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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11期 刊出日期:2022-11-11
基础理论与实验研究
分数阶黏弹性饱和地基与水平受荷群桩的 相互作用分析
艾智勇, 谷甘霖, 李攀聪,
岩土力学. 2022 (11):  2933-2940.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2193
摘要 ( 287 )   PDF(6650KB) ( 361 )  
引入Abel黏壶,对经典的三元件Merchant模型进行改进,获得可以更好地描述地基黏弹性特征的分数阶Merchant模型;运用有限单元法,将群桩离散为单桩和桩单元,通过Timoshenko梁模型模拟桩单元,组装获得群桩的总刚度矩阵方程;根据地基与群桩相互作用的耦合方程和群桩承台的受力平衡与位移协调条件,推导得到水平受荷群桩各单桩桩顶剪力与承台位移的矩阵解答;结合李氏比拟法与Laplace逆变换,最终实现对分数阶黏弹性饱和地基与水平受荷群桩相互作用问题的求解;以一组蠕变试验数据为例,简要介绍在已知地基蠕变曲线的条件下,获得其对应模型黏弹性参数的具体方法;通过与已发表成果以及ABAQUS数值算例对比,验证解答的正确性,并设计算例讨论地基黏弹性参数对群桩受力与变形的影响规律,结果表明:随着地基流变的发展,角桩与中心桩的内力差距逐渐缩小,并趋于稳定。
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基于原位双环、试坑浸水试验和数值模拟反演的Q3黄土饱和渗透系数对比研究
蒋小虎, 黄跃廷, 胡海军, 陈铄, 陈锐, 王崇华, 汪慧, 康顺祥,
岩土力学. 2022 (11):  2941-2951.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2086
摘要 ( 327 )   PDF(23855KB) ( 435 )  
为准确获取原状Q3黄土的竖向和水平饱和渗透系数,进行了原位、室内试验测试以及数值模拟反演,并应用大型试坑浸水试验检验了所获饱和渗透系数的可靠性。进行了不同内径尺寸的原位双环入渗试验,获取了竖向饱和渗透系数,并应用室内试验测试了竖向和水平饱和渗透系数以及持水曲线;应用COMSOL软件对双环入渗试验进行数值模拟,检验了所测饱和渗透系数的可靠性,利用正交试验获得了最优的竖向和水平饱和渗透系数取值,并利用反演结果对试坑进行数值模拟,将其水分入渗情况与实测值对比。研究结果表明:在现场进行双环入渗试验时选取较大内径的双环获得的竖向饱和渗透系数更为合理。针对双环入渗试验,数值模拟反演所得最优饱和渗透系数在竖向上接近于原位试验所得竖向饱和渗透系数、水平向上接近室内所测水平向饱和渗透系数,竖向饱和渗透系数比水平向饱和渗透系数更加显著地影响水分入渗过程。通过对大型试坑水分入渗情况的验证,检验了反演所得最优饱和渗透系数的可靠性。
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考虑动态泥膜效应的盾构开挖面稳定理论研究
金大龙, 袁大军,
岩土力学. 2022 (11):  2952-2962.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1703
摘要 ( 314 )   PDF(10043KB) ( 164 )  
泥水盾构工法被广泛应用于高压富水复杂地质环境中修筑隧道,其中开挖面稳定控制是工程成败的关键,在盾构掘进时,由于刀盘不断旋转切削地层,开挖面上的泥膜处于“形成―破坏―再形成”的动态循环过程,泥膜透水性增强,这种动态泥膜作用下开挖面的稳定如何评价有待于进一步探索。对此,对泥水盾构掘进过程中的动态泥膜进行了分类,提出了考虑盾构运动和泥浆渗滤特征的动态泥膜理论。在此基础上,采用空间离散法将泥水压力引入旋转体模型,建立了考虑动态泥膜效应的开挖面稳定力学模型,提出了泥水盾构动态掘进过程中开挖面临界泥浆压力及泥浆支护效率评估方法,研究指出:当盾构在强渗透性地层中掘进时,在尽量提高泥浆成膜率的同时,应注重泥浆黏度调节,充分发挥渗透力支护作用,同时可适当提高盾构掘进速度并降低刀盘转速,有利于开挖面稳定控制。以泥浆成膜率、等效渗透系数为依据给出了泥浆支护效率设计图,研究工作对盾构掘进支护压力控制和泥浆配置有一定的借鉴意义。
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考虑气相硬化的准饱和黏土弹塑性模型
周容名, 翁效林, 李林, 侯乐乐,
岩土力学. 2022 (11):  2963-2972.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2197
摘要 ( 339 )   PDF(8671KB) ( 224 )  
假定准饱和黏土由饱和基质(土骨架和水)和封闭气体组成,采用饱和基质塑性体应变和气体塑性体应变作为硬化参数以反映准饱和黏土的塑性硬化行为,在综合考虑气体溶解系数随温度和水中含盐量变化、预固结应力随封闭气体的变化等关键因素的基础上,基于临界状态土力学理论提出了可以反映封闭气体气压变化对准饱和黏土力学影响的弹塑性本构模型。模型共计10个材料参数,均可通过等向压缩试验和三轴剪切试验获得。通过与已有试验数据对比分析,结果显示本模型可以较好地模拟准饱和黏土在不排水应力路径下的应力-应变关系、孔隙水压力发展以及饱和度的演变规律;所建立模型形式简单,参数易于确定,为准饱和黏土地基中岩土工程问题的设计、计算及灾变控制提供了重要的理论基础。
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高庙子膨润土中蒙脱石碱性溶蚀的矿物学证据
童艳梅, 张虎元, 周光平, 李小雅,
岩土力学. 2022 (11):  2973-2982.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2174
摘要 ( 246 )   PDF(15925KB) ( 163 )   PDF(English)(837KB) ( 15 )  

高放废物地下处置库运营过程中,衬砌混凝土在地下水作用下产生的强碱性溶液,会扩散进入膨润土缓冲屏障,长期将使屏障性能发生退化。采用不同 pH 值的 KOH 溶液模拟衬砌混凝土溶出的碱性溶液,在室内进行为期一年的常温接触扩散试验,开展X射线荧光光谱(X-ray fluorescence spectroscopy,简称XRF)、X射线衍射(X-ray diffraction,简称 XRD)、扫描电镜(scanning electron microscope,简称 SEM)和能谱(energy dispersive spectrometry,简称 EDS)试验,研究强碱性溶液缓慢扩散对高庙子膨润土矿物的影响。XRF试验结果表明,当 KOH 溶液的 pH>12.6时,膨润土中 Si 元素的含量开始减少,即含Si 矿物蒙脱石、石英、方石英等发生了溶解;同时,K元素含量增多,表明膨润土与碱溶液发生离子交换反应,溶液中大量的K进入蒙脱石层间。XRD 试验结果表明,在 pH=12.6时,蒙脱石矿物的 001峰开始右移、变宽,峰值强度大大减弱;在pH>13时,衍射角 θ  整体向右偏,晶面间距由原始膨润土样的1.385 3 nm(13.853 Å)减小为1.221 0 nm(12.210 Å),表明蒙脱石矿物晶层被压缩。随着 KOH 溶液 pH 值增大,膨润土中蒙脱石、石英等矿物的含量明显减少,长石类矿物的含量逐渐增加,伊利石和斜发沸石的含量也呈现略微增多的趋势。SEM 试验结果表明,随着溶液 pH 的增大,蒙脱石部分晶层会发生重叠,进而产生部分裂隙和孔洞,加速蒙脱石的溶蚀进程。在为期一年的接触扩散试验中,pH=13.8的 KOH 溶液扩散深度超过7.5 mm,并且在碱溶液与膨润土接触面上观察到新生成的伊利石微晶,证实强碱性溶液会导致蒙脱石溶解及伊利石化。

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主动围压作用下混凝土-花岗岩组合体抗压力学 特性与强度预测模型研究
高欢, 翟越, 汪铁楠, 李宇白, 王铭, 李艳,
岩土力学. 2022 (11):  2983-2992.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2156
摘要 ( 226 )   PDF(28681KB) ( 387 )  
混凝土-花岗岩组合体属于工程中典型的二元材料,在三轴条件下表现出与单体不同的力学响应特性。对混凝土单体(concrete monomer,简称CM)、花岗岩单体(granite monomer,简称GM)、混凝土-花岗岩组合体(concrete-granite combined body,简称CGCB)进行不同围压下的准静态压缩试验,通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,简称SEM)观察CGCB破坏后断口和界面的微观结构,并利用RFPA模拟CGCB的破坏过程,揭示组合体试件的整体裂纹扩展和破坏机制。最后基于Mohr-Coulomb强度准则建立了组合体三轴抗压强度预测模型。结果表明:组合体的单(三)轴抗压强度与材料尺寸效应和界面约束效应有关;随围压增大,组合体破坏状态由单轴的“Y”型劈裂破坏转变为混凝土组分剪切破坏;数值模拟结果表明,不同围压条件下远离界面的混凝土和界面近区的花岗岩依次发生损伤,逐渐形成贯通剪切裂纹,导致花岗岩组分发生劈裂破坏;所构建的强度预测模型能和试验结果、数值模拟很好地对应,表明了模型的准确性。研究结果可为深部地下工程结构的开挖和支护提供科学依据。
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酸性干湿循环下充填节理岩石劣化性能试验研究
柴少波, 宋浪, 刘欢, 阿比尔的, 柴连增,
岩土力学. 2022 (11):  2993-3002.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0046
摘要 ( 353 )   PDF(9559KB) ( 209 )  
为探究酸性干湿循环作用对充填节理岩石的损伤劣化规律,首先对预制充填节理岩石进行酸性和中性环境下不同次数的干湿循环前处理,再采用万能试验机和分离式Hopkinson杆(split Hopkinson pressure bar,简称SHPB)装置对其进行单轴压缩试验和动态冲击试验,对充填节理岩石纵波波速、静态抗压强度以及动态抗压强度的劣化效应进行分析,并进一步分析酸性和中性环境干湿循环作用下充填节理岩石动态冲击的破坏形态。结果表明,随着干湿循环次数的增加,无论是酸性环境还是中性环境,充填节理岩石的波速值、静态抗压强度以及动态抗压强度不断减小,劣化程度不断加剧,其中酸性干湿循环作用对静态抗压强度的劣化最显著;此外发现干湿循环作用下充填节理岩石静态、动态抗压强度与波速值之间均存在一致性较强的线性关系;酸性环境干湿循环作用下充填节理层粉化程度和两侧岩石破碎程度更严重。研究成果可为酸性环境干湿循环作用下工程岩体稳定性分析提供科学依据。
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水泥偏高岭土复合稳定粉砂土渗透特性试验研究
王盛年, 高新群, 吴志坚, 惠洪雷, 张兴瑾,
岩土力学. 2022 (11):  3003-3014.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2165
摘要 ( 373 )   PDF(12481KB) ( 188 )  
水泥稳定粉砂土抗渗性能受粉砂土自身渗透性能、水泥用量、水灰比等因素影响显著,如何在提升其抗渗性能的同时降低水泥用量是提升工程经济效益的关键。通过开展不同水泥偏高岭土掺比、初始用水量、水泥偏高岭土总掺量以及养护龄期条件下的室内渗透试验,研究了上述因素对水泥偏高岭土复合稳定粉砂土抗渗性能的影响规律,探讨了上述因素及无侧限抗压强度与渗透系数之间的经验关系。结果表明:水泥与偏高岭土掺比为5:1时,水泥偏高岭土复合稳定粉砂土抗渗性能最佳,且该掺比不随水泥偏高岭土总掺量的改变而变化;水泥偏高岭土复合稳定粉砂土渗透系数随初始用水量增加呈非线性递增,随水泥偏高岭土总掺量增加和养护龄期发展呈先快后慢降低;基于试验结果归纳提出了4个关于初始用水量、水泥偏高岭土总掺量、养护龄期和无侧限抗压强度的水泥偏高岭土复合稳定粉砂土渗透系数经验模型。研究成果可为水泥稳定粉砂土抗渗性能提升提供理论参考与借鉴。
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液氮溶浸对不同煤阶含水煤样渗流特性的影响
张磊, 田苗苗, 曾世攀, 郭鲁成, 卢硕, 唐俊,
岩土力学. 2022 (11):  3015-3026.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2173
摘要 ( 161 )   PDF(10488KB) ( 114 )  
中国包含多种煤阶煤层,由于煤质、地质条件等差异,不同煤层中的水分赋存情况也具有较大差异性。煤阶、饱水度作为影响液氮低温致裂效果的两个重要因素,有必要对其进行深入研究。为此,分别选择褐煤、烟煤与无烟煤3种煤阶煤样,并制备得出饱水度分别为0%、33%与99%的煤样进行液氮溶浸处理,使用摄像机定点拍摄、观察煤样表面宏观裂隙处理前后的演化规律,并对煤样进行氮气渗流试验。试验结果表明:液氮溶浸后褐煤因产生的一条与多条贯穿裂隙发生整体结构上的断裂,烟煤表面有新裂隙产生,原生宏观裂隙有一定的扩展与延伸,无烟煤表面宏观裂隙无明显发育;煤样饱水度越高,液氮的致裂增透效果越显著;液氮溶浸对3种煤阶煤样的致裂增透效果关系为:褐煤>烟煤>无烟煤,在完全干燥状态下,由于热应力不足以破坏颗粒间链接,烟煤与无烟煤的增透效果近似相等;对于褐煤,液氮溶浸处理对完全干燥状态下的煤体即产生有效致裂,渗透率平均增幅高达559.35%,对于烟煤,在饱水度为33%和99%的状态下,液氮溶浸对煤体具有明显致裂效果,渗透率平均增幅分别为330.60%和448.77%,对于无烟煤,在饱水度为99%的状态下液氮溶浸处理才能对煤体产生有效致裂,渗透率平均增幅为185.53%。
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黄豆脲酶诱导碳酸钙沉淀多变量试验研究
崔猛, 符晓, 郑俊杰, 吕苏颖, 熊辉辉, 曾晨, 韩尚宇,
岩土力学. 2022 (11):  3027-3035.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2157
摘要 ( 324 )   PDF(9980KB) ( 202 )   PDF(English)(800KB) ( 28 )  
植物源脲酶诱导碳酸钙沉淀(enzyme induced carbonate precipitation,简称EICP)可以显著改善砂土的工程力学特性,但在具体操作时,参数取值无对应规范,固化效果有待提升。基于黄豆脲酶,研究了温度、脲酶浓度、尿素浓度、钙浓度、pH值、钙源种类等变量对脲酶活性与碳酸钙沉淀的影响,并进行了沉淀物(碳酸钙晶体)的扫描式电子显微镜(scanning electron microscope,简称SEM)与X射线衍射(X-ray diffraction,简称XRD)测试,在此基础上开展了黄豆脲酶固化砂的无侧限抗压强度与固化效果试验研究。结果表明:脲酶活性随脲酶浓度的增加而线性增长,但存在温度阈值,温度超过阈值后,脲酶将完全失活,且阈值随脲酶浓度的增大而降低;尿素浓度与pH值共同影响脲酶活性,二者存在一个最优组合,当尿素浓度在0.1~1.0 mol/L时最优pH值为7,当尿素浓度在1.0~1.5 mol/L时最优pH值为8。脲酶是沉淀反应的催化剂,脲酶浓度越高,反应越完全,碳酸钙沉淀率越高;尿素与钙溶液则主要通过掺入量影响碳酸钙沉淀量,掺量比例宜为1:1,且二者浓度与pH值可通过影响脲酶活性来影响碳酸钙的沉淀情况;不同钙源对碳酸钙沉淀量的影响幅度不大。不同钙源沉淀碳酸钙晶体的成分与密度基本相同,但晶体结构差异较大,氯化钙沉淀碳酸钙晶体以块状为主,表面分布球状、类球状晶体,胶结面大,可作为EICP技术中较为理想的钙源。基于黄豆脲酶和氯化钙钙源固化砂的无侧限抗压强度约为掺粉煤灰砂样的6倍,通过SEM图像可发现,沉淀碳酸钙晶体包裹并黏结砂粒成为整体,固化效果非常理想。
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基于力链的岩石单齿截割特性研究及截割力预测
董磊, 张华, 吕继双, 石瑞敏,
岩土力学. 2022 (11):  3036-3046.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0008
摘要 ( 226 )   PDF(10478KB) ( 188 )   PDF(English)(606KB) ( 9 )  
截齿是煤矿采掘机械上截割工作的主要承载对象,其与工作面的截割力预测对减小截齿磨损十分重要。利用颗粒流仿真软件PFC2D将被截割岩石作为颗粒物质进行单齿截割模拟仿真,通过研究截割时颗粒间力链的特性探讨了单齿截割岩石时接触状态对截割力的影响。利用单齿截割岩石试验台进行了截割力试验,获得了截割法向力和切向力随截割参数的变化规律及掉落碎片的特征。研究结果表明,单齿截割岩石颗粒物质的力链数目与力链长度的关系符合单轴压缩试验结果,能够采用离散元的方法对截齿截割状态进行模拟。力链网络沿着点接触方向扩散并延长,力链方向与截割角度有关,平均法向力方向呈“花生”状,切向力方向呈“花瓣”状。力链数目随截割角度的减小和截割深度的增加而减少,力链长度随截割距离的增加而增加,最大平均长度为8个颗粒尺寸。当截割角度较大时,较为容易形成力链。单齿截割天然砂岩法向力和切向力随截割角度的增加和截割深度的减小而减小。截割碎片尺寸与截割切向力线性拟合度为0.87。基于力链长度的截割力预测模型相比Evans预测模型法向力精度提高了17.6%,切向力精度提高了16.9%。研究结果能够为截齿和采掘机械截割系统的设计以及截割工艺的优化奠定一定的研究基础。
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应力幅值比对土-结构接触面非共轴特性影响研究
冯大阔, 张建民,
岩土力学. 2022 (11):  3047-3058.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2132
摘要 ( 469 )   PDF(12622KB) ( 178 )  

运用80 t大型三维多功能土工试验机(3DMAS),进行了不同应力幅值比下粗粒土与结构接触面大型三维循环直剪试验,深入分析了应力控制往返椭圆剪切路径下接触面切向位移、非共轴角和剪切柔度等三维力学特性以及应力幅值比的影响规律。应力控制往返椭圆剪切路径下,接触面产生了明显的x向和y向位移、非共轴角和剪切柔度。x向和y向位移幅值、剪切柔度峰值均随循环剪切的进行逐渐减小而后趋于稳定,表现出演化特性。非共轴角受切向应力幅值及切向应力增量方向共同影响,其最值、稳定值随循环周次基本保持不变;正向剪切时非共轴角最大值(最小值)与反向剪切时最小值(最大值)基本出现在同一位置。接触面剪切柔度与非共轴角随旋转角度的变化趋势相反,剪切柔度的增加会抑制非共轴角的发展,反之亦然,两者对立统一。应力幅值比对接触面切向位移间椭圆关系及其时程变化形式、切向应力位移类椭圆关系等影响较小,主要影响切向位移幅值及其偏移程度、切向位移间椭圆关系的长短轴大小及方向、切向应力位移类椭圆关系的长短轴大小、非共轴角的数值及其随旋转角度的变化形式和最值出现位置、剪切柔度随旋转角度的变化形式和峰值及其产生位置等。应力幅值比越大,切向位移幅值越大、向负向偏移越大,剪切柔度峰值越大,随循环剪切的进行减小的速率越慢。应力幅值比ξτ=1和ξτ≠1时接触面非共轴角和剪切柔度随旋转角度的发展变化形式差别很大。

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松砂中双叶片螺旋锚上拔承载 及土体变形特性试验研究
史旦达, 俞快, 毛逸瑶, 原媛, 郝冬雪, 胡伟,
岩土力学. 2022 (11):  3059-3072.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0010
摘要 ( 207 )   PDF(11750KB) ( 182 )  

基于室内1g模型试验,研究了松砂地基中双叶片螺旋锚的上拔承载性能,重点分析了埋深比和叶片间距的影响;在半模试验中融入数字图像相关技术(digital image correlation,简称DIC),分析了锚体上拔时锚周土体的变形和破坏规律;基于半模试验实测结果,提出了可用于松砂中双叶片螺旋锚上拔极限承载力预测的理论公式。研究结果表明,埋深比和叶片间距会影响螺旋锚的上拔极限承载力以及峰值上拔力出现时的位移水平;对于松砂中的双叶片螺旋锚上拔,埋深比/D=3(为上锚片的埋置深度,为叶片直径)可视为浅埋和深埋的界限,当/>3后,上锚片上方土体的破坏模式由整体剪切破坏逐步转变为局部剪切破坏;间距比/D=2.5(为叶片间距)可视为两叶片之间的土体由圆柱剪切破坏向独立承载破坏转变的界限;经与全模试验及已有文献试验结果对比,上拔极限承载力理论公式的预测误差一般均在25%范围内,验证了理论公式的可靠性。

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细砂中钢带-填土废塑料瓶抗拔性能试验研究
ALIREZA Beyranvand, SEYED HAMID Lajevardi, MAHMOUD Ghazavi, SEYED MOHAMMAD Mirhosseini,
岩土力学. 2022 (11):  3073-3082.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.00146
摘要 ( 175 )   PDF(9275KB) ( 179 )   PDF(English)(424KB) ( 28 )  
研究利用填土废塑料瓶作为横向构件附在加筋土挡墙(MSEWs)中钢带上可行性。配筋中的横向构件对增加抗拔力有重要影响。该加筋系统是由作为纵向构件的钢带和作为横向构件的填土废塑料瓶组成。为更好地研究以填土废塑料瓶作为横向构件对抗拔性能的影响,对一条独立的钢带和分别带有1~7个瓶子的钢带进行了拉拔试验。在不同的法向应力下进行了超过18次的实验室大型拉拔试验(例如拉拔箱尺寸为长1.2 m、宽0.6 m、高1.0 m)来评估新提出的加固元件的性能。试验结果表明,在扁钢带上建立三维空间对提高抗拔阻力影响很大。提高抗拔阻力最有效的方法是在距离 S  与直径 之比为3的钢带上加入4个横向构件,其平均抗拔阻力约为单独钢带的5倍。有横向构件和无横向构件钢带的极限抗拔阻力随竖向应力的增大而增大。
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基于不同粒径分布尾砂的充填体强度及 损伤特性研究
金爱兵, 王杰, 陈帅军, 李海,
岩土力学. 2022 (11):  3083-3093.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2187
摘要 ( 369 )   PDF(11230KB) ( 182 )   PDF(English)(700KB) ( 10 )  
为探究尾砂粒径分布对充填体强度和损伤特性的影响,对超细尾砂(中值粒径D50=10.1 μm)、细尾砂(D50=37.1 mm)和粗尾砂(D50=121.31 μm)充填体开展单轴压缩试验、扫描电镜试验和数字图像相关(digital image correlation,简称DIC)试验,分析其强度特性和微观结构特征,并基于尖点突变理论,采用小波包技术构建充填体损伤识别指标,量化分析充填体损伤特性。研究结果表明:充填体强度和弹性模量随尾砂D50的增大呈先增大后减小的趋势,但随着料浆浓度的升高,尾砂粒径对充填体强度和弹性模量的影响减小;相对超细尾砂和粗尾砂充填体,细尾砂充填体粗、细颗粒结合紧密,孔隙度最低,微观结构致密性最好;定义能量变化率(energy change rate,简称ECR)突变点为试件损伤突变的阈值,用于区分试件稳定损伤阶段和加速损伤阶段,其中,超细尾砂、细尾砂和粗尾砂充填体分别在峰值应力的92.83%、92.31%和72.93%处发生损伤突变;随尾砂D50的增大,充填体破坏模式由剪切破坏向张拉破坏转变,破坏时ECR由 20.65% 增大为 28.25%,损伤破坏程度逐渐加重。研究结果为改良矿山尾砂颗粒级配,进而提高充填体强度奠定了基础。
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岩土工程研究
深厚覆盖层地基潜蚀研究综述
罗玉龙, 张兴杰, 张海彬, 盛金昌, 詹美礼, 王惠民, 何淑媛,
岩土力学. 2022 (11):  3094-3106.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2175
摘要 ( 386 )   PDF(13451KB) ( 268 )  
潜蚀是深厚覆盖层渗透稳定性问题中比较主要和突出的一种表现型式,开展深厚覆盖层潜蚀问题的相关试验及理论研究,对于保障中国已建、待建重大水电工程的安全均具有重要的理论和实际意义。首先,区分了潜蚀与向后侵蚀管涌,指出潜蚀与向后侵蚀管涌的发生机制完全不同,两者不能混淆在一起。与向后侵蚀管涌相比,潜蚀更具隐蔽性,其发生发展机制更加复杂。其次,从潜蚀发生的几何条件、水力条件及潜蚀数学模型等3个方面详细梳理总结了潜蚀研究的相关进展。最后,结合雅鲁藏布江下游水电开发等国家重大工程,提出未来应着重加强对原状覆盖层土体内部稳定性评价,对极端条件、复杂渗流条件、复杂地层条件下潜蚀发生发展机制,潜蚀时间效应及其长期影响的评价和控制,对潜蚀本构关系及其数学模型等方面的试验及理论研究。
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潜水层一体化降水回灌设计方法研究
张晋勋, 赵刚, 韩玉珍, 张雷,
岩土力学. 2022 (11):  3107-3116.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1887
摘要 ( 564 )   PDF(8757KB) ( 140 )  
将降水工程抽取的地下水进行资源性回灌是高渗透性富水地层地下水控制中保护地下水资源的一种有效选择。当回灌场地受限离降水影响区域不够远时,降水与回灌可能存在耦合作用。基于潜水完整降水-回灌井群的浸润线方程,建立了一体化降水回灌井点群系统等流量近似理论解和等效大井近似理论解公式,并进行了误差分析。以北京某基坑工程为例,一体化降水回灌工程的近似理论解、数模分析、流量实测三者结果能互相符合,验证了公式的可靠性。给出了应用公式进行场地受限条件下一体化降水回灌设计问题的求解思路、求解步骤,建立了潜水完整井的一体化降水回灌设计方法。
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炭质页岩的颗粒破碎及其路用性能试验研究
常洲, 张留俊, 黄平明, 晏长根, 贾卓龙, 徐合清,
岩土力学. 2022 (11):  3117-3126.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0460
摘要 ( 634 )   PDF(11922KB) ( 132 )  
为综合评估炭质页岩的路用性能,充分认识炭质页岩的颗粒破碎行为,测试了炭质页岩块在循环压实过程中各粒组含量的演化规律,结合室内击实试验阐述了颗粒破碎对炭质页岩击实性能的影响,确定了最佳填筑级配,并依据最佳级配进行三轴湿化变形试验,从颗粒破碎角度分析了炭质页岩填料湿化变形的变化规律,最后对炭质页岩现场填筑效果进行了验证。结果表明:炭质页岩压实过程经历结构调整、颗粒破碎、压缩变形3个阶段,形成的相对稳定级配结构为其用作路堤填料提供了基础;填料最大干密度形成机制受颗粒破碎过程中粒径为20~40 mm与粒径小于2 mm颗粒含量变化的影响较大,随粗料含量增加,试样相对破碎率线性增大,最大干密度呈先增大后减小变化,最优粗料含量约为70%;湿化变形是混合料颗粒破碎的外在表现,浸水湿化后混合料强度降低约40%,可采用相对破碎率 Br 预估混合料遇水产生的湿化变形量,并建立了相对破碎率与围压、应力水平间的数学关系式;现场填筑过程中路堤压实度检测与沉降观测表明,炭质页岩路堤的最佳铺松厚度约为40 cm。
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力量速度法和力量平方法量测动力 触探锤击能试验研究
沈志平, 刘慧, 付君宜, 孙秀东
岩土力学. 2022 (11):  3127-3134.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0049
摘要 ( 401 )   PDF(7409KB) ( 181 )  
动力触探指标修正、试验稳定性、锤击数转化关系与有效锤击能密切相关。在探杆杆顶处和探头处安装应变片和加速度传感器,量测不同探杆长度下的重型、超重型动力触探锤击能。结果表明:当探杆中单个探杆较短、接头数多时,使用积分域为(0、2 lc)的力量平方法(F2法)计算所得探杆锤击能与实际锤击能相差较大(为探杆长度,为波的传播速度)。由于原位试验时干扰因素过多,力量速度法(FV法)选取首个极值和F2法选取锤击轴力首次穿过0点时作为锤击能量的积分结束时间计算锤击能更为合理。随着探杆长度的增大,达到探头处的锤击能量呈线性减小。3、5、8、11 m杆长下的重型和超重型锤击数转化系数分别为2.285、2.160、2.440、2.810,与超重型和重型的总势能比基本一致。
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基于功率谱密度的评估岩石节理粗糙度新方法
张传庆, 郭宇航, 徐金顺, 刘宁, 谢起明, 崔国建, 周辉,
岩土力学. 2022 (11):  3135-3143.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2183
摘要 ( 260 )   PDF(9120KB) ( 189 )   PDF(English)(390KB) ( 10 )  

为进一步提高结构面粗糙特征描述的精确性和可靠性,更全面地体现出细微形貌的影响,将轮廓线凹凸起伏分解为幅值、倾角和曲率3个特征,分别代表轮廓线的高度变化、角度变化和弯曲程度变化。以Barton建议的10条标准轮廓线为例,计算其幅度、角度和弯曲度的特征曲线,获得了三者的分布规律。利用可表征微细观形貌的功率谱密度函数研究了3种特征曲线的频谱特征,然后从功率谱密度对数曲线中提取了可以描述形貌特征的分形参数Dj(斜率相关)和粗糙度参数Aj(截距相关),在此基础上研究了Dj  A与节理粗糙度系数(joint roughness coefficient,简称JRC)的关系。同时,将该指标推广到了三维形貌的表征形式,并计算了大理岩剪切面的三维粗糙度。结果表明:新指标评估精确度高,可反映结构面各向异性特征,能有效表征结构面粗糙特征,对研究结构面剪切力学性质有重要意义。

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数值分析
基于完美匹配层人工边界的坝-基动力 相互作用研究
彭刚, 刘云龙, 陈灯红, 候春平, 林天成, 刘云辉,
岩土力学. 2022 (11):  3144-3152.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2196
摘要 ( 272 )   PDF(7361KB) ( 151 )  
混凝土坝-地基动力相互作用是高混凝土坝地震响应分析及安全评估中一个非常重要的方面。根据完美匹配层(perfectly matched layer,简称 PML)理论,对有关完美匹配层人工边界时域下的波动方程及有限元方程进行了推导。通过瞬态动力荷载作用波吸收性能问题验证了PML人工边界模拟远域辐射阻尼的准确性和稳定性。构建基于域缩减法(domain reduction method,简称 DRM )与 PML 人工边界联合的地震动输入模型,验证了基于 PML 人工边界地震动输入模型的可靠性和有效性。以某混凝土重力坝挡水坝段为例,比较了PML人工边界及动输入模型、传统无质量地基模型以及黏弹性人工边界模型的结果。结果表明:采用 PML 人工边界后,坝体坝顶点的水平、竖直相对位移动力响应峰值较无质量地基模型分别减小了约 40.6%、31.7%,且 PML 人工边界与黏弹性人工边界的相对峰值位移较为接近,从而为大坝地震动响应分析和合理的地震动输入提供参考。
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考虑水力参数空间变异性的盾构 隧道开挖面稳定性分析
袁帅, 冯德旺, 张森豪, 邢运鹏, 柯尊启,
岩土力学. 2022 (11):  3153-3162.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2200
摘要 ( 164 )   PDF(9535KB) ( 186 )   PDF(English)(428KB) ( 11 )  
城市地铁常采用盾构法施工,开挖面稳定对于隧道施工安全极为重要。水下或富水地层中修建隧道时,渗透力是影响开挖面极限支护力的一个关键因素,天然岩土体水力参数不确定性对开挖面附近渗透力具有较大影响。基于经典极限分析和随机场理论,引入饱和土有效应力原理,结合有限元空间离散和二次锥规划,建立了考虑孔隙水压力影响的随机数值极限分析方法。在此基础上,研究渗透系数空间变异性对富水地层盾构隧道开挖面稳定性的影响。结果表明,渗透系数非均匀性导致开挖面孔压梯度增大,渗透系数变异系数及竖向水平向渗透系数比的增加明显提高了维持开挖面稳定所需的支护力,互相关系数及自相关距离影响相对较小。研究结果对富水地层盾构隧道开挖面稳定性评估具有理论指导意义。
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考虑界面及损伤效应的岩体锚固系统 渐进破坏行为
赵增辉, 刘浩, 孙伟, 杨鹏, 陈宝森,
岩土力学. 2022 (11):  3163-3173.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2194
摘要 ( 168 )   PDF(11148KB) ( 374 )  
针对锚固岩体岩块-黏结层-锚杆各单元耦合作用,考虑岩块的弹塑性行为、黏结层的拉压刚度劣化以及锚杆的颈缩破断特性,基于Barton节理面粗糙度模拟节理面形貌,建立了常法向应力边界效应下节理岩体锚固的三维精细化数值模型,并通过试验结果对比论证了模型的可靠性,进一步分析了锚固角、节理面形貌对系统抗剪性能及各单元渐进损伤力学行为的影响。结果表明:锚杆变形分为线弹性、塑性强化和延性损伤软化3阶段,锚固角对锚杆应力分布有重要影响,锚杆破断位移随着锚固角的增大而减小;岩块水平位移呈现无明显增加、缓慢增加和急速增加3个阶段,节理面粗糙度对岩块塑性区形貌有较大影响;黏结层刚度折减呈三折线形式,随着粗糙度的增大,刚度折减速率减小,损伤程度减小;黏结层由于挤压作用易发生脱黏,导致岩块-黏结层-锚杆变形不协调,损伤累积最终发生锚固失效。所得结论对节理岩体锚固工程灾害防控具有重要意义。
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基于计算流体力学-离散元法耦合方法的海底 黏性滑坡体运动行为模拟
年廷凯, 张放, 郑德凤, 李东阳, 沈月强, 雷得浴,
岩土力学. 2022 (11):  3174-3184.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1856
摘要 ( 396 )   PDF(11915KB) ( 294 )  
海底滑坡是海洋中常见的一种灾害地质现象,一旦发生将会对水下基础设施造成破坏,而目前很少有有关海底黏性滑坡体运动演化行为方面的模拟研究。采用计算流体动力学(computational fluid dynamics ,简称CFD)和离散元法(discrete element method,简称DEM)建立了描述水与颗粒相互作用的流固耦合模型,通过引入颗粒间黏聚力模型,发展海底黏性滑体运动演化过程的CFD-DEM耦合分析方法,并开展了多个典型算例的验证分析。在此基础上,考虑滑体黏性作用和初始速度,系统地模拟了海底滑坡体的运动学特征(运动速度和距离)和形态特征(滑体长度、宽度、形状等),并深入探究了滑体运动及演化过程的影响机制。结果表明:该耦合方法可以较好地模拟再现海底滑坡体的小尺度运动行为,滑坡体的黏性作用对其运动学特征和形态特征具有显著影响,初始速度也明显影响了滑体各部位在运动过程中的颗粒流场演化及分布特征。这一成果可为真实海底滑坡的运动演化过程模拟和有效预测提供重要的科学依据。
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非饱和土中圆柱形衬砌隧道的瞬态动力响应
王滢, 王海萍, 高盟,
岩土力学. 2022 (11):  3185-3197.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0171
摘要 ( 161 )   PDF(9951KB) ( 160 )  
在以往关于圆柱形衬砌隧道的瞬态动力响应中,衬砌周围土体大多假定为弹性介质或饱和介质。然而,自然界中的土体大多为非饱和介质。考虑土体与衬砌结构的动力相互作用及动荷载引起的附加质量密度的影响,研究了瞬态荷载作用下非饱和土中无限长深埋圆柱形衬砌隧道的动力响应。基于多孔介质混合物理论和连续介质力学理论,建立了非饱和土中圆柱形衬砌隧道受到瞬态荷载作用时衬砌及周围土体的控制方程,利用Durbin数值反演法得到了衬砌及土体在时间域的动力响应。数值分析了饱和度对瞬态荷载下径向位移、径向应力、环向应力和孔隙水压力的影响。结果表明:饱和度对衬砌及周围土体的瞬态响应影响显著;饱和度对径向位移沿径向的衰减影响较小,对环向应力和孔隙压力沿径向的衰减影响较大。
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测试技术
基于探地雷达的工作面异常体精准探测技术
王诚龙, 刘万里, 张学亮, 马修泽, 徐健斌, 李港,
岩土力学. 2022 (11):  3198-3208.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0197
摘要 ( 489 )   PDF(10206KB) ( 184 )  
在井下采煤工作面回采进程中,及时掌握工作面煤层前方的异常情况,是煤矿安全、高效生产的保障。探地雷达是一种高效、无损伤探测方法,被广泛应用在矿井。针对探地雷达探测异常体响应的图像解译精度与成像精度取得了显著的成果,而如何用探地雷达去圈定地质异常体位置与空间分布范围是研究的热点问题。提出一种多剖面与线性插值融合的采煤工作面内部异常体精准探测新方法。主要研究思路:首先,通过时域有限差分算法(finite-difference time-domain, 简称 FDTD)对构建煤层空洞、断层的三维模型进行正演模拟,通过克希霍夫偏移处理大致圈定异常体的响应范围;其次,获取存在异常体响应的单道波数据的多剖面图,通过线性插值确定异常体的精确位置坐标与具体尺寸,引入面积评价标准来验证探测结果的相似度;最后使用 LTD-2600 型的探地雷达与 900 MHz的屏蔽天线对构建的空洞物理模型进行现场试验,将获得空洞计算剖面与实际空洞尺寸进行对比验证;并在斜沟煤矿 18201工作面开展应用,验证方法的有效性。实践证明,应用此方法对雷达剖面图进行分析,分析结果表明实测空间位置与实际空间位置的误差均在10%以下,可相对准确圈定工作面异常体的具体尺寸与空间分布范围。
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全吸力范围内渗透系数快速测定方法研究
刘阿强, 李旭, 刘艳, 张志远
岩土力学. 2022 (11):  3209-3219.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0004
摘要 ( 374 )   PDF(13992KB) ( 162 )   PDF(English)(897KB) ( 24 )  

非饱和土渗透系数函数跨越多个数量级,传统的测量方法动辄耗时数月,且难以实现全吸力范围内渗透系数的测量。为了实现全吸力范围内渗透系数的快速测量,将湿润锋前进法与瞬时剖面法相结合(简称联合测定方法),利用自行研制的土柱入渗装置,开展了不同干密度条件下青海粉质黏土全吸力范围内渗透系数测量试验。试验结果表明:在联合测定方法中,湿润锋前进法适用于高吸力段(基质吸力ψ > 25 kPa)渗透系数的测量,瞬时剖面法则适用于低吸力段(基质吸力ψ ≤25 kPa)渗透系数的测量,且两种方法在吸力重叠范围内渗透系数测量结果基本一致。联合测定方法可将全吸力范围内渗透系数的测量时长压缩至一周左右,且精度良好。此外,还对两种试验方法的误差来源进行了分析与讨论。研究结果表明:联合测定方法能够实现全吸力范围内渗透系数的快速测量,有望使得非饱和土渗透系数的测量成为土力学的常规试验。

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