命预测模型;明确指出支护?围岩关系是隧道结构长期安全性的核心内容。
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一种水耦合轮廓爆破孔壁压力峰值的 简化计算方法
叶志伟, 陈明, 李桐, 卢文波, 严鹏,
岩土力学. 2021 (10):  2808-2818.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0094
摘要 ( 319 )   PDF(9114KB) ( 196 )  
孔壁压力峰值是进行爆破参数优化和非流?固耦合爆炸冲击动力响应分析的重要参数。基于弹性波动理论,理论分析了水中爆炸冲击波与炮孔壁的相互作用,初步确定了水耦合爆破孔壁压力峰值的简化计算模型,采用流?固耦合动力有限元数值分析方法,研究了多种常用水耦合轮廓爆破装药工况下的孔壁压力峰值,并与理论计算结果进行了对比分析,确定了反映水中冲击波在约束场中的传播规律及其与圆柱面炮孔壁相互作用时存在的透反射叠加作用等对孔壁压力峰值影响的修正系数。结果表明:炸药特性、不耦合系数、孔壁岩石介质条件均会对孔壁压力峰值产生显著影响,通过统计分析不同炸药类型、不同岩石波阻抗条件下修正系数与不耦合系数的关系,发现修正系数随不耦合系数的增大近似呈线性增长,基于理论计算模型与修正系数的确定方法,提出了一种水耦合轮廓爆破孔壁压力峰值的简化计算方法,能较全面地反映炸药性能、装药工况及孔壁岩石介质条件对孔壁压力峰值的综合影响。
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人工场地吹填珊瑚土抗液化强度大粒径 动三轴试验研究
王鸾, 汪云龙, 袁晓铭, 段志刚, 刘荟达,
岩土力学. 2021 (10):  2819-2829.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0234
摘要 ( 403 )   PDF(10109KB) ( 230 )  
为探究岛礁工程中实际吹填珊瑚土的抗液化强度特征及相关试验技术,指出了一般珊瑚土液化试验中存在的非稳态饱和现象,提出了基于优化饱和方法与橡皮膜顺变性修正技术的珊瑚土单元体液化试验方法。对某岛礁工程场地实际吹填珊瑚土材料配制的4组不同含砾量的宽级配高压实度试样进行试验研究,获取了实际吹填珊瑚土抗液化强度曲线。通过与历史地震珊瑚土液化场地的地震动条件比对,复现了其原位液化的发生情况,验证了试验结果的合理性,并指出了我国南海岛礁工程场地的地震液化风险。通过分析含砾量对珊瑚土与陆相砾性土抗液化强度影响的差异性,进一步提出了基于含砾量的实际吹填珊瑚土抗液化强度修正公式,给出了其抗液化强度的简化估计方法。
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岩土工程研究
考虑爆源特征的岩石爆破诱发地震波的 波型与组分分析
高启栋, 卢文波, 冷振东, 王亚琼, 周海孝, 张士朝,
岩土力学. 2021 (10):  2830-2844.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0108
摘要 ( 355 )   PDF(14991KB) ( 164 )   PDF(English)(33104KB) ( 26 )  
爆破地震波通常由压缩波(P波)、剪切波(S波)和瑞利面波(R波)等共同组成,但现有爆破振动衰减规律和安全判据研究中并未区分波型和组分。采用一种基于偏振方向预判的爆破地震波波型判别方法,通过理论分析和数值模拟,研究了不同形状药包的爆源特征及其激发的波型;结合现场爆破试验,分析了垂直单孔、水平光爆孔和边预裂孔3种典型爆破孔诱发地震波的波型与组分,探讨了不同爆破孔的爆源特征与力学作用机制,并对特定位置处的主导作用波型进行了预判。结果表明:垂直单孔的爆源可近似为短柱药包的延时叠加,地表爆破振动同时包含P、S和R波的贡献,随着爆心距增大,S波逐渐偏离其优势辐射方位,而P波主要作用于水平径向振动,R波将主导竖直向振动;水平光爆孔和边坡预裂孔均属轮廓爆破孔,二者力学作用机制相似,以轮廓面上的法向荷载为主,且轮廓面上的爆破地震波主要由S和R波组成,而P波的作用比较微弱,随爆心距增大,R波将成为主导作用波型,但轮廓面外P波的作用则不可忽略。
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柱状危岩体压溃式崩塌产生涌浪预测分析
张全, 黄波林, 郑嘉豪, 赵海林, 冯万里, 陈小婷,
岩土力学. 2021 (10):  2845-2854.  DOI: 10.16285/j.rsm.2020.0464
摘要 ( 324 )   PDF(12229KB) ( 206 )  
三峡库区柱状危岩体十分发育,水位变动加速了柱状危岩体基座岩体劣化,增加了其压溃式崩塌危险性,另外,潜在涌浪灾害对航运安全产生威胁。根据三峡库区相关危岩体调(勘)查资料,构建了颗粒柱状崩塌动力观测系统和试验平台,开展了颗粒柱体崩塌涌浪物理模型试验。试验结果表明:危岩体压溃式的破坏模式与试验颗粒柱体崩塌下坠?滑动的复合运动的破坏模式较为类似;颗粒柱体的阶段性运动可由重心运移速度解析,重心运移速度可以代表颗粒体速度;多元非线性回归推导了颗粒体入水速度和最大波幅的计算公式,弗劳德数为最大波幅公式的主要敏感因素;与刚性块体下沉的预测公式相比较,所推导的试验公式计算更适合压溃式破坏模式,预测精度更高。该研究将为库区柱状危岩体失稳产生涌浪预测提供技术支撑。
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数值分析
基于数字散斑相关方法和有限元法的岩土 材料力学参数反演
宋义敏, 凌小康, 张敬宗, 朱晨利, 任何, 苑德顺
岩土力学. 2021 (10):  2855-2864.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0165
摘要 ( 304 )   PDF(9541KB) ( 256 )  
基于Mohr-Coulomb和修正Drucker-Prager本构模型,开展基于数字散斑相关方法和有限元法(DSCM-FEM)的相似模型力学参数反演方法研究。进行相似模型试验,以数字散斑相关方法作为试验观测手段,分析得到的模型加载过程中表面位移场作为测量值,通过有限元法得到的位移场作为仿真值,构建反问题模型,分别基于Mohr-Coulomb本构模型和修正Drucker-Prager本构模型,利用优化算法对相似模型的力学参数进行反演。研究结果表明:所提出的DSCM-FEM力学参数反演方法使得散斑区域内位移测量值和位移仿真值在数值上和规律上都吻合,基于修正Drucker-Prager本构模型的反演精度更高。
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移动荷载下土工加筋路堤动力响应特性数值分析
张玲, 欧强, 赵明华, 丁选明, 刘健飞,
岩土力学. 2021 (10):  2865-2874.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0352
摘要 ( 300 )   PDF(9669KB) ( 253 )   PDF(English)(4575KB) ( 10 )  
交通移动荷载下土工加筋路堤的动力响应问题一直备受工程界关注。利用ABAQUS有限元软件建立了土工加筋路堤三维数值模型,深入分析了移动荷载下土工加筋路堤的动应力和变形的变化规律。交通移动荷载采用两个移动矩形面荷载模拟,并自行编制Fortran子程序以控制移动荷载的幅值、作用范围及移动速度;编制等效线性黏弹性模型模拟路堤填土以反映路堤填土的黏弹性;土工格栅采用T3D2桁架单元模拟;采用无限元减小由于模型尺寸带来的边界效应;进而建立了不考虑排水固结时移动荷载下土工加筋路堤数值分析模型。利用已有文献结果和计算结果进行了加筋路堤横截面变形和路堤顶面应力的对比验证,并分析了土工加筋路堤数值模型在移动荷载下的纵、横截面动应力分布,竖向动应力分布特性以及车辆超载。结果表明:动应力和动变形在路堤上表面1.0 m以内范围衰减较快,并逐渐过渡为一个等效的幅值较小的均布荷载作用。在相同深度处,轮载正下方的动应力衰减系数最小,双轮载中心处次之,轮载外边缘衰减系数最大。
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高承台桩基无偏心竖向激励低应变测试方法研究
邱欣晨, 王奎华, 吴君涛, 赵爽, 涂园, 刘鑫,
岩土力学. 2021 (10):  2875-2884.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0166
摘要 ( 348 )   PDF(9551KB) ( 225 )  
为了弥补传统低应变检测方法在识别带高承台的桩基完整性及桩长信息等方面的缺陷,提出了一种新型无偏心竖向激励方式以及一种桩身轴向多点速度响应行波分解法。进一步地,通过二维及三维有限元模型验证了该方法在识别带高承台的桩基完整性及桩长信息等方面的可行性。最后,对所提出的方法开展了如桩身尺寸、承台尺寸、传感器设置等一系列影响因素的参数分析研究。结果表明,通过本方法对原始的复杂速度响应进行数据处理后可以得到一桩底反射区清晰可辨的响应曲线,消除了上部结构复杂振动特性及环境高频噪声的影响,从而有效地预测了未知的桩长。该研究解决了现有无损检测方法局限性,对实际工程中带高承台桩基的完整性判断及桩长预测有一定的参考意义。
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低频超声导波在砂浆锚杆中传播特性的研究
牛潘宇, 张昌锁, 赵金昌, 李鹏
岩土力学. 2021 (10):  2885-2894.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0293
摘要 ( 336 )   PDF(12251KB) ( 207 )  
研究低频超声波在锚固结构中的传播规律对于指导锚杆无损检测具有非常重要的意义。采用数值模拟和理论计算方法分别在时域和频域范围内研究了不同锚固结构中100 kHz内低频超声导波的传播规律,有限锚固结构的数值模拟和理论计算结果与相关文献的试验测试结果完全吻合,然后利用验证后的数值模拟和理论计算模型研究了现场无限锚固结构中低频超声导波的传播规律。研究表明,锚杆锚固结构的横向尺寸与锚固剂的材料参数对导波传播特征具有决定性作用。有限锚固厚度的试验模型中确实存在衰减小并能传播更远距离的低频超声导波,但这些“最优导波”在无限锚固厚度的现场模型中由于衰减太大而无法用于检测。由于低频超声导波随着锚固剂弹性模量的增长快速衰减,它只能对8 h龄期内的砂浆锚杆进行检测。
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RB模式下刚性挡墙有限土体主动土压力的 离散元模拟与理论研究
张恒志, 徐长节, 梁禄钜, 侯世磊, 范润东, 冯国辉,
岩土力学. 2021 (10):  2895-2907.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0458
摘要 ( 332 )   PDF(11612KB) ( 399 )  
为研究刚性挡墙绕墙底转动(RB)模式下无黏性土主动土压力的分布问题,针对不同墙后填土宽度情况开展了离散元模拟。通过对离散元模拟结果分析发现,RB模式下主动土压力分布不同于平动(T)模式下的抛物线型分布;当墙后土体达主动极限状态时,土体内部形成了多条平行的滑裂线。由此提出了基于滑裂线分层的斜微分单元法,采用该方法将墙后土体划分为多个斜微分单元,并依据静力平衡条件推导了RB模式下有限土体主动土压力的理论计算公式。在无限宽度土体情况时,该理论公式与三角形分布的库仑主动土压力公式一致;在有限宽度土体情况时,该理论公式解得主动土压力沿深度呈分段线性分布;在墙土无摩擦情况时,该理论公式将退化为朗肯主动土压力公式。最后,通过与离散元模拟结果、前人理论方法及模型试验结果的对比,验证了该理论公式的合理性及有效性。
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测试技术
高压实膨润土砌块接缝组合 热−水−力耦合效应试验装置研制及应用
郑维翰, 李涛, 冯硕, 高玉峰, 刘月妙,
岩土力学. 2021 (10):  2908-2918.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0236
摘要 ( 360 )   PDF(14614KB) ( 177 )  
评估高放废物地下处置库缓冲材料的阻滞性能需要了解热?水?力(THM)耦合条件下高压实膨润土砌块与拼装接缝组合体的性能。为此,研制了一台膨润土砌块及接缝THM耦合特性试验仪,该装置由模型试验箱、砌块与接缝、温度控制、水力控制、数据测量与采集共5个系统构成。采用两块高庙子(GMZ)膨润土砌块和一条填有砂和膨润土颗粒的接缝制作砌块?接缝组合试样,在90 ℃的热边界和0.1 MPa的水力边界条件下进行了为期266 d的试验以检测试验装置设计的可行性。基于温度、体积含水率和膨胀力实测数据,获得了试样内部热、水和力三场的时空演化过程及规律。根据试样内部的干密度变化规律,建立了新的接缝愈合度定义式,并利用接缝变形观测数据计算了接缝愈合度。通过对接缝厚度与温度、体积含水率和膨胀力之间的关系进行回归分析,建立了相应的回归关系式。试验结果表明,该试验仪可用于核废物深地质处置缓冲材料的室内物理模拟试验。
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