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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6期 刊出日期:2023-06-14
基础理论与实验研究
波浪作用下含气海床内盾构隧道水力及位移响应分析
张治国, 叶铜, 朱正国, PAN Y T, 吴钟腾,
岩土力学. 2023 (6):  1557-1574.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1009
摘要 ( 412 )   PDF(22460KB) ( 494 )  
海底沉积物中气体通常以不连续的气相存在于海床土体中,既有理论研究较少考虑含气海床环境,波浪动压力引起的渗透力导致隧道衬砌附加变形也较少见之于文献。首先,通过Biot固结方程获得了气−水混合流控制方程,结合适用于浅水区的Stokes二阶非线性波浪理论获得了隧道衬砌周围的孔隙水压响应;其次,采用叠加法分别考虑了由波浪引起的海床土体内振荡孔压和累积孔压,并以衬砌周围可能出现的最大孔隙水压及渗透力作为最不利荷载工况,结合指数衰减模型描述衬砌劣化效应,获得了考虑波浪渗透力作用下隧道衬砌服役期间位移变化规律;最后,通过试验监测数据及数值模拟验证了本研究理论解析的准确性,通过对波浪周期、水深,海床剪切模量、海床含气量,隧道半径、埋深、衬砌劣化系数进行分析。结果表明:海床含气量增大能降低波浪压力向海床内部传播,并减弱超静孔压的累积效应;随着海床含气量逐渐增大,隧道衬砌周围孔压极值不断减小且出现相位滞后,隧道外渗透力、衬砌径向位移均随着海床含气量增加而明显降低;波浪周期增大、海水深度降低均能明显使海床表面的波浪压力增大,诱发隧道衬砌周围产生较大的渗透力,从而发生较大径向位移,小半径、浅埋深能够有效降低累积孔压造成的渗透力影响;当衬砌劣化系数相同时,含气量越低的海床内波浪引起的超静孔隙水压影响越显著,衬砌产生较大径向位移,不利于隧道的正常服役。
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水位变化下含裂缝非饱和土挡墙的地震主动土压力研究
张常光, 关港辉, 李海祥, 范家燊, 石晶,
岩土力学. 2023 (6):  1575-1584.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1125
摘要 ( 243 )   PDF(8312KB) ( 280 )  
高烈度区挡墙抗震设计的主要荷载是地震主动土压力。首先根据水位、缝深和墙踵的相对位置关系,提出了含裂缝非饱和土挡墙在高、中、低水位下地震主动土压力分析的3种力学模型;继而通过拟动力法计算墙后滑动土体的地震效应,运用非饱和土力学原理与极限平衡法建立了水位变化下倾斜挡墙的地震主动土压力解答,并给出了迭代应用步骤、对比文献理论解答与振动台实测;最后探讨了水位、缝深以及土体非饱和特性对地震主动土压力系数的影响规律。研究结果表明:所得非饱和土挡墙地震主动土压力解答综合考虑了水位、缝深与土体非饱和特性,能退化为经典土压力公式,与文献理论解答、振动台实测吻合良好且应用较便捷,具有重要理论意义和良好的应用前景;地震主动土压力受水位、缝深、基质吸力、吸力分布与吸力角的影响均很显著,需采用工程措施维持基质吸力、吸力分布、低水位、小缝深等稳定存在以优化挡墙抗震设计。
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岩体裂隙粗糙度表征及其对裂隙渗流特性的影响
甘磊, 刘玉, 张宗亮, 沈振中, 马洪影,
岩土力学. 2023 (6):  1585-1592.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1039
摘要 ( 511 )   PDF(9551KB) ( 422 )   PDF(English)(20102KB) ( 33 )  
岩体裂隙粗糙程度对裂隙渗流特性的影响显著。利用三维光学扫描系统获取岩体裂隙面点云数据,结合SURFER和GEOMAGIC STUDIO等软件计算裂隙面节理粗糙度系数JRC和表面粗糙比率Rs,建立JRC与Rs的定量关系,开展应力、渗流和化学耦合作用下石灰岩裂隙渗流试验,研究JRC和Rs对粗糙裂隙渗流特性的影响。结果表明:JRC与Rs呈对数函数关系,其平方根R2为0.912 8,该表征公式与裂隙渗流试验结果最大相对误差MRE、平均绝对误差MAE和均方根误差RMSE分别为6.93%、0.34和0.27。JRC与渗流量、稳定期渗透率分别呈二次函数和对数函数关系,Rs和各参数的拟合关系与JRC相同。JRC值越大,渗流量和渗透率越小,且三场耦合作用下裂隙面JRC和Rs值均有所增大。该表征方法可用于岩体裂隙面粗糙度估算,由裂隙面JRC值可预测该裂隙渗流量和稳定时刻渗透率。
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石灰−偏高岭土改良遗址土强度劣化特性的冻融循环效应
李新明, 张浩扬, 武迪, 郭砚睿, 任克彬, 谈云志,
岩土力学. 2023 (6):  1593-1603.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1193
摘要 ( 382 )   PDF(18585KB) ( 273 )   PDF(English)(1478KB) ( 3 )  
中原地区处于季冻区,周期性冻结与融化对遗址土体结构有显著影响。为探究石灰偏高岭土(L-MK)在抗冻融循环方面替代天然水硬性石灰(NHL)用于土遗址修复工作的可行性,以石灰、偏高岭土和遗址土为主要原料,对经历不同冻融循环次数的L-MK改良土试样分别进行质量损失测试、无侧限抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验,系统研究其强度特性的冻融循环效应;并取部分试样进行X射线衍射(XRD)、热重(TG)、电镜扫描(SEM)等微观试验,揭示L-MK改良土强度劣化规律的内在机制。结果表明:试验配合比下,L-MK改良土的抗冻性能优于NHL改良土,偏高岭土掺量的增加有助于提高L-MK改良土强度;随着冻融循环次数的增加,L-MK改良土应力−应变曲线的应变软化特征呈减弱趋势,无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度单调衰减,但经历30次冻融循环后L-MK改良土无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度分别高于NHL改良土3.79倍和1.16倍以上。这与L-MK及NHL 改良土生成的水化产物(CSH和C4AH13等)受冻融循环的影响规律基本一致。
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斜坡上嵌岩抗拔桩竖向承载变形特性模型试验及数值模拟
季雨坤, 王钦科, 赵国良, 张健, 马建林,
岩土力学. 2023 (6):  1604-1614.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1131
摘要 ( 271 )   PDF(15404KB) ( 260 )  
随着我国输电线路工程逐步进入西部山区,越来越多的输电塔基础需要修建在陡峭的山坡上。然而,斜坡桩基在强风、雪等极端气候的抗拔承载变形特性研究不足,现行规范也尚无完善说明。基于此,开展了平地与斜坡上嵌岩抗拔桩的室内模型试验,对比分析了荷载−位移曲线、地面变形及裂缝扩展、破坏模式、桩身轴力、桩侧摩阻力及桩−岩相对位移。使用试验结果与ABAQUS数值模拟结果相比较,在验证模型可靠性的基础上,进一步研究了斜坡坡度对嵌岩抗拔桩承载变形特性的影响。结果表明,平地与斜坡下的荷载−位移曲线变化规律一致,均呈陡变型。斜坡对嵌岩抗拔桩的承载变形特性具有不利影响,当斜坡坡度在0º~30º范围内变化时,斜坡坡度对极限承载力的削弱影响呈近似线性增加(0%~12.8%)。随着斜坡坡度增加到45º时,斜坡对嵌岩抗拔桩极限承载力的削弱影响急剧凸显(25.9%)。斜坡上的基岩破坏面主要发生在下坡3.2d(d为桩径)、角度为120º的扇形范围内,逆坡破坏范围约为1d,不同于平地呈对称、复合形的破坏。值得注意的是,当桩顶荷载达到约80%的极限承载力时,平地地表或斜坡下坡出现了可见的裂缝。该研究成果为斜坡上输电塔桩基抗拔优化设计及规范完善提供了科学依据。
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基于浆液浮力试验的盾尾管片纵向上浮特征研究
钟小春, 黄思远, 槐荣国, 朱诚, 胡一康, 陈旭泉,
岩土力学. 2023 (6):  1615-1624.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1038
摘要 ( 142 )   PDF(10365KB) ( 226 )  
针对围岩地层中盾尾管片易发生大上浮的问题,基于自主研发的浆液浮力测试系统,得到浆液浮力的非线性变化规律,并基于等效连续梁理论建立能综合考虑浆液时变性、浆液上浮力的非线性分布特征、施工步累加效应的精细化盾尾管片纵向上浮模型,最后结合广州某地综合管廊盾构施工上浮实测结果,验证了该模型的可靠性。研究结果表明:随着浆液所受压差与所处地层渗透性的增大,浆液浮力消散速度呈现增大趋势,盾尾管片上浮量呈现减小趋势;盾构在强风化含砾砂岩地层中掘进时,上浮特征曲线满足先增大后减小,最后趋于稳定的规律,并且在20 kPa压差作用下,最大上浮量达151.74 mm,该位置距离盾尾39.2 m,最后在距离盾尾70 m附近上浮达到稳定,此时上浮量为145.2 mm;建立的盾尾管片纵向上浮模型进一步地揭示了浆液固结规律对其上浮特征的影响机制,与实测结果基本一致。该研究成果可用于盾尾管片上浮变形预测,为相似工程提供设计理论基础。
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考虑微拱效应的隧道洞口段管棚合理间距确定方法及参数分析
张小波, 张雕, 姚池, 杨建华, 蒋水华, 荣耀
岩土力学. 2023 (6):  1625-1635.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1103
摘要 ( 270 )   PDF(9739KB) ( 208 )  
管棚支护是隧道工程在复杂地质环境中常用的辅助施工手段,其主要依靠管间微拱效应发挥支护作用,而微拱的形成和破坏与管棚间距密切相关。综合考虑侧向土压力及微拱截面应力的非均匀分布特征,确定了考虑侧向土压力作用的微拱合理拱轴线形状,并推导了其标准方程,结合微拱的破坏条件提出了管棚合理间距的计算方法。对所提出的方法进行工程算例分析,并与已有关于管棚间距的计算方法进行了对比,验证了该方法的合理性。在此基础上,对影响管棚间距的主要参数进行分析,研究结果表明:管棚间距与拱顶荷载呈负相关关系,与管棚直径、土体黏聚力呈线性正相关关系,与土体内摩擦角呈非线性正相关关系,且土体内摩擦角的增大对管棚间距增大的影响也随之增大。随荷载的增大,上述参数对管棚间距的影响均减弱。
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基于核磁共振和磁共振成像的低渗透岩芯CO2-H2O两相驱替特征研究
赵艳, 杨柳, 奚茹茹, 耿振坤, 张谦, 马雄德,
岩土力学. 2023 (6):  1636-1644.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1007
摘要 ( 212 )   PDF(8544KB) ( 174 )  
致密岩石的孔隙结构特征对CO2和水之间的驱替行为以及CO2相的流动特征具有重要影响,且残余水饱和度最终将影响碳封存的效率和安全性,因此,深入探究致密岩芯CO2-H2O两相驱替特征具有重要意义。利用取自鄂尔多斯盆地深部储层的天然低渗透岩芯,利用核磁共振(NMR)及磁共振成像(MRI)技术对其内部的气液两相驱替特征及其影响因素进行了可视化研究。在将岩芯孔隙结构进行定性和定量化表征后,可知不同的驱替模式与岩芯孔隙结构密切相关:具有较强非均质性和各向异性的岩芯更有利于指进现象的发生,具有较大孔隙度和较高渗透率的岩芯则呈现活塞式驱替模式。指进现象有助于气相的运移,会造成气相的提前突破,导致较高的残余水饱和度及较低的驱替效率。
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不同沉降方式下埋地管道力学响应试验研究
张玉, 梁昊, 林亮, 周游, 赵青松,
岩土力学. 2023 (6):  1645-1656.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0983
摘要 ( 224 )   PDF(11314KB) ( 176 )   PDF(English)(27731KB) ( 6 )  
地层塌陷和沉降引发的埋地管道事故频发,亟需开展不同沉降作用下力学响应试验研究。针对地层塌陷和沉降作用下油气埋地管道的管周应变、土压力和土体变形开展了系统研究。研究发现:地层塌陷和沉降过程中,受管顶土拱效应影响,管道应变及土压力随塌陷区扩展先增大后减小,随沉降区扩展而增大,塌陷和沉降区内,管道沿轴向呈两端凸起、中间下凹的“马鞍形”;管道变形受沉降影响更为显著,当塌陷和沉降量均为50 mm时,与地层塌陷相比,管道在沉降过程中顶部、底部和中部的最大应变值分别增加了18.8%、249%和273%;对比管周土压力增大和减小区域的面积之比 λ 可知,地层沉降较塌陷 λ 提高了78%,因此,管道在地层沉降过程中承受更大的作用力。基于修正Marston土压力计算模型,提出了地层沉降过程中管顶竖向土压力计算方法,并采用模型试验结果验证了该方法的准确性。
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隧道掘进机滚刀破岩动态荷载理论模型及试验研究
孙浩凯, 高阳, 朱光轩, 徐飞, 郑新雨,
岩土力学. 2023 (6):  1657-1670.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1860
摘要 ( 196 )   PDF(14623KB) ( 209 )  
滚刀荷载的动态信息(如峰值荷载、增长速度以及频率等)对保持全断面隧道掘进机系统稳定、控制刀盘振动等至关重要。目前的破岩力预测公式不足以满足刀盘受力及振动的求解需要。因此,基于离散化建模思路,将传统空腔膨胀理论的一维贯入运动扩展至高维度的回转破岩中,对岩体参数及操作参数对荷载特性的影响进行了研究。并通过多组全尺寸回转破岩试验进行验证。结果表明:安装半径、转速以及贯入度的增大使单位时间内滚刀挤压的岩体体积增多、密实核边界速度升高,导致侵岩荷载的增长速度及频率均升高,荷载变化及刀盘振动更加剧烈。岩体强度的增大会导致荷载峰值及增长速度升高、频率降低。所建立的回转破岩动态荷载理论模型与试验结果相差5%以内,验证了该模型的准确性。
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间歇循环荷载作用下饱和砂土累积塑性变形及孔压特性研究
杨奇, 王晓雅, 聂如松, 陈琛, 陈缘正, 徐方,
岩土力学. 2023 (6):  1671-1683.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1109
摘要 ( 216 )   PDF(11353KB) ( 214 )   PDF(English)(537KB) ( 9 )  
长期列车荷载作用会引起砂土地基和填料的强度衰减、累积沉降过大甚至沉陷等病害问题,严重者危及行车安全。揭示病害机制需探明间歇荷载作用下饱和砂土累积塑性变形及孔压特性。对此开展了不同围压、动力幅值下连续加载与间歇加载的动三轴试验,试验结果表明:(1)饱和砂土累积塑性变形−振次曲线呈现锯齿状发展。间歇效应导致卸荷回弹,并显著降低了后加载阶段砂土累积塑性变形,可使连续加载条件下的破坏型“转换”为稳定型。(2)对于塑性安定和塑性蠕变型,孔压−振次关系曲线呈台阶状,第1加载阶段的孔压随振次迅速累积增长,而间歇阶段排水,孔压消散接近或降至0,土体趋密实;在后续加载阶段,孔压累积幅值大幅降低。对于增量破坏型,孔压在第1加载阶段快速增大,试样破坏。(3)建立了表征间歇加载下砂土累积塑性应变两阶段发展特征的预测模型,预测效果良好。(4)间歇效应提高了砂土抵抗塑性变形的能力,连续加载会高估砂土累积塑性应变和低估其动强度。该研究结果对深刻认识间歇循环荷载下饱和砂土的累积变形特性和机制具有重要参考价值。
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层状复合岩石变形破坏全过程接触面力学特征研究
许海亮, 谭安福, 宋义敏, 朱力, 安栋, 杜羽, 高晗钧,
岩土力学. 2023 (6):  1683-1694.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1082
摘要 ( 212 )   PDF(10114KB) ( 218 )  
通过三点弯曲试验,利用CCD相机作为观测手段,采用数字散斑相关方法,对一种细砂岩组成的层状复合岩石试件进行试验研究,分析层状复合岩石变形破坏全过程接触面力学特征。结果表明:(1)随着荷载的施加,上下层试件表面的水平应变场呈现竖向分布的拉压应变区交替出现的现象,这种现象在层间接触面附近尤为明显;(2)层间滑动位移整体呈波动状态分布,随着荷载的增加,层间滑动位移值逐步增大,最大滑移值为0.174 mm;(3)接触面水平应力值受层间接触条件影响呈波动变化状态,层间竖向应力曲线呈V形分布;(4)加载过程中层间摩擦系数不断变化,在滑动初期阶段,摩擦系数从3.5降低至0.2,在稳定滑动阶段,摩擦系数则保持为0.15;(5)上下层面变形能密度曲线变化趋势基本相同,在荷载峰值时刻,接触面变形能密度达到最大值4.2 J/m3。上述研究成果可为远程岩层界面DIC监测和岩层滑动研究取值提供有益的参考。
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微型桩加固长大缓倾裂隙土边坡模型试验
马鹏杰, 芮瑞, 曹先振, 夏荣基, 王曦, 丁锐恒, 孙天健,
岩土力学. 2023 (6):  1695-1707.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1130
摘要 ( 400 )   PDF(11875KB) ( 258 )  
南水北调工程中大量膨胀土边坡因其内部的长大缓倾裂隙而发生滑动,其抢险与加固工程中微型桩取得了较好的应用效果。研究微型桩加固长大缓倾裂隙土边坡的加固机制及其参数影响,对此类工程的微型桩加固设计具有重要意义。以微型桩加固膨胀土边坡的实际工程为背景,采取对边坡滑体沿裂隙面平行方向施加推力的方式,开展了不同缓倾裂隙面角度的未加桩边坡推移破坏试验,并以桩长、排间距和桩位为影响参数,进行了微型桩加固长大缓倾裂隙土边坡的参数影响模型试验,对边坡的位移特征以及微型桩的受力特性与加固效应进行了分析。结果表明:微型桩对于缓倾裂隙边坡具有较好的抗滑加固效果,能够将抗滑阻力维持在较高的水平。微型桩能提供的抗滑阻力随桩长(锚固比)增加而增加,但提升效率随桩长增加而减小。建议布置在边坡上1/3处的微型桩锚固比取值为0.5,布置在边坡下1/3处的微型桩锚固比取值不小于0.65。桩身弯矩与剪力均呈反S形分布,最大值均位于裂隙面附近。双排桩使得边坡抵抗破坏的韧性增强,当排距为200 mm(10倍桩径)时,前后排桩协调较好,均能较为充分地发挥抗滑作用,对边坡抗滑推力提升较大。
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浆液在透明复制裂隙中驱替行为的可视化试验研究
张乐, 杨志兵, 李东奇, 陈益峰
岩土力学. 2023 (6):  1708-1718.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1718
摘要 ( 423 )   PDF(19571KB) ( 295 )  
在地下工程中,注浆技术是修复裂隙岩体和封堵地下水的重要手段。了解浆液在岩石裂隙中的流动行为对优化注浆方案有重要意义。通过可视化试验研究了粗糙裂隙中浆液性质对注浆过程的影响规律,提出了驱替模式试验相图,并阐明了其细观机制。试验结果表明,浆液的驱替行为与传统牛顿流体不同,注浆速度和浆液质量分数显著影响粗糙裂隙中浆液的驱替模式;在浆液的驱替过程中,浆液流变性质和裂隙开度变异性的共同作用及其相互反馈影响引起的黏度变化是形成不同驱替模式的重要原因;注浆流速越小,浆液质量分数越大,两相界面越稳定,浆液最终填充率越高;驱替过程中浆液难以完全填充裂隙的较小开度区域,且随着注浆流量的增加,浆液最终填充率呈现明显的非单调性;浆液最终填充率受驱替形态的影响显著,基于界面稳定分析理论,推导了浆液在粗糙裂隙中驱替形态转变的临界条件。该研究成果揭示了粗糙裂隙中浆液扩散的机制,可为评价与控制岩体注浆效果提供参考依据与技术思路。
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甲基叔丁基醚污染黏土的Archie电阻率模型修正方法
祁妍敏, 汪淼, 章定文, 林文丽,
岩土力学. 2023 (6):  1719-1728.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1055
摘要 ( 150 )   PDF(8583KB) ( 104 )  
通过引入污染物影响系数及修正孔隙率,提出了一种挥发性有机物污染黏土的Archie电阻率修正模型,并通过米勒土盒单元试验结果给出了模型中的4个参数(胶结指数、饱和度指数、污染物影响系数和孔隙微观分布不均匀性系数)的确定方法。结果表明,黏土的地层因子与孔隙率呈正相关关系,与砂土的相应关系相反,这是黏土颗粒表面电荷对电阻率的影响所致。饱和度指数随体积含湿率的增加呈抛物线变化,随孔隙率的增加呈线性增加,据此提出了同时考虑两种因素的饱和度指数经验公式。综合土体电阻率与体积含水率之间的幂函数关系及与体积含污率之间的线性关系,得到了污染物影响系数的确定方法。孔隙微观分布不均匀性系数a随体积含水率的变化可分为陡降、趋平和缓升3个阶段,土中孔隙水的赋存状态是主要影响因素。
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不同循环应力路径下饱和珊瑚砂超静孔压增长的改进应力模型
秦悠, 杜歆宇, 马维嘉, 吴琪, 陈国兴,
岩土力学. 2023 (6):  1729-1738.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1581
摘要 ( 179 )   PDF(11276KB) ( 156 )  
为探究复杂循环加载下不同相对密实度Dr的珊瑚砂超静孔压ue增长特性,利用GDS空心圆柱扭剪仪对饱和珊瑚砂进行了系列循环应力主轴90º跳转的均等固结不排水循环剪切试验。试验表明,循环应力路径、应力水平和Dr显著影响饱和珊瑚砂ue增长模式;建立了适用于不同Dr和循环加载模式的超静孔压比ru表达式,引入单元体循环应力比USR作为表征复杂循环应力路径的应力指标,给出了模型参数λ 1θ 基于USR和Dr的表达式。所建立的ru表达式对复杂循环加载模式下不同Dr的饱和珊瑚砂ru增长有较好的预测效果。文献中不同类型砂的试验数据独立验证了所建立的ru表达式的适用性。
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富水砂卵石地层力学特性研究
张延杰, 何萌, 宋萌, 曹立, 赵海涛, 李梅
岩土力学. 2023 (6):  1739-1747.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1045
摘要 ( 352 )   PDF(8128KB) ( 174 )  
富水砂卵石地区的地铁盾构隧道工程建设中须有效掌握地层力学特性指标,以指导盾构施工参数的动态调整。针对传统地勘无法准确提供地层参数的问题,通过对成都地层分布与土质特征进行大数据统计分析,并结合室内剪切与渗透试验研究,探求富水砂卵石力学特性与细粒含量、含水率、水压力等主要参数间的影响关系。试验结果表明,随着含水率的增加,内摩擦角φ 先降低后提高,咬合力C先提高后降低;当细粒含量从1%增加至6%,C和 φ 均出现不同程度的降低。推导出两个强度指标C值和φ 角与细粒含量和含水率两个参数的变化关系表达式,以及砂卵石土的细粒含量与其饱和含水率两者的变化关系式,并通过拟合情况与实际数据验证了公式的可行性。得出卵石地层管涌型的渗透破坏类型,其渗透性随着土样细粒含量的增加有所减小。然后从开挖土层的性质分析反映出隧道掘进参数动态调整和渣土改良工艺对施工影响的内在机制。研究结果可为成都地区砂卵石土层抗剪强度进行经验公式参数选取、数值模拟取值,掘进关键技术与施工方案制定提供参考依据。
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明棚洞落石冲击荷载计算方法研究
冉龙洲, 袁松, 王希宝, 王峥峥, 张生,
岩土力学. 2023 (6):  1748-1760.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1069
摘要 ( 377 )   PDF(10502KB) ( 132 )  
根据落石冲击回填土明棚洞过程中的基本力学和运动学规律,采用Laplace变换,从落石冲击半无限土体、落石冲击有限厚度土体、考虑回填土与下部结构相互作用3个方面推导了落石冲击荷载的理论计算公式,通过数值模拟和相关试验数据对理论公式进行了验证,并与目前常见落石冲击荷载计算公式进行了对比研究。研究表明:所提出的公式理论计算结果与数值模拟结果和相关试验结果均有较稳定的规律,理论计算值比数值模拟值大6%~41%,与Pichler现场试验的95%分位值差值仅在6%以内;尽管所提出的公式计算值比目前所有公式计算结果均偏大,但与数值模拟和试验数据更吻合,更能反映出真实的落石冲击荷载;所提出的计算公式可以反映缓冲层厚度和缓冲层性质的影响,缓冲层厚度越小,落石冲击荷载越大,缓冲层厚度影响系数可根据h/r查表确定;缓冲层和结构的动力相互作用导致结构承受冲击荷载相较缓冲层顶部冲击荷载增大,结构动力放大系数与缓冲层厚度相关,缓冲层厚度越大,结构动力放大系数越小。所提出的计算公式可以反映落石大小、落石形状、落石冲击能量、缓冲层厚度、缓冲层性质等因素对冲击荷载的影响,计算荷载值可直接用于明棚洞结构设计。
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基于扩散波近似方程的降雨边界处理的改进
王旭, 董梅, 孔梦悦, 邓云鹏, 徐日庆, 龚晓南,
岩土力学. 2023 (6):  1761-1770.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1104
摘要 ( 163 )   PDF(8168KB) ( 191 )   PDF(English)(10055KB) ( 8 )  
在降雨入渗模拟中,传统的降雨边界不能准确地反映坡面积水深度变化对坡面实际入渗率的影响。基于扩散波近似方程改进了传统的降雨边界,使得在强降雨条件下坡面积水深度动态变化可以和实际入渗率进行耦合计算,并且通过两个经典试验验证了改进边界的准确性。后将该改进边界用于工程实例计算,结果表明:(1)改进的降雨边界可以实现集中型降雨条件下流量边界与压力水头边界的实时动态转换;(2)当降雨边界为压力水头边界时,改进边界计算出的理论上坡面积水深度最深的位置出现在坡趾处;在降雨后期坡面退水阶段,积水深度可忽略不计,理论上积水深度最深的位置出现在平坦坡面与陡峭坡面的交汇处。
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软弱覆盖层上土石坝动力离心模型试验研究
彭文明, 张雪东, 夏勇,
岩土力学. 2023 (6):  1771-1778.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1008
摘要 ( 150 )   PDF(7898KB) ( 123 )  
在覆盖层上筑坝时其抗震稳定性是工程关键技术难点。为揭示覆盖层中的地震动传播规律和大坝失稳现象,依托某原型工程,先后输入场地波和加窗正弦波开展了离心机振动台模型试验。研究发现,在场地波目标峰值加速度0.53g激震时,因能量损耗和软弱覆盖层的滤波效应,地震动传播到坝顶的加速度峰值为0.773g,加速度放大系数为1.39,小于规范建议值2.0;在输入加窗正弦波的试验中,坝顶加速度放大系数为1.46,同样表明软弱覆盖层对地震动传播有一定衰减。两次试验揭示的大坝震陷变形现象符合一般规律,但因软弱砂层厚度大,总体震陷率较高,其中第1次试验后坝体没有明显的破坏,第2次试验出现大量堆石滚落、坝顶沉陷、坝坡挤压拱起、心墙开裂等现象。尽管受试验条件的限制,模型的尺寸效应和边界效应对试验结果可能存在一定影响,但该研究结论可为覆盖层上的坝体动力数值分析提供参考依据。
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不同水力荷载路径下煤体微观渗流特征及宏观破坏研究
马国良, 陈曦, 范超男, 葛少成
岩土力学. 2023 (6):  1779-1788.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1073
摘要 ( 201 )   PDF(13752KB) ( 134 )  
为探究煤体在不同水力荷载路径下的微观渗流特征,通过CT三维重建技术,建立了基于煤体微观结构的双介质渗流模型,并设计了恒定速度加载(LP1)、常规脉动加载(LP2)和强加载缓卸载加载(LP3)3种水力荷载路径,进行了在不同循环荷载路径下的煤体注水渗流数值模拟试验。另外利用自行搭建的煤体注水装置,探究了3种荷载路径下的宏观损伤情况。结果表明:联通裂隙占孔裂隙结构的73.49%,是影响煤体渗流的主要因素,而孔径为9~23 μm的孔隙是孤立孔隙中的主要部分,数量和体积占比均超过了50%;煤体内部孔裂隙结构和荷载路径对渗流速度和压力的分布特征具有重要影响。LP1沿注入方向平均渗流速度的波动较大,LP3则抑制效果明显,且LP3路径较LP1和LP2随时间有较大跨度。LP3的荷载路径相对于LP1具有脉动荷载的疲劳损伤效果,并且造成的损伤程度强于LP2。该研究可为煤体微观结构研究和煤层注水技术参数优化提供方向。
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岩土工程研究
基于LightGBM的超大沉井下沉状态预测及传感器优化布置
董学超, 郭明伟, 王水林,
岩土力学. 2023 (6):  1789-1799.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1683
摘要 ( 194 )   PDF(10265KB) ( 128 )  
沉井下沉状态预测及传感器优化布置有利于确保沉井安全平稳下沉、降低监测成本。基于机器学习中的LightGBM框架建立超大沉井下沉状态预测模型,利用沉井底部结构应力传感器监测数据,准确预测沉井下沉速度、横桥向高差和顺桥向高差,并通过传感器重要程度分析,提出可满足下沉状态预测精度的传感器优化布置方案。将提出的沉井下沉状态预测模型和传感器优化布置方法应用于常泰长江大桥主塔超大沉井下沉工程,结果表明:沉井下沉预测时,3个预测指标的R2均大于0.94,下沉状态预测精度高;对下沉状态预测较为重要的传感器主要集中在沉井外圈和横纵轴线附近区域;在满足下沉状态预测精度的条件下,传感器优化布置方案可减少传感器数量达45.5%。优化布置方案包含的传感器数量相同时,提出的优化布置方案在下沉状态预测精度方面整体优于基于特征变量相关性分析的优化布置方案。
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长江漫滩区明挖隧道基坑降承压水优化分析
孙彦晓, 刘松玉, 童立元, 王峻, 崔佳, 李世龙, 李敏,
岩土力学. 2023 (6):  1800-1810.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1071
摘要 ( 234 )   PDF(9571KB) ( 128 )  
现阶段,基坑降水设计多通过理论计算结合数值模拟进行,然而,在保证安全的前提下,总抽水量仍具有优化空间。基于此,以江阴靖江长江隧道江北明挖基坑第二承压含水层降水施工为例,采用线性规划与数值模拟相结合的方法,在利用抽水试验反演渗透系数的基础上,通过数值模拟获取了构建线性规划模型的主要参数,求解了总抽水量最小时需开启的井点及对应抽水量,并与实际施工进行了对比。结果表明,在构建线性规划模型时,考虑的井数越多,管井位置越合理,得到的总抽水量和降深通常越小;对于开挖深度渐变的明挖隧道基坑,在挖深大区段抽水效率最高,此时挖深较浅区段的降水需求可能自然得到满足;降水优化可大幅降低开启井数、总抽水量和环境影响。
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数值分析
砂土中水平矩形锚板竖向拉拔承载全域内三维统一力学模型与承载力计算方法研究
胡伟, 王辉, 姚琛, 郝冬雪, 史旦达,
岩土力学. 2023 (6):  1811-1825.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0995
摘要 ( 193 )   PDF(11409KB) ( 163 )   PDF(English)(3533KB) ( 12 )  
水平矩形锚板竖向拉拔属于典型的三维问题,但极限状态下锚周土体滑动面形态受锚板长宽比、埋深比两个变量共同影响,表征难度大。结合ABAQUS软件三维数值模拟和二维滑动面分析结果,三维滑动面在其埋深范围内任一水平剖面上的几何形态可用4段分别与锚板长边、短边平行且相等的直线段以及4段1/4圆弧线组成的闭合图形描述;直线段与对应锚边的水平距离由长边中心竖向对称面内的滑动面决定,该二维滑动面形态仅取决于埋深比,可使用对数螺旋线形态函数进行表征。构建出了水平矩形锚板竖向拉拔承载三维力学分析模型,分析了该模型存在的4种工况。结合模型的分解与合并开展隔离体的力学极限平衡分析,推导建立了水平矩形锚板竖向拉拔承载力计算方法,该方法可在长宽比和埋深比全域范围内使用。通过与5个试验案例,3种计算方法的对比分析表明,新方法在各种密实状态砂土地基中均表现最好,具有很好的适用性。
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超深覆盖层上高沥青心墙坝防渗墙受力状态的精细化分析
邹德高, 屈永倩, 孔宪京, 陈楷, 刘京茂, 龚瑾,
岩土力学. 2023 (6):  1826-1836.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0985
摘要 ( 458 )   PDF(19010KB) ( 212 )   PDF(English)(10747KB) ( 5 )  
混凝土防渗墙是深厚覆盖层地基上修建土石坝的主要坝基防渗结构,是保证大坝安全的关键防线,因此,精细模拟防渗墙的受力状态,对于合理评价深厚覆盖层上土石坝工程具有重要意义。联合增量迭代法和有限元−比例边界有限元耦合方法,实现了土石坝应力变形的跨尺度精细化分析,克服了中点增量法求解局部强非线性问题时精度低的缺陷;发现了防渗墙−心墙接头附近和防渗墙底部土体剪切带的局部大应变特性,阐明了传统方法无法描述土体局部大应变而高估防渗墙应力的机制;提出了设置薄层单元来模拟应变局部效应的高效计算方法,实现了超深覆盖层上高沥青心墙坝防渗墙受力状态的三维精细化分析。本研究发展的有限元−比例边界元−增量迭代法−预设薄层单元的跨尺度非线性分析方法可为深厚覆盖层上土石坝防渗墙的安全评价和设计优化提供理论和技术支持。
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可液化倾斜场地的侧向扩展机制分析
贾科敏, 许成顺, 杜修力, 张小玲, 宋佳, 苏卓林,
岩土力学. 2023 (6):  1837-1848.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1053
摘要 ( 211 )   PDF(12491KB) ( 151 )   PDF(English)(11167KB) ( 4 )  
针对已完成的液化水平自由场大型振动台试验,采用OpenSees有限元平台,建立了振动台试验的数值分析模型,并验证了该模型的可靠性。基于此,建立了地基整体倾斜的自由场数值模型,重点讨论了场地土体的非循环地震响应和液化侧向扩展机制。结果表明,建立的数值模型可以有效地模拟可液化场地的地震反应。倾斜场地中,可液化松砂与上覆非液化层界面处具有显著的相对位移,饱和砂土的应变累积从松砂层浅层开始,逐步向深层发展,超孔隙水压力增长和土体非循环应变累积未表现出耦合的现象,场地的中部土体控制非循环横向位移的发展。另一方面,土体液化过程中,当沿滑动面的剪切应力小于初始静剪应力时,液化侧向扩展启动。此时饱和松砂层的剪应力比在0.04~0.06范围内,略小于初始静剪应力比。此外,还发现液化诱导侧向扩展需要场地具有一定的倾斜度(大于0.5º);土的侧向位移符合余弦分布模式;随着场地倾斜度的增大,可液化深层土对整体侧向位移的贡献更显著。
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考虑不同边界条件的风积沙−土工格栅拉拔试验离散元模拟研究
杜炜, 聂如松, 李列列, 谭永长, 张杰, 祁延录,
岩土力学. 2023 (6):  1849-1862.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1023
摘要 ( 277 )   PDF(15124KB) ( 181 )  
室内土工格栅拉拔试验物理模型边界及加载装置通常是刚性的,但土工格栅工程应用的边界条件往往不能与室内拉拔试验物理模型边界相对应。为了研究边界条件对拉拔试验结果的影响,在室内三轴和拉拔试验的基础上,运用三维离散元方法,对土工格栅加筋风积沙的拉拔试验展开数值模拟,研究加载顶面刚、柔性加载方式和模型前壁刚、柔性边界4种组合条件即刚性顶面刚性前壁(RTRP)、柔性顶面刚性前壁(FTRP)、刚性顶面柔性前壁(RTFP)、柔性顶面柔性前壁(FTFP)对筋土界面宏细观特性的影响。分析了不同组合条件下拉拔力与拉拔位移的关系、界面剪切强度、试样内部应力链、孔隙率分布和颗粒旋转规律,分析了刚性加载板和柔性边界颗粒位移、FTFP组合下土工格栅的变形以及拉拔过程中剪切带的演化规律。研究表明,模型前壁的刚、柔性边界对拉拔力和拉拔位移曲线模式以及界面摩擦角的影响很大。刚性前壁边界条件下,拉拔力和拉拔位移曲线呈加工软化型;柔性前壁边界条件下,拉拔力和拉拔位移曲线近似呈双折线型。当模型前壁由刚性变为柔性时,界面摩擦角减小了7º~8º。当法向应力小于90 kPa时,建议FTRP组合、RTFP组合和FTFP组合的拉拔力峰值折减系数分别取0.9、0.6和0.7。4种组合在拉拔试验过程中试样体积增加,呈剪胀特性。RTRP和FTRP组合剪切带厚度分布为颗粒平均粒径的5.38倍和10.79倍;RTFP与FTFP组合剪切带的分布范围更广。该研究成果有助于深入揭示刚、柔加载方式以及刚、柔前壁边界下土工合成材料和风积沙的相互作用机制
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