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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12期 刊出日期:2022-12-28
基础理论与实验研究
含单一贯通破裂面岩石注浆试验及加固机制分析
朱永建, 任恒, 王平, 李鹏, 王希之, 魏明星,
岩土力学. 2022 (12):  3221-3230.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0078
摘要 ( 297 )   PDF(14363KB) ( 277 )   PDF(English)(668KB) ( 14 )  
针对单一贯通结构面注浆加固影响围岩承载力的问题,提出了一种制作含单一贯通破裂面岩样的方法,并对此种岩样分别注入超细水泥和环氧树脂材料,进而借助RMT-150 C试验系统探究了固结体单/三轴压缩下强度及变形特征,最后,采用理论分析结合电镜扫描手段,揭示了结构面注浆微观固结机制。研究发现,三轴加−卸载条件下制备的破裂结构面更接近工程实际,符合试验要求;从应力−应变特征曲线来看,注超细水泥试件表现出阶段性,注环氧树脂试件曲线较为平滑;从强度特征来看,围压影响程度明显高于注浆材料的选择;注浆加固手段可提高岩体的残余强度,随着围压的提高,残余强度提高系数越不明显,固结体峰值强度愈发接近完整岩石峰值强度;从破坏特征来看,注超细水泥试件主破裂面沿原始破裂面剪切滑移,注环氧树脂试件主破裂面为新的贯通破裂面;最后,以摩尔−库仑准则为理论基础,建立了注浆材料黏结力与结构面强度提高系数关系式,发现结构面强度提高系数与浆液黏结力呈线性关系。与试验结果的对比表明,该公式较为合理,可为深部围岩支护优化提供参考。
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动荷载和含水率对红砂岩破坏及能耗特性的影响
金解放, 徐 虹, 余 雄, 廖占象
岩土力学. 2022 (12):  3231-3240.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2128
摘要 ( 298 )   PDF(8977KB) ( 210 )   PDF(English)(3210KB) ( 10 )  
地下工程岩体爆破开挖过程中,动荷载和地下水对工程岩体的安全稳定具有显著影响。为研究动荷载和含水率对岩体破坏和能耗特性的影响,利用改进的SHPB试验装置,设置4个冲击速度和6个含水率等级,对红砂岩进行动态冲击试验。通过分析不同含水率工况下能量反射率、透射率和耗散率的变化规律,构建红砂岩能耗特性与含水率的经验模型;对破坏试样进行筛分试验,根据破碎分形理论,研究岩石破碎分形维数随含水率的变化规律。结果表明:(1)同一冲击速度下,能量透射率和含水率具有指数函数关系且呈负相关,能量耗散率随含水率先增大后减小且具有二次函数关系;(2)同一含水率下,能量透射率和冲击速度呈负相关,能量耗散率和冲击速度呈正相关;(3)在出现宏观破坏的试样中,红砂岩的破坏程度随含水率的增加而增大,且在含水率为1%处出现拐点,破碎分形维数和含水率具有指数函数关系。
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冻融作用下三类纤维加筋固化土的抗压抗拉性能
魏丽, 柴寿喜, 张琳, 李瑶,
岩土力学. 2022 (12):  3241-3248.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0020
摘要 ( 304 )   PDF(7093KB) ( 187 )   PDF(English)(1844KB) ( 19 )  
合成纤维、矿物纤维和植物纤维加筋土,增强了土的强度和抗变形性能。开展冻融作用下的无侧限抗压试验和劈裂抗拉试验,研究聚丙烯纤维、玄武岩纤维和棕榈纤维加筋石灰固化土的抗压和抗拉性能随冻融次数的变化规律。结果表明:未冻融和冻融环境下,聚丙烯纤维加筋固化土、玄武岩纤维加筋固化土和棕榈纤维加筋固化土的最优质量加筋率分别为0.2%、0.2%和0.4%。随冻融次数增加,三类纤维加筋固化土的抗压强度和抗拉强度均呈阶段性下降,纤维加筋固化土的破坏应变均大于石灰固化土。冻融作用下,聚丙烯纤维加筋固化土的抗压强度、抗拉强度和抗变形性能均优于另两类加筋固化土。纤维与土颗粒间的界面作用力和纤维对土的空间约束作用,增强了土的冻融耐久性。对比三类纤维加筋固化土的试验结果,聚丙烯纤维加筋固化土的抗冻融性能最优。
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饱和黏土中螺旋桩安装效应对抗拔承载力影响 的试验研究
周航, 余昊, 曾少华,
岩土力学. 2022 (12):  3249-3258.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0137
摘要 ( 236 )   PDF(9165KB) ( 193 )  
螺旋桩,因其施工方便、安装后即可承载、又可回收利用等优势,近年来得到广泛的关注。然而之前的研究主要是基于不考虑螺旋桩安装效应的前提下开展的,当考虑安装效应时,研究又主要聚焦在对砂土密实度的扰动程度上,对于黏土中安装效应的试验研究有限。针对这一问题,开展室内模型槽试验,获得30组不同类型螺旋桩的荷载−位移关系。结果表明:对于单叶片桩,是否考虑安装效应两种情况,极限承载力随埋深比增大的变化趋势基本相同,但与不考虑安装效应相比,考虑安装效应时极限承载力降低幅度明显;对于双叶片桩,当叶片间距大于2D后,单独承载量破坏发生,各叶片可单独发挥承载能力;增加叶片数量可使得承载力得到适当提高,但当破坏模式由单独承载量破坏过渡到圆柱剪切破坏后,承载力增加不再显著,此时临界间距比(S/D)cr在1.5~2.0之间;随后提出“扰动系数”的概念对由于螺旋桩安装引起的承载力降低现象进行量化评价,对于单叶片桩,当埋深比大于4D后,扰动系数在0.5~0.6之间变化;增大叶片间距会使得扰动系数呈现增长趋势,范围在0.20~0.45之间;对于多叶片,扰动系数处于0.4~0.6之间。
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基于数字图像分析的土工合成材料加筋砂土拉拔试验研究
王家全, 祁航翔, 林志南, 唐毅,
岩土力学. 2022 (12):  3259-3269.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0083
摘要 ( 201 )   PDF(15116KB) ( 187 )  
由于加筋土界面作用的复杂性,加筋土工程建设中铺设土工格栅时往往采用经验的方法,很大程度上造成了土工格栅的浪费及工程安全隐患,理清不同填料筋土界面作用的影响范围,有助于确定加筋土结构的合理加筋间距。为了揭示不同填料筋土界面作用的影响范围,采用4种不同类型的砂土与格栅在不同法向应力下进行了一系列的拉拔试验,并结合数字图像量测技术,分析了不同类型砂土下界面剪切带厚度、颗粒位移矢量、格栅拉拔阻力峰值及应变等演变规律。研究表明:界面剪切带厚度H随法向应力σ v与砂土平均粒径50的增加而增大,通过多变量拟合的方法,得到了Hσ v50三者之间的函数表达式;格栅在拉拔过程中,砂土颗粒位移矢量以土工格栅为界有着显著的差别,格栅上部的颗粒位移矢量明显大于下部颗粒,且在格栅上下一定范围内会形成颗粒位移矢量集中带;拉拔阻力峰值随σ v50的增加而增大;不同类型砂土各区段的格栅应变均表现出由前向后依次递减的趋势。
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水压致裂起裂压力的细观离散元模拟及试验研究
董琪, 王媛, 冯迪,
岩土力学. 2022 (12):  3270-3280.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0490
摘要 ( 177 )   PDF(14598KB) ( 224 )   PDF(English)(34922KB) ( 13 )  
水压致裂起裂压力的预测对于油气开采、地应力测量、水工结构物抗裂设计等具有重要的意义。采用颗粒离散元结合域-管道渗流模型的流固耦合非连续数值模拟方法,基于扩展前端法生成的含规则形状钻孔的颗粒体模型,对水压致裂的细观起裂过程和起裂压力大小进行了定量模拟。结果表明,在消除了颗粒体中钻孔形状不规则性的基础上,钻孔壁的接触力链分布与理论解较为一致,拟合的离散元起裂压力公式也与理论解较为接近。进一步地,从颗粒材料受挤压时产生局部张拉力的角度解释了起裂压力拟合公式与理论解之间的差别。最后,设计了含预制钻孔的抗渗砂浆试块制备方法,对不同主应力组合下的起裂压力大小进行了真三轴室内试验,验证了离散元模拟结果的可靠性。
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粒子重复冲击破岩细观损伤及破碎特征试验研究
鞠明和, 陶泽军, 李晓锋, 蔚立元, 姜礼杰, 李晓昭,
岩土力学. 2022 (12):  3281-3293.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0039
摘要 ( 189 )   PDF(12709KB) ( 150 )   PDF(English)(27050KB) ( 11 )  
粒子冲击破岩作为一种新型辅助破岩技术已在钻探和油气开采等领域得到有效运用,其在极坚硬岩层中隧(巷)道辅助掘进方面具有广阔的应用前景。从试验角度研究了粒子的冲击次数、颗粒强度及冲击速度等因素对极坚硬花岗岩表面冲击坑损伤破碎特征的影响,对冲击坑三维形貌、岩石碎屑及坑内矿物破碎特征进行了定量分析。结果表明:成坑最大深度随冲击次数增加呈抛物线趋势增大,而成坑体积和坑顶面积随冲击次数增加呈线性增长;成坑体积随冲击速度呈先增大后减小的规律,该临界冲击速度约为82.5 m/s;冲击坑中心与外部的细观破碎机制差异导致岩石碎屑平均尺寸具有明显的双峰特征。从能量角度分析发现,成坑体积、坑顶面积和最大深度随粒子动能在双对数坐标系下线性增长。基于图像处理方法获得了冲击坑周边主要矿物内部裂纹分布随冲击速度和次数增加的分形维数变化规律。破岩效果表明,增大粒子冲击速度和冲击次数能有效扩大岩石冲击坑的损伤范围,但冲击速度的影响程度显著大于冲击次数。
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动载作用下端锚锚固体力学响应特征研究
常聚才, 齐潮, 殷志强, 史文豹, 贺凯, 吴昊原,
岩土力学. 2022 (12):  3294-3304.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0988
摘要 ( 145 )   PDF(11890KB) ( 126 )  
为研究动载作用下巷道围岩失稳破坏机制,基于SHPB试验系统,研究了不同冲击气压(0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 MPa)下预应力端锚锚固体的应力波传播规律及层裂破坏特征,采用图解法计算了锚固体试件的层裂强度及应变率,建立了锚固体层裂损伤模型并采用高速摄像机进行了验证。结果表明:不同冲击气压下试件应力波峰值应变均呈指数形式衰减,且空间衰减幅值及衰减指数与冲击气压呈正相关关系;锚固体试件层裂首先发生在自由端附近,沿反射波传播方向层裂厚度逐渐增加,0.3 MPa冲击气压以上,试件每两处层裂面中间产生一道新层裂;在18~33 s−1应变率范围内,应变率率效应占主导地位,层裂强度最高达69 MPa,而应变率为41 s−1时,层裂强度降低至17 MPa;锚固体自由端在动载冲击后出现层裂闭合现象,但在锚固端由于锚固界面残余黏聚力作用,层裂位置未发生闭合现象。
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水泥稳定再生沥青路面/红土混合物用于软土改良的效果评估
SUKSAN Aniroot, HORPIBULSUK Suksun,
岩土力学. 2022 (12):  3305-3315.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.00111
摘要 ( 437 )   PDF(10131KB) ( 100 )   PDF(English)(45786KB) ( 24 )  
评估了水泥稳定再生沥青路面(RAP)/边缘红土混合物作为碎石桩骨料替代传统采石场骨料的潜力,研究了混合材料在不同RAP置换率和有效约束压力下的不排水剪切强度变化。RAP置换率分别为10%、30%和50%(按干重计),普通硅酸盐水泥含量分别为1%和3%。很明显,RAP的置换增加了大颗粒,同时减少了细小颗粒,因此增加了压实度。在低于先期固结压力的有效应力下,RAP−土颗粒混合物表现出与孔隙压力降低相关的应变硬化性能。当RAP置换率增加时,水泥稳定的RAP−土颗粒混合物应力−应变曲线的应变软化性能减弱。胶结作用提高了黏聚力,而内摩擦角未产生明显的变化。水泥稳定的RAP−土颗粒混合物的强度和刚度主要取决于胶结强度和RAP置换率。抗剪强度随着非稳定和水泥稳定的RAP−土颗粒混合物的RAP置换率增加而提高,而水泥稳定的RAP−土颗粒混合物的刚度由于沥青黏结剂的高能量吸收而下降。
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高温后花岗岩微观结构演化特性与 动态力学性能研究
李艳, 程禹翰, 翟越, 魏盛宇, 杨宇冰, 赵瑞峰, 梁文彪,
岩土力学. 2022 (12):  3316-3326.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0101
摘要 ( 277 )   PDF(13244KB) ( 186 )   PDF(English)(26530KB) ( 8 )  
为研究高温后花岗岩矿物成分变化规律、微观结构演化特性及其与动态力学性能之间的关系,以甘肃省北山花岗岩为研究对象开展了20~1 000 ℃的高温试验,借助切片技术和偏光显微镜得到了高温后花岗岩的微观图像。通过矿物成分分析、微裂隙特征识别及参数计算,研究高温后花岗岩矿物成分、矿物含量、微观结构特征参数随温度的演化过程。利用霍普金森压杆系统对高温后花岗岩开展动态冲击压缩试验,分析温度、加载速率和微观结构特征对动态峰值应力的影响,并建立微观结构特征与宏观动态力学性能之间的定量关系。结果表明:高温作用对花岗岩的矿物成分、微观结构和冲击压缩强度具有显著影响,600 ℃为阈值温度;加载速率对冲击压缩强度也具有显著影响,且加载速率越大,温度对宏观动态力学性能的影响越小;高温后花岗岩的微观结构随温度的演化过程是其宏观动态力学性能随温度变化的内在机制,微观裂隙特征与动态峰值应力具有显著相关性,且裂隙平均宽度是影响花岗岩动态峰值应力的主要因素。
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原状膨胀土剪切力学特性的应变速率效应
李新明, 贾亚垒, 王志留, 尹松
岩土力学. 2022 (12):  3327-3334.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0894
摘要 ( 215 )   PDF(7537KB) ( 128 )  

为研究应变速率对原状膨胀土力学性状的影响,通过GDS三轴试验系统进行了不同速率和围压下的固结不排水三轴剪切试验,分析了应力−应变曲线、孔隙水压力、剪切强度以及破坏模式随应变速率的变化规律。结果表明:不同应变速率下,膨胀土应力−应变曲线均呈应变硬化型。随着应变速率的增加,不排水剪切强度单调递增,引入应变速率参数ρ 0.9后发现,不排水强度增长率为14.3%~23.2%,平均值为18.4%。低围压下,应变速率对孔隙水压力影响较小,随着围压的增大,孔隙水压力的发展趋势由软化型转变为硬化型,孔隙水压力峰值随应变速率的增大而减小。原状膨胀土应变速率效应与其多裂隙性密切相关,破坏形式表现为小应变速率下主剪切带与次剪切带共存,大应变速率下仅有主剪切带,裂隙或多剪切带的出现强化了膨胀土强度的应变速率效应。

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夏季降雨增加对多年冻土活动层水热状态的 影响研究
张明礼, 周志雄, 周凤玺, 雷兵兵,
岩土力学. 2022 (12):  3335-3346.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0099
摘要 ( 202 )   PDF(15452KB) ( 133 )  
近50年青藏高原地区降雨呈波动性的增加趋势,且夏季降雨是全年降雨量的主要来源,降雨变化会导致冻土内部水热发生改变。然而,目前关于夏季降雨变化对多年冻土水热状态的影响研究鲜有文献报道。因此,基于优化地表能量平衡边界条件的水−汽−热耦合模型,以青藏高原北麓河地区2013年实测气象资料为模型驱动数据,研究夏季降雨增加到2倍后活动层的响应机制。结果表明:夏季降雨增加到2倍后,净辐射、蒸发潜热增加,而感热以及地表热通量减小,地表与大气之间的能量交换方式从感热转换为蒸发潜热,且夏季整体用来加热活动层的热量减少1.4%;夏季降雨增加导致液态水运移通量增加,而水汽运移通量减小,热传导通量、水汽对流热通量、水汽扩散潜热通量的减小量约为液态水对流热通量增加量的2.6倍,因此夏季降雨增加导致土体降温,活动层厚度整体抬升0.14 m,对冻土起到降温效果。
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岩溶区穿越溶洞基桩屈曲临界荷载计算方法 与试验研究
雷勇, 李鹏甲, 刘泽宇, 李金朝, 胡伟
岩土力学. 2022 (12):  3347-3356.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0377
摘要 ( 212 )   PDF(10837KB) ( 413 )  

基桩穿越大型溶洞时可能发生屈曲失稳,屈曲临界荷载即为基桩极限承载力。针对岩溶区穿越单层溶洞基桩屈曲问题,依据能量法原理建立了穿越单层溶洞基桩总势能方程。根据基桩屈曲的突变特性,引入尖点突变理论,建立了基桩在顶部弹嵌、底部嵌固情况下失稳的尖点突变模型,导出了该体系的分岔集方程,进而通过分析其失稳条件,提出了穿越单层溶洞基桩屈曲临界荷载计算方法。为验证理论方法的合理性,进行了基桩穿越不同高度溶洞的室内模型试验,研究表明:(1)基桩主要发生桩身压缩破坏和屈曲破坏,洞高小于6 时基桩发生材料压缩破坏,洞高大于等于6 时基桩发生屈曲,位移最大点位于临空段的中点;(2)基桩屈曲临界荷载随洞高增大呈线性减小,理论方法适用于基桩发生屈曲的情况,且与试验结果吻合较好;(3)洞高越小、顶板越厚、基桩弹性模量越大、桩−岩界面越粗糙,则基桩屈曲临界荷载越大,反之则越小。

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节理剪切过程中两翼微凸体接触规律及剪应力 模型研究
刘国磊, 马秋峰, 崔嵛, 李公成, 田静,
岩土力学. 2022 (12):  3357-3371.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0284
摘要 ( 288 )   PDF(14200KB) ( 128 )  
为了探究节理剪切过程中微凸体接触规律,对张拉型节理面进行了三维扫描与直剪试验。通过三维点云追踪技术对节理面剪切过程中微凸体接触面积和接触角度进行了统计分析,基于微凸体接触规律建立了剪应力模型。在此过程中,得到如下结论:(1)剪切过程中,随着剪切位移的增大,接触面积逐渐减小,接触点由散落式分布转化为集中式分布,单个接触点面积逐渐增大,接触点数量逐渐减少,法向应力对接触面积影响显著,法向应力越大,接触面积越大。(2)在剪应力峰值前,上部岩块中大多数相互接触的微凸体处于“爬坡”状态,在剪应力峰值以后出现部分接触微凸体处于“背离”状态。剪应力峰值以前绝大多数接触的微凸体能够提供阻抗剪切的力,而在峰后存在部分微凸体无法提供阻抗剪切的力。(3)接触角近似呈现正态分布,随着剪切位移的增大,接触角的平均值呈现先增大后减小的规律。(4)对模型进行验证,结果表明,模型不仅能够描述不同法向应力条件下节理面的抗剪强度,而且能够反映剪应力−剪切位移的关系,证明了模型的合理性,为准确预测节理面抗剪强度提供了一种新的计算方法。
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贯入角度对截齿破岩性能与几何排布的影响研究
肖建成, 卢景景, 周辉, 徐福通, 冯春,
岩土力学. 2022 (12):  3372-3384.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0067
摘要 ( 188 )   PDF(22251KB) ( 182 )  
截齿贯入角度是双轮铣槽机布齿系统设计中的关键因素之一。基于连续−非连续单元法(CDEM),建立截齿不同角度冲击贯入破岩的数值模型,通过断裂能本构模型实现岩体弹性−损伤−断裂的破裂过程,开展截齿有效角度50º~90º区间内的9组冲击贯入破岩模拟,研究贯入角度对截齿破岩性能的影响规律,讨论贯入角度对截齿几何排布的影响,总结布齿系统的截齿几何排布规律。结果表明,当贯入角度从90º降低到50º时,岩体由张拉−拉剪破裂向剪切−拉剪破裂转变,截齿平均贯入力与破碎程度提高,截齿的跃进式侵入特性的显著性减低;贯入角度为75º~90º的第I类截齿与小于55º的第III类截齿在破岩中起辅助作用,贯入角度为55º~75º的第II类截齿可在岩体内部产生范围较大的水平非贯通裂隙,在布齿系统破碎岩体过程中发挥主要作用;2个第II类截齿先后贯入岩体可较好地破碎截线间的岩体,可构成一类基本破岩单元,多个基本破岩单元按照正弦线形式排布,由此形成了一种布齿系统设计方法。研究成果为完善双轮铣槽机布齿系统设计方法,打破国外在双轮铣槽机布齿系统设计方法上的技术壁垒提供了理论基础。
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酶诱导碳酸钙沉淀加固遗址土动力特性试验研究
原鹏博, 朱磊, 钟秀梅, 董兰凤, 谌文武,
岩土力学. 2022 (12):  3385-3392.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0172
摘要 ( 175 )   PDF(16835KB) ( 140 )  

中国西北地区地震频发,土遗址长期受到地震活动的不利影响。为了研究酶诱导碳酸钙沉淀技术(EICP)加固遗址土的动力特性,对1.55、1.65、1.75 g/cm3这3种初始干密度的遗址土进行EICP处理,并设置未经EICP处理的对照组。开展了不同围压、振动频率下的动三轴试验。结果表明:在相同动应力作用下,相比对照组,试验组的动应变更小,耗散的能量更少,阻尼比更小;在EICP加固后,随着干密度、围压、振动频率增大,可以降低动应变的产生,但这种效果依次减弱。动本构关系符合Hardin模型,干密度、围压、振动频率对模型参数a(动弹性模量)的影响程度逐渐减小;微观分析发现,EICP加固后,碳酸钙沉淀在土颗粒表面附着,填充孔隙,并与土颗粒相互胶结成致密结构,土体结构强度增强。

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考虑循环温度驱动的土−水特征曲线滞后模型
许韬, 白冰,
岩土力学. 2022 (12):  3393-3402.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0054
摘要 ( 117 )   PDF(8796KB) ( 146 )  
在温度、水头等边界条件往复变化时,土体内的水分迁移过程会出现滞后效应。为了模拟非饱和土在经历温度循环时水力特性,提出了一个能够反映滞后效应的经验模型,该模型假定各扫面线的曲线形态与对应边界线相似,因此利用土−水特征曲线中两条边界线的方程,无需引入新的参数,即可得到任意状态出发的扫描线方程。以高岭土为介质,设计了循环温度驱动下的土柱试验,在不透水的土柱内,利用水浴加热的方式使土样一端进行升降温循环。试验结果表明,升温后孔隙水会从高温端向低温端迁移,温度降低到初始状态后,含水率的分布不会完全恢复到初始状态,而是表现出一定的滞后效应。利用该滞后模型进行数值计算,可以较好地反映试验过程中滞后效应对土体含水率变化的影响,并结合已有的砂土、粉土试验结果,验证了该模型的有效性。该模型计算方法简单,易于通过程序实现,可应用于地质处置、供热管道设计等工程问题。
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火山灰增强微生物固化砂土效果的试验研究
熊雨, 邓华锋, 李建林, 程雷, 朱文羲
岩土力学. 2022 (12):  3403-3415.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0134
摘要 ( 240 )   PDF(20096KB) ( 207 )   PDF(English)(1742KB) ( 9 )  
为了提升微生物固化砂土的效果,考虑火山灰的多孔结构及活性特征,设计进行了火山灰增强微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)固化砂土试验,综合宏观物理力学试验和微细观检测,系统分析了火山灰对微生物固化砂土的增强效果及增强机制。结果表明:(1)火山灰能够显著提高砂土微生物加固过程中的固菌率和胶结物产量,火山灰掺量在10%左右达到最佳,与常规MICP相比,固菌率提高了118.28%,胶结物生成量提高了29.55%。(2)火山灰的掺入提高了固化体的抗压强度和抵抗变形的能力,不同围压下固化体的抗压强度提升了52.26%~62.96%,破坏时的应变增加了100.00%~112.58%。(3)火山灰掺入后,固化体的孔隙大小及孔隙率明显减小,整体的密实性及抗渗性能进一步提升,孔隙率从20.12%减小为14.17%,渗透系数降低了一个数量级。(4)火山灰对微生物固化砂土的增强机制主要包括3个方面,一方面,火山灰在砂颗粒间起到了良好的充填作用,大幅减少了颗粒间的大孔隙,使得固化体的密实性增强;另一方面,火山灰良好的吸附作用有效提高了试样内细菌的含量,使固化体碳酸钙的产量及分布的均匀性均增加;第3方面,火山灰中的活性物质参与反应生成的胶凝物质与碳酸钙晶体形成复合凝胶体,使得固化体的胶结性能和密实程度进一步增强。
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交通荷载下加筋土桥台工作性能试验研究
王裘申, 徐超, 张振, 沈盼盼, 吴伟成, 张逍,
岩土力学. 2022 (12):  3416-3425.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0041
摘要 ( 293 )   PDF(12618KB) ( 184 )  
加筋土桥台因其具有良好的复合体特性,被广泛应用于各项工程建设,研究它在实际工程条件下的工作性能对其设计和推广具有重要意义。加筋土桥台在服役过程中主要承受交通荷载作用,通过室内大比例缩尺模型的加速应力试验,研究交通荷载条件下加筋土桥台的工作性能,考虑加筋间距与筋材刚度的影响,综合分析了不同交通荷载等级和循环次数下桥台变形与筋材应变的变化规律。研究结果表明,加筋土桥台在交通荷载作用下整体变形随循环次数趋于收敛,其顶部沉降、面板水平位移与筋材应变均远小于规范给出的阈值;各变形值随加载时间呈阶梯状发展,不同条件下变形收敛趋势有所差异;增大筋材刚度和减小加筋层间距有利于控制桥台的变形,筋材刚度对变形的控制作用要优于加筋间距;交通荷载作用下面板水平应变与顶部竖向应变并不满足2倍关系,二者之间的定量关系有待进一步研究。
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高静应力与低频扰动耦合作用下砂岩的 力学响应特征
文晓泽, 冯国瑞, 王朋飞, 郭军, 钱瑞鹏, 白锦文, 樊一江, 朱林俊,
岩土力学. 2022 (12):  3426-3436.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0087
摘要 ( 179 )   PDF(20379KB) ( 237 )  
低频扰动荷载作用下高应力状态岩石的力学响应特性是残采区上行开采层间岩层稳定性的重要影响因素。基于自主研发的动静载耦合电液伺服试验机,开展动静载耦合作用下高应力状态砂岩巴西劈裂试验,分析低频扰动荷载幅值对高静应力砂岩力学响应特征的影响。结果表明:(1)高应力状态砂岩不会在小幅扰动荷载作用过程中破坏,但扰动损伤会降低岩样抗拉强度,基于层间岩层静态力学特性的上行开采稳定性分析中应纳入合适的折减系数;(2)高静应力砂岩破坏前的扰动荷载循环次数随幅值升高而降低,幅值为5.0、7.5、10 kN组岩样破坏前的扰动荷载循环次数均值分别为157、70、3;(3)引入描述流体状态的“紊流”形象化表达扰动荷载作用过程中附加能量的快速输入与输出,呈“紊流”状态的附加能量弱化了砂岩裂纹扩展的有序性,诱使砂岩破坏瞬间发生大规模裂纹扩展。该研究成果可为残采区上行开采稳定性分析提供一定参考。
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基于单三轴试验与直剪试验的层状软岩模拟
潘文韬, 杨文波, 吴枋胤, 何川, 赵亮亮, 姚人杰, 傅舰锋,
岩土力学. 2022 (12):  3437-3452.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0573
摘要 ( 226 )   PDF(15570KB) ( 159 )  
为探究模型试验中层状软岩模拟方法,依托九绵高速层状软岩隧道现场取样的室内试验结果,多次试验确定重晶石粉、石英砂、石膏粉、滑石粉和水的最优配比以模拟软岩基体,采用带孔薄膜模拟层理弱面的黏结作用,并通过直剪试验确定孔隙率,最后对不同层理角度与层理厚度的试样开展直剪与单、三轴试验以反映各向异性情况。结果表明:软岩基体模拟最优配比为0.55:0.15:0.07:0.06:0.17,重晶石粉对强度及破坏变形起决定作用,含量过低易压溃,含量过高产生上下贯通裂缝;采用30%孔洞率的薄膜模拟层理效果最佳;土样强度随层角呈U形变化,层厚减小(不小于2 cm),强度减小。直剪试验中,45º层理剪切面朝层理方向倾斜,90º层理导致剪切面上下产生裂缝与碎裂,单三轴结果中,0º层理会产生小角度倾斜裂缝,45º层理产生垂直层理面的斜裂缝及二次破裂,90º层理产生顺层理的竖向劈裂;与现场结果对照后确定最优层厚为 3 cm,对层角与层厚的直剪与单三轴试验结果整体一致,揭示土样孔隙压密闭合−弹性−塑性胀裂破坏−徐变的过程。
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岩土工程研究
多因素组合影响下向进路充填顶板稳定性计算
王晓军, 郭鹏, 黄惟盛, 陈智宏, 陈青林, 赵奎,
岩土力学. 2022 (12):  3453-3462.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0600
摘要 ( 143 )   PDF(9316KB) ( 86 )  
下向分层进路充填采矿法中,进路充填顶板的稳定对回采过程安全性至关重要,而分层充填体叠加载荷计算一直是顶板稳定性分析的难点。在充分考虑采动岩体荷载、矿体倾角、相邻分层间回采进路的交错布置、充填体与围岩的接触等工程实际后,推导了进路顶板平衡微分方程,求解得到进路顶板静荷载的理论值。结合回采工艺建立了“多跨梁”力学模型,并得到了回采进路顶板拉应力的理论计算公式,分析得到影响进路顶板稳定性的4个重要理论因素:顶板上部载荷σ v、回采进路跨度l、1:4充填体的厚度h、充填体自身抗拉强度[σt]。为充分考虑进路顶板静载荷和回采爆破动载荷影响,利用FLAC3D对多因素影响下的顶板稳定性进行了数值模拟正交计算。根据模拟结果,分析了各因素对顶板拉应力的影响规律,利用多元非线性回归的方法建立了多因素组合影响下顶板稳定性评价模型。该模型应用到某铜矿试验采场的实际生产,具有较好的指导作用。
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基于电阻率孔压静力触探的浅层气可靠度识别
武猛, 蔡国军, 王才进, 段伟, 刘松玉, 乔欢欢, 洪义,
岩土力学. 2022 (12):  3463-3473.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0140
摘要 ( 163 )   PDF(11119KB) ( 152 )  
地下浅层气的存在会对地铁项目的勘察、施工以及后期正常运营构成安全隐患。采用基于地质统计学和可靠性分析的概率方法,对杭州某地铁站场地的电阻率静力触探测试数据进行分析。通过回归分析移除电阻率数据的趋势项,以变差函数为工具,描述电阻率残差在竖向和水平向上的各向异性,采用克里格插值对未采样点参数值进行最优线性无偏估计,采用一阶可靠度方法获取基于电阻率的地下浅层气分布三维概率图。分析表明:电阻率残差具有显著的各向异性,在竖直和水平方向的自相关距离分别为5.1 m和55.6 m。在考虑不同土体电阻率背景值不同的前提下,采用一阶可靠度方法建立了浅层气三维概率分布图。该场地竖直方向上浅层气分布于25 m附近及30~35 m深度区间内,水平方向上则集中分布于RCPTU1点位附近。可基于该结果提出针对性的防治对策,为布设排气孔、浅层气监测等治理措施提供依据。
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基于原位多功能孔压静力触探的含浅层气地层 识别与应用
汪晔欢, 王勇, 孔令伟, 陈成, 郭爱国,
岩土力学. 2022 (12):  3474-3483.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0398
摘要 ( 303 )   PDF(18071KB) ( 161 )  
孔压静力触探(piezocone penetration test,CPTU)广泛应用于工程地质勘探中,但对浅层气地层的识别与探测精度方面还存在不足。基于CPTU贯入原理,分析了贯入过程中锥肩处土体的剪切变形特征,借助不同初始饱和度含气密砂的固结不排水三轴剪切试验,探讨了CPTU探头贯入饱和与含气砂层时锥肩处土体的超孔压响应规律及其差异性。结果表明:气体的存在显著影响砂土的剪切变形特性,且随着含气量增多,砂土剪切体变量增大,体变由剪胀过渡为剪缩;但土体孔压响应的敏感性却在降低,超孔压呈现出非负的典型特征,将其作为含气层识别的重要标志。针对分布于我国江浙沿海平原浅层气的储层物性特征,提出了基于原位多功能孔压静力触探触探的含浅层气地层精细识别方法。采用粉、细砂类土性辨识和超孔压非负特征构成“双控”指标进行初判,再结合多功能辅助参数做进一步检验校正。应用于工程实际,初步验证了该方法的有效性,提高了多层位含气层辨识的精度,可为浅层气地质区的岩土工程勘察与灾害防治提供借鉴。
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数值分析
考虑非饱和浸润区的改进Green-Ampt模型
李强, 贾森, 李鑫, 武璧泽, 尚艳亮, 董俊,
岩土力学. 2022 (12):  3484-3492.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0912
摘要 ( 196 )   PDF(7837KB) ( 138 )  
经典Green-Ampt入渗模型计算简单,广泛应用于土壤入渗问题的研究,但在湿润锋处理上采用明显的干湿分离界面,存在一定的理论假设。鉴于此,基于饱和区−非饱和浸润区分层模型,结合达西定律,推导出入渗过程中饱和区厚度与非饱和浸润区厚度关系的理论公式,提出了水分剖面理论模型,消除了饱和区厚度和浸润区厚度的关系假设。在此基础上,建立了考虑土壤水分剖面形状和非饱和浸润区等效参数的改进Green-Ampt模型,并采用试验和有限元数值仿真对该模型进行了验证,结果表明:该模型有很高的精度,对不同类型的土有很好的适应性。同时该模型求解简单,参数物理意义明确,便于工程应用。
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基于B-DEM的颗粒聚合体应力计算和破碎路径模拟
刘彪, 王桥, 张宗亮, 周伟, FENG Y T, 彭张振, 李蕴升, 徐俊, 郭凯,
岩土力学. 2022 (12):  3493-3502.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0114
摘要 ( 153 )   PDF(10444KB) ( 144 )  
结合边界元法和离散元法,提出一种可以进行计算颗粒内部应力和破碎路径的方法。该方法利用离散元法求解颗粒的相互作用和每个颗粒上的荷载。然后利用边界元法计算颗粒的应力分布,为了实现动态平衡,将颗粒的加速度视为恒定大小的体力。但体力导致边界积分方程中出现域积分,故采用直线积分法将域积分转化为边界积分,以保证边界元法降维的优势。为了提高边界元的计算效率,对于几何形状相似的颗粒,以其中一个颗粒作为模板颗粒,只需要计算模板颗粒在局部坐标系中的系数矩阵,其他相似颗粒可以通过局部和全局坐标系之间的映射获得。在得到应力后,基于Hoek-Brown准则来判断颗粒是否破碎。此外,将破坏路径简化为直线,并采用最小二乘法拟合得到破坏路径。
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测试技术
基于FRP筋自感知监测技术的隧道衬砌施工 全过程应变分析
郭东, 魏强, 李锦辉, 黄正凯, 白石, 贾大鹏, 钱林峰, 欧进萍,
岩土力学. 2022 (12):  3503-3512.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0048
摘要 ( 297 )   PDF(17753KB) ( 140 )  
作为地下结构,隧道衬砌的隐蔽性导致其全天候的实时监测非常困难。提出了一种基于内嵌光纤自感知纤维增强复合塑料(fiber reinforced plastic,FRP)筋的隧道衬砌智能监测方法,将光纤传感器嵌入FRP材料中形成自感知FRP筋并嵌入隧道衬砌中,实现对隧道衬砌不同位置全天候、长时间、高精度监测,监测结果能够定量给出隧道衬砌环向的实时受力状态,反映裂缝生成风险。采用该智能监测方法对广汕高铁陈塘隧道进行了监测,监测数据反映了隧道衬砌施工全过程的力学机制。影响衬砌结构安全的因素主要有隧道围岩压力、水化热导致的温差应力以及混凝土干缩导致的应力;其中,混凝土水化热产生的温差效应导致衬砌内侧受到较大拉应力,需采取合理的施工措施以避免温差效应引起的拉应力过大而产生温度裂缝。所提出的智能监测方法能够全天候、长时间、实时监测隧道衬砌应力−应变状态,此自感知系统将在隧道运营过程中持续、及时反映隧道衬砌开裂风险,为高速铁路列车的运行安全提供技术保障。
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