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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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2023年, 第44卷, 第3期 刊出日期:2023-03-21
基础理论与实验研究
大线速度下超高压水射流破岩试验研究
张金良, 杨风威, 曹智国, 苏伟林,
岩土力学. 2023 (3):  615-623.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0503
摘要 ( 525 )   PDF(12540KB) ( 339 )  
高压水射流的破岩效果对高压水射流辅助掘进机破岩技术至关重要。为提升隧道掘进机工况下高压水射流辅助破岩的效率,开展大线速度下超高压水射流破岩试验,分析喷嘴移动线速度、射流压力和喷嘴直径对破岩效果的影响规律,并探究加磨料和射流形式对破岩效果的影响。试验结果表明,随喷嘴移动线速度增加,高压水射流的切割深度和切割宽度均近似线性减小;随射流压力增加,切割深度近似线性增大,压力从200 MPa提高到280 MPa,切割深度增加了72%~82%;喷嘴直径从0.35 mm增大到0.60 mm,切割深度增加了60%~85%。大线速度下加磨料后射流变发散,加磨料的切割深度小于纯水的切割深度,加磨料的切割宽度大于纯水的切割宽度。砂管束流射流模式的能量利用率更高,砂管束流的切割深度比长线射流的切割深度大35%~42%,砂管束流的切割宽度比长线射流的切割宽度大78%~85%。基于Crow切割岩石理论,通过试验数据回归分析,得到大线速度下超高压水射流切割深度半理论半经验预测模型,可为高压水射流辅助掘进机破岩技术中射流切割参数优化提供参考依据。研究成果对提升隧道掘进机工况下超高压水射流辅助破岩的效率是很有意义的。
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万福煤矿不同含水率砂岩蠕变力学特性试验研究
孙晓明, 姜铭, 王新波, 臧金诚, 高祥, 缪澄宇,
岩土力学. 2023 (3):  624-636.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0544
摘要 ( 392 )   PDF(13962KB) ( 226 )  
为研究深部巷道围岩在地下水作用下的长期蠕变力学特性,采用自主研制的深部软岩五联流变试验系统,开展不同含水率(0%、0.8%、1.6%、2.4%、3.3%)下砂岩吸水软化单轴压缩试验及单轴蠕变试验。通过试验结果研究表明:砂岩的单轴抗压强度、弹性模量和蠕变破坏应力与含水率呈指数下降关系,蠕变破坏应力与单轴抗压强度的比值在0.76~0.84之间;砂岩衰减蠕变阶段时间随着含水率的增加而减少,随应力水平的增加而增加。径向应变比轴向应变先进入稳态蠕变阶段,破坏应力下径向应变的加速蠕变阶段开始时间要先于轴向应变;基于稳态蠕变速率曲线确定了砂岩的长期强度,径向稳态蠕变速率确定的值略小于轴向,长期强度与含水率之间满足负指数关系;将蠕变试验中径向应变与轴向应变之比定义为μc,提出了基于μ值的岩石长期强度确定方法且μc值与含水率无关,对于本次砂岩样品可以认为μc值大于0.3时样品会在一定时间内发生加速蠕变破坏;随着含水率的增加,样品破坏形态由单斜面剪切破坏逐渐演变至X状共轭斜面剪切破坏。研究结果为地下水作用下巷道长期稳定性分析及巷道蠕变破坏的提前预报提供可靠的理论依据。
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含消落带劣化岩体的危岩边坡动力累积损伤机制研究
刘新荣, 郭雪岩, 许彬, 周小涵, 曾夕, 谢应坤, 王䶮,
岩土力学. 2023 (3):  637-648.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0338
摘要 ( 218 )   PDF(22958KB) ( 438 )  
对消落带劣化岩体及水库诱发地震共同影响下三峡库区某典型危岩边坡的稳定性进行了研究,设计并开展了几何相似比为1:100的振动台模型试验,探讨了含消落带劣化岩体的危岩边坡动力累积损伤—失稳破坏演化全过程及其动力响应规律。研究表明:含消落带劣化岩体的危岩边坡动力累积损伤—失稳破坏全过程可归结为坡体内部损伤累积—裂隙发育—次级节理与深大裂隙贯通—失稳倾倒,同时伴随消落带岩体表层松动—掉落—破坏及内部出现渗流网—形成渗流通道—形成“凹腔”的复合破坏模式;随着地震动的持续,危岩体内部动力响应规律具有典型的“趋高”及“趋表”效应,危岩边坡表面累积位移不断增加,消落带处孔隙水压力整体增加,危岩边坡内部水平向及竖直向土压力在全阶段中整体均呈先增大后减小的规律;危岩边坡自振频率及阻尼比在全阶段整体呈减小和增加的趋势;在小震结束前阶段及强震阶段,危岩边坡损伤度曲线分别呈“S”型分布和指数型分布
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颗粒形状对粒状材料破碎演化规律及强度准则影响
郅彬, 王小婵, 刘恩龙,
岩土力学. 2023 (3):  649-662.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0549
摘要 ( 245 )   PDF(16040KB) ( 301 )  
为探讨颗粒形状对粒状材料的颗粒破碎演化规律及强度特征的影响,提出了一个新的粒状材料颗粒形状量化参数,设计了一种考虑三维颗粒形状的人工试样制备方法,随即进行了常规三轴压缩试验,并分析了颗粒破碎和强度特征,最终建立了一个二元介质强度准则,具体的研究成果为:建立颗粒形状量化参数——球形模量GM QUOTE  ,在此基础上制备了5种不同形状的可破碎粒状材料三轴试样,并发现球形模量影响着粒状材料的三轴压缩强度特征;通过筛分确定试样的颗粒破碎情况,对试样的颗粒破碎演化规律和临界状态进行探讨,发现颗粒形状通过影响颗粒破碎规律而控制着宏观强度的非线性演化特征;以二元介质理论为基础,建立了考虑颗粒形状的可破碎粒状材料强度准则,并通过试验对其适用性进行了验证。
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橡胶砂级配对混合土体剪切特性影响研究
刘飞禹, 李昊泽, 符军, 孙宏磊,
岩土力学. 2023 (3):  663-672.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0521
摘要 ( 253 )   PDF(9425KB) ( 222 )   PDF(English)(19177KB) ( 4 )  
为了研究橡胶砂的剪切特性,采用室内大型直剪仪,研究了4种橡胶砂级配(1种间断级配、2种连续级配、1种开级配)、3种橡胶掺入量(10%、30%、60%)、3种竖向应力(30、60、90 kPa)对橡胶砂强度特性和体变特性的影响;并在室内直剪试验的基础上,按照相同级配和橡胶掺量建立纯砂和橡胶砂的离散元数值模型,从颗粒接触状态和颗粒位移角度探讨橡胶砂内在力学机制。研究结果表明:在低橡胶含量下,橡胶砂的剪应力曲线趋势和纯砂一致,但其抗剪强度均低于纯砂;橡胶砂剪切应力随竖向应力的增大而增大,4种级配的橡胶砂中连续级配SR2抗剪强度最高;橡胶颗粒的掺入能有效抑制砂土的剪胀,其中间断级配SR1橡胶砂抑制土体剪胀效果最好,剪胀量相较于纯砂减少了37.6%;橡胶砂的内摩擦角随着橡胶掺入量的增大而减小,同一橡胶掺量下连续级配SR2橡胶砂的内摩擦角最大;橡胶颗粒在橡胶砂力链网络中主要参与弱力链的形成,橡胶砂剪切带宽度小于纯砂的剪切带宽度。
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竖向循环荷载作用下砂土中单桩承载特性模型试验研究
张昕, 董浩, 徐迎迎, 王柳月,
岩土力学. 2023 (3):  673-684.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0567
摘要 ( 200 )   PDF(14158KB) ( 181 )  
采用自主设计的竖向循环加载装置,通过室内模型试验研究竖向循环荷载作用下砂土中单桩承载特性和桩周土体变形机制。根据试验结果,桩体累积位移可以划分为不发展区域、渐变发展区域、破坏区域3种区域;滞回曲线的滞回圈包络面积随着循环次数的增加,呈现逐渐减小的趋势,滞回曲线由不闭合发展为闭合曲线,桩周土体由弹塑性变形逐渐转变为弹性变形。采用粒子图像测速(particle image velocimetry,简称PIV)技术对循环荷载作用下桩周土体变形进行实时量测,得到桩周土体完整的位移场和剪切应变场。结果表明:循环周期、幅值和密实度为桩周土体变形的主要影响因素,随着循环周期的增加,剪切破坏带在接近土体表面处呈现内敛趋势,剪切破坏面最终近乎平行于桩−土界面。循环荷载幅值越大,表层土体在循环荷载作用下越趋于密实,侧向土压力增大,位移影响区域减小,对应剪切应变场呈现“耳”状分布,幅值比循环周期更容易导致桩周土体出现沉陷。不同砂土密实度中的桩体累积位移随着循环周期呈现出不同的特征,松砂状态下桩周土体位移场呈现倒截锥形,密砂则呈现圆柱形。
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分级加卸载下南海珊瑚泥一维固结长期变形试验及模型研究
沈扬, 邓珏, 翁禾, 阳龙
岩土力学. 2023 (3):  685-696.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0528
摘要 ( 190 )   PDF(11406KB) ( 167 )   PDF(English)(2586KB) ( 4 )  

南海珊瑚泥是珊瑚群体死后的骨胳、碎屑聚积形成的海洋岩土体钙质软泥,具有特殊的工程性状,研究其在荷载作用下与时间相关的长期非线性变形对吹填岛礁建设和长期稳定分析具有重要意义。对珊瑚泥进行了3组不同加卸载方案的一维固结压缩试验,通过改变加载时间与加卸载循环圈数探究应力历史对其长期变形性质的影响,并针对珊瑚泥在加卸载试验条件下呈现出的瞬时变形、延时衰减与延时稳定变形3阶段规律,采用改进的Burgers模型拟合不同竖向应力作用下的ε-t(应变−时间)曲线,具有较高拟合精度。同时分析模型参数后发现,随着分级加载时间提高,瞬时应变增量及其增长率下降,最终荷载下的延时衰减时间缩短,延时稳定应变速率及最终荷载下的总应变增量减小。同一加卸载循环圈数中,同竖向应力下卸载阶段的瞬时应变增量小于加载阶段。随着加卸载循环圈数的增加,加、卸载各阶段瞬时应变增量均减小且二者相近,延时衰减时间缩短,延时稳定应变速率及最终荷载下的总应变增量减小。研究了分级加载时间与加卸载循环圈数对珊瑚泥长期变形性质的影响,旨在为岛礁建设中的堆载预压方案提供理论依据。

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基于三角形滑移面的地基松动土压力研究
王家全, 陈家明, 林志南, 唐毅,
岩土力学. 2023 (3):  697-707.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0582
摘要 ( 126 )   PDF(11044KB) ( 125 )   PDF(English)(505KB) ( 9 )  

由岩溶塌陷、隧道开挖等方面引起的土体变形往往会对基础建设和基础结构等造成不均匀沉降、地面塌陷及开裂等危害,确定土体结构顶部松动土压力的分布情况并准确地分析土体变形与土拱效应间关系显得尤为重要。为了揭示土体变形和沉降对结构顶部松动土压力的变化规律,进行了一系列不同H/的活动门试验(为地基高度,为活动门宽度)。基于试验结果,提出以三角形作为力学模型分析不同滑移面时松动土压力的数学模型,考虑了滑移面角度与土体变形及主应力偏转三者之间的关系,分析了滑移面内任意水平微分土条的主应力偏转情况并建立受力平衡微分方程,根据不同滑移面形态下的边界条件求解松动土压力理论公式,与已有试验结果对比验证了理论公式的合理性。通过对滑移面角度、侧向土压力系数和内摩擦角等主要参数进行分析,结果表明:在较小相对位移下(1%~3%)土体应力迅速发生转移和重分布,初始滑移面角度略小于π/4+ φ /2(φ为内摩擦角),随着H/增大土体应力比缓慢增长最终趋于稳定;地基内封闭三角形滑移面的松动土压力与相对位移及内摩擦角相关;内摩擦角的增加使得土拱效应得到充分发挥,加强了应力转移,降低了土拱应力比;内摩擦角的增大减小了水平向应力分量,从而降低了侧向土压力系数。

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单向冻结条件下硫酸盐渍土热质迁移及变形特性研究
周凤玺, 巨文涛, 张留俊,
岩土力学. 2023 (3):  708-716.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0580
摘要 ( 124 )   PDF(7985KB) ( 133 )  
对水盐补给条件下硫酸盐渍土中的热质迁移、孔隙流体相变过程以及硫酸盐渍土盐冻胀变形进行了理论和试验研究。基于非饱和土力学和热弹性连续介质理论,建立了非饱和硫酸盐渍土中水−热−盐−力多物理场耦合的数学模型,其中考虑了孔隙内相变对热力学和水力学参数的影响,通过数值模拟分析了开放系统单向冻结条件下土体内部温度场、水分场、盐分场及应力场的变化过程,并利用室内降温试验对理论模型的有效性进行了验证。研究结果表明:盐分在结晶时所析出的潜热会直接影响到水分冻结成冰的过程;土体孔隙溶液浓度在开放系统单向冻结条件的影响下随时间先快速增长至峰值而后逐渐下降,最终趋于稳定;在负温的影响下,土体内部水分相变成冰,并逐渐形成冻结锋面,随着冻结锋面的下移,土体盐冻胀程度越来越大。
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顶板−支护系统准共振诱发冲击地压机制研究
王凯兴, 薛佳琪, 潘一山, 窦林名, 肖永惠,
岩土力学. 2023 (3):  717-727.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0498
摘要 ( 183 )   PDF(9048KB) ( 117 )   PDF(English)(3028KB) ( 3 )  
冲击地压的发生机制与防治是煤矿动力灾害研究的重要问题。巷道顶板−支护系统在围岩扰动作用下存在接近共振状态的准共振现象将诱发顶板支护系统的冲击灾害,表现为顶板的位移、速度、加速度3种准共振强响应。依据支护失稳及支护塑性屈曲判别条件,给出支护动载破坏的3个安全系数及相应的危险扰动频率比区间,同时针对顶板支护系统准共振诱发的冲击灾害给出支护阻尼防冲控制分析。结果表明:在外界扰动力幅值低于静载下的支护临界破坏载荷时,顶板−支护系统的准共振现象是导致支护冲击破坏的主要原因;支护破坏的准共振危险扰动频率比区间与顶板支护系统的阻尼比及力幅比有关,随着阻尼比的增加,顶板准共振时的位移、速度及加速度响应幅值均减小,支护阻尼是对3种准共振响应均敏感的控制量;随着顶板支护系统阻尼比的增大或力幅比(外界扰动力幅值与支护静载破坏临界载荷之比)的下降,支护的危险扰动频率比区间范围将缩小甚至消失,同时阻尼比和力幅比取值均较小时,顶板支护系统在3种准共振下的危险扰动频率比取值区间较为接近。该研究将丰富对冲击地压发生机制的认识,同时对支护防冲控制设计具有参考价值。
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干湿−冻融循环条件下膨胀土的压缩及渗透特性变化规律
张凌凯, 崔子晏,
岩土力学. 2023 (3):  728-740.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0524
摘要 ( 245 )   PDF(29660KB) ( 306 )  
北疆供水一期工程穿越膨胀土区域,历经多次干湿−冻融循环后力学特性衰减严重,易产生渠坡局部浅层滑坡和冻胀破坏等现象。为深入研究其劣化机制,通过干湿−冻融循环条件下的压缩试验、渗透试验和SEM微观扫描试验,从宏−细−微观多角度分析其压缩和渗透指标的变化规律。研究结果表明:随干湿−冻融循环次数的增加,膨胀土整体压缩性增大,其压缩曲线可分为拟弹性段与拟塑性段;随循环次数的增加,回弹指数呈波动趋势,压缩指数与循环次数呈指数正相关,与细−微观裂隙呈线性正相关。黏土颗粒在循环作用下组成“团聚体−孔隙−填充颗粒”形式的较松散的临时结构,絮凝结构增加,各向异性减少;土样承受竖向压力时,膨胀土孔隙间距减少,压缩性较大;压力超过固结屈服应力时,团聚体颗粒扁角化、极角频率增加、孔隙压密,压缩性逐渐稳定。渗透系数在循环过程中变化分为缓慢、迅速、稳定3个阶段;渗透系数在第5次循环变化较大,第7次循环后逐渐稳定,与循环次数及表面裂隙率呈正相关趋势。渗透系数与各项微观参数的灰色关联度均大于0.65,微观孔隙率是最主要的影响因素;循环作用下微观孔隙发育明显,形成新渗流通道,渗透系数与微观孔隙率呈线性正相关。
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热−水−力作用下圆孔花岗岩的动态损伤特征及结构模型
王春, 胡慢谷, 王成,
岩土力学. 2023 (3):  741-756.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0887
摘要 ( 175 )   PDF(15462KB) ( 174 )  
基于深层地热能开采时储能区井筒围岩所处的工程环境,采用高温加热、不同温度水浸泡、加热−循环次数及径向冲击加载的方法模拟井筒围岩经历的高温、遇水、循环采热及热冲击等造成的动力扰动等物理力学条件。同时,以不同内孔直径的同心圆孔岩样模拟深层地热井,采用分离式霍普金森压杆试验系统开展热−水−力作用下圆孔花岗岩的动态力学试验,并结合VIC-3D非接触应变测量及数值模拟分析技术监测冲击过程中圆孔岩样裂隙萌发、形成的历程和表面应变演化的规律,揭示热−水−力作用下圆孔岩样的动态损伤破坏机制。研究结果表明:径向冲击荷载作用下圆孔花岗岩先后经历弹性变形、塑性变形、结构失稳破坏3个典型阶段;内孔直径、加热温度、浸水温度、加热−浸水循环次数4因素都弱化了圆孔花岗岩抗外界荷载的能力,但未改变其整体的变形演化规律;圆孔花岗岩的破坏模式是动态拉伸破坏,先沿冲击方向由内孔壁向岩样外壁,再垂直冲击方向由岩样外壁向内孔壁萌发、贯通裂纹,形成近垂直的两组破裂面。最后,基于圆孔花岗岩的损伤变形特征及历程,在一定假设基础上,建立动态损伤结构模型,推演了结构方程,并结合试验结果确定了方程参数,通过对比分析发现,理论拟合曲线与试验曲线具有较好的一致性,验证构建的圆孔花岗岩动态损伤结构模型是合理的。研究成果不仅揭示了圆孔结构岩样的损伤破坏机制,也可为预测深部储能区地热井筒围岩损伤变形规律提供理论参考,具有一定的科学和工程实践意义。
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基于应变梯度理论的砂土中扩孔闭合解
周航, 吴晗, 曾少华,
岩土力学. 2023 (3):  757-770.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0598
摘要 ( 178 )   PDF(12532KB) ( 171 )  

扩孔理论作为一种简单适用的理论工具,目前已经被广泛用于隧道、土工原位测试、桩基和锚定板承载力设计等岩土工程问题的研究中。现有扩孔理论无法考虑土体小半径扩孔的尺寸效应问题,以砂土中的圆柱孔和球孔扩张为研究对象,基于应变梯度塑性理论,引入能够考虑土体尺寸效应的力学参数——土体特征长度l并给出解释,同时考虑土体大变形特性,推导出能够考虑土体微观结构尺寸效应的扩孔问题闭合解。通过将土体归一化特征长度/α0α为初始圆孔半径)退化为 0(即不考虑尺寸效应),将该解退化为经典不考虑尺寸效应的扩孔解答,验证了本文理论解答的正确性。同时开展参数分析,详细探讨了土体归一化特征长度/α0、摩擦系数 μ 、剪胀系数  β 、形状系数k对压力扩张关系、孔周应力分布、孔周应变梯度、极限扩孔应力的影响规律。最后将提出的理论解答应用到微型圆锥贯入试验(micro cone penetration test,简称MCPT)等实际问题中,提出了MCPT贯入阻力的计算公式,通过跟既有试验结果对比,验证了本文理论的适用性。

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循环扰动和高温作用下砂岩的岩爆倾向性及破坏特征研究
张平, 任松, 张闯, 吴斐, 隆能增, 李凯鑫,
岩土力学. 2023 (3):  771-783.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0448
摘要 ( 190 )   PDF(14917KB) ( 115 )  
为了揭示循环扰动和高温影响下砂岩的岩爆机制,开展了循环扰动和高温作用下砂岩单轴压缩试验和CT扫描试验,研究了不同条件下砂岩的力学特性、岩爆倾向性及破坏特征,探讨了岩爆倾向性与破坏特征的关系。研究结果表明:循环扰动和高温对砂岩的力学性能及岩爆倾向性影响效果显著;无循环扰动砂岩的单轴抗压强度、弹性模量及岩爆倾向性随温度的升高呈先增加后降低的趋势,200 ℃为该类砂岩的阈值温度,受循环扰动砂岩的力学特性及岩爆倾向性随温度的上升而降低;而砂岩的力学特性及岩爆倾向性随循环应力幅值增加而下降;随着循环应力幅值和温度的增加,砂岩破坏模式由劈裂破坏向剪切破坏转变,同时砂岩的岩爆倾向性与裂隙三维分形维数呈良好的负相关关系;此外,高温对砂岩的力学性能、岩爆倾向性及破坏程度影响效果强于循环扰动。研究结果可为高温工程岩爆防治提供理论依据和工程参考价值。
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岩石−锚固剂结构水化失稳微观力学特性
荣浩宇, 王伟, 李桂臣, 许嘉徽, 梁东旭,
岩土力学. 2023 (3):  784-798.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1363
摘要 ( 195 )   PDF(21037KB) ( 216 )  
为研究岩石−锚固剂结构水化失稳微观机制,基于泥岩锚固试样SEM试验与纳米压痕试验,分析了不同含水率下岩石−锚固剂结构微观力学性质演化规律。结果表明:干燥条件下岩石−锚固剂结构完整性好,界面呈一定宽度的黏结区域。随含水率增大,结构内出现溶蚀孔洞与裂隙,黏结区域范围缩小,饱和含水率下岩石−锚固剂结构脱黏失效。低含水率下,受各组分间力学性质差异影响,压痕数据离散性较大。高含水率下,各组分间胶结能力劣化,结构整体力学性能降低,数据离散性变小。水化损伤加剧使泥岩胶结结构失效并导致宏观破坏,而锚固剂会填充水化作用下界面产生的微孔隙,使其力学性能相对岩石部分有一定提升,故界面微观参数衰减幅度小于泥岩部分。
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落石冲击下预应力加筋土路堤变形及荷载传递机制
马书文, 卢谅, 王宗建, 王经天, 李蓝星,
岩土力学. 2023 (3):  799-809.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0471
摘要 ( 161 )   PDF(15089KB) ( 204 )   PDF(English)(4317KB) ( 3 )  
针对偏远山区素填土公路在落石冲击下易产生大面积凹陷破坏的问题,提出运用预应力加筋土路堤解决的方法。为了探究预应力加筋土路堤在落石冲击下的变形性能、力学响应规律和荷载传递机制,设计并实施了落石冲击作用下预应力加筋土路堤和素填土路堤对比模型试验。试验发现:预应力加筋土路堤中形成的凹坑尺寸明显小于素填土路堤,体现了预应力加筋土路堤良好的抗冲击变形性能;随着冲击次数的增加,路堤刚度逐渐增加,导致路堤内部冲击附加应力时程曲线逐渐由“抛物线型单峰”转变为“双峰”分布,且预应力加筋土路堤工况中“双峰”的出现早于素填土路堤;落石在预应力加筋土路堤中的冲击力持续作用时间小于其在素填土路堤中的持续作用时间,且分布更趋均匀,更有利于冲击荷载的扩散;随着冲击次数的增加,预应力加筋土路堤内部冲击力传递率呈先增加后减小的变化趋势,与筋材变形规律一致。结合Levenberg-Marquardt优化算法得到了关于凹坑尺寸和冲击次数的预测方法,可为预应力加筋土路堤在崩塌灾害多发地区的工程应用提供借鉴,为工程预警提供参考。
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高频振动下散粒体−结构界面临界状态强度特征试验研究
姜海波, 付龙龙, 周顺华, 郭培军, 叶伟涛,
岩土力学. 2023 (3):  810-820.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0496
摘要 ( 159 )   PDF(11919KB) ( 178 )  
高铁桥梁、路基工程中的桩基础持续承受列车运行引发的振动荷载,当前350 km/h车速下的车致振动已高达近40 Hz。随着车速的进一步提升,可能给桩基础承载性能带来不利影响。桩−土界面是桩和地基土之间力和变形传递的重要媒介,很大程度上决定着桩基础的长期服役性能。但目前对于高频振动荷载下桩−土界面相互作用行为的认识和研究均不足。基于自主研制的可实现土−结构界面高频振动耦合静力剪切的试验装置,研究了散粒体−结构界面在振动下的临界状态强度特征,探讨了振动加速度、法向应力、结构面粗糙度、颗粒形状和振动频率的影响。结果表明:振动会导致界面强度衰减,部分振动条件下的界面强度甚至低于静力条件下的0.5倍;振动下的界面强度随振动加速度、频率的增大而下降,随法向应力的增大而提高。最后,基于摩尔−库仑强度理论,建立了振动下的散粒体−结构界面强度准则。
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地震荷载作用下南海非饱和钙质砂动力特性研究
李雪, 王滢, 高盟, 陈青生, 彭晓东,
岩土力学. 2023 (3):  821-833.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0518
摘要 ( 182 )   PDF(11630KB) ( 139 )  
以往对钙质砂动力特性的研究多关注饱和状态的钙质砂,且试验过程中多施加正弦波以代替地震荷载。为克服这一缺陷,提出一种地震荷载加速度时程转化为应力时程的动三轴地震荷载输入方法,选取南海地区钙质砂进行动三轴试验,研究非饱和状态下钙质砂在单个地震荷载持续时间内和多个地震荷载持续时间内的动力特性。试验表明:在地震荷载作用下,钙质砂应变和孔压发展呈现阶梯状,破坏应变既有正值也有负值,即破坏类型既有拉伸破坏也有压缩破坏,这有别于正弦荷载下的动孔压和动应变发展规律;随着基质吸力增大,试样破坏时最大动孔压呈现递减趋势,钙质砂试样破坏时的最大孔压均未达到有效围压。
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基于现场试井数据和岩心驱替试验的采油初期渗透率演化规律
KOZHEVNIKOV V. Evgenii, TURBAKOV S. Mikhail, RIABOKON P. Evgenii, GLADKIKH A. Evgeniy, POPLYGIN V. Vladimir, GUZEV A. Mikhail,
岩土力学. 2023 (3):  834-842.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.00229
摘要 ( 221 )   PDF(16000KB) ( 170 )   PDF(English)(43518KB) ( 5 )  
油气开采过程中渗透率预测是一个非常重要的问题。由于油气储量衰竭导致渗透率降低,储层压力下降(有效压力增加),导致油气生产时间增加。对有效压力导致渗透率降低的问题进行了大量研究,主要是通过各种方法建立渗透率模型,如岩心驱替试验和现场试井。前期研究结果表明,渗透率对有效压力具有幂律或指数依赖性,然而,预测渗透率的困难在于滞后现象,其原因尚不完全清楚。一些学者利用储层力学模型模拟渗透率以及解释滞后的原因,但该模型在油气生产初期有效压力波动较小时并不适用。在这项工作中,分析Perm地区北部一个油田的试井数据得出:生产初期的储层渗透率很大程度上取决于流体产出量。基于陆相储层的试井数据,得到一个描述采油初期渗透率变化的模型。为验证该模型,根据专门开发的程序对陆相储层样品进行岩心驱替试验。岩心驱替结果表明,从试井数据中获得的模型具有高收敛性。利用计算机断层扫描(computed tomography,简称CT)和扫描电镜(scanning electron microscope,简称SEM)研究岩心孔隙的属性和结构,发现天然胶体的迁移是生产初期低黏土岩石渗透率下降的主要原因。
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富水粉土基坑装配式可回收支护开挖响应分析
王锐松, 郭成超, 林沛元, 王复明,
岩土力学. 2023 (3):  843-853.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0534
摘要 ( 191 )   PDF(12371KB) ( 182 )   PDF(English)(1048KB) ( 9 )  
装配式可回收支护结构为地下空间开发提供了一种经济安全、功能协同、可持续发展的新型绿色支护体系。以郑州市某顶管工作井基坑为背景,基于相似比理论开展了缩尺基坑模型试验,并采用 ABAQUS 建立能够区分支护系统中刚性构件与柔性构件变形差异的三维流固耦合模型,研究降水开挖过程中支护结构受力和变形特性,分析了降水和开挖对基坑变形发展的影响规律。研究表明:降水开挖过程中,支护结构受力及变形整体均小于设计值,但是钢面板在与支撑连接的位置易出现局部屈服现象;支护结构水平位移增量模式随降水施工和开挖施工的情况不同而差异较大,随着基坑降水开挖的进行,影响支护结构变形的主要因素由基坑降水逐渐向基坑开挖转变;基坑降水对地表沉降的影响较基坑开挖更大,第1级降水期间地表沉降快速增长,沉降增量占比最大达44.6%。
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考虑中主应力变化的原状黄土变形特性研究
王泽驰, 邵帅, 魏军政, 邵生俊, 沈晓钧, 吴昊,
岩土力学. 2023 (3):  854-860.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0488
摘要 ( 196 )   PDF(5853KB) ( 132 )  

为研究在高围压条件下考虑中主应力变化的原状黄土变形特性,利用西安理工大学真三轴仪对原状黄土进行了控制固结围压和中主应力b值的等bpp为球应力)剪切试验,试验给出了高围压条件下各主应变之间的关系,得到了不同高围压条件下的破坏应变与不同值阶段的影响规律。结果表明:高围压条件下,所有值阶段的ε3均为膨胀变形;b = 0.2为中主应变变形临界点,0≤b<0.2为中主应变膨胀变形,0.2<b≤1.0为中主应变压缩变形。在高围压状态下,值对应变的影响要远远大于围压对应变的影响。将值增量对应变的影响程度定义为b值敏感度(ε),中主应变的值敏感度K(ε2)、小主应变的b值敏感度K(ε3)和广义应变的值敏感度K(εs)在b值为0~0.7之间均增长,0.7~0.9之间受值变化影响减弱,0.9~1.0受值变化影响最大。(εv)基本在0~5范围内,说明在不同中主应力阶段破坏体应变受b值变化的影响程度较小。

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覆水砂土场地中桥梁群桩基础地震响应离心试验研究
闫志晓, 李雨润, 王东升, 王永志,
岩土力学. 2023 (3):  861-872.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0967
摘要 ( 152 )   PDF(14178KB) ( 164 )   PDF(English)(750KB) ( 3 )  
为探究覆水饱和砂土场地中土−群桩基础−桥梁结构体系动力相互作用规律,自主设计并制作了直(斜)群桩基础−桥梁结构物理相似模型,开展了不同地震动强度和不同特性地震波输入下的离心机振动台试验,分析了群桩基础−桥梁结构动力特性指标,探究了覆水饱和砂土地基超孔隙水压力发展规律和桩−土相互作用动力响应特性。研究结果表明:覆水的存在对地基土−桥梁结构体系的基本周期和阻尼影响很小,但会导致直群桩基础桥梁结构的振动幅值增加20%,而斜群桩基础桥梁结构的振动幅值降低10%;斜群桩基础模型阻尼比是直群桩基础模型的2倍。上覆水导致饱和砂土地基由受低频振动液化深度更大变为受高频振动地基液化深度更大,同时导致小震作用下促进超孔隙水压力发展,而大震作用下则反之。上覆水会增大桥梁上部结构的动力响应和桩身弯矩。上述研究结果可为覆水场地中桥梁工程抗震设计提供关键参考依据。
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弹脆性圆形煤巷应力跃升及冲击地压预测模型
王书文, 鞠文君, 张春会, 苏士杰, 陆闯,
岩土力学. 2023 (3):  873-883.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0578
摘要 ( 162 )   PDF(9492KB) ( 128 )   PDF(English)(2086KB) ( 4 )  
为预测煤巷冲击地压灾害,将强冲击倾向煤视作理想弹脆性材料,建立圆形煤巷力学模型,分析煤巷围岩的应力和变形能密度分布特征,进而建立煤巷冲击地压预测模型,利用该模型预测冲击地压灾害风险。研究结果表明:弹脆性煤巷围岩的切向应力和变形能密度在弹性区与破坏区界面处发生跃升;煤体强度损伤度和地应力增大,煤巷破坏区半径增大,煤巷围岩切向应力和变形能密度跃升高度增大;切向应力跃升为煤巷失稳破坏提供了力源,变形能密度跃升为冲击地压发生提供了能量源;切向应力和变形能密度跃升高度越大,煤巷越容易失稳和冲击;基于切向应力和变形能密度跃升,建立了煤巷冲击地压解析预测模型,预测结果与现场冲击地压实际情况一致,从而为脆性煤巷冲击地压预测提供了一种新的方法。
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珊瑚砂热物理参数测试与预测模型对比分析
彭赟, 胡明鉴, 阿颖, 王雪晴,
岩土力学. 2023 (3):  884-895.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1321
摘要 ( 136 )   PDF(12184KB) ( 130 )  
在我国“海洋强国”建设下,南海岛礁建设顺利推进,以浅层礁坪为介质的地源热泵技术、能量桩等,实质是与礁砂介质能量交换的过程,需进一步掌握珊瑚砂导热性能的演变规律。以南海岛礁珊瑚细砂为研究对象,测定并探讨在不同干密度和含水率下对3大热物理参数的影响,并选用12种砂土热物理参数模型的预测数据与实测数据进行类比分析,提出适宜预测珊瑚细砂导热性能的经验模型。结果表明,珊瑚细砂导热系数和体积比热容、热扩散系数均与干密度呈正相关关系,导热系数和体积比热容与含水率的相关系数高于干密度,而热扩散系数与含水率呈“凸”形增长关系,与干密度的相关系数远高于含水率。基于试验实测数据进行线性回归分析,修订Cote-Konrad 模型与Gangadhara Rao 模型,显著提高模型对珊瑚细砂导热系数预测准确性;通过De Vries 模型与Xu 模型的线性修正,大幅缩小珊瑚细砂体积比热容预测值与实测值的差异,在 Dai 模型相关系数的二元拟合分析基础上,建立表征珊瑚细砂热扩散系数预测模型,为岛礁隔热、控温工程设计以及珊瑚砂热物理特性研究提供参考。
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岩土工程研究
多排孔注浆引起土体变形与孔压规律试验研究
郭景琢, 郑刚, 赵林嵩, 潘军, 张宗俊, 周强, 程雪松,
岩土力学. 2023 (3):  896-907.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0482
摘要 ( 111 )   PDF(11394KB) ( 172 )  
目前尚未见到软土地区多排孔注浆引起土体变形和超孔压发展规律的系统研究,限制了注浆变形主动控制策略的深化发展。开展了多排孔注浆现场试验,系统研究了单排孔逐孔注浆、多排孔逐排注浆引起土体水平位移和超孔压的变化与叠加规律。研究表明,注浆引起的超孔压随距离衰减迅速,变化规律可用幂函数表达,注浆距离取3 m左右时纠偏效果较好;天津地区超孔压消散较快,有利于注浆控制变形的快速稳定,超孔压随时间的消散规律可用指数函数表达,并提出了计算注浆引起超孔压的经验公式;多排孔逐排注浆时,先行注浆形成的注浆体墙对后续注浆一侧及另一侧土体变形分别具有反力效应和遮挡效应,控制既有建构筑物变形时应遵循“先远后近”逐排注浆的原则,以提高变形控制效果。
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数值分析
基于二维降阶Hermite插值的铁路路基动力响应2.5D有限元模拟
王瑞, 胡志平, 彭建兵, 王启耀,
岩土力学. 2023 (3):  908-915.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0545
摘要 ( 107 )   PDF(7578KB) ( 136 )  
2.5D有限元方法在铁路路基动力响应研究领域中的应用渐趋广泛。针对其在求解随机不平顺条件下路基动力响应时计算效率显著下降的问题,构建了基于二维降阶Hermite插值的2.5D有限元路基动力响应快速计算框架。以路基在频率−波数域动力响应的基本特征为依据确定了插值原则,讨论了插值点分布和数量对插值精度的影响。研究表明:采用二维降阶Hermite插值方法可以实现随机不平顺条件下路基动力响应的快速计算。相比插值点非均匀分布,插值点均匀分布可以兼顾幅值和相位的插值精度,适应性更好。此外,该方法的计算效率仅与插值点数量相关,不受随机不平顺谐波数量的影响,在模拟随机不平顺条件下路基动力响应方面具备显著的优势。
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P波在弹性介质与饱和冻土介质分界面上的透反射问题研究
蒋汇鹏, 马强, 曹亚鹏,
岩土力学. 2023 (3):  916-929.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0329
摘要 ( 124 )   PDF(14341KB) ( 135 )  
基于弹性波在冻结饱和多孔介质与单相弹性介质中的传播理论,研究了平面P波在饱和冻土介质与单相弹性介质分界面上的透反射问题。利用Helmholtz矢量分解定理,根据分界面上的边界条件,获得了平面P波从单相弹性介质入射到饱和冻土介质分界面上透反射振幅比的理论表达式。通过数值计算,分析了在不同入射频率、胶结参数、孔隙率、饱和度和接触参数下,弹性波的透反射振幅比随入射角变化的关系。研究结果表明:P波从单相弹性介质垂直入射到饱和冻土介质分界面上时只有反射P波和3种透射P波产生,当掠入射时只产生反射而没有透射现象发生。入射频率、胶结参数、孔隙率、饱和度以及接触参数等参数对反射波和透射波的振幅比影响显著。
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