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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7期 刊出日期:2022-07-26
基础理论与实验研究
干湿过程中花岗岩残积土抗拉强度变化研究
汤连生, 王昊, 孙银磊, 刘其鑫,
岩土力学. 2022 (7):  1749-1760.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1758
摘要 ( 354 )   PDF(966KB) ( 332 )  
利用自制的土体直拉强度测试仪,研究了重塑花岗岩残积土在不同含水率下、增湿过程和干燥过程中抗拉强度的变化规律,并从胶结力和湿吸力的角度讨论了抗拉强度变化规律的微观机制。结果表明:不同含水率条件下抗拉强度随含水率增加呈现先增后减,峰值两侧呈较好的指数规律;增湿过程中抗拉强度随含水率增加呈先增后减趋势,峰值两侧为一次函数规律;干燥过程中抗拉强度随含水率降低出现指数增加阶段、平稳阶段和小幅降低阶段3个阶段,其抗拉强度峰值为不同含水率条件下抗拉强度的4倍。花岗岩残积土在不同含水率和增湿过程中的抗拉强度的变化主要受湿吸力控制,而干燥过程中抗拉强度变化的同时受湿吸力和胶结力的控制,且胶结力对抗拉强度的贡献超过70%。土体的干燥开裂过程对应干燥过程中抗拉强度变化的几个阶段,干燥时湿吸力是土体内部拉应力的来源,这说明湿吸力既是抗拉强度的贡献者,同时也是抗拉强度的破坏者。该研究结果从另一种角度解释了土体抗拉强度的形成来源及其变化的主控因素。
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干湿循环作用下单裂隙炭质页岩能量演化与 破坏特征研究
刘新喜, 李玉, 范子坚, 李盛南, 王玮玮, 董蓬,
岩土力学. 2022 (7):  1761-1771.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1657
摘要 ( 264 )   PDF(11176KB) ( 1900 )   PDF(English)(11157KB) ( 48 )  
为研究干湿循环作用下裂隙炭质页岩能量演化及破坏特征,分别制作完整和裂隙倾角为30°、45°和60°的炭质页岩,利用MTS815岩石力学试验系统进行不同干湿循环作用下的三轴压缩试验,研究了干湿循环对单裂隙炭质页岩强度、破坏模式及能量演化的影响。结果表明:起裂应力、损伤应力和峰值应力处弹性能和耗散能与干湿循环呈指数函数关系;起裂应力处弹性能、耗散能和损伤应力处耗散能对干湿循环的敏感程度较低,损伤应力处弹性能和峰值应力处弹性能、耗散能对干湿循环的敏感程度较高。炭质页岩破坏模式受控于干湿循环和裂隙倾角,干湿循环为主控因素,裂隙倾角为次控因素;裂隙倾角为30°的干燥岩样为拉剪破坏,裂隙倾角为45°和60°的干燥岩样为剪切破坏;随着干湿循环次数的增加,宏观主裂纹长度增大,次要裂纹增加,破坏模式整体上向剪拉破坏发展。随着干湿循环次数的增加,起裂应力处储能水平Kci和损伤应力处储能水平Kcd逐渐增大,起裂和损伤应力处储能水平越高,岩石起裂和损伤更容易;Kcd可作为岩石破坏的预警指标,Kcd越大,岩石越易发生破坏
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结构性对膨胀土收缩特性影响的试验研究
刘观仕, 赵守道, 牟智, 莫燕坤, 赵青松,
岩土力学. 2022 (7):  1772-1780.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1766
摘要 ( 225 )   PDF(5094KB) ( 285 )  
膨胀土的收缩性明显,容易引发边坡与地基开裂,但有关结构性对收缩特性影响的认识甚少。采用收缩自动试验装置,在恒湿恒温条件下对原状膨胀土和重塑膨胀土开展了收缩对比试验和扫描电镜(scanning electron microscope,简称SEM)测试分析,结果表明:与原状土相比,重塑土在土中水流动阶段的蒸发速率较小,蒸汽扩散阶段收缩稳定速率较慢,最终体积收缩应变量更大;重塑土体积收缩−含水率关系曲线的线性段较长,斜率较大,直线段与稳定段之间的过渡不明显,而原状土则反之;重塑土和原状土的收缩特征曲线(soil shrinkage characteristic curves,简称SSC)在较高含水率段基本重合,随着含水率下降,重塑土的SSC下降更快,对应的含水率范围更宽,最后进入残余−零收缩阶段时,孔隙比明显较小;Chertkov收缩模型适用于原状膨胀土,但不适用于重塑膨胀土。SEM测试结果表明,原状膨胀土较重塑膨胀土具有更强的原生结构性,初始密度与湿度相同情况下,两者颗粒排列、接触方式、胶结状态、孔隙大小与分布特征等微观结构上差异明显,导致蒸发过程中重塑土的水分迁移速率较小、基质吸力较大,是重塑土收缩更剧烈的内在原因。研究结果可为膨胀土边坡的坡面工程防护设计提供参考依据。
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钙质砂一维蠕变分形破碎特性宏微观试验研究
陈宾, 邓坚, 胡杰铭, 张建林, 张涛,
岩土力学. 2022 (7):  1781-1790.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1723
摘要 ( 334 )   PDF(2415KB) ( 238 )   PDF(English)(2404KB) ( 11 )  
钙质砂是远洋地区港口、机场和民用建筑等构筑物的天然地基材料。通过钙质砂一维压缩蠕变试验和微观结构测试,发现了蠕变前后表面孔隙面积减小且呈分散分布的规律以及试验过程中试样瞬时变形、快速变形和衰减变形特征与粒径的高度相关性;利用基于分形理论改进的相对颗粒破碎率和质量分形维数描述了蠕变前后颗粒破碎程度,得到了分形维数和蠕变与时间的衰减形态曲线关系以及宏观质量分形维数和微观表面分形维数的线性关系,并在此基础上对单一粒径组钙质砂蠕变过程中的分形破碎行为进行了多尺度分析和宏微观跨尺度关联性研究,获得了蠕变过程中颗粒破碎发展以及微观孔隙变化规律,证明了钙质砂蠕变过程中的颗粒重组排列、破碎和研磨行为,揭示了钙质砂蠕变机制。
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循环载荷下含水砂岩裂纹演化与损伤特征试验研究
杨科, 张寨男, 池小楼, 吕鑫, 魏祯, 刘文杰,
岩土力学. 2022 (7):  1791-1802.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1627
摘要 ( 263 )   PDF(729KB) ( 281 )   PDF(English)(631KB) ( 12 )  
基于矿井地下水库岩体频繁受到矿震、采动应力等循环荷载扰动这一工程背景,在实验室条件下开展了不同含水率砂岩单轴及循环加卸载试验,采用数字散斑技术,揭示了不同含水率砂岩裂纹扩展及破坏规律,基于电镜扫描微观分析,获得了循环载荷下不同含水砂岩微观劣化机制。试验结果表明:单轴及循环加卸载条件下,随着含水率增大,砂岩峰值强度均逐渐降低。干燥砂岩峰值轴向应变经历初始变形、等速变形、加速变形和失稳破坏4个阶段,含水砂岩经历初始变形、等速变形和失稳破坏3个阶段;随着含水率的增大,对应阶段内峰值轴向应变逐渐减小。通过变形率分析法验证发现,水对砂岩的变形记忆特性并无影响。单轴循环加卸载条件下,砂岩的破坏模式由干燥时的张拉−劈裂破坏逐渐向拉−剪混合破坏过渡,至饱和状态时呈现单一的剪切破坏。电镜扫描结果表明,随含水率增大,破裂结构面逐渐由光滑结构、浑圆状结构、片状结构向完全破碎结构过渡。随着含水率增大,绝对损伤参数不断增大,从侧面反映水岩耦合损伤的正相关性;累计损伤参数累积速率更快,同一循环周次下,累计损伤参数也更大。
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平均有效应力对煤系页岩瓦斯微观吸附−解吸 特性影响试验研究
田虎楠, 唐巨鹏, 潘一山, 余泓浩,
岩土力学. 2022 (7):  1803-1815.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1690
摘要 ( 216 )   PDF(31059KB) ( 269 )  
页岩气井初期和后期产气规律差异本质上是三维应力变化下微观游离态、吸附态瓦斯赋存运移产出机制不同。为从微观角度揭示平均有效应力对煤系页岩气井生产初期游离态瓦斯和后期吸附态瓦斯产出规律影响,以双鸭山盆地东保卫煤矿36#煤层底板煤系页岩为研究对象,采用核磁共振T2谱技术对模拟原位应力状态煤系页岩试样进行瓦斯微观吸附−解吸试验。以平均有效应力作为煤系页岩所受原位应力状态指标,以核磁共振T2谱幅值积分作为煤系页岩微观吸附态、游离态瓦斯含量定量表征指标,定量研究了吸附−解吸过程中煤系页岩微观吸附态和游离态瓦斯含量与平均有效应力的关系,及微观吸附态和游离态瓦斯迟滞系数与平均有效应力的关系,通过多因素线性回归明确了平均有效应力对煤系页岩微观吸附态和游离态瓦斯赋存产出规律影响。试验发现:吸附−解吸过程煤系页岩微观吸附态瓦斯含量与平均有效应力关系分别符合Dubinin-Radushkevich,(简称D-R)函数模型和Weibull函数模型,吸附−解吸过程微观游离态瓦斯含量与平均有效应力均符合线性函数模型;微观吸附态瓦斯迟滞系数随着平均有效应力降低以对数函数规律快速减小;平均有效应力降低对微观游离态瓦斯迟滞系数影响不大,游离态瓦斯迟滞系数近似为定值41.53%;孔隙压力和轴压分别是微观吸附态瓦斯吸附和解吸主控应力因素,游离态瓦斯赋存和产出主要与围压有关。
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非饱和压实土率敏性及蠕变时效特征试验研究
王智超, 罗磊, 田英辉, 张春会,
岩土力学. 2022 (7):  1816-1824.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1734
摘要 ( 246 )   PDF(2412KB) ( 214 )  
为研究部分饱和状态下高填方回填土工后长期变形,对非饱和压实土在可控基质吸力下分别开展率敏性和蠕变试验,并分析两者间时效对应关系。率敏性试验采取不同加载速率的三轴剪切,分析基质吸力(0、100、200、300 kPa)、加载速率(0.40、0.02 mm/min)以及超固结比(1、4和8)对土体强度和变形特征的影响,并确定三轴剪切蠕变的三级加载应力水平为抗剪强度的0.45、0.65、0.85倍;在4种可控基质吸力(0、100、200、300 kPa)下参考陈氏加载法,按三应力水平分级加载开展非饱和压实土三轴剪切蠕变试验。试验结果表明:随着基质吸力的增加,其率敏性参数ρ 减小,其率敏性降低;随着基质吸力逐渐增大,其蠕变初始最大速率、稳定蠕变速率以及蠕变变形量均显著减小;蠕变试验确定的应变速率−应变关系线与率敏性试验获得的应变速率−应变数据点基本吻合,证明两者间存在一定时效对应关系,且随着基质吸力的增大,这种时效对应关系更显著。
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垃圾土中排水柱孔扩张问题弹塑性解
赵云, 杨忠方, 凌道盛, 陈鹏, 肖昭然,
岩土力学. 2022 (7):  1825-1832.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1707
摘要 ( 183 )   PDF(547KB) ( 165 )  
随着城市规模扩大,一些垃圾场地被再次利用进行工程建设。垃圾土具有高压缩性、可降解性,其纤维成分具有一定的加筋作用,这些特性给垃圾场地中静力触探、沉桩、旁压试验等工程的开展带来新的挑战。为此,基于考虑纤维加筋作用的垃圾土本构模型和大变形理论,通过引入中间变量,将孔扩张问题转化为求解一组给定边界条件的常微分方程组,继而给出垃圾土中排水柱孔扩张问题的弹塑性理论解。通过将退化解与既有基于修正剑桥模型的柱孔扩张解答对比验证了结果的可靠性。在此基础上,系统分析了超固结比和纤维含量对柱孔扩张过程中孔周应力分布和应力路径的影响。结果表明:与黏性土相比,垃圾土具有更大的塑性区半径;随着超固结比和纤维含量的增加,孔壁处极限压力和塑性区半径分别呈增加和减小趋势,不同纤维含量的垃圾土经历塑性阶段后,均达到泥状物成分的临界状态线附近。
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盾构隧道环向开挖面破坏机制及剪胀效应研究
张箭, 戚瑞宇, 宗晶瑶, 丰土根,
岩土力学. 2022 (7):  1833-1844.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1763
摘要 ( 328 )   PDF(5274KB) ( 153 )  

采用刚性滑块构建两种圆形隧道失稳环向开挖面破坏模式,利用编制的非线性规划程序求解隧道失稳环向开挖面支护力系数σT /cσT为均布支护荷载,c为有效黏聚力)最优上限解及地层破坏模式,揭示地层参数对隧道稳定性的影响,提出简单实用的极限支护力简化公式。研究结果表明:不排水条件下,当隧道埋深比H/DH为埋深,D为隧道直径)和重度系数γD/cγ 为重度)较小时,破坏区域主要集中在隧道中上部,随着H/γD/增大,滑移线起始位置沿着隧道轮廓逐渐向隧道底部扩展,破坏区域向水平方向扩展。排水条件下,地层破坏模式主要有3种。当内摩擦角ϕ γD/较大时,随着剪胀系数的减小,极限支护力和地层破坏范围变化较大,甚至可能引起破坏模式的改变。针对不同深度提出的极限支护力简化公式可快速获得隧道环向开挖面极限支护力。

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延安压实黄土土−水特征曲线的快速预测方法
王海曼, 倪万魁, 刘魁,
岩土力学. 2022 (7):  1845-1853.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1696
摘要 ( 276 )   PDF(432KB) ( 184 )   PDF(English)(380KB) ( 15 )  

传统测试土−水特征曲线(soil-water characteristic curve,简称SWCC)方法耗时较长,开发快速确定非饱和土的SWCC具有重要的实践意义。为了实现压实黄土SWCC快速预测,对不同干密度压实黄土进行了水势和水分测试,并且运用核磁共振(nuclear magnetic resonance,简称NMR)技术对其孔径分布曲线进行了测试。根据测试结果建立了基于孔隙比的延安压实黄土土−水特征曲线快速预测方法,并利用实测数据验证了方法的准确性。结果表明:预测模型中的分形维数D可用孔径分布曲线上两点(峰值点和半幅点)的累计孔隙体积与孔径在双对数坐标中连成直线的斜率确定;基于孔隙比和优势孔径在双对数坐标中的线性关系,D可用孔隙比进行表示。SWCC进气值受大孔隙直径控制;过渡段斜率受中孔隙体积控制;压实黄土存在一个临界孔径,而残余含水率主要受孔径小于临界孔径的孔隙体积控制,并且提出了求取残余体积含水率的经验方法。与传统方法相比,所提出的方法可以在确定SWCC时节省大量时间。

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基于破损参数简化的二元介质冻结粉 细砂土本构模型
张树明, 蒋关鲁, 叶雄威, 蔡俊峰, 袁胜洋, 罗斌,
岩土力学. 2022 (7):  1854-1864.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1745
摘要 ( 247 )   PDF(27222KB) ( 263 )  
二元介质模型在非冻结岩土材料中已得到广泛研究,但在冻土领域的相关研究尚不充分。为探讨三轴试验条件下冻结粉细砂土的强度变形特性,此处引入二元介质理论对冻土应力−应变关系进行分析研究。针对现有二元介质模型参量多、确定方法复杂的特点,推导了基于破损参数简化的二元介质模型;并结合开展的5种细颗粒含量、4种围压条件下的冻土三轴试验,对推导模型进行了验证。结果表明:随轴向应变的增大,应力−应变曲线可划分为线弹性阶段、弹塑性阶段和应变软化阶段,3个阶段均可通过胶结元和摩擦元转化理论进行较好的解释;同一围压下随细颗粒含量的增大,偏应力和体胀最大值均呈降低趋势,抗剪强度呈线性减小趋势;在横截面积修正条件下,随轴向应变的增大,5种细颗粒含量冻结粉细砂土均表现为应变软化特性,体积变形表现出由体缩向体胀转化发展的趋势;偏应力发展3个阶段的转折点,与体积变形中体缩极值点和体缩体胀转折点较为契合;通过三轴试验偏应力实测值与基于破损参数简化的二元介质本构模型计算值对比分析,简化模型可以较好地模拟冻结粉细砂土的偏应力−轴向应变关系。
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小净距隧道中夹岩对拉锚杆控制机制与工程应用
李然, 王圣涛, 张顶立, 陈平, 潘红桂, 李奥,
岩土力学. 2022 (7):  1865-1876.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1715
摘要 ( 234 )   PDF(5156KB) ( 172 )  
小净距隧道中夹岩受到两侧开挖的剧烈扰动,处于单向或双向受力的不利状态,严重影响施工安全,而预应力全长注浆对拉锚杆常用于中夹岩的主动支护。为阐明对拉锚杆的作用模式和控制机制,建立相应的力学模型和解析方法,开展实测验证,并进行参数分析和工程应用。研究表明:对拉锚杆为中夹岩提供强力水平约束,并提高岩体力学性能,发挥挤压加固作用;对拉锚杆利用剪切摩阻改善浅层围岩受力状态,同时锚固深部岩体,具有承载传力效果;对拉锚杆轴力和剪应力均由两侧向中间非线性衰减,作用范围局限于浅层中夹岩,实测结果验证了理论方法的合理性;进行了对拉锚杆的参数分析,提出了对拉锚杆临界长度、合理锚杆直径等工程建议;结合京张高铁长城站小净距隧道实践,主动增强对拉锚杆设计参数,变更后围岩压力、拱顶沉降和水平收敛的实测均值分别降低12.2%、14.1%和10.2%,保障了隧道开挖的安全。
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岩土工程研究
复合地层隧道围岩强度实时估算研究
张海龙, 汤杨, 任汀, 张东明, 王俊杰, 葛素刚, 大久保诚介
岩土力学. 2022 (7):  1877-1883.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1655
摘要 ( 161 )   PDF(7203KB) ( 232 )  

隧道TBM开挖过程中经常会遇到复合岩层,在这种地质环境下,隧道掘进机(tunnel boring machine,简称TBM)开挖过程中的隧道围岩强度很难估计,隧道开挖掌子面和围岩容易发生坍塌。为了提高隧道掘进效率、预防事故发生,对开挖隧道围岩强度进行实时估算方面的研究很有必要。在重庆轨道九号线隧道TBM施工中,通过室内试验和现场实测数据发现,TBM推力FN与岩石强度成正比、TBM扭矩推力比T/FNT为扭矩)与贯入度p0.5成正比例关系。针对砂质泥岩、砂岩和灰岩组成的复合岩层,提出了一种利用现场实测推力F和扭矩T的值来快速估算开挖隧道围岩强度的方法,进一步对TBM实测数据进行线性拟合,从而得到估算公式中两个常数α1α2的取值方法,并在10多个隧道实际工程中得到验证。结果表明,对于这种复合岩层地质环境,两个常数α1α2的值与滚刀数量和滚刀直径相关。该研究成果为实时快速估算开挖隧道围岩强度提供了一种新的切实可行的思路,能提高隧道TBM施工的可靠性和安全性,具有重要的应用价值。

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富水管道型岩溶隧道衬砌结构力学响应特征研究
樊浩博, 周定坤, 刘勇, 宋玉香, 朱正国, 朱永全, 高新强, 郭佳奇,
岩土力学. 2022 (7):  1884-1898.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1730
摘要 ( 187 )   PDF(1074KB) ( 191 )   PDF(English)(1029KB) ( 8 )  
对于围岩中存在管道型溶腔的岩溶隧道而言,受地表强降雨及地下水的影响,管道型溶腔内极易积聚高水压力,进而引发衬砌开裂、渗漏水及涌水病害。为了探明管道型溶腔中高水压力对衬砌结构的影响,开展了富水管道型岩溶隧道衬砌结构力学响应模型试验,对不同溶腔位置及不同水头高度影响下的衬砌结构内力特征进行了研究。基于此,建立扩展工况的数值计算模型,进一步探究了不同溶腔直径、溶腔位置及溶腔水头高度对衬砌结构内力的影响。结果表明:当隧道周围存在管道型溶腔时,与溶腔接触位置的衬砌内侧承受较大的正弯矩,为衬砌结构的最不利受力位置;随着溶腔直径和溶腔内水头高度的增加,衬砌内力显著增大;溶腔所在位置影响着衬砌内力的分布,当溶腔位于隧道拱顶时,衬砌结构的抗水压能力最小。研究结果可为管道型岩溶隧道的结构设计及安全施工提供借鉴。
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深圳岩溶空间发育规律统计分析
刘动, 林沛元, 陈贤颖, 黄胜, 马保松,
岩土力学. 2022 (7):  1899-1912.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2106
摘要 ( 243 )   PDF(497KB) ( 312 )  
粤港澳大湾区建设是国家重大发展战略,而深圳市又是大湾区建设的核心引擎之一。深圳市岩溶地区行政区划上主要发育在龙岗区和坪山区,岩溶地质灾害给地下空间开发利用与城市安全构成极大挑战。通过收集深圳市岩溶勘察钻探数据,从地层岩性、基岩埋深与埋藏类型、地下水主要侵蚀指标、地下水埋深与年变化幅度、溶洞埋深、顶板厚度、洞高、充填情况、线溶率、见洞率、地表岩溶发育密度等方面对深圳市岩溶空间发育特征进行了统计分析。结果表明:深圳市岩溶主要为浅覆盖型,但溶洞空间特征变异性极大。从统计上讲,溶洞平均埋深约为20 m,平均洞高为2.5~4.0 m,以半充填为主,充填物主要为粉质黏土;平均线溶率约为15%,见洞率约为40%,地表岩溶发育密度超过300个/km2,综合上看,深圳场地岩溶发育等级超过90%为强发育。上述主要岩溶特征参数服从对数正态分布和Weibull分布。总体上,灰岩地层溶洞顶板厚度随着岩面埋深而呈现递减的趋势,而大理岩地层溶洞顶板厚度则与岩面埋深无关;已发育的溶洞高度与基岩面埋深、溶洞顶板厚度、地下水主要侵蚀指标及地下水埋深无关或弱正相关。研究成果为深圳市岩溶灾害风险评估提供了重要的先验信息。
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软弱厚煤层沿空留巷变形破坏特征及控制研究
王凯, 杨宝贵, 王鹏宇, 李冲,
岩土力学. 2022 (7):  1913-1924.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1743
摘要 ( 254 )   PDF(446KB) ( 215 )  
针对软弱厚煤层综放开采沿空留巷动压显现明显,顶板易出现不均匀切顶下沉等问题。通过现场调研、理论分析和数值模拟,阐明了软弱厚煤层综放开采沿空留巷动压显现特征和变形机制,提出了软弱厚煤层沿煤层顶板布置沿空留巷变形协同支护体系。研究结果表明:综放开采采出厚度大,沿煤层底板留巷时沿空留巷煤层顶板承载能力差,“底板−巷旁支护体−顶板”支护体系载能力不协调,是造成软弱厚煤层沿空留巷产生大变形的主要原因;沿煤层顶板留巷变形协同支护体系的提出提高了沿空留巷帮部、顶底板及巷旁支护体的协同承载能力,可有效地保证软弱厚煤层沿空留巷的围岩稳定。研究成果在古城煤矿的成功应用,证明了该支护体系在软弱厚煤层综放沿空留巷中的可行性。
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关于偏心荷载下地基承载力的验算方法
宋二祥, 陈星屹, 林世杰
岩土力学. 2022 (7):  1925-1932.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1626
摘要 ( 213 )   PDF(472KB) ( 358 )  
针对偏心荷载作用下的地基承载力验算,以条形基础为例,介绍了Meyerhof提出的考虑荷载偏心的地基承载力计算方法,并通过与有限元上下限极限分析这一极限荷载精细数值计算方法的比较验证了其正确性和准确性。所考虑的地基既包括排水条件下的一般地基,也包括不排水强度随深度近似线性增大的饱和黏性土地基。依据有关机理深入分析了基础埋深对偏心荷载下地基承载力计算精度的影响,明确了可以考虑基础埋深有利作用的偏心距上限。进而采用本课题组所提出计算地基承载力的改进公式,通过计算并结合理论分析比较了国内规范验算方法与按Meyerhof方法的验算,表明采用后一方法更为合理。
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大断面管幕法隧道群管顶进的地表位移规律研究
唐正, 王洪新, 孙德安, 张骁,
岩土力学. 2022 (7):  1933-1941.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1634
摘要 ( 169 )   PDF(9556KB) ( 160 )  

为研究管幕法群管顶进施工过程中地表位移变化规律,依托上海田林路下穿中环隧道工程,对地表位移实测数据进行了详细分析。通过数据处理发现,管幕施工期间变形发展可细分为7个阶段,其中包括4个推进阶段、3个暂停推进阶段。管幕推进阶段的地表位移由地层损失沉降和注浆引起的地表隆起叠加而成;暂停推进阶段的地表沉降主要是固结沉降。运用Peck公式对地表位移进行描述,通过现场数据反分析出各根钢管推进时的沉降槽宽度系数和地层损失率η。基于分析结果,提出了适用于上海软黏土的η 计算公式,其中的公式只与钢管半径R、钢管埋深和土体内摩擦角φ 有关,而η 的公式表达成随时间的双曲线函数。注浆导致的地表隆起可分解成各根钢管顶进伴随注浆造成的负地层损失。运用上述方法对地表位移进行预测,并与实测结果对比,验证了文中方法的正确性,成果可对类似管幕法工程施工引起的地表位移预测提供科学参考。

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超大型离心机基础自振特性研究
王鸿振, 张春生, 黄维, 郭德昌, 蒋建群,
岩土力学. 2022 (7):  1942-1950.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1622
摘要 ( 121 )   PDF(10826KB) ( 181 )  

某超大型离心机基础埋置于复杂软土地基中,自振特性研究十分关键。分别建立离心机基础的等效土弹簧模型和实体地基模型,对比分析不同地基模拟方法下的模态分析结果;开展基于白噪声激励的动力时程分析,分析地基参振质量对自振特性的影响。结果表明:超大型离心机基础前两阶模态振型分别为水平横向和纵向的摆动;基于不同的地基模拟方法计算得到的振型结果一致,自振频率相差在10%以内;超大型离心机基础结构的前两阶地基参振质量分别为1.376倍和0.998倍的基础总质量,地基参振质量使得结构的振动响应幅值下降50%左右,频谱峰值频率减小约2 Hz。结论对大型埋置式动力机器基础的自振特性研究具有指导和参考意义。

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数值分析
Malvern Hills边坡溃曲破坏分析及数值流形法模拟
王秋生, 张瑞涛, 郑 宏
岩土力学. 2022 (7):  1951-1960.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1674
摘要 ( 200 )   PDF(722KB) ( 253 )   PDF(English)(688KB) ( 13 )  
基于能量法推导了多层岩质边坡临界溃曲长度计算公式。考虑层间和交叉节理采用数值流形法对新西兰Malvern Hills边坡溃曲演变过程进行了模拟,并将理论计算、数值模拟结果与现场实测数据进行了对比。结果表明:通过预制层间和交叉节理,数值流形法可以准确模拟边坡溃曲破坏过程;边坡溃曲变形及失稳破坏过程依次为层间错动—轻微弯曲、坡脚牵引—剧烈隆起、加速滑移—形成滑坡;在自重长期作用下,边坡溃曲形成至破坏演化过程主要分为初始弯曲、急剧弯曲和滑坡形成3个阶段;β 为交叉节理与斜坡法向夹角,在0°、15°、30°、45°这4种交叉节理中,β 为45°时边坡最容易产生滑移弯曲变形,溃曲程度最大,并且经历滑移弯曲时步最少;β 为30°~45°时,数值模拟结果与实际较为吻合。
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可变形圆化多边形离散单元法
周洋诗琦, 赵兰浩, 邵琳玉, 毛佳
岩土力学. 2022 (7):  1961-1968.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1754
摘要 ( 381 )   PDF(12912KB) ( 276 )  
将基于圆化多边形离散单元法与有限元方法结合,提出一种可变形圆化多边形离散单元法。此法对块体离散元进行圆化处理,可较好地表征不规则块体外形,又保留了颗粒离散元计算高效的优势。在求解接触力时,消除了角点处法向奇异等问题,同时增强计算的稳定性和简化接触判断。同时对切向接触力计算模型进行修正,使得接触力计算效率得到提高。此法突破了圆化多边形刚体假设的限制,可以精确计算任意形状不规则离散单元之间的相互作用,对单元的运动和变形进行模拟。通过超静定梁冲击试验、不规则块体单轴压缩试验和料斗流动“卡阻”试验3个数值模拟算例,论证此法可以有效地捕捉单元的碰撞、分离和变形等空间运动和自身特性以及其细观力学表征。
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考虑多晶冰软化特性的弹塑性损伤本构 模型开发及应用
张革, 曹玲, 王成汤,
岩土力学. 2022 (7):  1969-1977.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1686
摘要 ( 214 )   PDF(18298KB) ( 174 )  
随着全球气候逐渐变暖,冰川、大型冰盖或较厚的冰层发生大规模滑动、崩塌灾害的可能性和危险性不断增加,研究多晶冰的变形特性并建立其本构模型对极地灾害预报具有重要的意义。基于已有的人造多晶冰常规三轴压缩试验数据,发现人造多晶冰具有明显的应变软化特征,构建以等效塑性应变为变量的损伤变量,以摩尔−库仑准则为初始屈服函数,采用相适应流动法则,建立了能够反映多晶冰应变软化特征的弹塑性损伤本构模型。利用不同围压、不同温度条件下的常规三轴压缩试验数据对提出的本构模型进行了验证,并对部分模型参数进行了参数敏感性分析。将建立的弹塑性损伤本构模型写入FLAC3D软件中,利用单个单元的三轴压缩数值模拟对写入的本构模型进行了验证;然后使用写入的弹塑性损伤本构模型对圆柱状试样开展三轴压缩数值模拟,对数值模拟结果进行了详细的分析。研究结果以期为冰川稳定性分析以及冰川多场耦合研究提供理论及数值基础。
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基于复杂网络的岩土颗粒材料分散性失稳先兆研究
杨晓娟, 马刚, 周恒, 陆希, 李易奥, 周伟,
岩土力学. 2022 (7):  1978-1988.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1684
摘要 ( 215 )   PDF(17221KB) ( 294 )  
岩土颗粒材料在达到Mohr-Coulomb塑性极限之前可能已经发生了没有明显局部损伤的全域准均匀破坏,即分散性失稳。近年来,网络科学工具在颗粒材料环境中的应用为研究其失稳破坏现象提供了有趣新颖的洞见。采用离散单元法对不同初始密实度的颗粒体系进行等体积应变加载路径的数值试验,发现初始状态越松散的颗粒体系越有可能发生分散性失稳;采用网络科学的理论和方法分析颗粒接触网络的拓扑结构特性和演化规律,发现颗粒材料分散性失稳的结构根源是颗粒接触网络完全崩塌。将颗粒体系划分为强、弱接触系统以构建强接触子网络、弱接触子网络和强−弱接触子网络,研究颗粒接触网络及其3个子网络的特征量演化,结果表明:当颗粒材料开始处于不稳定状态时,易受扰动的弱接触系统的部分接触先失效,导致强接触系统失去其稳定支撑作用而降低承载能力。随着加载的继续,系统通过非局部的自组织过程导致接触结构的全面崩塌,最终触发整体分散性失稳。因此,先于整体失稳的部分弱接触的失效,可视为颗粒材料分散性失稳的关键性临界征兆。
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结构性海洋黏土损伤模型的二次开发及应用
袁宇, 刘润, 付登锋, 孙国栋
岩土力学. 2022 (7):  1989-2002.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1722
摘要 ( 202 )   PDF(5831KB) ( 212 )  
原状土的结构性作为21世纪土力学的核心问题,一直以来受到学者们的广泛关注。软黏土的结构性损伤这一力学行为会对海洋结构物基础造成不可忽略的影响。以海底原状土的结构性特征为研究对象,推导了考虑黏土结构性的SANICLAY模型的数值实现格式。通过子增量步显式算法和有限元的二次开发,实现了结构性多屈服面本构模型在有限元方法中的应用。通过与不同应力路径下的三轴试验结果对比,验证了开发的子程序可准确模拟海洋黏土所具有的结构性。基于不同应力路径试验的数值模拟结果,研究了不同固结和剪切条件下土体塑性势面和屈服面的演化规律,揭示了土体固结可降低结构性损伤程度以及剪切过程中土体产生结构性损伤的机制。将二次开发的子程序应用到具体的边值问题中,开展了可考虑土体结构性影响的海上风电筒型基础静承载力研究,揭示了土体结构性对筒型基础的地基破坏模式、峰值承载力和残余承载力的影响;引入残余衰减比来表征土体结构性破坏后筒型基础的残余承载力,并建立了残余衰减比与结构损伤因子之间的关系。
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Post-failure analysis of landslides in spatially varying soil deposits using stochastic material point method
MA Guo-tao, REZANIA Mohammad, MOUSAVI NEZHAD Mohaddeseh, SHI Bu-tao
岩土力学. 2022 (7):  2003-2014.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.00153
摘要 ( 271 )   PDF(611KB) ( 296 )   PDF(English)(665KB) ( 28 )  
This paper presents the probabilistic analysis of landslides in spatially variable soil deposits, modeled by a stochastic framework which integrates the random field theory with generalized interpolation material point method (GIMP). Random fields are simulated using Cholesky matrix decomposition (CMD) method and Latin hypercube sampling (LHS) method, which represent material properties discretized into sets of random soil shear strength variables with statistical properties. The approach is applied to landslides in clayey deposits under undrained conditions with random fields of undrained shear strength parameters, in order to quantify the uncertainties of post-failure behavior at different scales of fluctuation (SOF) and coefficients of variation (COV). Results show that the employed approach can reliably simulate the whole landslide process and assess the uncertainties of runout motions. It is demonstrated that the natural heterogeneity of shear strength in landslides notably influences their post-failure behavior. Compared with a homogeneous landslide model which yields conservative results and underestimation of the risks, consideration of heterogeneity shows larger landslide influence zones. With SOF values increasing, the variances of influence zones also increase, and with higher values of COV, the mean values of the influence zone also increase, resulting in higher uncertainties of post-failure behavior.
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考虑土体动力特征参数相关性的工程场地 随机地震反应分析
钟紫蓝, 史跃波, 李锦强, 赵 密, 杜修力
岩土力学. 2022 (7):  2015-2024.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1677
摘要 ( 254 )   PDF(940KB) ( 258 )   PDF(English)(948KB) ( 37 )  
研究等效线性化方法中土体动力参数不确定性对场地地震反应的影响,提出了可考虑土体动力特征参数间相关性的土体动剪切模量和动阻尼曲线随机样本生成方法,基于Matlab开发一维等效线性化场地地震反应分析计算程序,用于开展场地地震反应随机动力分析。以Ⅱ类成层场地为例建立一维自由场分析模型,采用不同地震设防水准下露头基岩场地加速度反应谱为目标反应谱,合成人工地震记录折半后作为场地下卧基岩处的输入。计算结果表明,考虑土体动力特征参数不确定性对场地地震反应具有较大的影响,且影响程度与地震动强度、频谱成分及场地基本周期均密切相关;场地最大峰值加速度和地表加速度反应谱的波动范围随地震动强度等级的增加而变大,且最大峰值应变和最大峰值加速度的波动范围可达10%和14%;目标反应谱平台段及场地基本周期处对应的场地地表加速度反应谱的波动范围超过20%。
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测试技术
土体含水率监测的移动点热源法研究
张婵青, 何凤飞, 姜顺航, 曾子真, 熊峰, 陈江,
岩土力学. 2022 (7):  2025-2034.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1732
摘要 ( 198 )   PDF(37950KB) ( 588 )  

土体含水率监测的线热源法对加热功率要求较高,当热源强度不稳定时,监测结果容易受到影响。为了解决线热源法的不足,提出了土体含水率监测的移动点热源(point heat source,PHS)法。该方法利用土体热物性与含水率之间的相关性,通过监测土体中PHS的降温规律间接识别含水率。通过数值模拟研究了点热源在含水率均匀分布的土体中的传热规律,根据热源降温曲线的特征,定义了含水率判别指标η,进而建立了含水率与判别指标的拟合关系,并对监测灵敏度的影响因素进行了参数分析。在含水率非均匀分布的土体中开展了点热源降温规律的数值模拟,根据测点降温时程曲线计算含水率判别指标,并利用含水率与判别指标的拟合公式反演含水率分布。结果表明,点热源法反演得到的含水率分布与实际值吻合较好,验证了该方法的理论可行性。通过模型试验进一步验证了该方法的可行性。

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