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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4期 刊出日期:2023-04-18
基础理论与实验研究
格栅条带式加筋废旧轮胎胎面挡土墙 抗震性能试验研究
王丽艳, 吉文炜, 陶云翔, 唐跃, 王炳辉, 蔡晓光, 张雷,
岩土力学. 2023 (4):  931-940.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0664
摘要 ( 242 )   PDF(20303KB) ( 455 )  
废旧轮胎胎面挡土墙是一种有效利用废旧轮胎的理想途径,但直立的模块式废旧轮胎胎面挡土墙不能承受高强度的地震作用,因而提出格栅条带式加筋的方法提高其抗震性能。根据土−结构动力相似体系,设计格栅条带式加筋废旧轮胎胎面挡土墙振动台试验模型,考虑地震强度、地震波、格栅加筋长度、格栅加筋间距以及墙面坡度的影响,分析胎面墙体与回填料加速度、墙体侧向位移、墙顶表面回填料沉降以及墙背动土压力等地震响应特征,并与无加筋的废旧轮胎胎面挡土墙的振动台模型试验进行对比。研究结果表明:格栅条带式加筋胎面挡土墙的方式显著改善了无加筋状态的胎面挡土墙的地震响应特征,提高了胎面挡土墙的抗震性能,格栅条带式加筋直立式废旧轮胎胎面挡土墙可以作为理想的墙体进行工程推广应用。
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盾构下穿高铁路基变形规律模型试验研究
刘勇, 周怡晟, 索晓明, 樊浩博, 曹毅泽, 杜志田,
岩土力学. 2023 (4):  941-951.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0721
摘要 ( 205 )   PDF(12965KB) ( 350 )  
为了探究盾构下穿施工对高铁路基U型槽结构和地层的变形影响规律,以拟建的石家庄市轨道交通4号线下穿京石高速铁路路基为工程背景,基于几何相似比配制了地层和结构模型试验材料,设计了试验监测系统,采用1 200 mm小型盾构机进行了盾构隧洞顶距路基管桩底不同距离的2组室内模型试验。结果表明:随着距离盾构隧道拱顶距离的增大,地层沉降减小,盾构施工对地层的影响范围约为2倍洞径,显著影响区为1倍洞径;随着埋深的增大,盾构施工引起结构下方地层的沉降减小,距盾构隧道顶距离分别为0.5倍洞径和1倍洞径时沉降最大差值为10%;U型槽结构与相邻地层间产生脱空,盾尾脱出阶段发生的地层沉降占比大于74%。建议管片拼装完成后采用保水性好且有一定早期强度的注浆填充材料,以控制沉降变形,同时进行地层深孔注浆,及时充填松动地层孔隙,增加地层密实度。
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梯度应力对红砂岩应力波传播特性的影响研究
金解放, 张雅晨, 刘康, 张睿, 李云浩,
岩土力学. 2023 (4):  952-964.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0717
摘要 ( 286 )   PDF(13515KB) ( 165 )  
地下工程岩体开挖卸载后,围岩体承受的地应力随空间位置呈梯度形式变化。梯度地应力导致岩石的波阻抗呈梯度形式变化,进而影响应力波传播衰减特性。为研究梯度地应力对岩石应力波传播特性的影响,利用自主研发的具有梯度静应力岩石应力波传播试验系统,对红砂岩长试件进行了9种应力梯度工况下的应力波传播试验。通过分析岩石应力波传播速度、波阻抗随应力梯度的变化规律,构建应力波幅值与传播距离、传播时间和应力梯度之间的经验模型,探索梯度应力影响红砂岩应力波传播衰减的机制。结果表明,相同应力梯度工况下,随传播距离增加,应力波形状变化较小,但幅值逐渐减小。随应力梯度增大,岩石各测点区段内应力波传播速度、波阻抗均增大,但增大速率逐渐减缓,相邻测点区段波阻抗差值比先快速增大,后缓慢减小。随传播距离和传播时间增加,应力波幅值均呈指数形式减小;随应力梯度增大,时空衰减系数均呈先快速增大,后缓慢减小趋势变化。随应力梯度增大,相同测点应力波幅值先快速减小,后缓慢变化,在低应力梯度阶段,距离自由端越远的测点幅值衰减速率越快。
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土石混合体−基岩界面剪切力学特性块石尺寸效应
杨忠平, 李进, 刘浩宇, 张益铭, 刘新荣,
岩土力学. 2023 (4):  965-974.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2052
摘要 ( 717 )   PDF(26662KB) ( 537 )  

土石混合体−基岩界面的抗剪强度是控制坡体稳定性的重要参数之一,是工程设计的重要参数。为探究块石尺寸对土石混合体−基岩界面剪切力学特性的影响,开展了含不同块石尺寸的土石混合体−基岩界面室内大型剪切试验。结果表明:接触界面的破坏模式受块石尺寸和法向压力的影响不显著,均表现为应变硬化特征;法向压力会削弱块石尺寸效应的影响;随块石尺寸增加,抗剪强度和抗剪强度指标(φ)先增加后减少,既存在着正尺寸效应,又存在着负尺寸效应,尺寸效应对内摩擦角φ 的影响有限,整体在29º波动,而对表观黏聚力影响较大;不同块石尺寸试样在不同法向压力作用下均表现出了明显的剪缩行为,法向压力能够增强土石混合体的剪缩特性;土石混合体−基岩界面为薄弱的潜在滑移面,随着块石尺寸系数的增加,薄弱破坏面有向土石混合体内部转化的趋势。

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层状千枚岩各向异性力学特性与脆性评价研究
王伟, 张宽, 曹亚军, 陈超, 朱其志,
岩土力学. 2023 (4):  975-989.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0702
摘要 ( 449 )   PDF(16562KB) ( 307 )  

为了研究层状千枚岩的力学特性与各向异性特征,开展了不同层理倾角与不同围压下的千枚岩力学试验。对比分析了千枚岩试样强度、变形、脆性与破坏模式等各向异性特征。结果表明:(1)随着层理倾角β  增加,岩样的强度、变形特征曲线形状呈U型;随围压增加,岩样强度及塑性增强,各向异性度逐渐减弱稳定。(2)采用多种强度准则描述岩样强度各向异性,其中Saeidi准则和改进Ramamurthy准则能很好地预测岩样在不同层理倾角下的抗压强度。(3)基于岩样峰前应力−应变曲线与能量特征提出了综合脆性评价指标,在层理倾角β = 45º QUOTE

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广吸力范围内一种改进的非饱和土抗剪强度模型
赵煜鑫, 李旭, 林森, 王逍萌,
岩土力学. 2023 (4):  990-1000.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0975
摘要 ( 172 )   PDF(9828KB) ( 182 )   PDF(English)(474KB) ( 6 )  
不同类型的非饱和土在自然界中广泛存在。由于不同类型土的颗粒级配和矿物组成成分的不同,其强度特性存在较大的差异。为了建立一种适用于不同类型非饱和土的强度预测统一模型,本研究系统地分析了土体类型对非饱和土强度演化趋势的影响,在综合考虑两种常用模型优越性的基础上,提出了一种改进的非饱和土抗剪强度模型,同时,利用现有常用的强度模型,对不同类型土在广吸力范围内的强度特性进行了预测,并对拟合结果进行了对比分析。研究结果表明:(1)在广吸力范围内,不同类型土的强度演化规律可分为两类,山峰型和增长稳定型;(2)改进模型可以较为准确地预测不同类型土在广吸力范围内的强度特性;(3)明确了改进模型中各参数的物理意义,并初步给出了改进模型在应用于不同类型土时各参数取值的建议范围。
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砂土海床中海底管道贯入阻力演化特征及细观机制研究
杨阳, 田英辉, 张春会, 王荣, 王智超, 王乐,
岩土力学. 2023 (4):  1001-1008.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0755
摘要 ( 171 )   PDF(10054KB) ( 163 )   PDF(English)(11476KB) ( 18 )  
理解海底管道竖向贯入过程是科学评估管道安装期间初始埋深及服役期间安全性和稳定性分析的关键。通过土工离心机模型试验,结合离散元数值分析研究了真实应力水平下不同密实度砂土中海底管道竖向贯入阻力演化特征及细观机制。研究结果显示,对于中密砂,管道贯入阻力曲线主要表现为硬化特征;对于密砂,贯入阻力曲线整体上呈现周期性软化特征,且埋深越大,软化程度越大。离散元计算分析表明,造成该现象的原因是不同密实度砂土中管道贯入的土体流动及破坏机制不同,且贯入阻力的演化与剪切带的形成与发展密切相关。利用现行海底管道设计规范评估密砂中管道埋深时应充分考虑其贯入阻力随深度的演化特征,当管道埋深初步评估大于0.1D(D为管径)时,应结合计算结果上下限值合理预测管道埋深。
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截割厚度和截线距对镐型截齿破岩的影响研究
廖九波, 李夕兵, 王少锋, 杜坤
岩土力学. 2023 (4):  1009-1021.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1667
摘要 ( 196 )   PDF(26748KB) ( 294 )   PDF(English)(1053KB) ( 15 )  
为了研究不同截割厚度和截线距对镐型截齿截割力和截割比能耗的影响,基于TRW-3000真三轴电液伺服测试系统及自主设计的创新型截齿加载平台,对炭质板岩和流纹质碎屑岩试样进行了室内直线截割试验。试验结果表明:截齿破岩呈现4种破坏模式,两相邻截齿之间存在显著的协同作用。平均截割力随截割厚度和截线距的增大呈线性增大。随着截割厚度的增大,截割比能耗呈幂函数减小;随着截线距和截割厚度的比值的增大,截割比能耗先减小后增大,且存在一个最小比能耗,即最优值,最优截割比能耗远小于无截槽影响的比能耗,此时截线距和截割厚度的比值为2或3。利用室内试验结论优化了悬臂式掘进机截割头上的截齿布置,并运用到掘进机非爆掘进现场工业试验,大幅提高了掘进效率并降低了掘进成本。
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基于纳米划痕试验的砂岩结构面宏−微观摩擦系数关系研究
郑爽, 雍睿, 杜时贵, 何智海, 钟祯, 章莹莹, 眭素刚,
岩土力学. 2023 (4):  1022-1034.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0726
摘要 ( 277 )   PDF(13888KB) ( 154 )   PDF(English)(9487KB) ( 11 )  
基本摩擦系数是影响岩体结构面抗剪强度的重要参数。常规室内试验方法所确定的基本摩擦系数往往受矿物成分、温度等因素影响,为系统揭示结构面的基本摩擦性质,分别研究了砂岩宏观摩擦系数与微观摩擦系数,并建立了两者的关系。首先,通过X射线衍射、纳米压痕试验确定砂岩矿物组分与力学参数。其次,采用倾斜试验、直剪试验开展摩擦系数的宏观尺度研究,对规格为10 cm×10 cm×5 cm的平直结构面试样开展直剪试验,分别施加1、2、3、8、12 MPa的恒定法向应力,研究表明,摩擦系数随法向应力增加呈对数降低趋势,随剪切速率增加呈对数增长趋势。再次,采用纳米划痕试验开展摩擦系数的微观尺度研究,研究表明,低荷载条件下,长石矿物摩擦系数随荷载增加表现出先降低后保持不变的趋势,石英矿物摩擦系数随荷载增加表现出先降低后增加的趋势;此外,随着剪切速率的增加,两种矿物的摩擦系数在低荷载条件下呈增长的趋势,在高荷载条件下基本保持稳定。最后,基于摩擦系数的宏−微观摩擦系数试验结果,采用速度−状态摩擦(RSF)定律建立红砂岩基本摩擦系数与矿物摩擦系数的线性回归方程,并通过直剪试验验证了该经验关系的可靠性,其误差范围为0.17%~0.91%。研究结果为基本摩擦系数的测定与取值提供了新思路。
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渗透各向异性圆形围堰稳态渗流场解析解
黄娟, 和振, 余俊, 杨鑫歆
岩土力学. 2023 (4):  1035-1043.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0642
摘要 ( 183 )   PDF(7223KB) ( 133 )  
对渗透各向异性土层中的圆形围堰渗流场进行解析研究。将圆形围堰周围渗流场分为3个区域,通过坐标变换以及将边界条件齐次化后,用分离变量法分别得到柱坐标系下3个区域的水头分布级数解形式,结合区域间的连续条件,并利用贝塞尔函数正交性得到渗透各向异性土层中圆形围堰稳态渗流场的显式解析解,与Plaxis2D软件的计算结果进行对比,验证了解析解的正确性。基于解析解,进一步推导出了涌水量、出逸比降公式,并与不同方法的计算结果作了对比,最后对稳态渗流情况下的水压力进行了计算分析。结果表明:相比于其他近似法,解析解求取的流量、出逸比降以及渗流情况下水压力与数值计算结果高度吻合;渗流水压力会随着围堰半径、纵横向渗透系数比值的增大而减小,而后逐渐趋近于一个稳定值。
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随钻跟管桩钻孔卸荷与后注浆效应的试验研究
李波, 唐孟雄, 胡贺松, 刘春林, 凌造, 苏定立, 侯振坤
岩土力学. 2023 (4):  1044-1052.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0606
摘要 ( 336 )   PDF(20146KB) ( 194 )  
为了克服管桩施工的挤土效应,研发了钻进成孔、同步沉桩和后注浆的嵌岩非挤土大直径随钻跟管桩。通过足尺寸原位试验,测试了钻孔沉桩和桩侧注浆施工引起的桩周土体变形及压力变化情况,分析了钻孔卸荷和后注浆效应沿水平方向和深度方向的变化规律,揭示了随钻跟管桩施工对桩周土体的扰动。此外,基于圆孔收缩理论提出了随钻跟管桩钻孔卸荷变形预估方法。研究表明,随钻跟管桩的施工扰动主要表现为钻孔卸荷效应和桩侧后注浆效应,钻孔卸荷使孔壁收缩3.5~ 18.9 mm,后续的桩侧注浆使收缩变形恢复了28%~50%,部分消除了钻孔卸荷效应的影响。修正后的圆孔收缩理论,可预估钻孔卸荷引起的桩周土体径向位移及压力变化。与锤击/静压管桩及中掘法管桩的挤土效应相比,随钻跟管桩的钻孔卸荷效应小,在城市建筑和管线密集区域应用更具优势。
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土工格栅加筋珊瑚砂的强度及变形特性试验研究
骆赵刚, 丁选明, 欧强, 蒋春勇, 方华强,
岩土力学. 2023 (4):  1053-1064.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0623
摘要 ( 168 )   PDF(14307KB) ( 154 )  
珊瑚岛礁钙质砂作为海洋工程建设的主要原材料,具有碳酸钙含量高、多孔隙、颗粒易破碎等特征。为了进一步提高海洋工程建设中岩土构筑物的强度及稳定性,采用土工格栅加筋珊瑚砂是一种潜在的有效手段。通过一系列的室内三轴压缩试验,探究土工格栅加筋层数、初始含水率、围压等因素对加筋珊瑚砂强度及变形特性的影响。研究发现:格栅加筋能够明显地改善珊瑚砂的力学性能,随着格栅层数的增加,加筋珊瑚砂整体的强度逐渐上升,偏应力−应变关系总体呈现硬化趋势,侧向的鼓胀变形得到明显改善;似黏聚力随着格栅层数增加近似呈线性递增,内摩擦角轻微降低;随着初始含水率的增加,格栅加筋珊瑚砂的强度呈轻微衰减趋势,似黏聚力变化不大,但内摩擦角相比干砂最大下降了约4º;三轴应力状态下的格栅加筋珊瑚砂颗粒破碎受围压影响较大,低于400 kPa围压下的相对破碎率主要在3%以内。此外,基于格栅与珊瑚砂相互作用特征,考虑并计算得到格栅产生的侧向与轴向附加应力,研究结果进一步丰富了对格栅加筋珊瑚砂机制的认识。
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考虑沉积角影响的冻结砂土单轴压缩试验研究
梁靖宇, 沈万涛, 路德春, 齐吉琳,
岩土力学. 2023 (4):  1065-1074.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0968
摘要 ( 151 )   PDF(12289KB) ( 184 )  
寒区工程中的土颗粒在重力作用下沿优势方向沉积排列而形成横观各向同性冻土材料。不考虑沉积方向与荷载方向之间沉积角的影响可能会错误估计实际工程中冻土的变形特征与承载力。然而,现有文献尚未探究沉积角对冻土工程特性的影响。针对这一问题,开展了不同温度条件下沉积角对冻土单轴压缩变形与强度特性影响的试验研究。通过所研发的制样模具制备了具有4种不同沉积角δ 的冻土试样(δ = 0º、30º、60º和90º),在设定的4种不同温度T条件下(T = −5、−10、−15 ℃和−20 ℃)对具有不同沉积角δ 的冻土试样开展了单轴压缩试验,分析了T与δ 对冻土的变形模式、破坏特征以及单轴抗压强度的显著影响。根据冻土应力−应变曲线的归一化结果及其软化段斜率的变化规律,将冻土单轴压缩变形模式在T与δ 影响下分为变形模式I、II 和 III。根据结果可知,随着 T 降低以及δ  趋于60º,冻土的变形模式趋于由变形模式I 过渡到变形模式III,试样破坏模式由鼓胀的X形剪切带破坏趋于破坏范围较小的单剪切面破坏,而冻土单轴抗压强度随T降低而增大的同时,随δ 增加表现出先减小后增大的趋势。
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基于方向性粗糙度参数的节理峰值抗剪 强度理论模型
陈曦
岩土力学. 2023 (4):  1075-1088.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0971
摘要 ( 138 )   PDF(16010KB) ( 150 )  
节理裂隙控制着岩石工程的剪切滑移稳定性。现有的节理峰值抗剪强度模型多为经验模型,且较少考虑粗糙节理峰值抗剪强度的采样点距效应及各向异性。采用3D打印技术制备了5组吻合的粗糙光敏树脂节理模具,利用水泥砂浆复制了25组相同壁面强度的人工粗糙节理,开展了5种法向应力水平下节理直剪试验。基于改进的接触面积比−视倾角门槛值关系,建立了仅含一个方向性粗糙度参数的三维粗糙节理峰值抗剪强度理论模型。该理论模型除粗糙度参数外无需拟合其他参数。对比分析发现,新模型比文献中的经验模型预测精度更高。新模型预测效果受采样点距影响较小,且能有效地反映节理峰值抗剪强度的各向异性。
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基于毫米压痕测试获取致密砂岩弹性模量的研究
罗宇杰, 张杨, 刘容妃, 胡大伟, 周辉, 肖海斌,
岩土力学. 2023 (4):  1089-1099.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0742
摘要 ( 189 )   PDF(12999KB) ( 219 )  
深部岩石工程安全高效开发的前提是精确获取深部的岩石力学参数。针对钻井取芯困难、成本高,室内力学试验数据少,离散性大的问题,提出了一种基于毫米压痕测试精确获取致密砂岩弹性模量的方法。采用5种常用的硬度计压头,控制最大载荷和加/卸载速率作为试验变量,对塔里木油田致密砂岩进行了大量毫米压痕测试。结果表明,采用布氏球形压头,基于Oliver-Pharr理论可以精确获取致密砂岩的弹性模量。进而,分析了布氏球形压头直径、加/卸载速率和最大载荷等试验条件对测试结果的影响规律,明确了最优试验条件;并通过有限元计算分析了受力区域应力分布规律,讨论了不同试验条件下代表性体积单元与Oliver-Pharr理论的适用性。与传统的微/纳米压痕测试相比,该方法具有测试速度快、制样方便和成本低等优点,可应用于钻井现场返排的岩屑以及难以制作标准试样的岩芯样品,为深部资源的高效开发和深部岩石工程的安全建设提供有力支撑。
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强震区软弱土层差异厚度下单桩动力响应振动台试验
张聪, 冯忠居, 王富春, 孔元元, 王溪清, 马晓谦,
岩土力学. 2023 (4):  1100-1110.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0700
摘要 ( 162 )   PDF(10183KB) ( 117 )  
为探明不同类型地震波作用下软弱土层差异厚度对单桩动力响应特性的影响,采用振动台试验,开展了不同软弱土层厚度变化下桩基础的加速度、水平位移、弯矩动力响应变化特性及桩基损伤分析。试验结果表明:地震波作用下,桩周土体的约束作用受软弱土层厚度的影响显著。桩身加速度在软弱土层中的放大效果最为显著,桩顶加速度放大系数与软弱土层厚度呈正相关;桩顶水平位移在软弱土层厚度最大时达到最大;桩身弯矩最大值出现在软弱土层中,随其厚度增大而增大。不同土层厚度下,桩身弯矩最大值均小于抗弯能力设计值,桩基完整性较好。桩基础抗震设计计算时,应重点加强桩基础在软弱土层中的抗震能力,并选择多种地震波进行抗震验算。
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基于改进Knothe时间模型的地表最大沉降速度预测
张亮亮, 程桦, 姚直书, 王晓健,
岩土力学. 2023 (4):  1111-1119.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0638
摘要 ( 158 )   PDF(7604KB) ( 121 )  
在传统Knothe时间模型假设基础上提出新的假设,构建改进Knothe时间模型,通过理论分析表明,改进后的时间模型符合地表点沉降和沉降速度变化规律;基于改进Knothe时间模型推导了地表最大沉降速度计算表达式,并给出模型参数确定方法。采用20个矿区开采引起的地表最大沉降速度监测值与理论预测值进行对比,结果表明,20个矿区的地表最大沉降速度理论预测值与监测值吻合程度高,两者相对标准偏差仅为2.1%,验证了模型的精确性和可靠性。地表最大沉降速度受煤层采高、开采速度、松散层厚度和基岩层厚度等参数影响,研究表明,地表最大沉降速度随煤层采高和开采速度的增加而线性增加,随松散层厚度、基岩层厚度的增加而非线性减小,且其对基岩层厚度变化的敏感性比松散层厚度变化大。
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钙质粗粒料颗粒强度和压缩特性的试验研究
尹福顺, 李飒, 刘鑫,
岩土力学. 2023 (4):  1120-1129.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0766
摘要 ( 185 )   PDF(10773KB) ( 181 )  
目前对钙质土压缩特性的研究主要集中在钙质细砂,而实际工程中广泛存在钙质粗粒料,因此对钙质粗粒料压缩特性开展研究具有重要意义。通过颗粒强度测定仪和全自动大型固结仪对钙质土进行了单颗粒破碎试验和一维压缩试验,研究了颗粒粒径和相对密度对钙质粗粒料的颗粒强度和压缩特性的影响。单颗粒试验结果表明,钙质砂单颗粒的特征应力随着颗粒相对密度的增大而增大;单颗粒的破碎强度具有明显的尺寸效应,可利用单颗粒的特征应力进行标准化,且服从Weibull分布。压缩试验结果表明,单一粒径试样破碎后的分形维数随颗粒粒径的增大而增大;试样的Hardin破碎率与塑性功的关系为幂函数关系;在本次试验条件下,单一粒径试样的屈服应力与单颗粒的特征应力存在近似线性关系。
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岩土工程研究
万福矿深埋大断面T型交叉点高预应力NPR支护机制及应用
孙晓明, 齐振敏, 缪澄宇, 臧金诚, 高祥, 赵成伟, 张勇,
岩土力学. 2023 (4):  1130-1141.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0746
摘要 ( 241 )   PDF(15009KB) ( 168 )  
为解决深部大断面软岩巷道交叉点大变形问题,以万福煤矿千米深井巷道交叉点为工程实例,首次在巷道支护中运用微观负泊松比(negative Poisson’s ration,NPR)钢锚索。采用室内试验、理论分析、数值模拟及现场试验相结合的方法,分析了深埋巷道交叉点的围岩变形机制,提出了以微观NPR钢锚索为核心的控制对策。通过室内静力拉伸试验对微观NPR钢锚索的力学特性进行研究,结果表明,微观NPR钢锚索拉伸全过程表现为高恒阻,均匀拉伸,无屈服平台,破断时无明显颈缩现象。通过理论推导,基于T型巷道交叉点围岩最大影响范围,建立微观NPR钢锚索支护T型巷道交叉口最大影响范围计算模型。通过数值模拟,再现T型巷道交叉口的破坏演化过程,分析对比普通支护/微观NPR钢锚索支护效果。现场开展支护应用试验与监测,验证了长短微观NPR钢锚索联合支护对策具有良好的交叉口围岩大变形控制效果,为交叉口围岩安全稳定控制提供了新支护材料和支护手段。
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砂土地层圆形深基坑三维分析与测斜仪测量
HANIFAH Hermil Rizki, RAHARDJO Paulus Pramono, LIM Aswin
岩土力学. 2023 (4):  1142-1152.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.00245
摘要 ( 252 )   PDF(43948KB) ( 286 )   PDF(English)(36990KB) ( 17 )  
介绍了铁皮坑开挖中测斜仪监测和三维有限元反分析的结果。所研究的铁皮坑为深度27 m、总直径26 m的圆形深基坑,最终开挖面以上土层以砂土为主。每个开挖阶段采用腰梁加固的咬合桩作为挡土墙对基坑进行支护。采用硬化土模型作为土体本构模型,反分析结果表明,桩墙位移的趋势与测斜仪测量的结果接近,最大位移为5.1 mm。案例中胶结土的有效黏聚力c′取决于胶结砂层的厚度,约为50~200 kPa。NSPT为标准贯入试验中分离式取样器打入土体30 cm的锤击数。模拟结果表明,砂土模量约为1 400NSPT~2 000NSPT(单位:kPa),而对于胶结砂,其模量为7 000NSPT。还研究了腰梁和外部荷载对咬合桩变形和受力的影响。结果表明,外部荷载对桩墙位移具有主导作用;同时,腰梁对减少桩墙位移没有明显作用。
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基于新表面理论的TBM破岩效率评价指标
闫长斌, 李高留, 陈健, 李严, 杨延栋, 杨风威, 杨继华,
岩土力学. 2023 (4):  1153-1164.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0634
摘要 ( 313 )   PDF(11227KB) ( 152 )  

岩碴是岩−机作用的直接产物,也是评价隧道掘进机(TBM)破岩效率和优化TBM掘进参数的有效指标。依托兰州水源地建设工程和龙岩万安溪引水工程,开展不同岩性条件下TBM岩碴筛分试验,得到了岩碴粒径分布规律。基于新表面理论,从滚刀破岩能量转化角度出发,提出了一种新的TBM破岩效率评价指标。基于岩碴粒径分布规律和TBM掘进参数统计,探讨了新表面理论指标与比能、岩碴粗糙度指数之间的关系,指出了新表面理论指标在反映岩碴破碎程度和评价TBM破岩效率方面的优势。对新表面理论指标与TBM掘进推力以及刀间距s与贯入度p的比值进行回归分析,得到了硬岩(围岩等级为Ⅱ级)和软岩(围岩等级为III级)掘进条件下的TBM最优掘进推力和s/p取值区间。研究表明:(1)新表面理论指标符合岩石破碎学原理,可准确评价TBM破岩效率。岩碴越是破碎,新表面理论指标越大,掘进能耗越高,此时TBM破岩效率相对较低。(2)新表面理论指标与比能、岩碴粗糙度指数均具有良好的线性相关关系。岩碴越是破碎,破碎单位体积岩石的能量消耗越大,新表面理论指标越大,对应的粗糙度指数越小。软岩掘进条件下TBM掘进比能低于硬岩,而岩碴破碎程度高于硬岩。(3)新表面理论指标随着TBM掘进推力和s/p的增加先减小后增大,在硬岩和软岩条件下,当TBM最优掘进推力区间和s/p区间分别为7 400~7 700 kN、13.9~14.4和1 000~1 500 kN、8.0~8.5时,新表面理论指标较小,TBM破岩效率较高。

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考虑盾构铰接作用的小半径曲线隧道开挖诱发地层沉降分析
张治国, 陈杰, 朱正国, 魏纲, 吴钟腾, 陈仲侃,
岩土力学. 2023 (4):  1165-1178.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0696
摘要 ( 277 )   PDF(21148KB) ( 286 )  
目前针对小半径曲线隧道开挖诱发地层沉降的理论研究均将盾构机视为一个连续的整体,未考虑盾构机铰接装置带来的影响,由此不能正确评估小曲率盾构开挖路径变化带来的超挖效应等。首先,根据盾构机铰接位置以及盾构机与小曲率隧道开挖路径的几何位置关系,得到了小曲率隧道开挖过程中不同盾构铰接位置超挖量及盾构铰接角计算公式;其次,基于镜像法及Mindlin解,求解了铰接盾构施工时因超挖地层损失、盾尾地层损失、开挖面不均匀推力、盾壳不均匀摩擦力及盾尾处注浆压力等共同影响的地层沉降;最后,采用工程监测数据与理论解进行对比验证,得到较好的一致性。此外,针对隧道转弯半径、前盾长度、盾构铰接角及超挖量等进行了参数分析。分析结果表明:不考虑盾构铰接装置的影响将过高估计地层损失而导致地层沉降预测值偏大。随着转弯半径的减小,前盾长度、盾构铰接角及超挖量的增加,地层沉降增大,但其值变化均对开挖面前方沉降影响较小,对开挖面后方沉降影响较大。在开挖面后方,随着与开挖面距离的增大,当转弯半径取值较小,前盾长度、盾构铰接角及超挖量取值较大时,纵向地表沉降呈先增大后减小趋势。
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数值分析
局部水力交互下盾构隧道渗流与力学响应研究
谢家冲, 黄昕, 金国龙, 张子新,
岩土力学. 2023 (4):  1179-1189.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0661
摘要 ( 246 )   PDF(15447KB) ( 229 )   PDF(English)(748KB) ( 7 )  
针对有压盾构隧道中接缝水力劣化所引发的内外水力交互渗流问题,基于水力开度理论,通过数值和解析方法研究局部渗流下隧道衬砌与周围地层的渗流特性和力学响应。结果表明:基于镜像法推导的衬砌隧洞多点渗漏下渗流场解析解与数值解吻合良好,验证了给出的局部渗漏数值模型的有效性;局部外水内渗与内水外渗诱发的衬砌与地层共同作用存在较大差异,前者导致局部孔隙水压力降低引起土体挤压衬砌,衬砌轴力减小而弯矩增大从而产生衬砌外凸,后者则相反;多点局部渗漏对渗流场和衬砌响应的影响存在耦合作用,当内水压接近地层水头时可能出现外水内渗与内水外渗并存的特殊水力交互情况;地层渗透系数对局部渗漏行为的影响较大,复合地层下当局部渗漏发生于高渗透性地层时,其诱发的衬砌响应不显著,当渗漏处于下部低渗透性地层时,在地层交界面存在渗流折射现象,上部高渗透性地层起到补(排)水作用。
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基于裂隙扩展的多级岩质边坡 开挖卸荷破坏路径分析
王川, 冷先伦, 张占荣, 杨闯, 陈健,
岩土力学. 2023 (4):  1190-1203.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0667
摘要 ( 295 )   PDF(18503KB) ( 261 )   PDF(English)(750KB) ( 8 )  
开挖卸荷作用下裂隙岩体边坡的破坏模式与路径分析是边坡工程灾害研究的热点之一,准确识别边坡的潜在破裂路径对工程安全施工和支护优化设计具有重要意义。依据断裂扩展分析方法,将裂隙扩展判别的理论方法开发并应用于数值模拟分析中,通过裂隙尖端应力强度因子计算、裂隙扩展模式识别、裂隙起裂角演算、裂隙扩展交汇等技术实现了岩体中断续裂隙的起裂、扩展与贯通演化过程的快速模拟;以某高速公路沿线裂隙岩体路堑边坡为对象,采用提出的模拟方法分析了多级开挖卸荷作用下坡体裂隙的扩展机制与边坡的破坏路径。结果表明:裂隙岩体边坡从上至下多级开挖过程中,坡肩裂隙首先起裂,并通过拉张型扩展逐渐发展为优势裂隙;随着边坡下挖,优势裂隙沿坡面向下逐步发生拉张/剪切混合型扩展并与既有裂隙交汇,在边坡中上部形成阶梯状扩展破坏路径;裂隙扩展至边坡下部及坡脚后扩展模式由拉张/剪切混合型转化为剪切型,并最终以弧形剪切面从坡脚出露。研究揭示了裂隙岩体边坡多级开挖卸荷作用下上部阶梯状拉张/剪切混合型破裂−下部弧形剪切型破裂的复合破坏模式,可为边坡工程支护设计和施工稳定性控制提供新思路。
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穿越不同密实度饱和砂土地层的盾构隧道地震响应三维数值分析
吴宏, 叶治, 张宇亭, 刘华北,
岩土力学. 2023 (4):  1204-1216.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0741
摘要 ( 197 )   PDF(16168KB) ( 213 )   PDF(English)(921KB) ( 12 )  
地震液化对隧道结构有重大威胁,且位于不同抗液化能力地层交界处的盾构隧道段更易发生严重的地震破坏。采用三维数值方法研究穿越不同密实度状态饱和砂土地层的盾构隧道的地震响应规律。饱和砂土用一种描述不同密实度砂土液化行为的边界面模型进行模拟,首先通过隧道液化上浮的振动台试验结果验证该本构模型的合理性。其次,应用多自由度连接弹簧表征管片环间相互作用,采用文献中的拼装管片的逐级加载试验结果验证该方法的可行性。最后,建立穿越两种不同密实度饱和砂土地层的盾构隧道三维数值模型,研究相对密实度、输入加速度峰值和交界面倾角对砂土地层−盾构隧道系统动力响应的影响。结果表明,可液化地层中隧道结构位移模式是水平地震激励下产生的水平位移与由于液化上浮效应产生的竖向位移的耦合作用,加之隧道在不同土层中变形存在差异,从而导致隧道呈现扭转的变形形态。在靠近交界面处,隧道整体上浮量急剧变化且该处结构上浮量随着交界面倾角增大而增大,同时管片结构弯矩出现突变,接头螺栓的环间剪切和拉伸位移也显著增加。分析结果进一步印证地震作用下盾构隧道在不同性质饱和砂土地层交界面处更易破坏,在设计阶段应予以重点关注。
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交叉裂隙岩体裂纹扩展试验及混合有限−离散元数值模拟研究
梁东旭, 张农, 荣浩宇,
岩土力学. 2023 (4):  1217-1229.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0658
摘要 ( 124 )   PDF(21241KB) ( 327 )  
对预制交叉裂隙岩石试样进行裂纹扩展试验,研究了裂纹萌生、扩展、聚合过程,分析了主裂隙和轴向载荷夹角及主次裂隙夹角对裂纹起裂应力和聚合应力的影响,并用混合有限元−离散元程序,即图形处理器并行化的3D Y-HFDEM代码对试验进行了仿真计算,实现了岩石破坏从连续介质向非连续介质的过渡,对裂纹类及损伤破坏模式进行了识别,捕捉到了试验中难以发现的现象。研究表明:随主裂隙与轴向载荷夹角增加,裂纹聚合区的拉伸裂纹数量增加;裂纹起裂和聚合应力与主裂隙与轴向载荷夹角成正比;主次裂隙夹角增加,岩石的破坏模式由拉伸破坏转为剪切破坏,交叉裂隙加剧岩石破碎程度;主裂隙尖端萌生扩展的拉伸−剪切混合裂缝引起的破坏在岩石破坏中占主导地位,是导致岩体失去承载能力的主控裂纹;混合有限元−离散元仿真软件GPGPU并行化的3D Y-HFDEM IDE在岩石裂纹扩展研究中具有优势,可以捕捉实验室难以发现的损伤断裂类型,可以作为岩石裂纹扩展研究的有力工具。
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含砂岩石力学特性及其致灾机制研究
岳豪, 杨胜利, 翟瑞昊, 张燊, 崔轩
岩土力学. 2023 (4):  1230-1244.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0725
摘要 ( 126 )   PDF(23936KB) ( 469 )  
含砂岩石是发生突水溃砂灾害前在高位关键层形成的特殊岩石,其强度与力学性质均与普通岩石不同,决定着高位关键层的稳定性。研究发现:不同裂隙角的裂隙岩石与含砂岩石具有不同的特征应力,且随着裂隙角的增加,裂隙岩石与含砂岩石的起裂应力、损伤应力和峰值应力均增加,双峰应力先增加后减小。相同裂隙角下的含砂岩石各特征应力均小于裂隙岩石,说明砂体对岩石特征应力具有弱化效应。从破坏形态来看,裂隙岩石易呈现翼形拉伸裂隙,含砂岩石在低裂隙角(30º)条件下形成拉伸裂隙,高裂隙角(60º)条件下易形成剪切裂隙,表明砂体进入岩石裂隙后对岩石具有剪切效应。同时建立了充砂力学模型,指出了含砂岩石强度小于裂隙岩石的原因是砂体降低了岩石的摩擦系数。根据声发射累计振铃计数定义了岩石损伤量并分析了含砂岩石致灾机制,现场溃砂灾害可分为4个阶段:弹性变形阶段、裂隙扩展阶段、蓄砂储能阶段、溃砂释能阶段。最后利用PFC2D验证了裂隙岩石与含砂岩石的差异性,分析了不同类型岩石的能量演化规律。研究结果可作为煤矿顶板突水溃砂现象的前兆信息识别,有助于指导突水溃砂工作面的安全生产。
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