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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5期 刊出日期:2023-05-09
基础理论与实验研究
水泥基3D打印材料基础配合比试验与质量评价
江权, 吴思, 刘强, 辛杰, 郑虹,
岩土力学. 2023 (5):  1245-1259.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0824
摘要 ( 658 )   PDF(14857KB) ( 545 )  
水泥3D打印技术在土木建造工程和类岩石力学行为模拟中日渐推广,其水泥基3D打印材料方面却一直面临流动性、收缩性、可加工性等质量与成型控制方面的挑战和基础性配方缺乏的不足。首先针对水泥基3D打印实体质量评价的问题,建立了一套考虑成型全过程的6指标评估体系及其质量分级方法,包括流动性、挤出性、凝结时间、可建造性、密实性以及变形率,从打印过程、堆积成型、实体精度三方面实现对3D打印实体模型的质量评价;进而采用不同阈值范围的两阶段正交设计与打印测试进行了水泥基3D打印材料的基础性配合比试验优选,获得了一种综合打印性能较好的基础性配合比;最后对其打印成型水泥基3D实体模型进行单轴压缩试验,并评估了其类岩石力学特性,从而得到一种新型的类岩石水泥基3D打印基础性配合比,可为采用水泥基3D打印材料的工程建造和岩石工程物理模拟试验奠定基础。
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循环热冲击后裂隙砂岩力学特性试验研究
李满, 刘先珊, 潘玉华, 乔士豪, 郝梓宇, 钱磊, 罗晓雷,
岩土力学. 2023 (5):  1260-1270.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0900
摘要 ( 353 )   PDF(14168KB) ( 332 )   PDF(English)(683KB) ( 6 )  
砂岩热储层的改造和长期稳定性评价对地热能源开发具有重要意义。研究了裂隙砂岩在0~8次热冲击作用下的力学特性。试验结果表明:随着热冲击次数的增加,两种冷却方式下裂隙砂岩的纵波波速、单轴抗压强度和弹性模量均逐渐减小。与水冷却相比,空气冷却对裂隙砂岩物理力学特性的劣化较弱,单轴抗压强度和弹性模量与热冲击次数呈现较好的指数函数关系。纵波波速和弹性模量均能很好地表征裂隙砂岩随热冲击次数的损伤,其中首次热冲击对裂隙砂岩力学性能的损伤最为严重,且当热冲击次数超过4次时,热冲击对裂隙砂岩力学特性的损伤显著减缓。此外,裂隙砂岩单轴抗压强度和弹性模量与纵波波速具有很好的指数函数关系。最后,在COMSOL Multiphysics中模拟了砂岩试样热冲击过程,并讨论了对流换热系数和预制裂纹对砂岩内部温度场和应力场的影响,揭示了热冲击作用下砂岩产生热裂纹的机制。
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基于硬化参量的盐岩蠕变疲劳本构模型
范金洋, 唐璐宣, 陈结, 杨镇宇, 姜德义,
岩土力学. 2023 (5):  1271-1282.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0877
摘要 ( 264 )   PDF(14048KB) ( 441 )   PDF(English)(740KB) ( 9 )  
盐岩具有较好的蠕变特性和损伤自恢复性,被公认为储能或油气储备的理想介质。对盐岩复杂力学行为进行准确表征和预测是保障盐穴地下空间利用工程安全性的基础。通过定义硬化参量等特征因子,建立了新的能够考虑复杂加卸载路径的盐岩蠕变疲劳本构模型。基于盐岩变形位错机制,引入双曲线阻尼元件,作为表征岩石硬化程度的状态变量;通过硬化参量的演化,考虑加卸载历史对盐岩变形行为的影响。借鉴经典Norton模型的应力-应变关系建立蠕变疲劳本构的基本框架关系。通过引入裂隙扩展因子,假设初始形核长度,考虑材料的断裂韧度,修正邻近破坏阶段(加速变形阶段)的应力-应变关系。该模型能够很好地预测常规蠕变、循环加卸载、下限间隔循环加卸载、梯形波蠕变循环加卸载等常见复杂加卸载路径下的塑性变形特征,且能够较好地表征恒荷载蠕变与循环加卸载之间的相互影响。新的蠕变疲劳本构模型中大部分参数具有较为明确物理意义,参数a表征盐岩稳态变形阶段应力与变形率的关系因子,参数b为确定盐岩第一阶段减速变形阶段的关系因子,参数d0μd 分别表示初始裂纹形核量和裂隙扩展速率因子,共同修正模型临界破坏阶段的应力-应变关系。
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基于透明相似模型试验的主控裂隙边坡变形破坏演化机制研究
冷先伦, 王川, 盛谦, 宋文军, 陈健, 张占荣, 陈菲,
岩土力学. 2023 (5):  1283-1294.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0782
摘要 ( 250 )   PDF(24564KB) ( 366 )   PDF(English)(2378KB) ( 6 )  
岩质边坡灾害孕育期的变形破坏发展过程通常受其内部长大裂隙(主控裂隙)控制,揭示主控裂隙边坡变形破坏演化机制对滑坡灾害防治具有重要意义。基于透明相似模型试验技术,选取2种典型主控裂隙(后缘陡倾角裂隙和前缘缓倾角裂隙)边坡为研究对象,在自研设备上开展了主控裂隙边坡内部变形破坏演化过程的模型试验研究;分别以位移速率和应变速率作为边坡变形和裂隙扩展的表征量,以无裂隙边坡变形破坏演化规律为参照,对比分析了后缘和前缘主控裂隙影响下边坡内部变形破坏的时空演化机制。结果表明:(1)通过模拟无裂隙边坡内部变形累积以及破裂萌生、扩展与贯通的渐进过程,验证了所采用的试验方法在研究边坡内部变形破坏演化过程方面的可靠性;(2)主控裂隙边坡内部变形破坏过程与无裂隙边坡相似,可分为变形累积、破裂带萌生/初始裂隙起裂、破裂带/裂隙扩展调整、破裂带/裂隙快速扩展贯通等4个阶段;(3)在初始主控裂隙滑移变形的作用下,后缘陡倾角裂隙尖端因受推移作用而发生拉张-剪切混合型起裂并向下扩展,前缘缓倾角裂隙尖端因受牵引作用而发生拉张型起裂并向上扩展,裂隙扩展速率随扩展长度的增加而呈指数型增长;(4)裂隙扩展类型随边坡变形与裂隙扩展过程不断调整,后缘陡倾角裂隙由初始拉张-剪切混合型扩展转化为剪切型扩展,并最终从坡趾附近剪出,前缘缓倾角裂隙由初始拉张型扩展转化为剪切型扩展,并最终与后缘破裂贯通。
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考虑横向性能的盾构隧道纵向非线性等效抗弯刚度计算模型
王祖贤, 施成华, 龚琛杰, 曹成勇, 彭铸, 孙影杰,
岩土力学. 2023 (5):  1295-1308.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0844
摘要 ( 227 )   PDF(12201KB) ( 181 )  
纵向等效抗弯刚度是采用等效连续化模型进行盾构隧道纵向结构分析的关键参数,其在纵向轴力和弯矩耦合作用下具有明显的非线性特征。在既有盾构隧道非线性抗弯刚度理论的基础上,考虑盾构隧道的横向变形特征,建立考虑盾构隧道横向性能的纵向非线性等效抗弯刚度计算模型,基于椭圆积分严格推导纵向轴力和弯矩耦合作用下盾构隧道在环缝完全闭合、半张开和完全张开3种变形模式下的纵向等效抗弯刚度,并根据中性轴位置方程得到各弯曲模式的临界轴力和弯矩判据,通过与既有解析模型计算结果、模型试验数据和数值计算结果的对比验证了所提出的模型的可靠性。采用该模型开展了纵向轴力和弯矩耦合作用下盾构隧道横向性能对其纵向刚度的影响分析,讨论了理论模型构建时非严格椭圆积分推导的计算误差,并基于该模型提出了附加荷载作用下盾构隧道横纵向变形的耦合分析方法。研究结果表明:该模型的解析推导是准确可靠的;盾构隧道的纵向等效抗弯刚度与其横向刚度密切相关,且为正相关;在压弯状态下盾构隧道纵向等效抗弯刚度随横向刚度的增大而得到明显提升。提出的模型构建了轴力和弯矩耦合作用下盾构隧道横、纵向刚度的匹配性,为盾构隧道横、纵向结构耦合分析搭建了桥梁。
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填土应力路径下珊瑚砂幂律应力-应变模型的适用性研究
张季如, 郑颜军, 彭伟珂, 王磊, 陈敬鑫
岩土力学. 2023 (5):  1309-1318.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0953
摘要 ( 165 )   PDF(10347KB) ( 155 )   PDF(English)(446KB) ( 5 )  

岛礁工程建设常用珊瑚砂吹填地基或作为土工构筑物的填料。珊瑚砂在填筑期的应力路径具有静止土压力系数K固结和等应力比路径的特点,为了准确预估填筑期的填土变形量,需要建立能够反映填土应力路径影响的变形计算模型。根据广义虎克定律,建立了幂律形式的非线性弹性模型来描述土体的应力-应变关系,提出了变形参数的表达式。对珊瑚砂开展了K固结试验和等应力比路径下的排水三轴压缩试验,分析了珊瑚砂的应力-应变曲线和颗粒破碎状况,研究了幂律应力-应变模型的适用性,并将模型计算结果与试验曲线进行了对比。结果表明:填土路径下的应力-应变曲线具有幂函数曲线形式,可以用幂律非线性弹性模型来描述。模型的切线模量和切线泊松比均可以表示为轴向有效应力的函数,并通过与主应力比或系数K相关的参数得到表达。等应力比路径下的切线泊松比和切线模量随着轴向有效应力的增加而增大。在相同的轴向有效应力条件下,主应力比越大,切线模量越大,切线泊松比越小。随着轴向有效应力的增加,K固结珊瑚砂的静止土压力系数和切线泊松比减小,切线模量增大。在试验应力范围内,填土路径下珊瑚砂的颗粒破碎量都很小,对应力-应变特性的影响不大。幂律模型合理地预测了一定主应力比值范围内等应力比路径下珊瑚砂的应力-应变曲线,并能够考虑应力路径对应力-应变关系的影响。

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富水粉细砂层盾尾同步注浆浆液渗透-压密扩散机制研究
宋洋, 王宏帅, 李昂, 王鑫, 肖作明, 苑强,
岩土力学. 2023 (5):  1319-1329.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0910
摘要 ( 280 )   PDF(9563KB) ( 137 )  
为探究富水粉细砂层中盾尾同步注浆浆液扩散规律,将浆液扩散过程中滤饼开始生成的时间作为浆液渗透扩散与压密扩散转折点,建立考虑渗滤效应的浆液渗透扩散理论公式及浆液压密扩散影响半径理论公式,并通过自主研发设计的盾尾同步注浆系统进行相似模型试验,验证理论公式合理性。结果表明:(1)在富水粉细砂层中,浆液扩散规律与常规单一扩散模式不同,呈渗透-压密两阶段;(2)滤饼的作用在于将以孔压形式存在的浆液压力转化为有效应力作用于土体骨架,滤饼开始生成后,浆液扩散模式由渗透扩散转变为压密扩散;(3)由浆液压力有效应力转化率曲线变化规律可知,注浆压力越大,滤饼开始生成时间越短,即浆液渗透扩散持续时间越短;(4)随着注浆压力增大,浆液压密扩散阶段影响半径也变大,通过试验及理论计算确定注浆压力为0.4 MPa时对地层扰动范围约为1倍隧道开挖轮廓。该研究成果可为富水粉细砂层中盾尾同步注浆施工提供理论支撑。
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基于不同后处理方法的砂型3D打印类岩石试样力学性能研究
田威, 王肖辉, 云伟, 程续
岩土力学. 2023 (5):  1330-1340.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0886
摘要 ( 185 )   PDF(11464KB) ( 169 )   PDF(English)(719KB) ( 6 )  
3D打印技术作为一种快速成型技术在岩石室内试验中有着极大的应用潜力,但3D打印试样的低强度、低刚度一直是亟待解决的关键问题之一。为了能够找到提高3D打印类岩石试样强度、刚度的方法,选用GS19砂和呋喃树脂为打印材料,以砂型3D打印类岩石试样为研究对象,在此基础上采用3种后处理方法(真空渗入、低温处理以及渗入低温相结合)分别对试样进行后处理,对经后处理的砂型3D打印类岩石试样开展单轴压缩试验以研究其力学性能,并结合扫描电镜从微观层面分析了力学性能变化的原因。研究表明:不同后处理方法会改变试样的力学性能,其中渗入、低温相结合的方法对试样的强度和刚度提高最为显著,这与试样内部胶结状态发生变化相关。研究结果可为今后3D打印技术在岩石试验中的应用提供新的研究思路。
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Si/Ca复合体系改性分散土的崩解特性及作用机制研究
刘翼飞, 布泽凡, 蔡东廷, 樊恒辉, 张卓, 茹含, 巨娟丽,
岩土力学. 2023 (5):  1341-1352.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0884
摘要 ( 194 )   PDF(34311KB) ( 283 )   PDF(English)(889KB) ( 16 )  
分散土具有遇水分散流失的特性,在工程实践中常采用石灰、水泥等进行改性,但存在环境污染等问题。选取纳米硅溶胶和氯化钙组成 Si/Ca 复合体系作为分散土的改性材料,采用针孔试验、泥球试验、分散崩解试验研究改性效果,通过物理化学性质等试验分析作用机制。试验结果表明,单一纳米硅溶胶在25%掺量下可完全消除分散性;单一氯化钙在0.40%掺量下可完全消除分散性;1%纳米硅溶胶与 0.05% 氯化钙组成的 Si/Ca 复合体系可完全消除土体分散性,有效减少单独使用两种材料的掺量。纳米硅溶胶改性土的崩解过程与分散土存在差异,其最终崩解时间较短,且崩解速率更稳定;与氯化钙共同作用时,最终崩解时间进一步缩短,崩解速率增大。Si/Ca 复合体系改性分散土的作用机制包括降低土体的交换性钠离子百分比和pH、形成水化硅酸钙等。研究表明,由纳米硅溶胶和氯化钙组成 Si/Ca 复合体系可有效改性分散土。
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循环荷载下楔形劲芯水泥土复合桩工作特性试验研究
何杰, 郭端伟, 宋德新, 刘孟鑫, 张磊, 文奇峰,
岩土力学. 2023 (5):  1353-1362.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0870
摘要 ( 442 )   PDF(8277KB) ( 179 )   PDF(English)(366KB) ( 6 )  
楔形劲芯水泥土复合桩作为一种新型组合桩,为探究其在公路、铁路等长期承受循环荷载下工程应用的工作性状,对4根不同桩芯楔角、静荷载比和循环荷载比的复合桩进行模型试验,研究了静载极限承载力及循环荷载下累计沉降、桩身轴力分布、桩端阻力和侧摩阻力。试验结果表明:静载作用下楔形内芯复合桩的承载能力要优于等截面内芯复合桩;复合桩累计沉降会随着静荷载比和循环荷载比的增大而增大,并在不同动静荷载组合下可分为稳定型、发展型和破坏型3种类型,同时给出满足各类型的荷载取值范围;芯桩与水泥土外桩之间的相互作用并未发生明显弱化现象,楔形芯桩复合桩能充分发挥桩侧上部土体的侧摩阻力,并能有效减弱芯桩端部应力集中现象,因此其抵抗循环荷载的能力要优于等截面芯桩的复合桩。
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三峡库区降雨型滑坡入渗特征及变形机制——基于一维和二维模型试验研究
王力, 南芳芸, 王世梅, 陈勇, 李小伟, 范志宏, 陈玙珊,
岩土力学. 2023 (5):  1363-1374.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.00248
摘要 ( 269 )   PDF(16031KB) ( 323 )   PDF(English)(846KB) ( 11 )  
强降雨诱发古滑坡的浅层变形是三峡库区最为严重的地质灾害,因此,探索暴雨作用下滑坡土体的入渗规律及其浅层变形机制具有重要的研究意义。以三峡库区的降雨型滑坡为研究对象,统计了降雨型滑坡土体的渗透特性分布特征,考虑强降雨作用,分别开展一维土柱入渗试验和二维滑坡模型试验,研究了不同降雨强度条件下滑坡土体的入渗特征以及对应的滑坡浅层变形机制。降雨入渗试验结果表明:降雨入渗土体的速度取决于降雨强度与土体渗透系数的相对大小,当降雨强度小于或等于土体渗透系数时,入渗能力随降雨强度增大而增大。当降雨强度大于土体渗透系数时,入渗能力反而随之减小。模型试验结果表明:强降雨入渗时,会造成地表土体暂态饱和,表层土体以下非饱和区内的气体被暂态封闭并受到表层孔隙水压力作用而压缩,导致孔隙气压力随降雨入渗迅速增大。对于三峡库区的降雨型滑坡,短时的暴雨会产生瞬态饱和区。封闭气体,这也是影响强降雨入渗能力的主要原因;同时封闭气体传递水压使得浅层土体的孔隙水压力骤增,这也是许多滑坡发生浅层变形和破坏的主要原因。
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砂土地基中桩顶竖向-水平加载路径下柔性单桩水平承载力分析
江杰, 付臣志, 柴文成, 欧孝夺,
岩土力学. 2023 (5):  1375-1384.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0885
摘要 ( 233 )   PDF(8487KB) ( 175 )   PDF(English)(388KB) ( 9 )  
砂土地基中桩顶竖向-水平加载路径下单桩水平承载理论研究较少,且鲜有考虑预先施加的竖向荷载对土抗力p与桩身水平位移y曲线的影响。鉴于此,考虑桩顶预先施加的竖向力对桩周土体产生挤密作用,从而对双曲线型p-y曲线的极限土抗力进行修正。采用余弦函数表征被动侧径向土压力分布,构建了被动侧最大径向土压力与总土抗力的关系式,推导了被动侧的侧阻抗力矩解析表达式。考虑被动侧摩阻力与竖直方向存在夹角 对由摩阻力引起的桩身轴力变化量进行修正,给出了修正计算公式。建立了同时考虑修正的 p-y 曲线、桩身自重和被动侧摩阻力引起的轴力变化量、二阶效应(即 p-Δ效应)以及侧阻抗力矩的桩身挠曲微分方程,通过 MATLAB 编程求得其数值解。将计算结果与已有模拟和试验结果进行比较,验证了该方法的正确性。在此基础上,探讨了预先施加的竖向力大小对单桩水平承载性能的影响。计算结果表明:推导的桩身轴力变化量计算公式能更准确地表征被动侧摩阻力对桩身轴力的影响,且可用于大变形条件;预先施加的竖向力可以增大柔性单桩的水平承载力,随着预先施加的竖向力的增大,增强效果逐渐减弱。
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侧限条件下密实砂土蠕变的颗粒运动特征
高燕, 余骏远, 陈庆, 史天根,
岩土力学. 2023 (5):  1385-1394.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0779
摘要 ( 199 )   PDF(12092KB) ( 201 )  
任何构筑物长久安全稳定的重要性使得土的时间效应成为该领域学者最为关心的问题之一。基于3D打印杆件的等效砂土颗粒,通过侧限条件下的蠕变试验,采用近景摄影测量与粒子图像测速(particle image velocimetry,简称PIV)技术,从单颗粒运动与颗粒间接触运动的角度出发,探究密实砂土蠕变的内部颗粒运动特征及其与宏观蠕变变形的关系。试验结果表明,3D打印杆件能够很好地反映密实砂土蠕变的宏观变形特性,侧限条件下蠕变变形随时间的增加而增加,随蠕变应力的增加而减小,蠕变变形呈现出蠕变速率减小并趋于稳定的初始蠕变阶段与稳态蠕变阶段。其原因为蠕变最初阶段颗粒整体向下平动,并发生较大转动,颗粒间孔隙明显减小,蠕变变形主要由颗粒间孔隙的压密提供;而后颗粒间孔隙减小不明显,趋于稳定,颗粒发生不规则方向平动,蠕变变形主要由局部的颗粒位置调整与重排列控制,揭示了宏观的蠕变变形与微观的颗粒平动变化有着密切联系。颗粒间的接触运动随着蠕变时间的增加而明显增大。蠕变过程中,接触滚动和接触滑动同时发生,并逐渐集中在某些易发生移动的接触点上。强运动接触点的平均滑动距离与平均滚动距离存在着良好的线性关系,随着时间的增加,平均滑动距离逐渐大于平均滚动距离,表明颗粒间滑动产生体积收缩,控制宏观蠕变变形。
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盾构气压开舱条件下的泥膜闭气失效理论研究
蔡博文, 金大龙, 李兴高, 袁大军, 陈健, 杨公标,
岩土力学. 2023 (5):  1395-1404.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0888
摘要 ( 178 )   PDF(9319KB) ( 173 )  
近年来,泥水盾构工法在越江跨海隧道中被广泛应用,在泥水盾构施工过程中,带压开舱始终是一个高风险、高难度技术环节。盾构带压开舱能否成功的关键在于泥膜的闭气性能。然而,一直以来泥膜闭气破坏机制、闭气时间及其影响因素从理论上较少探讨。对此,首先考虑了气体对泥膜中孔隙水的驱替作用,建立了泥膜压气从渗流启动-击穿渗透带的多相流模型,提出了泥膜压气渗水量和闭气时间评估方法;然后开展了室内渗透柱泥膜压气破坏试验,验证了所提出理论方法的适用性;最后探讨了气压、地层参数、泥膜厚度、泥浆剪切强度等参数对闭气时间的影响规律,揭示了盾构带压开舱以“泥皮为主、渗透带为辅”的闭气作用。研究成果对泥水盾构带压开舱的安全保障有一定的借鉴意义。
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桥梁桩基穿越溶洞的荷载传递机制试验研究
陈慧芸, 冯忠居, 白少奋, 董建松, 夏承明, 蔡杰,
岩土力学. 2023 (5):  1405-1415.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0898
摘要 ( 154 )   PDF(10639KB) ( 177 )  
为探明公路桥梁桩基穿越溶洞的荷载传递机制,开展了回填法处理溶洞时桩基荷载传递机制现场试验,结合数值仿真方法,研究了回填法处治溶洞时穿越不同高度溶洞的桩基竖向承载特性和荷载传递机制,提出了不同洞高下回填材料引起的桩侧负摩阻力最大值及其分布范围占比的变化规律。结果表明:岩溶区桩侧负摩阻力的产生受溶洞类型的影响,填充型溶洞桩侧土体沉降较小,可为桩基提供较小的正摩阻力;非填充型溶洞桩侧土体沉降较大,桩侧表面会产生负摩阻力;采用回填法处理溶洞后,穿越溶洞桥梁桩基的竖向极限承载力随洞高增加而逐渐减小;洞高由3 m增加至12 m时,桩基竖向极限承载力对应的桩侧负摩阻力分布范围占洞高的比例由0%增加至27.14%。建议在实际设计中采用回填法处理溶洞时,应考虑穿过溶洞桥梁桩基在溶洞范围产生的桩侧负摩阻力对桩基竖向承载特性的影响;洞高为3~12 m时,建议在溶洞顶面以下0、0.106H、0.214H、0.271H(H为洞高)范围内按负摩阻力计算桩基承载能力,以确保溶洞处治后回填材料固结沉降期间桥梁桩基承载安全。
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不同胶结剂人工结构性黄土的力学特性差异研究
李宏儒, 梁恒楠,
岩土力学. 2023 (5):  1416-1424.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1844
摘要 ( 276 )   PDF(7994KB) ( 156 )  
黄土是一种具有显著结构性的土,由于原状黄土存在非均匀性、各向异性、原位取样扰动性以及试验重复变异性等因素,如何人工制备一种结构性黄土,能真实地反映原状黄土的力学特性,值得研究。针对已有向重塑黄土中添加水泥、石灰和新型岩土添加材料路液来制备结构性土的这些方法,研究了不同添加剂对人工结构性黄土的力学特性影响的差异性。研究结果表明:路液作为添加剂制备的结构性土随路液含量的增大,结构强度先增大后减小,不同于水泥和石灰随添加量增大、抗剪强度持续增大这一特点;在不同围压下,添加路液制备的结构性土,其应力-应变曲线演化规律较符合原状黄土的力学特性;3种添加剂制备的结构性土抗剪强度随含水率变化具有陡降区和平缓区的差别,在含水率小于塑限的陡降区,抗剪强度急剧降低,而在平缓区变化缓慢,趋向于重塑土;不同添加剂对人工结构性黄土摩擦角 φ 的影响较小,但对黏聚力 c 影响显著。研究成果有助于认识常用胶结剂对土力学性质改变的特性,也可为制备设定力学参数的人工结构性黄土的技术提供理论与技术指导。
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粉质黏土基坑卸荷隆起变形的简化计算方法
崔瑜瑜, 吴立鹏, 沈兴华, 王兴召, 秦亚琼, 刘杰, 卢正, 吴磊,
岩土力学. 2023 (5):  1425-1434.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0827
摘要 ( 206 )   PDF(8508KB) ( 167 )  
基坑卸荷隆起变形计算对基坑稳定性分析具有重要意义。基于现有土体压缩-回弹试验数据及多个地区粉质黏土基坑变形数据进行分析,推导出土体回弹模量与卸荷比之间的指数关系,并结合Mindlin应力解与分层总和法,利用两个实际工程案例进行验证对比,提出了一种卸荷条件下基坑隆起变形的简化计算方法。结果表明:简化计算方法仅根据常规土工试验参数(重度、压缩模量等)即可快速对基坑卸荷隆起变形量进行预估,且计算结果与现场实测值较为接近。进一步分析可知,基坑形状相同时,随着基坑面积的线性增大,基坑底部隆起变形会非线性增大;基坑面积相同时,长条形基坑的隆起变形小于正方形基坑。该方法可为粉质黏土地区卸荷条件下的基坑隆起变形预测提供参考。
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模块式加筋土挡墙模型试验及静动力学性能研究
王家全, 仲文涛, 黄世斌, 唐毅,
岩土力学. 2023 (5):  1435-1444.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0841
摘要 ( 186 )   PDF(9277KB) ( 167 )  
加筋土挡墙作为道路路基的一部分,不但受到路面基础设施等静荷载,还承受着车辆行驶所带来的交通荷载。为研究静、动荷载下模块式加筋土挡墙的力学特性及工作性能,开展室内大模型试验,对比分析了加筋土挡墙的沉降及面板水平位移、侧向土压力系数、格栅应变等力学行为的变化规律。结果表明:静、动荷载下挡墙的破坏模式分别以局部剪切破坏和面板挤出破坏为主,格栅的最大应变量分别为1.7% 和4 .5%,均未达到破坏应变;两种荷载下挡墙的极限承载力相等,相比于静载,动载作用下墙顶最大沉降量增大了280%,面板最大水平位移增大了180%;加载板下降过程中四周土体受挤压发生变形,向面板施加额外的水平附加应力,从而导致墙背处的侧向附加应力系数 K高于理论值;动载作用下土颗粒不规则运动,土中动加速度响应受动载幅值的影响较大,靠近墙面处的加速度峰值沿墙高H由上到下逐渐减小。研究成果有助于揭示静载与交通荷载作用下加筋土挡墙的力学行为和破坏机制以及提高模型试验与实际工程的关联程度。
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考虑黏性的液化土中水平振动桩基桩顶阻抗研究
黄娟, 胡钟伟, 余俊, 李东凯
岩土力学. 2023 (5):  1445-1456.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0797
摘要 ( 168 )   PDF(9077KB) ( 128 )  
建立了三维黏性流体-桩-土体相互作用分析模型,对简谐激振水平动荷载作用下的液化土中桩基振动响应问题进行解析研究。将桩周液化土体视为黏性不可压缩流体,建立流体运动方程,利用亥姆霍兹分解和分离变量法并结合流体边界条件和桩-流体位移、速度连续条件及桩身边界条件,求得了黏性流体动压力及流体速度势解析表达式,从而得到桩身阻力表达式。用饱和多孔介质模型模拟饱和未液化土层,在已有饱和未液化土层振动响应解析解的基础上,推导得出上覆黏性液化流体,下层土体为饱和未液化土中水平振动桩基桩顶阻抗解析解。与已有的水中悬臂梁自由振动解析解对比,验证提出的模型解的正确性,最后分析了流体黏滞系数、桩长、桩土模量比对桩顶阻抗的影响。结果表明,忽略液化土体的黏性特征会高估桩基础桩顶的刚度阻抗,低估其阻尼阻抗。
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二次加载盐岩损伤自愈合与应变硬化试验研究
赵瑜, 杨圳华, 王超林, 毕靖
岩土力学. 2023 (5):  1457-1466.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0863
摘要 ( 206 )   PDF(16189KB) ( 156 )  
为研究损伤盐岩的应变硬化和损伤自愈合特性,通过力学试验、孔渗测试试验、核磁试验,探究损伤盐岩于常温静置和围压保压两种情况下盐岩试样的力学性质、渗透率和孔隙度以及孔径分布在应变硬化和损伤自愈合的共同作用下的变化规律,结果表明:(1)损伤盐岩的应变硬化使得岩样塑性减弱,二次加载峰值应变减小,弹性模量变大。常温静置或围压保压处理后盐岩发生损伤自愈合,塑性逐渐恢复,二次加载时峰值应变增大,弹性模量减小。(2)完整盐岩和损伤盐岩试件的应力-应变曲线几乎没有压实阶段,而经过长时间常温静置和围压保压处理后的试件应力-应变曲线出现了明显的压实阶段。(3)完整盐岩渗透率和孔隙度极低,损伤盐岩的渗透率均高出完整盐岩两个数量级,并随着常温静置时间的变长,渗透率和孔隙度缓慢减小。围压保压后的损伤盐岩的渗透率恢复到了与完整盐岩相同的数量级。(4)常温静置和围压保压作用后,部分中孔和大孔愈合成小孔和中孔。(5)常温静置下损伤盐岩就会产生缓慢的损伤自愈合,而围压保压作用可以大幅度提升盐岩损伤自愈合的速度。(6)盐岩的损伤自愈合可分为前期的快速阶段和后期的缓慢恢复阶段。
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考虑不均匀冻胀土体-衬砌隧道在寒区的振动响应
张硕成, 陈文化
岩土力学. 2023 (5):  1467-1476.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0933
摘要 ( 158 )   PDF(8273KB) ( 109 )  
在频域内研究简谐均布荷载作用在寒区不均匀冻胀土体-衬砌隧道中的动力响应问题。将衬砌与冻土间视为紧密接触,冻土及非冻土间由于组构、性质间的差异可发生相对移动,在考虑覆盖于隧道周围冻结土体发生不均匀冻胀的前提下得到简谐荷载作用在衬砌内径所引发的系统振动解析解。根据非冻土、冻土以及衬砌间的连续条件和边界条件得到待定系数,并得到寒区隧道系统中不同介质的位移以及应力的解析解。对具体参数模型进行算例分析,发现:隧道系统的介质(衬砌,冻土及非冻土)参数变化会对冻土环向应力幅值、不同冻结状态土体径向位移幅值及其基频产生影响;不均匀冻胀会改变外荷载作用下隧道周围冻土中的动力响应;寒区隧道系统径向位移幅值随距离隧道圆心的增加呈现衰减的趋势,非冻土径向位移幅值较冻土减小明显
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冻结砂不同应力路径三轴试验强度和变形分析
张鸿朋, 马芹永, 黄坤, 马冬冬, 姚兆明, 张发,
岩土力学. 2023 (5):  1477-1486.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1779
摘要 ( 281 )   PDF(9366KB) ( 203 )  
为研究冻土在复杂应力路径下的力学特性,利用自主研发的冻土三轴仪,进行了广义三轴压缩应力状态、平面应变应力状态和真三轴应力状态下的压缩试验,分析了冻结砂在不同应力状态下的强度演化规律和变形特性。试验结果表明:当小主应力相同时,冻结砂在广义三轴压缩应力状态、平面应变应力状态和真三轴应力状态下的强度和应力-应变曲线的斜率依次增大,小主应力对冻土的强度起到提高作用;小主应力方向始终产生膨胀变形;体应变随着大主应变的增加呈现先剪缩后剪胀的趋势,且在同一试验类型下,小主应力对体应变影响程度较小;同一试验加载条件下,小主应力越小,偏应力与球应力之比的位置越高;从广义三轴压缩应力状态至平面应变应力状态再到真三轴应力状态,试样的破坏强度依次提升。
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岩土工程研究
陡倾结构金属矿山采空区围岩破坏机制研究
王田龙, 陈从新, 夏开宗, 邵勇, 刘轩廷, 杨括宇, 周意超,
岩土力学. 2023 (5):  1487-1500.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0825
摘要 ( 167 )   PDF(14837KB) ( 187 )  
在地下金属矿山开采中会造成采空区围岩变形破坏,影响地下采矿安全。采用现场调查、位移监测、微震监测,并结合理论分析等方法对金山店东区地下采空区的围岩破坏机制进行研究。考虑水平构造应力和崩落岩体的影响,基于极限平衡理论和能量法分别得到上下盘采空区围岩破坏机制,即倾倒滑移破坏和溃曲滑移破坏。上盘和下盘围岩在陡倾结构面的切割作用下,分别形成反倾结构和顺倾结构。在水平构造应力作用下,上盘陡倾结构岩体向采空区侧发生倾倒破坏,岩体变形破坏进而导致F4断层活化。随着采矿的深入,破坏的岩体数量和范围不断增加,形成一个深部滑动面,并穿过F4断层。下盘采空区围岩在水平构造应力作用下诱发了矿体边界处F1断层滑移,同时引起顺倾结构岩柱发生溃曲-滑移破坏,沿着节理面形成滑动面。
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土的次非线性对桩基核岛结构三维地震反应的影响
朱升冬, 陈国兴, 陈炜昀, 高文生, 李文彪,
岩土力学. 2023 (5):  1501-1511.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0838
摘要 ( 191 )   PDF(14385KB) ( 160 )  
随着核电厂工程建设快速发展,核电厂选址不可避免地要面临土质场地。土-桩-结构动力相互作用对核岛结构的抗震安全性评价具有重要影响。以国内某拟建的AP1000核岛工程为背景,建立土质场地-群桩-筏板基础-核岛结构动力相互作用体系的3D模型,考虑场址的区域地震环境与历史地震活动性,选用近场中强震、中-远场强震和远场大地震的三分量记录作为基岩输入地震动。使用一步法和二步法分别实现对土体真非线性和主非线性的模拟,通过对比这两种方法计算的核岛结构地震反应的差异,可知土的次非线性(soil secondary nonlinearity,简称SSN)对核岛结构地震反应的定量影响,也即SSN效应。发现SSN效应对核岛结构水平向地震反应的影响明显大于对竖向地震反应的影响,SSN效应会导致土质场地-群桩-核岛结构体系变得更“柔”;SSN效应与基岩输入地震动的特性强相关,近场中-强地震作用时SSN效应最强;SSN会显著增大核岛结构的峰值加速度和峰值相对位移反应,在核岛结构的抗震设计中不应忽视SSN效应。
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数值分析
隧道底板渐进破裂碎胀大变形:一种新的底鼓机制研究
邓鹏海, 刘泉声, 黄兴
岩土力学. 2023 (5):  1512-1529.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0831
摘要 ( 588 )   PDF(25997KB) ( 344 )  
底鼓是深埋高应力软岩隧道常遇灾害,现有底鼓力学机制忽略了隧道开挖导致的围岩应力释放、应力转移和应力集中现象,仅对初始地应力状态进行了分析。因此,鉴于有限元-离散元耦合数值方法(finite-discrete element method,简称FDEM)在模拟岩体材料弹塑性连续变形和断裂失效非连续变形以及破碎块体接触方面的优越性,采用FDEM数值模拟方法研究了隧道底板渐进破裂碎胀大变形演化机制,并研究了地应力侧压系数、围岩体抗拉强度和底板位置对底鼓机制的影响。结果表明:(1)隧道底板底鼓力学机制为围岩的破裂碎胀性大变形,可简述为隧道开挖导致径向应力降低、切向应力升高,当升高的切向应力超过岩体强度时便产生共轭剪切破裂并伴随拉伸断裂,最大切向应力不断向深处完整围岩演化直至与岩体强度达到极限平衡状态,剪切裂隙也随之不断向深处扩展,深部块体推挤浅部块体向隧道空间移动并产生大量空隙,发生体积膨胀现象,造成底鼓灾害;(2)根据地应力侧压系数和围岩体抗拉强度的不同,可归纳出5类不同的底板破坏模式,但都可归结为由于最大切向集中应力造成的破裂碎胀性大变形。修正了原有底鼓力学机制未考虑应力释放、转移和集中等应力演化现象的不足,提出了一种新的基于渐进破裂碎胀性大变形的底鼓力学机制,为隧道底鼓机制的研究提供了一种新视角。
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考虑雨水感热的降雨对多年冻土水热变化影响模型研究
张明礼, 雷兵兵, 周志雄, 周凤玺, 侯彦东,
岩土力学. 2023 (5):  1530-1544.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1224
摘要 ( 197 )   PDF(21273KB) ( 298 )  
青藏高原暖湿化诱发的多年冻土和寒区工程水热变化是第三极冻土生态与地质演化问题的关注焦点。目前降雨影响下的多年冻土地表能量收支建模未考虑雨水温度的影响,忽略了降雨能量脉冲作用。在已有的冻土水热耦合理论的基础上,通过引入考虑雨水感热的地表能量平衡理论,完善了考虑降雨能量的冻土水热耦合模型,基于青藏高原北麓河现场监测验证了模型的有效性,并分析了夏季降雨对地表能量平衡和活动层水热的影响机制。结果表明:考虑雨水感热的修正模型模拟土壤体积含水率、温度和热通量的平均偏差误差分别在±1.198%、±0.704℃和±1.66 W/m2之内,一致性指数分别大于0.877、0.929和0.937;优化后的模型提升了对地表吸放热状态的评估,能够较好地预测了雨后活动层水热的变化;夏季降雨增加地表蒸发潜热和雨水感热,降低地表净辐射、感热和土壤地表热通量使地面降温,降温效果与降雨强度正相关;同时受降雨时段影响,白天降雨事件的降温效果显著,雨水感热促进地表冷却,而夜间雨水短暂加热地表,蒸发潜热的显著作用使地表依旧持续降温。在地表温度梯度降低和雨水入渗的作用下,温度梯度水汽通量减少,液态水通量增加,在强降雨和连续降雨下出现液态水的向下输送和累积。但相比增加的液态水对流传热,活动层热传导、水汽扩散潜热和水汽对流传热的降低更显著,使土壤总热通量减少而导致土壤降温,延缓活动层温度的升高。
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基于随机有限元法的波致海床响应概率分析
朱彬, 裴华富, 杨庆, 卢萌盟, 王涛,
岩土力学. 2023 (5):  1545-1556.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0854
摘要 ( 236 )   PDF(12052KB) ( 270 )  
波浪荷载作用下的海床响应是岩土工程领域的研究热点,波致海床液化是导致海床及结构物失稳的主要原因。针对海床响应分析中涉及的诸多不确定性因素,如沉积物参数的空间变异性以及荷载的随机性,建立了基于随机有限元方法的概率分析框架,将在MATLAB中实现的空间异质土体的模拟与在COMSOL中实现的孔隙弹性有限元分析通过LiveLink程序进行耦合。提出了一种分解的Karhunen-Loève(简称K-L)展开方法,该方法占用较少的计算时间和内存空间,使得高分辨率、大尺寸的三维随机场的模拟更加高效。应用上述概率框架分别对规则波浪荷载作用下的二维倾斜海床以及随机波浪荷载下的三维海床响应进行了研究,揭示了海床土体渗透系数K与剪切模量G的空间变异性以及波浪荷载随机性对孔隙水压力分布和海床液化深度的影响规律,表明了传统确定性分析方法将导致不安全的工程设计。
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