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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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2022年, 第43卷, 第6期 刊出日期:2022-06-21
基础理论与实验研究
T型巷道中突出煤−瓦斯两相流动力学试验研究
许江, 程亮, 魏仁忠, 彭守建, 周斌, 杨海林,
岩土力学. 2022 (6):  1423-1433.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1129
摘要 ( 220 )   PDF(14782KB) ( 191 )  
为了进一步探究突出煤−瓦斯两相流在不同巷道布置方式下的动力学行为,利用多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统,开展了T型巷道布置方式下的煤与瓦斯突出试验,得出了两相流运移过程中冲击力与静压的演化特征。结果表明:直线主巷内冲击力随时间呈多峰值震荡衰减趋势,体现了突出过程的脉冲特性,且距突出口越近,冲击力震荡次数越多;分岔两侧支巷内冲击力突出前期呈现两种演化趋势,其一是迅速增大至峰值后缓慢下降,其二是缓慢增大后缓慢下降;距分岔结构中心左侧1 500 mm处出现了较大冲击力值,出现重度危险区域,而右侧则在距500 mm和1 900 mm处。利用突出运移动态图像将整个过程分为单相气流和两相流两个阶段,单相气流阶段中分岔后支巷的冲击力就迅速上升至峰值,而在两相流阶段分岔前主巷的冲击力上升至最高值,存在分岔后冲击力峰值高于分岔前的现象。突出过程中,巷道壁面上静压值总体偏低;静压随时间呈间歇式波动发展,且其峰值点自煤层由近及远呈先增大后减小的趋势;距突出口越远,直线主巷内静压出现峰值的时刻越滞后;分岔支巷内静压左右两侧的演化近似,随着时间推进,分岔结构前后静压衰减逐渐增大。
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下卧基岩黏弹性地基上刚性条形基础 竖向振动响应研究
郑长杰, 何育泽, 丁选明, 栾鲁宝, 陈业伟,
岩土力学. 2022 (6):  1434-1440.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1512
摘要 ( 190 )   PDF(5468KB) ( 165 )   PDF(English)(587KB) ( 37 )  
考虑地基土层厚度的影响,对黏弹性地基上刚性条形基础承受竖向荷载下的动力响应问题进行了理论研究。通过Fourier积分变换求解了地基土的动力控制方程,并结合基底和地基的混合边界条件及土层刚性基岩边界条件,得到了刚性条形基础的对偶积分方程。通过Jacobi正交多项式将其转化为线性方程组并进行数值求解。将所得解退化至弹性半空间,并与已有文献进行了对比,验证了解析解的合理性。分析结果表明:地基土层厚度是影响地基振动产生的表面波衰减以及条形基础动力柔度系数变化的重要因素。通过数值算例发现,只有在土层厚度超过基底宽度大约50倍的情况下,现有的将地基土视为无限半空间的理论解才是合理的。
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考虑初始孔隙比影响的单/双峰土−水特征曲线 模型研究
高游, 李泽, 孙德安, 于海浩, 陈波,
岩土力学. 2022 (6):  1441-1452.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2104
摘要 ( 277 )   PDF(9557KB) ( 254 )  
土样内部的孔隙结构可以分为单峰、双峰甚至多峰孔径分布。双峰孔隙结构土体的土−水特征曲线(SWCC)通常为双峰形态。现有的双峰SWCC模型大部分为单峰SWCC模型经过分段或叠加的方式所得,两段SWCC交点处的相关参数往往难以准确确定,而且很少有模型考虑孔隙比对双峰土水特性的影响。首先,详细分析和论述了广吸力范围内不同初始孔隙比土试样单/双峰SWCC的特点。其次,基于上述土水特性的分析,以及吸附水和毛细水两种不同的作用机制,结合开尔文方程推导出指数函数形式的吸附项方程,毛细项方程则以修正的Fredlund和Xing SWCC模型为基础。最后,提出一个考虑初始孔隙比影响的单/双峰SWCC模型,并利用不同类型土单/双峰SWCC的实测数据验证了模型的有效性。
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硫铝酸盐水泥协同垃圾焚烧副产物固化浓缩液 污泥的强度和水稳定性试验研究
梁仕华, 冯德銮
岩土力学. 2022 (6):  1453-1468.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1038
摘要 ( 270 )   PDF(27803KB) ( 246 )  
采用浸没燃烧工艺产生的生活垃圾卫生填埋场浓缩液污泥具有含水率高、有机质含量和重金属含量低,但含盐量极高的特点。选用硫铝酸盐水泥作为主固化剂,垃圾焚烧飞灰和底渣作为辅助固化剂,制备不同水泥、飞灰和底渣掺量的固化污泥试样,进行一系列的无侧限抗压试验、水稳定性试验和微观测试试验,以定量分析不同固化剂对浓缩液污泥的固化效果,探索固化污泥强度演化规律和浸水劣化机制的宏微观耦合控制机制。试验结果表明:单掺10%水泥,固化污泥的7 d无侧限抗压强度大于50 kPa,即可达到填埋的强度要求;当单掺50%以上的水泥时,28 d龄期的固化污泥才具有满足填埋强度要求的水稳定性;飞灰和底渣对水泥固化试样28 d强度的提升存在一个最优掺量,分别为5%(水泥掺量<40%)和10%(水泥掺量≥40%);在水稳定性方面,复掺底渣较复掺飞灰有效。扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)微观测试结果表明:水泥与一定量的飞灰或底渣共同生成的针柱状钙矾石晶体与水泥水化产物形成空间镶嵌互锁结构,是掺飞灰或底渣固化试样水稳定性提高的主要原因。
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结构性黄土的临界压力比及其边界面 塑性本构模型预测
康孝森, 廖红建, 黄强兵, 霍秉尧,
岩土力学. 2022 (6):  1469-1480.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1480
摘要 ( 205 )   PDF(10032KB) ( 177 )  
结构性黄土的临界状态与初始孔隙比有关,表现出临界状态线不唯一,需通过指标临界压力比反映,而修正剑桥模型及其改进模型预测的临界状态线唯一,这导致结构性黄土的临界状态及应力−应变关系难以被准确预测。针对这一问题,首先基于原状黄土三轴不排水剪切试验结果,根据临界压力比的公式,计算得到了不同初始孔隙比条件下指标临界压力比的值,发现原状黄土的临界压力比与初始孔隙比成反比例关系,阐明了其临界压力比的物理力学意义;进一步,在一个考虑临界压力比的边界面塑性本构模型框架下,引入结构性硬化参数以反映原状黄土在等向压缩路径下的结构劣化,通过临界压力比的不同取值来反映临界状态线不唯一,通过耦合塑性偏应变引起结构强度衰减与塑性体变引起结构劣化两个方面充分反映黄土的结构性劣化行为;最后,采用该模型预测了原状黄土三轴不排水剪切行为与等向压缩行为,临界状态、应变软化、应力路径及孔隙水压力预测效果良好。以上结果表明,结构性黄土的临界压力比物理意义明确,且取值方法可靠,本构模型若考虑临界压力比则能切实反映黄土实际的临界状态。上述研究结果对于黄土地区岩土工程问题的数值分析具有重要的理论与实际意义。
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浸矿开采对离子型稀土基岩力学特性的影响研究
钟文, 朱文韬, 曾鹏, 黄震, 王晓军, 郭钟群, 胡凯建,
岩土力学. 2022 (6):  1481-1492.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1537
摘要 ( 132 )   PDF(15461KB) ( 147 )  
为研究原地浸矿母液对离子型稀土矿收液底板的侵蚀影响,以离子型稀土矿基岩(半/弱风化花岗岩)为研究对象,开展了室内浸矿模拟试验。对比分析了不同浸矿时间岩样的应力−应变曲线、峰值应力、峰值应变和弹性模量,获取了不同浸矿历时岩样的孔隙度和细观形貌特征,并运用盒维法对岩样的非线性裂纹特征进行了定量化描述。结果表明:浸矿侵蚀作用对离子型稀土矿底板基岩力学性质的影响主要表现在前150 d,破坏形式由贯穿破坏转变为贯穿破坏与片状剥落并存;浸矿母液侵蚀作用下,基岩力学特性呈现先大幅减小后大幅回升,其后在小范围波动现象,浸矿约60 d对基岩力学特性的影响程度最大;浸矿母液侵蚀造成基岩内小孔隙增长,导致表面出现腐蚀及孔洞现象;浸矿时间不同将造成岩石不同的微观结构变化。
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地震效应下三维非均质土坡稳定性极限分析
李雨浓, 刘畅, 王立伟,
岩土力学. 2022 (6):  1493-1502.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1382
摘要 ( 215 )   PDF(8375KB) ( 226 )   PDF(English)(14179KB) ( 22 )  
基于极限分析上限定理,采用拟动力法研究了地震效应下非均质土坡的三维稳定性,并通过重度加大法(GIM)推导出边坡安全系数的显式表达式。此外,采用遗传算法进行优化,将所得结果进行对比验证,详细分析了地震条件下相关参数对边坡稳定性的影响。分析结果表明:边坡高度一定时,宽高比、边坡倾角的增大以及土体内摩擦角、非均质系数的减小均会造成安全系数的降低;拟静力法获得的结果相比于拟动力法较大,两种方法结果的差值会随着水平地震系数、有效内摩擦角的增大而增大,随着边坡倾角的增大而减小;土体放大系数的增大会导致安全系数减小,而地震波周期及波速的变化几乎对安全系数没有影响;滑动面轨迹受水平地震系数的影响较大,而受非均质系数的影响相对较小。
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连续排水边界下考虑变荷载的软土一维 非线性固结分析
吴思思, 罗文强, 李寅灿, 崔伟健, 王硕
岩土力学. 2022 (6):  1503-1512.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1603
摘要 ( 141 )   PDF(8448KB) ( 150 )   PDF(English)(457KB) ( 11 )  
土体往往具有非线性压缩特性,不同压缩特性下土体的固结规律存在差异。综合考虑土体非线性特性、变荷载作用以及连续排水边界条件建立了一维固结方程。采用无条件稳定的有限差分法和半解析法对固结方程进行了求解,两种解答方法的可靠性通过连续排水边界条件退化以及两种解答结果对比得到验证。在有限差分法解答的基础上,详细分析了界面参数、荷载参数以及非线性参数对土体固结的影响。结果表明:连续排水边界的界面参数取值越大,则超静孔隙水消散速率及土体沉降速率越大,但界面参数取值对最终沉降量没有影响;超静孔隙水压力在加载阶段逐渐增大,在恒载阶段逐渐消散;加载速率越大,则超静孔隙水压力峰值越大,并且土体固结速率越快,说明延长施工周期有利于降低超静孔隙水压力的影响;工程中要准确预测土体固结速率绝非易事,采用固结理论预测时需保证土体模型、边界条件以及土体计算参数等因素的准确性。
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基于环形等效的异形截面复合桩复合地基 固结理论研究
卢萌盟, 单洁, 李红军, 李传勋,
岩土力学. 2022 (6):  1513-1522.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1571
摘要 ( 127 )   PDF(7937KB) ( 127 )  
复合桩是指由两种不同材料经过复合施工形成一种新桩型,同一桩体由两种不同属性材料组成,从而起到互补增强的作用。以素混凝土芯砂石壳复合桩复合地基为研究对象,基于横截面积和周长恒定的原则,将其转化为等效环形单元。引入芯−桩面积比(混凝土芯与复合桩横截面积之比),基于等应变假设和达西定律,并考虑施工扰动及荷载随时间变化、附加应力随深度变化的情况,提出了复合桩复合地基固结解析模型,并给出了4种不同荷载模下的显式解答。最后,通过参数敏感性分析对复合地基的固结特性进行研究。结果表明:周长一定的方桩中,正方形截面桩的空心比最小,超静孔隙水压力消散最快;地基固结与芯−壳压缩模量比、渗透系数比成正相关;随着顶部荷载值的增加,固结逐渐加快。
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三维应力状态下饱和软黏土循环动力特性试验研究
李明枫, 王永政, 张婷婷,
岩土力学. 2022 (6):  1523-1532.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1046
摘要 ( 170 )   PDF(17486KB) ( 324 )  
在三维应力空间中,基于循环大主应力与循环中主应力的耦合模拟交通荷载下竖向循环正应力与平行于道路方向的水平向循环正应力的耦合,构建了循环大、中主应力耦合应力路径,定义了循环应力路径表征参数——循环中主应力系数bcyc。通过GDS动静真三轴仪,对正常固结饱和软黏土进行了一系列循环大、中主应力耦合应力路径下的不排水循环加载试验,重点分析了循环中主应力系数及循环应力比对正常固结软黏土长期循环动力及安定特性的影响。试验结果表明:三维应力状态下,循环中主应力系数的增大提升了土体回弹模量,抑制了累积大主应变的发展,并且累积大主应变与循环中主应力系数呈线性关系。基于安定理论,确定了循环大、中主应力耦合应力路径下饱和软黏土的容许循环应力比,同时发现循环中主应力系数的增加引起了容许循环应力比的上升。
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非贯通节理花岗岩剪切断裂力学特性及 声发射特征研究
王刚, 宋磊博, 刘夕奇, 包春燕, 吝曼卿, 刘广建,
岩土力学. 2022 (6):  1533-1545.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2120
摘要 ( 229 )   PDF(18559KB) ( 476 )   PDF(English)(978KB) ( 15 )  
为探究节理岩体在压剪复合作用下的断裂力学行为与破坏机制,采用完整及非贯通节理花岗岩开展了剪切试验,从宏观力学特性、声发射信号特征、颗粒流细观演化规律等多角度进行解析,并提出了一种利用声发射信号特征及其关键信息点预判花岗岩剪切破坏的方法。研究结果表明:节理破坏了岩石完整性,降低了岩石的剪切刚度和峰值剪切强度;此外,节理的存在会影响裂纹的扩展路径和破坏模式,且这种影响会随着法向应力的增加而削弱。法向应力和节理对声发射特征点影响显著,声发射信号的缓慢增长及b值的持续下降可作为岩石剪切破坏的前兆特征;利用声发射信号特征及其关键信息点可以有效预判花岗岩的剪切失稳破坏过程。该研究成果为节理岩体剪切破坏机制分析及其稳定性预测提供了一定参考。
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降雨形式对毛细阻滞覆盖层防渗性能的影响研究
李宁, 潘行, 张茂建, 张慧莉, 李昕珍, 许建聪,
岩土力学. 2022 (6):  1546-1556.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1337
摘要 ( 198 )   PDF(10561KB) ( 330 )  
毛细阻滞覆盖层的防渗性能对于控制渗滤液和减轻垃圾填埋场周边环境的污染具有重要意义,因此得到广泛研究。前人在研究中多采用恒定降雨强度来模拟降雨气象条件,而对降雨形式对毛细阻滞覆盖层防渗性能的影响关注较少。因此,采用自主研发的土柱降雨入渗试验系统,分别对短时强降雨和长时弱降雨两种降雨情况下,降雨形式对毛细阻滞覆盖层防渗性能的影响开展了研究,并揭示了最不利降雨形式。同时,采用SEEP/W软件对各试验工况进行数值模拟,以使模拟结果与试验结果能够相互印证。研究结果表明:试验结果与模拟结果基本一致,最大误差不大于3%;在短时强降雨情况下,降雨形式仅对覆盖层上部的体积含水率和孔隙水压力有较大影响;而在长时弱降雨条件下,降雨形式对整个覆盖层的体积含水率和孔隙水压力均有显著影响;降雨形式对覆盖层突破时间及渗漏量均有影响,前锋型降雨的突破时间最短,产生的渗漏量最大,后锋型降雨的突破时间最长,产生的渗漏量最小;前锋型降雨更易造成覆盖层突破失效而产生较大的渗漏量,为最不利降雨形式。该研究结果可为毛细阻滞覆盖层设计提供参考依据。
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单轴压缩下富有机质油页岩变形场与能量 演化特征研究
王鲁男, 陶传奇, 尹晓萌, 韩杰, 杨磊, 张甘平,
岩土力学. 2022 (6):  1557-1570.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1608
摘要 ( 149 )   PDF(22849KB) ( 381 )   PDF(English)(1053KB) ( 10 )  
油页岩矿层中有机质的不均匀分布导致岩石的力学响应与破坏机制有所差异。为此,综合运用单轴压缩试验、数字图像相关方法及红外热成像技术,研究不同有机质丰度下油页岩加载全程的变形场、温度场及能量演化特征,揭示有机质丰度对油页岩力学特性与变形破坏机制的影响。研究表明:随着有机质丰度增高,油页岩的应力−应变特征总体呈现衰减趋势,延展性显著提升;破坏模式从劈裂型张拉向张拉−剪切复合型发展,这归因于有机质丰度改变了层理弱面对宏观裂纹发育的控制程度。变形场和温度场在加载作用下具有明显的局部化特征,表面变形量、红外温度均随有机质丰度增高而增大,两场分异程度也随之增强。此外,有机质丰度也影响着油页岩的能量转化及分配规律,随着有机质丰度增高,油页岩的吸能、储能及释能性质减弱,而耗能性质增强,整体能量状态降低。这是不同有机质丰度的油页岩力学特性与变形破坏规律存在差异的本质诱因。
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岩土工程研究
考虑场地多源勘测数据三维空间相关性的土体 参数概率密度函数估计
杨智勇, 尹城川, 聂家岩, 黎学优, 祁小辉,
岩土力学. 2022 (6):  1571-1584.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1527
摘要 ( 220 )   PDF(15279KB) ( 307 )  
岩土工程场地勘测数据一般包含多个土体参数的数据,这些数据不仅具有交叉相关性,而且具有三维空间自相关性。如何有效地利用这些数据去量化土体参数的不确定性是一个富有挑战性的问题。为此,提出了考虑多源勘测数据三维空间相关性的土体参数联合概率密度函数估计方法。首先介绍了基于单钻孔多源勘测数据(仅考虑勘测数据垂直相关性)的土体参数概率密度方法,在此基础上,提出了基于Gibbs抽样的考虑多钻孔多源勘测数据垂直和水平相关性的土体参数概率密度函数估计方法。最后以一模拟虚拟场地和美国德克萨斯州一实际场地为例阐明了所提方法的有效性。结果表明,所提方法能为融合多源勘测数据的场地土体参数不确定性量化提供一种有效分析工具。采用多钻孔勘测数据能够有效地降低土体参数的统计不确定性。
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基于DBSCAN选择性聚类集成的岩体结构面 优势产状分组方法
张化进, 吴顺川, 韩龙强,
岩土力学. 2022 (6):  1585-1595.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1582
摘要 ( 189 )   PDF(11557KB) ( 305 )   PDF(English)(50956KB) ( 5 )  
针对单个结构面聚类模型存在误判或漏选风险、难以有效识别噪点与孤值等问题,提出利用具有噪声的基于密度的聚类(DBSCAN)算法进行选择性聚类集成的岩体结构面优势产状分组方法。首先,将结构面产状进行空间坐标转换,以单位法向量的夹角正弦值作为相似性度量标准。进而,基于DBSCAN算法构建一定数量具有差异性的基聚类器,借助选择性聚类集成技术挑选出部分优异的基聚类器。最后采用一致性集成技术融合这些基聚类器,获得一个高可靠度的选择性聚类集成结果。将该方法应用于DIPS软件数据集与松塔水电站坝址区结构面勘察中,检验了该方法的可行性与有效性。研究结果表明:该方法聚类效果显著优于常见聚类算法,聚类结果客观合理,不仅能有效标识出噪点与孤值,还克服了单个模型易过分割或欠分割的不足。该研究成果对准确确定结构面优势组具有一定的工程价值。
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基于静力触探试验的液化判别新方法
张思宇, 李兆焱, 袁晓铭,
岩土力学. 2022 (6):  1596-1606.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1524
摘要 ( 226 )   PDF(10049KB) ( 200 )  
近来地震液化灾害频发,再次成为研究重点,发展具有良好应用前景的基于静力触探试验(CPT)的液化判别方法对预防液化灾害具有重要意义。以Boulanger数据库171组数据为回归样本,分析既有方法存在的问题,提出了基于CPT液化判别的双曲线模型和计算公式,并通过提取2011年新西兰地震147组液化新数据,对该方法进行对比检验。研究表明,我国岩土工程勘察规范的CPT液化判别方法对浅埋砂层偏于保守,对深层土又明显偏于危险,而国际上具有代表性的Robertson方法,其液化临界线存在低烈度区不合理回弯、高烈度区又偏于保守的问题。提出的新公式在不同地震动强度和砂层埋深下均可给出合理判别结果,克服了国内外既有方法的缺点,并纳入到具有样板规范性质的《建筑工程抗震性态设计通则》修订稿中,可为我国相关规范修订和工程应用提供支持。
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典型工程筑坝砂砾料级配特征与压实特性研究
杨孝攀, 李江, 杨玉生, 齐吉琳, 李康达,
岩土力学. 2022 (6):  1607-1616.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1405
摘要 ( 152 )   PDF(8894KB) ( 232 )  
砂砾石坝坝料级配设计、坝体分区和填筑标准的设计均依赖于工程经验,为砂砾石坝坝料设计和填筑标准设计及评估提供工程类比基础。基于典型工程筑坝砂砾料级配包线和填筑标准现场试验干密度统计,分析实际工程筑坝砂砾料典型级配包线范围,给出关键级配特征参数的分布区间,并研究砂砾料级配特征对压实特性的影响。结果表明:(1)典型筑坝砂砾料级配最大粒径为400~600 mm,常见级配包线含砾量为70%~88%,曲率系数为1~10,不均匀系数多大于5,级配方程参数b和m范围分别为0~0.9和0.2~1.0;(2)能获得较高填筑干密度的砂砾料级配含砾量为70%~85%,曲率系数为1~10,不均匀系数大于5,级配方程参数b值和m值分别为0.7~0.9和0.6~0.9;(3)含砾量、曲率系数、不均匀系数和最大粒径对干密度均有显著影响,影响程度依次减小。
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数值分析
Seismic analysis of cantilever earth retaining walls embedded in dry sand by simplified approaches and finite element method
FERRO Edgar, OSS Andrea, SIMEONI Lucia,
岩土力学. 2022 (6):  1617-1634.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.00150
摘要 ( 149 )   PDF(20761KB) ( 228 )   PDF(English)(772KB) ( 40 )  
In engineering practice simplified methods are essential to the seismic design of embedded earth retaining walls, as fully- dynamic numerical analyses are costly, time-consuming and require specific expertise. Recently developed pseudostatic methods provide earth stresses and internal forces, even in those cases in which the strength of the soil surrounding the structure is not entirely mobilised. Semiempirical correlations or Newmark sliding block method provide an estimate of earthquake-induced permanent displacements. However, the use of these methods is hindered by uncertainties in the evaluation of a few input parameters, affecting the reliability of the methods. This study uses 1D site response analyses and 2D fully-dynamic finite element analyses to show that simplified methods can provide a reasonable estimate of the maximum bending moment and permanent displacements for stiff cantilever walls embedded in uniform sand, providing that a few input parameters are evaluated through semiempirical correlations and a simple 1D site response analysis.
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Stokes二阶波作用下斜坡海床中盾构隧道周围 砂土渗流压力响应分析
张治国, 叶铜, 张成平, PAN Y T, 吴钟腾,
岩土力学. 2022 (6):  1635-1659.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1727
摘要 ( 207 )   PDF(31979KB) ( 443 )  
目前针对波浪作用下海底盾构隧道周围渗流场的既有理论研究一般将衬砌考虑为不透水介质,较少考虑隧道衬砌的渗透性,尤其是较少考虑海底斜坡地形下波浪非线性带来的影响。首先基于斜坡海床表面的动力边界条件,得到Stokes非线性波作用下自由海床的Biot固结孔压响应;其次,采用镜像法建立了由于隧道存在引起的砂土体摄动压力控制方程,并利用砂土与衬砌间渗流连续条件获得了该方程的Fourier级数展开解析解;接着,采用叠加原理得到了Stokes波作用下斜坡海床中隧道周围砂土的渗流压力响应解答;最后,将理论解析解与数值结果及已有的试验结果进行对比,获得了较好的一致性。此外,针对波浪敏感参数(波长、周期、形态)、海床敏感参数(海床渗透性、剪切模量、饱和度、坡度)及隧道敏感参数(衬砌厚度、渗透性、埋深)进行了影响因素分析。结果表明:随着波浪周期及波长增加,衬砌外超静孔压明显增加;随着水深沿斜坡方向减小,Airy波和Stokes波理论在适用范围内(d/L>0.125,d为海水深度,L为波长),获得的波浪压力差异明显增加,前者会低估隧道周围的超静孔隙水压力;当海床渗透系数较大时(ks>1×10−2 m/s),波长和海床饱和度的增加会造成衬砌外超静孔压增大,而海床剪切模量、海床坡度及隧道埋深的增加会造成衬砌外超静孔压减小,在坡度较大的斜坡海床中,隧道衬砌外超静孔压呈明显的非对称分布;当海床渗透系数较小时(ks<1×10−4 m/s),隧道周围超静孔隙水压处于较低水平,其他敏感参数的影响不显著;当隧道衬砌渗透系数较小时(kt<1×10−6 m/s),隧道对超静孔隙水压在砂土内传播的“阻挡”效应明显;当衬砌渗透系数较大时(kt>1×10−4 m/s),隧道周围砂质海床内超静孔压较低;衬砌厚度对衬砌外超静孔压分布影响不显著。
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基于混合常应力−光滑应变单元的极限分析方法
周锡文, 刘锋涛, 戴北冰, 张澄博, 张金鹏,
岩土力学. 2022 (6):  1660-1670.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0922
摘要 ( 222 )   PDF(11572KB) ( 267 )  
极限分析是岩土工程稳定性评价的重要方法之一。传统的有限元极限分析方法,采用低阶三角形单元时需要引入速度间断面并采用特殊网格布局,或者采用高阶三角形单元等措施来克服体积锁定问题和提高数值精度。在光滑有限元法(smoothed finite element method,简称SFEM)的基础上,提出了一种基于新型混合常应力−光滑应变单元的极限分析方法(mixed constant stress-smoothed strain element limit analysis,简称MCSE-LA方法)。在服从关联流动法则和Mohr-Coulomb屈服准则的基础上,MCSE-LA方法最终将数值极限分析转化为以应力和极限荷载乘子为基本未知量的二阶锥规划(second order cone programming,简称SOCP)问题。MCSE-LA方法具有形式简单、优化变量相对较少和无需显式的写出塑性内能耗散函数的优点,并且根据凸锥优化的对偶理论,可以从对偶问题中获得速度场和塑性乘子等信息。此外,还采用基于最大塑性剪应变率的网格自适应加密算法,该算法在塑性区细化网格,显著提高了新数值极限分析方法的计算效率和精度。最后通过边坡稳定分析的结果对比,验证了MCSE-LA方法的计算精度和效率均高于传统的有限元极限分析方法。
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基于路基土蠕变效应的路基预应力损失模型研究
冷伍明, 邓志龙, 徐方, 张期树, 董俊利, 刘思慧
岩土力学. 2022 (6):  1671-1682.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1409
摘要 ( 185 )   PDF(11156KB) ( 281 )  
新型预应力路基技术可用于整治路基病害或强化既有线路基,研究其预应力损失规律对保障预应力路基工程的长期安全具有重要意义。基于弹性理论提出了预应力路基侧压力板与路基边坡接触面中心点后方水平路径上附加应力的计算方法,分析表明该特征路径上水平附加应力随距板−土接触面中心点距离的增加呈现良好的指数函数衰减关系。基于水平附加应力的指数函数扩散规律及路基土的蠕变行为,推导了路基土的蠕变变形计算公式。进一步基于蠕变变形与预应力钢筋回缩变形的协调性,建立了路基预应力的损失模型和计算方法,并结合FLAC3D数值仿真开展了对比分析。研究表明:钢筋预拉力损失的理论预测曲线与数值仿真曲线吻合良好,二者偏差不足5%,论证了路基预应力损失模型的有效性;钢筋预拉力可在锚固后的60 d内达到稳定,且预拉力的稳定值可达其初始值的85%~90%,说明新型预应力路基技术可为路基土提供相当可观的稳定附加围压,从而通过改善路基土的应力状态达到强化路基的目的。
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地下浅部异质体对表面波场谱扰动分析
柴华友, 柯文汇, 柴扬斐, 朱红西, 王贤达, 刘欢
岩土力学. 2022 (6):  1683-1693.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1569
摘要 ( 129 )   PDF(13593KB) ( 98 )  
均匀半无限体中表面源激发近表面波场由瑞利波主导,当浅部存在异质体,前行瑞利波发生散射,异质体周围表面波场响应谱发生变化。当异质体长度相对波长较大时,由异质体上方表面质点响应谱提取绕射波频散曲线可分析异质体与周围介质刚度差异对绕射波传播特性的影响。与含软层或硬层半无限体中瑞利波特性比较,可以发现绕射波具有与瑞利波类似的传播特性。异质体上方谱变化特征与异质体和周围介质间刚度差异有关,本研究基于异质体绕射波与入射瑞利波位移结构差异解释谱变化现象。结果表明:异质体上方谱与周围谱明显不同,在偏移距−波长域,相对于前方波场,软质体上方谱密度整体呈减弱趋势,硬质体上方谱密度整体呈增强趋势。根据谱密度变化对应偏移距、波长及谱密度强弱,可以预估异质体在传播方向的位置、埋深,并识别异质体类型。
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势接触法中法向刚度系数取值研究及岩层 运动过程模拟
王学滨, 薛承宇, 岑子豪, 陈双印, 刘桐辛,
岩土力学. 2022 (6):  1694-1704.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1174
摘要 ( 183 )   PDF(10608KB) ( 126 )  
采场上覆岩层的开裂和破断在力学上可归结为连续介质向非连续介质转化或非连续介质进一步演化。正确模拟岩层运动对于岩层稳定性控制和有关灾害预防具有极其重要的意义。在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续−非连续方法中,只有法向刚度系数正确取值,势接触力才更可靠。为了模拟时间较长的开采过程和解决煤层离散单元形成的聚集体仍能承受超过自身承载能力的问题,采用了准静力模式和应力跌落方法。为了有助于正确选择适于模拟岩层相互作用的法向刚度系数,首先对其进行了标定,以考察嵌入引起的误差的影响。然后设计了4组(上相对较软−下相对较硬、两相对较软、上相对较硬−下相对较软和两相对较硬)两岩块撞击−平衡过程的数值试验,并以其中一组为例进行了重点分析。通过考察两岩块的嵌入量和上岩块下表面的平均应力的演化以及上块从运动到平衡的时长,最终得到了具有普适性的结果,即法向刚度系数与弹性模量的比值为15 m−1时较为适当。为了检验上述建议值是否适于模拟采场岩层运动,以某煤矿1141工作面为例进行了计算。研究发现,在法向刚度系数取为建议值时,计算结果较为合理,且计算效率较高。
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层状土场中冲刷作用下部分埋置单桩动力响应分析
马建军, 韩书娟, 高笑娟, 李达, 郭颖,
岩土力学. 2022 (6):  1705-1716.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1565
摘要 ( 152 )   PDF(8482KB) ( 107 )  
桩周土场受冲刷作用的变化是部分埋置单桩结构失效的主要原因之一。工程中土场多呈层状,此类场地中桩基的力学特性研究日益受到关注。为精确揭示冲刷作用对层状土场中部分埋置单桩动力响应的影响,基于改进Vlasov地基模型,利用Hamilton原理建立层状土场中横向受荷单桩的动力学模型。利用有限差分法求解受冲刷作用单桩的固有频率,实现对冲刷作用下土−结构相互作用系统的准确建模,进而用Green函数法求得单桩受迫振动的解析解。通过数值计算和参数分析,研究了层状土场的物理特性对受冲刷作用部分埋置单桩动力响应的影响。结果表明:基于改进Vlaosv地基模型建立的层状土场中部分埋置单桩动力学模型可精确预测冲刷作用对桩基动力学特性的影响。随冲刷程度加剧,层状土场中单桩的第一阶固有频率显著降低,改进Vlasov地基模型中各层土体的地基反力系数均减小,剪切系数则增大。当冲刷至非埋置段桩长 ( 为桩长)时,部分埋置单桩在动荷载作用下出现横向失稳现象。随底层土体厚度增加,各冲刷等级下单桩的第一阶固有频率均增大。如果第1层土的弹性模量增大了约0.43倍、1.14倍、1.86倍,则冲刷等级为0时单桩第一阶固有频率分别增大了约8.9%、19.5%、27.1%。
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基于CT三维重建的注水煤岩体裂隙扩展规律研究
毛彦军, 陈曦, 范超男, 葛少成, 李文璞,
岩土力学. 2022 (6):  1717-1726.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1609
摘要 ( 256 )   PDF(10110KB) ( 184 )  
针对煤层注水防尘过程中注水压力设置不合理、注水渗流效果差等问题,采用CT扫描技术与RFPA软件相结合的方法,构建了可以表征注水煤岩体内部孔裂隙结构的三维细观非均匀渗流损伤数值模型。通过对经过CT三维重构的煤岩模型进行不同注水压力的渗流损伤模拟,研究了煤层注水压力对煤样的渗流破坏、渗透率演化及声发射特性变化的影响;并通过对重构的煤岩模型进行缩放处理,研究了煤岩尺寸对煤样的渗流破坏和声发射变化的影响。研究结果表明:在煤样微观裂隙扩展过程中,随着注水压力的递增,煤样损伤单元数、渗流运动的渗流场分布范围、渗透率、声发射数目和能量总体呈上升趋势,局部范围内有波动发生,发生波动的原因是由于渗流运动的渗流场与煤样裂隙内部应力场发生临界反应,致使煤样破坏单元位置发生改变;煤样渗透率由3.82×10−5 μm2上升至0.314 μm2,孔隙率由5.45%上升至48.45%,揭示了煤岩体裂隙总体上随注水压力增大而不断扩展贯通,局部上随注水压力增大而扩展趋势有所下降的影响规律;随着煤样尺寸的增加,注水破坏后煤样的孔隙率呈现先下降后逐渐平稳的趋势,声发射特性变化趋势正好与之相反,表明煤样的尺寸对注水煤岩渗流破坏有显著影响,但当煤样尺寸超过40 mm时,煤样尺寸对注水煤岩渗流破坏的影响趋于稳定。CT扫描技术与RFPA软件相结合的方法能够有效模拟注水煤岩的裂隙渗流扩展行为。
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测试技术
动力扰动作用下多功能岩石结构面剪切 试验装置研制与应用研究
崔国建, 张传庆, 周辉, 卢景景, 高阳, 胡明明, 胡大伟,
岩土力学. 2022 (6):  1727-1737.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1592
摘要 ( 264 )   PDF(11579KB) ( 219 )   PDF(English)(35750KB) ( 5 )  
动力扰动是导致岩石结构面滑动失稳进而触发地震、岩爆等强动力型地质灾害的重要诱因。为研究动力扰动作用下岩石结构面力学响应及其活化致灾机制,自主研制了动力扰动作用下多功能岩石结构面剪切试验装置。该装置主要包括用于施加准静态荷载、多种法向边界条件、复杂波形宽频率动力扰动荷载(0.5~50 Hz)及宽频剪切速率(0.000 1~10 mm/s)的法向和切向加载系统,施加冲击动力扰动荷载的摆锤冲击系统,开展循环往复剪切试验的剪切盒,数据采集和控制系统。通过控制软件编程,可开展不同剪切速率下恒定法向荷载、恒定法向刚度、卸法向荷载、变法向刚度和动态法向荷载条件下岩石结构面单调或循环剪切试验,静载叠加动载剪切试验,速率和应力阶跃试验和摆锤冲击剪切试验等。应用该装置开展了初步的试验研究,验证了试验过程中该装置具有良好的稳定性和准确性。该装置的研发对认识动力扰动作用下岩石结构面的响应特征,深入理解地震、岩爆等强动力型地质灾害的岩石结构面活化失稳触发效应及致灾机制具有重要的科学意义和工程价值。
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基于矩张量反演的传感器校准方法应用和对比
任义, 高永涛, 吴顺川, 李栋栋,
岩土力学. 2022 (6):  1738-1748.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1529
摘要 ( 290 )   PDF(23186KB) ( 396 )  
矩张量反演理论是研究深部岩体破裂机制的有效手段,而监测台站/传感器校准对获取准确的矩张量结果十分重要。为求得更加准确的校准系数和矩张量结果,提出一种新的传感器校准方法——搜索校准法。将该方法和监测网校准法分别应用于加利福尼亚州北部的Geysers地热田微震监测数据中,并综合考虑不同震源机制参数、预设校准系数、噪声添加方式及噪声水平等因素的影响,进行两种校准方法有效性对比的理论计算和模拟分析。结果表明:两种校准方法均可通过微震监测数据获得稳定的校准系数,且校准后的震源成分及应力状态分布均更加集中;所有模拟工况下,两种校准方法均可有效降低矩张量反演误差;低噪声条件下,两种方法对应的矩张量反演误差较小且十分接近;混合噪声和高噪声条件下,搜索校准法的准确性和稳定性多优于监测网校准法;进而优选出Geysers地热田微震监测数据更加可靠的矩张量结果。研究思路和结论为微地震矩张量研究提供了进一步指导。
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