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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7期 刊出日期:2023-07-17
基础理论与实验研究
带围压冻融循环下滨海重塑软土力学特性试验研究
张建新, 马昌虎, 郎瑞卿, 孙立强, 杨爱武, 李迪,
岩土力学. 2023 (7):  1863-1874.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1211
摘要 ( 352 )   PDF(10412KB) ( 398 )  
滨海软土地区人工冻结工程中土体通常在一定围压下受到冻融作用进而力学性能发生改变,因此开展带围压冻融作用下土体力学特性研究具有重要意义。以天津滨海地区典型淤泥质土为研究对象,通过自主改进的温控应力路径仪,对比分析了常规无围压冻融和带围压冻融下淤泥质土力学特性差异,揭示了冻融围压、冷端温度、冻融循环次数对其超孔隙水压力、应力−应变曲线、强度及变形指标的影响,并通过电镜扫描试验揭示了冻融围压对其力学特性的影响机制。在此基础之上,采用指数函数建立了淤泥质土冻融循环作用下抗剪强度和弹性模量折减系数与上述因素的关系。结果表明:冻融围压降低了冻融后土体内孔隙大小和数量,能够在一定程度上减弱冻融对土体结构的破坏,但对其应力−应变曲线模式影响较小;随着冷端温度的降低和冻融循环次数的增加,冻融后土体强度和模量均大幅度降低;超孔隙水压力随冻融围压和冷端温度的升高及冻融次数的降低而降低。
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真三轴循环主应力作用下砂岩能量演化规律
赵光明, 刘之喜, 孟祥瑞, 张若飞, 顾清恒, 戚敏杰,
岩土力学. 2023 (7):  1875-1890.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1757
摘要 ( 390 )   PDF(17385KB) ( 71 )  
为了探究真三轴主应力循环加卸载对砂岩能量积聚与耗散的影响,利用自主研发的真三轴扰动卸荷岩石测试系统进行了3个主应力循环加卸载试验。基于真三轴循环加卸载应力−应变演化规律与加卸载特征,划分了主应力循环加卸载试验中加载、卸载的种类;通过对三向主应力循环加卸载过后岩体表面裂纹对比分析,发现最小主应循环对岩体产生损伤最大,中间主应力次之,最大主应产生损伤最小;利用图形面积积分法与叠加法分别计算了真三轴循环加卸载的弹性能密度、耗散能密度与输入能密度,分析了三者随主应力次数增加的演化规律与加卸载过程中的能量分配;利用真三轴同时加卸载试验,验证了上述提出的能量分析方法的合理性与准确性,对其3个主应力方向卸载释放弹性能密度分析,发现循环加卸载产生的损伤对岩体储存弹性能密度影响较小。对比了3个主应力卸载对砂岩损伤与能量耗散的影响,对巷道掘进方向进行了进一步讨论。
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基于统一屈服准则超固结土的应力诱导各向异性下负荷面模型
王智超, 彭乙芹, 秦云, 田英辉, 罗光财,
岩土力学. 2023 (7):  1891-1900.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1369
摘要 ( 212 )   PDF(8399KB) ( 178 )  
为了描述中主应力对超固结土力学行为的影响,提出了一种表征土体超固结和应力诱导各向异性新的弹塑性本构模型。采用统一表述Mohr-Coulomb、Drucker-Prager、Lade-Duncan和Matsuoka-Nakai 4种屈服准则的形状函数gθ,将其引入到下负荷面模型中修改临界状态破坏线的斜率M值,从而实现新模型中M值能随洛德角θ 改变而变化;选择塑性偏应变增量为迭代变量,利用Newton-Raphson迭代开发了新模型的应力积分算法,编写了UMAT子程序,成功将新模型嵌入大型商业有限元软件ABAQUS中。结果表明:新模型能同时表征土体的超固结、剪胀和应力诱导各向异性,预测结果与试验数据吻合良好;新模型物理意义明确表述简单,便于工程推广应用;新模型的应力积分算法收敛速度快,每个增量步所需的迭代次数少,收敛精度高,算法运行稳定可靠。
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冲击荷载下含瓦斯煤能量耗散及损伤破坏规律
王磊, 张帅, 刘怀谦, 陈礼鹏, 朱传奇, 李少波, 王安铖,
岩土力学. 2023 (7):  1901-1915.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0412
摘要 ( 273 )   PDF(16273KB) ( 177 )  
为探究冲击荷载下含瓦斯煤体动态响应差异,利用可视化含瓦斯煤分离式霍普金森压杆试验系统,对不同初始瓦斯压力下的煤体进行动态冲击试验,分析了不同瓦斯赋存状态下煤体能量耗散规律,并借助超高速摄像机和数字图像相关(digital image correlation,简称DIC)技术阐述冲击过程含瓦斯煤表面裂纹演化特征,结合分形理论获得了瓦斯压力对破碎煤体分形特征的影响,揭示了瓦斯赋存状态与破碎煤体特征尺寸的内在联系。结果表明:冲击荷载下,含瓦斯煤体应力−应变曲线基于能量耗散规律大致可分为4个阶段,瓦斯对煤体劣化作用显著,破碎耗能与破碎耗能密度随初始瓦斯压力增加均呈指数函数减小;受瓦斯气楔效应影响,冲击荷载下含瓦斯煤体应变场演化更为复杂,煤体破坏逐步从横向层裂破坏演变为横向层裂−纵向劈裂的复合型破坏;瓦斯压力作用下,煤体内部损伤加剧,破坏失稳后,破碎煤体平均粒径及破碎块度尺寸随初始瓦斯压力增加而逐渐减小,但分形维数呈指数函数增加,煤体破碎程度更加剧烈;构建了基于煤体破碎过程中能量消耗守恒的多维动态含瓦斯煤破碎模型,结合试验数据验证了模型的合理性,可较好地描述受瓦斯影响下的破碎煤样特征尺寸。研究成果对矿井煤岩瓦斯动力灾害防治具有重要的理论意义和一定的应用前景。
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高温、高含冰量冻土中弹性波的传播特性
李博南, 符伟, 张雪冰,
岩土力学. 2023 (7):  1916-1924.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1412
摘要 ( 173 )   PDF(9172KB) ( 148 )  
考虑了高温、高含冰量冻土在弹性波激励下表现出的冰晶黏滞性与未冻水流动性,并融入温度对介质物理性质的2种影响机制,通过结合Burgers黏弹性本构关系、BISQ模型和热力学理论推导了冻土中快P波、慢P波和S波传播的相速度及衰减因子的解析表达式,形成了针对该类冻土温度依赖的双相黏弹性孔隙介质理论。在此基础上开展了数值算例分析,明确了3种体波相速度和衰减因子的典型响应模式,并依次讨论了土孔隙度、冰晶黏滞性和地温等因素对它们传播特性的影响方式及敏感程度。证实了温度对快P波的相波速、衰减频带及峰值均有显著影响;对慢P波传播影响较小;对S波仅影响其相速度及低频衰减峰值。通过对比理论模型预测与实验室测试数据,证明了与传统基于弹性介质假设的冻土模型相比,基于黏弹性介质理论提出的新模型可以更好地描述高温、高含量冻土中弹性波的速度和衰减响应特征。
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冲击作用下花岗岩的I型裂纹形态及断面粗糙度研究
王雪松, 郭连军, 刘鑫, 邓丁, 张久洋, 徐振洋,
岩土力学. 2023 (7):  1925-1936.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1209
摘要 ( 262 )   PDF(13337KB) ( 170 )   PDF(English)(776KB) ( 7 )  
岩体工程中岩石常因动载作用产生断裂,研究岩石在冲击荷载下I型裂纹的响应规律,采用分离式霍普金森压杆试验系统开展了侧开单裂纹三角形(single cleavage triangle,简称SCT)花岗岩试样的动态冲击断裂试验。采用Hough变换方法实现了表面裂纹形态长度及角度分布的定量描述,分析了表面裂纹形态与试样吸收能量的关系;并利用三维表面形貌仪获取了断面的三维点云数据,提出了基于拟合曲面阈值检测的断面重构方法,有效解决了断面三维点云数据误差点出现导致的误差问题;讨论了断面粗糙度与试件吸收能量间的关系。结果表明:随着吸收能量的增大,裂纹长度的指数分布值有增大的趋势;裂纹角度的分布较为平均,水平方向上的裂纹相对较少,试件能量耗散较低时,裂纹具有明显的方向性,能量耗散较高时,裂纹的弯曲程度更高且贯通性较好;断面重构方法在x、y方向点数的0.03~0.08,阈值为0.25时能够较好的完成断面处理,试件A、B断面的粗糙度统计参数随能量耗散的增大呈下降趋势。
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西北干旱区遗址夯土结构特性初探
崔凯, 葛诚瑞, 于翔鹏, 陈瑞, 吴国鹏,
岩土力学. 2023 (7):  1937-1948.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1191
摘要 ( 374 )   PDF(10824KB) ( 151 )  
古代夯土这种经过人工取材分选、夯击并且在历史进程中接受环境陈化形成的特殊土体,其结构性及表征研究是西北干旱区夯土遗址保护领域所面临的基础性问题。研究选择分布于3个气候区域、5个朝代的15处典型遗址夯土为研究对象,通过基本物理性质测试、侧限压缩试验及无侧限单轴压缩试验与结构性理论分析,展开了对夯土结构性的初步研究。研究结果表明:15处典型遗址夯土的粒径分布、液性指数、结构屈服压力及抗压强度均随建造时代、赋存环境呈规律性变化,原状、重塑夯土的压缩性、强度及应力−应变特征表现出较大的差异性,其构度与上述的宏观性质指标具有良好的一致性表述,夯土的结构势变化中水敏势占主导作用,且扰动势、水敏势与建造距今年限和干旱指数均存在显著的线性对应关系。
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非饱和橡胶粉土抗剪强度特性研究
周恩全, 姚缘, 崔磊, 王龙
岩土力学. 2023 (7):  1949-1958.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1153
摘要 ( 182 )   PDF(10327KB) ( 166 )   PDF(English)(27524KB) ( 3 )  
为研究非饱和橡胶粉土的抗剪强度特性,对具有不同橡胶颗粒掺量、含水率的橡胶粉土开展了一系列直剪试验。基于颗粒接触状态理论,构建了橡胶粉土的细观接触模式,建立了基于不同橡胶掺量的橡胶粉土骨架孔隙比计算方法。试验结果表明:在低含水率下,橡胶粉土的抗剪强度随骨架孔隙比增大而减小,在高含水率下,橡胶粉土抗剪强度随骨架孔隙比增大而增大;基于橡胶粉土的土−水特征曲线,得到了基质吸力与含水率的对应关系,在低骨架孔隙比下,橡胶粉土的抗剪强度随着基质吸力的增大而增大,在高骨架孔隙比下,橡胶粉土的抗剪强度随着基质吸力的增大先降低后增大;基于骨架孔隙比及含水率对内摩擦角、黏聚力的影响提出了非饱和橡胶粉土的抗剪强度发展机制,并建立了抗剪强度预测公式。研究结果可为橡胶粉土的实际设计施工提供理论支撑。
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层间错动带水力耦合抗剪强度特性演化规律研究
范雷, 余美万, 邬爱清, 向前
岩土力学. 2023 (7):  1959-1970.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1143
摘要 ( 157 )   PDF(20181KB) ( 219 )  
层间错动带具有延伸规模大、物理力学性质较差等特点。水库蓄水后,水位抬升使层间错动带受到较大的水压力。在高水压力作用下,层间错动带的抗剪强度及其演化规律,尚待开展试验研究。采用新研发的HMSS-300型现场结构面水力耦合直剪试验系统,针对溪洛渡水电站的层间错动带进行了不同水压力−应力耦合作用下的直剪试验,探讨了层间错动带水力耦合作用下的抗剪强度特征及其变化规律。研究结果表明:水力耦合作用下,层间错动带抗剪断过程的剪应力−剪切位移曲线具有明显的峰值,法向位移随剪切位移的增加大多表现出先剪胀后剪缩的特征。层间错动带的有效内摩擦角随水压力的升高而降低,二者呈负指数关系;有效黏聚力也随水压力的升高而降低,二者同样呈负指数关系。在0~2.0 MPa水压力条件下,层间错动带有效内摩擦角劣化程度为7%~22%,有效黏聚力的劣化程度为32%~93%,表明水压力的增加对层间错动带的有效黏聚力影响更加明显。在不同法向荷载−水压力耦合作用下层间错动带呈现出剪切滑移破坏模式与中、细角砾岩颗粒的剪断−滑移混合破坏模式。在水力耦合条件下,黏土矿物的软化、膨胀与水侵入层间错动的颗粒之间以及黏土矿物的结构单位层之间形成水分子层是导致层间错动带抗剪强度劣化的主要因素。
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单轴压缩下酸腐蚀花岗岩能量演化与分形特征
于洋, 王泽华, 唐才萱
岩土力学. 2023 (7):  1971-1982.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1204
摘要 ( 210 )   PDF(12631KB) ( 178 )  
利用单轴压缩、声发射监测及X射线衍射试验手段分析了不同腐蚀时间花岗岩力学特性,获得了声发射特征参数变化规律,从腐蚀机制角度分析了花岗岩内部结构劣化原因,并对岩样破坏过程中能量演化规律及破碎分形特征进行研究。主要结论如下:随着腐蚀时间增加,单轴抗压强度和弹性模量分别降低了25.6%和38.3%;声发射累计振铃计数降低,高水平声发射振铃计数持续时间缩短;岩样内部结构因矿物成分分解而劣化,而二氧化硅悬浮物又会延缓这一劣化,导致力学参数折减速率与腐蚀时间呈负相关;塑性阶段之前,腐蚀岩样耗散能增长率较大,其内部损伤已经快速发育,耗散能也处于较高水平,在塑性阶段,损伤发育程度低于未腐蚀岩样;耗散能随腐蚀时间增加而降低,但耗散能占比由29.1%升高到35.0%,延性提高;总能量和弹性应变能的峰值、增长速率均随着腐蚀时间增加而减小,内部结构劣化程度增大,岩样吸能能力和储能极限降低;破坏模式由剪切−劈裂破坏转变为剪切破坏,中、小粒径碎块质量占比由44.6%降低到22.8%,破碎分形维数降低了9.5%,破碎程度降低,用于破碎的耗散能也随之降低。
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多排微型桩框架结构加固边坡离心模型试验研究
张院生, 雷云超, 强小俊, 吴东东, 王东坡, 王计华,
岩土力学. 2023 (7):  1983-1994.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1283
摘要 ( 193 )   PDF(14355KB) ( 158 )  
多排微型桩框架结构是边坡治理的一种有效手段,其理论研究滞后于工程应用。为研究该结构在边坡加固中的变形、受力特征和加固机制,开展了多排微型桩框架结构加固土质边坡离心模型试验。研究表明:试验中边坡变形破坏模式为蠕 滑−拉裂型推移式变形破坏,分为弹性变形、塑性变形、变形稳定3阶段;与未加固边坡相比,基于多排微型桩框架结构加固的边坡抗滑稳定性显著提高,边坡稳定性系数最高提升了156%;试验中影响边坡加固效果的因素重要性依次为锚固深度、桩数、桩间距;土压力作为滑坡向前推力,沿深度方向近似呈“上小下大”的三角形分布,作用于桩−土复合结构使桩身和框架梁弯矩曲线分别呈现反S形和反C形分布;框架横、纵梁弯矩分布受布桩方式影响显著,4排×4列的框架横、纵梁最大弯矩值相近,而4排×3列的纵梁最大弯矩值是横梁的3倍。研究成果可为该结构在工程应用上提供理论指导与设计依据。
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饱和黏土中抗拔桩上限承载力分析及土塞效应
朱克文, 俞剑, 黄茂松,
岩土力学. 2023 (7):  1995-2004.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1185
摘要 ( 256 )   PDF(9351KB) ( 155 )   PDF(English)(6460KB) ( 9 )  
构造了抗拔桩上限分析机构,对饱和黏土中闭口桩与开口管桩抗拔承载力进行了上限计算,通过与弹塑性有限元、下限法及API方法进行对比说明了其合理性,并与实测资料对比验证了此方法的可靠性。研究了长径比、桩壁粗糙程度、土体强度非均匀性和土塞高度对抗拔承载力的影响,拟合出了闭口桩的抗拔净承载力预测公式。主要结果表明:对于闭口桩,归一化的抗拔净承载系数和单桩长径比之间近似呈线性关系。对于开口管桩,开口管桩抗拔净承载力系数与闭口桩抗拔净承载力系数的比值随长径比的增大有增大的趋势;管桩抗拔净承载力系数随着土塞高度的增加而增加,土塞对管桩的抗拔承载力有不可忽略的影响。
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考虑渗流的饱和粉土地层盾构开挖面稳定分析
尹鑫晟, 舒营, 梁禄钜, 张世民,
岩土力学. 2023 (7):  2005-2016.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1160
摘要 ( 145 )   PDF(11764KB) ( 173 )  
土压平衡盾构在穿越高水位钱塘江粉土地层时,地下水与密封舱之间的高水压差会产生过大的指向开挖面的渗透力。钱塘江粉土黏聚力低,开挖面自立性差,且土体模量小,过大的渗透力会使土体产生更大的变形,导致开挖面失稳。数值模拟中合理选取土的本构关系与模型参数,对计算结果的可靠性十分重要。为了研究渗流条件下开挖面稳定性问题,基于室内试验,对钱塘江粉土的摩尔−库仑本构模型和摩尔−库仑应变软化本构模型参数进行研究。研究发现,钱塘江粉土的剪应变是轴向应变的1.5倍;根据三轴卸荷试验得到应变软化内摩擦角和剪应变的关系,当剪应变为4.7%时内摩擦角达到峰值为25º,剪应变为7.4%时内摩擦角达到残余值为21º,剪应变在4.7%~7.4%之间时,内摩擦角线性减小。采用有限差分软件建立39组三维分析模型,通过与离心机试验的极限支护压力和地表沉降对比发现,相同水位情况下,摩尔−库仑应变软化本构模型计算的极限支护压力与离心机试验的最小误差为3.1%,最大地表沉降的误差为5.67%。证明了在钱塘江粉土地层中使用摩尔−库仑应变软化本构模型的可行性及模型参数的可靠性。
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基于能量理论的球孔扩张大变形分析
李超, 莫品强, 李树忱,
岩土力学. 2023 (7):  2017-2027.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1142
摘要 ( 193 )   PDF(7325KB) ( 194 )  
以常用的摩尔−库仑强度准则模拟弹塑性区的本构关系,研究小孔扩张问题,推导了扩孔压力和能耗理论解。基于球孔扩张的假设,结合能量理论和非关联流动法则,将扩孔过程视为能量转换问题,进行黏土大应变能耗分析。弹性区采用小应变理论分析。考虑塑性区弹性变形和塑性区大应变的影响,得到了扩孔压力、能耗与扩孔半径的关系。通过与已发表结果比较,验证了所提方法的有效性。最后,研究塑性区弹性变形和大应变对扩孔压力和能耗的影响。结果表明,扩孔压力随剪胀角的增大而增大,外力所做的大部分功在塑性区转化为能量。剪胀角对塑性区域发展和扩孔压力演化影响显著,随着剪胀角的增加,塑性区半径和扩孔压力明显增加。该能耗理论解为揭示注浆、土工试验与贯入桩等方面提供了一种新的分析手段和必要的理论依据。
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低应力条件下高液限红黏土湿化变形特性研究
邱祥, 李锦鸿, 曾波, 付宏渊, 罗震宇, 陈镜丞, 刘忠伟,
岩土力学. 2023 (7):  2028-2040.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1222
摘要 ( 268 )   PDF(12961KB) ( 124 )  
针对我国南方地区高液限红黏土低路堤存在工后沉降变形的问题,采用自主设计可测试低应力条件下岩土体湿化变形的试验装置,研究了不同围压、轴压与围压之比和压实度条件下高液限红黏土竖向湿化应变、侧向湿化应变的变化规律,建立了可以考虑围压、轴压与围压之比、压实度影响的高液限红黏土竖向湿化应变峰值预估模型,并对预估模型进行了验证。研究得到的主要结论为:渗流与应力耦合作用下,高液限红黏土侧向湿化应变与竖向变形均先增大、后趋于稳定,高液限红黏土试样在湿化变形稳定后呈现上部大、下部小的特点;高液限红黏土侧向湿化应变开始响应至达到峰值所需时间、侧向湿化应变峰值、竖向变形量峰值与围压、轴压与围压之比呈正相关;高液限红黏土侧向湿化应变峰值、竖向变形量峰值与压实度呈负相关,侧向湿化应变开始响应至达到峰值所需时间与压实度呈正相关;高液限红黏土侧向湿化应变可以分成由增湿引起的侧向湿化应变和由膨胀性矿物吸水引起的侧向湿化应变两部分;不同因素对高液限红黏土竖向湿化应变峰值的影响程度为:压实度>轴压与围压之比>围压;本研究对高液限红黏土低路堤工后沉降变形预测与控制具有重要的工程意义。
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脆性岩石试样断裂过程区及宏观疲劳裂纹行为研究
ERARSLAN Nazife,
岩土力学. 2023 (7):  2041-2049.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.00244
摘要 ( 245 )   PDF(8649KB) ( 198 )   PDF(English)(45859KB) ( 10 )  
通过脆性岩石试样巴西圆盘试验研究了疲劳效应对脆性岩石断裂韧度KIC的影响,阐释了脆性岩石的疲劳损伤机制,首次展示了脆性岩石破坏前宏观裂纹的张开和闭合行为。巴西圆盘试验结果表明,循环荷载作用下,脆性岩样的KIC降低了35%,巴西劈裂拉伸强度降低了30%。通过高速相机数小时的记录观测到了岩石力学领域从未观测到的过程,即脆性岩样破坏前,疲劳裂纹在正弦荷载作用下弹性张合。扫描电镜和计算机断层扫描结果显示,巴西圆盘和V形切槽巴西圆盘试样的破坏是由断裂过程区(fracture process zone,简称FPZ)引起的,FPZ中包含许多异于循环荷载作用下单条宏观裂纹的微裂纹,切槽裂纹尖端FPZ的形成导致未破坏脆性岩样中可视疲劳裂纹弹性张合。室内试验和数值计算结果表明,切槽裂纹倾角为60º时获得最大FPZ(即FPZmax),这表明最大FPZ的形成可能与I-II型(拉伸和剪切)组合加载模式有关。
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岩土工程研究
考虑实测锤击数影响的动力触探杆长修正系数研究
刘慧, 沈志平, 付君宜
岩土力学. 2023 (7):  2050-2063.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1158
摘要 ( 266 )   PDF(11696KB) ( 159 )  
现行规范中动力触探锤击数修正系数的确定需考虑实测锤击数影响,而业内对此少有研究。在一次人工做功击打时,动力触探落锤和探杆通过碰撞传递机械能,基于一维碰撞理论,若恢复系数不为0,则二者碰撞后速度不等,在重力和土阻力作用下会继续碰撞。推导了仅计算首次碰撞后探杆能量、计算首次碰撞后落锤与探杆能量之和及计算首次碰撞后有限次碰撞3种计算方案下的杆长修正系数计算方法。研究结果表明:在碰撞过程中和在一次人工做功击打的两次碰撞间是否考虑土体阻力作用,对杆长修正系数的计算都有影响。使用计算首次碰撞后落锤与探杆能量和的计算函数对现行规范中杆长修正系数拟合,得到重型和超重型决定系数分别为0.993 5、0.975 1。仅考虑两次碰撞间土体对探杆阻力的影响,使用计算首次碰撞后有限次碰撞的计算方法,当恢复系数≤0.3时,计算得到的杆长修正系数随锤击数增大而减小。
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隧道地表高压旋喷加固的浆液渗透范围计算方法
徐华, 张瑜, 郭国和, 蔡敏, 李奕信, 陈壮,
岩土力学. 2023 (7):  2064-2072.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1159
摘要 ( 156 )   PDF(9459KB) ( 124 )  
由于隧道浅埋段软弱围岩地表高压旋喷加固后具有整体性好、强度高及渗透性低等优点,已被逐渐应用于实际工程,但高压旋喷浆液的渗透范围受到孔隙率、渗透路径及施工参数的影响难以确定。通过考虑岩土体性质、浆液流体力学特性及渗透路径等因素影响,基于圆孔扩张理论,建立浆液渗透范围的平面分析模型,推导出高压旋喷浆液的径向渗透范围计算公式,分析其适用范围及参数取值方法;结合现场开挖验证理论计算公式的可靠性,探讨影响浆液渗透范围的主控因素。研究表明:理论计算与现场实测的浆液渗透径向范围分别为成桩半径的0.630倍、0.618倍,两者相差仅2%,能较好地体现隧道浅埋段软弱围岩特性及各施工参数的影响;随岩土体孔隙率、浆液水灰比、旋喷压力的增大以及迂曲度的减小,浆液渗透范围呈增大的变化规律。该方法可为隧道软弱围岩地表高压旋喷加固的桩间距及桩径设计、加固效果评价等提供理论参考。
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间歇性强降雨诱发滑坡对抗滑桩非线性力学响应分析
张治国, 毛敏东, 朱正国, 赵其华, 吴钟腾,
岩土力学. 2023 (7):  2073-2094.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1213
摘要 ( 133 )   PDF(30620KB) ( 246 )  
目前关于抗滑桩力学响应研究还较少考虑间歇性强降雨环境所带来的影响,不能体现多次降雨入渗与太阳辐射蒸发环节,尤其是降雨环境中抗滑桩的非线性力学解析机制研究还十分少见。基于改进的间歇性强降雨Green-Ampt模型,引入非线性Pasternak地基模型,研究间歇性强降雨诱发滑坡对抗滑桩的力学响应。首先,考虑干湿循环和水分蒸发理论,提出改进的间歇性降雨Green-Ampt入渗模型,将湿润锋作为潜在滑动面,并假设滑坡土体均质,获取降雨诱发的滑坡推力大小;其次,基于非线性Pasternak地基模型探讨桩−土相互作用,采用Newton迭代差分法求得间歇性强降雨诱发滑坡对抗滑桩的力学响应解;最后,通过与既有工程案例对比,获得较好的一致性。此外,进一步揭示了间歇性降雨总次数、间歇时长、平均温度、边坡倾角及降雨强度等降雨敏感参数对湿润锋特性和抗滑桩力学响应规律。结果表明:当降雨强度从6 mm/h提高到20 mm/h时,抗滑桩位移增幅为116.82%;当温度从10 ℃上升到40 ℃时,抗滑桩位移增幅为43.15%;间歇性降雨下湿润锋深度发展呈现“阶梯”上升趋势,存在“欠饱和层→饱和层”;随着间歇性降雨次数的增加,边坡土体湿润锋不断向下推进,当到达一定位置时将诱发滑坡,滑动区厚度和滑坡推力同时增加,抗滑桩变形和弯矩也随之越来越大,其发展趋势呈现出逐渐减小后逐渐收敛至某一特定值;间歇时长和间歇性降雨总次数与抗滑桩变形和弯矩呈现负相关关系;而平均温度、边坡倾角和降雨强度与抗滑桩变形和弯矩呈现正相关关系。
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基于修正幂律模型的高填方蠕变沉降简化算法
黄建, 德圃榕, 姚仰平, 彭仁, 齐吉琳
岩土力学. 2023 (7):  2095-2104.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1245
摘要 ( 117 )   PDF(9870KB) ( 132 )   PDF(English)(498KB) ( 9 )  
高填方地基填筑完成后的蠕变沉降持续时间长且不容忽视,其计算则是判断沉降是否稳定以及安排后续施工的重要依据。针对传统幂律模型计算土单元一维蠕变变形的不足进行了修正,在此基础上提出的蠕变变形公式可以统一描述黏土、砂土和土石混合料的一维蠕变变形。该变形公式满足变形随时间的发展趋于定值而不是无限增长的要求,并且只有两个参数,均可以通过固结试验确定。在该变形公式基础上发展出了高填方地基蠕变沉降的简化算法。该简化算法只有两个参数,通过现场的沉降监测数据确定。基于陇南成县机场、沧源佤山机场和吕梁大武机场高填方的沉降监测数据,将简化算法的拟合和预测结果与岩土工程中常用的3种曲线拟合算法进行对比。结果表明,所提出的蠕变沉降简化算法能够更有效、更准确地预测高填方蠕变沉降。
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基于荷载结构法和强度折减法的人防工程安全性评估方法
曹嘉祺, 王洪新, 王平, 孙德安,
岩土力学. 2023 (7):  2105-2114.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1292
摘要 ( 176 )   PDF(9902KB) ( 121 )  
科学有效地对既有人防工程结构进行安全评估,已成为保证城市地下安全的关键。为了克服现有安全评估方法的不足,提出了基于荷载结构法和强度折减法的安全评估方法。利用荷载结构法,将土体对人防工程衬砌的作用转化为荷载以及地基弹簧作用,采用混凝土损伤塑性模型模拟衬砌结构损伤情况,通过荷载增大法和刚度折减法得到衬砌的安全系数值K1;采用强度折减法对土体−衬砌进行有限元建模分析,得到结构或围岩土体破坏时的安全系数值K2。结构的整体安全系数K为两者的较小值。利用上述方法分析了裂缝工况、水位变化等不同因素对结构安全系数的影响。结果表明:荷载结构法和强度折减法均可用于人防工程结构的安全评估;结构的安全系数主要受裂缝和水位的影响,裂缝越深,对结构的安全越不利,安全等级越低;当地下水位高于结构底部且内部渗水时,水位越高,结构越安全;结构内部不渗水时,水位越高,结构安全系数越小。人防工程结构安全的定量评估有利于工程后续处置,研究成果为地下结构安全评估提供了新途径。
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考虑力学参数不确定性的岩质边坡开挖卸荷响应概率评价
刘国锋, 冯坤, 晏长根, 丰光亮, 徐鼎平, 周迟,
岩土力学. 2023 (7):  2115-2128.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1498
摘要 ( 196 )   PDF(16392KB) ( 160 )   PDF(English)(36523KB) ( 11 )  
鉴于目前关于节理岩体力学参数空间变异性表征及存在潜在滑移面边坡的可靠性问题研究较多,但对于岩质边坡力学参数空间变异性影响及开挖卸荷响应(变形与塑性区)不确定性分析的研究较为有限。提出考虑力学参数不确定性的岩质边坡开挖卸荷响应概率评价方法,该方法以室内岩石力学试验及现场地质勘察测绘数据为基础,利用Hoek-Brown经验准则与Monte Carlo分析手段,构建了以岩石单轴抗压强度(uniaxial compressive strength,简称UCS)、地质强度指标(geological strength index,简称GSI)和节理工程参数为输入的边坡岩体力学参数概率统计模型,并采用卡方检验进行模型的吻合度检验;基于点估计原理构建岩体力学参数组合方案,并结合数值模拟开展边坡开挖过程的仿真分析,获得边坡开挖后整体安全系数及位移及塑性区的概率分布。利用该方法对在建京秦高速沿线某路堑边坡岩体力学参数及开挖卸荷响应进行分析,得到了岩体强度、弹性模量、黏聚力与内摩擦角的取值及不确定性分布,采用点估计与FLAC3D模拟分析,得到了边坡安全系数及典型观测点的位移与塑性区分布结果,并与实测值进行对比,结果表明该方法的适用性较高。该研究为岩质挖方边坡的力学参数估计及稳定性分析评价提供了一种有效途径,能够为实际工程施工决策提供重要参考依据。
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数值分析
地震波斜入射下岩质边坡放大效应的数值模拟研究
申辉, 刘亚群, 刘博, 李海波,
岩土力学. 2023 (7):  2129-2142.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1494
摘要 ( 252 )   PDF(15160KB) ( 219 )  
近源地震中,地震波入射角对岩质边坡的放大效应影响显著。基于黏弹性人工边界理论和等效节点力原理,结合有限单元法建立了可以考虑地震SV波和P波斜入射的地震动输入方法,研究了岩质边坡的坡角、地震波入射角以及入射波类型对边坡放大效应的影响规律。边坡峰值地面加速度(peak ground acceleration,简称PGA)放大系数结果表明,若仅考虑地震波垂直入射的情况,边坡的动力放大效应可能会被严重低估。此外,边坡坡角的变化和入射波类型的改变也对边坡的放大效应有显著的影响。将计算得到的PGA放大系数与相关规范中建议的放大系数对比发现,规范建议值在一些情况下低估了放大效应。边坡坡顶的加速度频谱结果显示,地震波入射角对坡顶加速度傅里叶谱的主频影响较小,但对其傅里叶谱的幅值影响较大。随着SV波入射角的增大,坡顶水平加速度傅里叶谱幅值整体上变化不显著,而竖向加速度傅里叶谱幅值逐渐增大;随着P波入射角的增大,坡顶竖向加速度傅里叶谱幅值逐渐减小而水平向幅值逐渐增大。引入谱比曲线定量评估了不同入射条件下边坡坡顶的谱放大效应,获得了坡顶谱比峰值的变化规律。
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基于裂隙连续方法的三维裂隙岩体渗流传热数值模拟
刘东东, 魏立新, 徐国元, 项彦勇,
岩土力学. 2023 (7):  2143-2150.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1230
摘要 ( 234 )   PDF(11989KB) ( 201 )   PDF(English)(42949KB) ( 5 )  
模拟裂隙岩体渗流传热的主要困难在于岩体各种尺度上的非均质性。为了兼顾裂隙岩体渗流传热过程模拟的效率和精度,将二维裂隙连续方法拓展到三维问题中,应用深度优先搜索算法挑出对网格块渗透性有贡献的有效裂隙,综合考虑有效裂隙和岩石基质作用给出网格块的等效渗透率张量,采用Matlab对COMSOL Multiphysics有限元软件进行二次开发,生成由不同渗透率网格块组成的三维裂隙连续模型。数值模拟结果表明:裂隙连续模型结合了随机连续介质模型和离散裂隙模型的特点,既能避免处理裂隙网络的复杂性,又能考虑岩体渗透率的空间变异性,兼顾了模拟效率和精度;当岩石基质渗透率与裂隙渗透率比值的数量级在10−4~10−6范围内时,有效裂隙网络模型的流量计算误差会超过5%。
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可发性聚笨乙烯板减载条件下高填方箱涵长期受力特征与减载效果
高琦, 陈保国, 吴森, 袁山, 孙梦尧
岩土力学. 2023 (7):  2151-2160.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1181
摘要 ( 223 )   PDF(8803KB) ( 103 )   PDF(English)(14783KB) ( 9 )  
在高填方箱涵顶部铺设可发性聚苯乙烯(expandable polystyrene,简称EPS)板降低其荷载已经在工程中得以应用,而EPS板的蠕变会使箱涵受到的土压力随时间发生变化。现有的箱涵设计理论未能明确的反应EPS板的长期减载效果以及箱涵长期受力特性。开展了EPS板减载条件下箱涵短期受力特性模型试验,并利用模型试验结果验证数值模型。之后利用验证后的数值模拟方法分析涵−土体系应力重分布规律以及高填方箱涵长期受力特征;在此基础上提出涵−土体系力学模型,推得涵顶长期土压力计算方法,并与数值模拟结果进行对比验证。研究表明:涵顶土压力先随时间逐渐减小,然后会出现小幅增大,最终趋于稳定,对比填土完成时土压力减小了52.12%;涵侧竖向土压力和水平土压力总体上均随着时间逐渐增大并趋于稳定,涵侧上部范围内最终水平土压力比填土完毕时增长了28.32%;基底土压力也是先增大后趋于稳定。实际工程中侧墙的设计应考虑EPS板蠕变引起水平土压力的增加,避免箱涵侧墙在长期使用中产生受弯破坏。
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测试技术
超深钻岩芯地质环境真三轴试验装置研制及应用
石磊, 张希巍,
岩土力学. 2023 (7):  2161-2169.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1697
摘要 ( 211 )   PDF(11445KB) ( 179 )  
为研究超深部岩芯的变形与破裂行为,研制了超深钻岩芯地质环境真三轴试验装置。该装置主要用于测试超深钻岩芯加工的试样(25 mm×25 mm×50 mm)在真三轴应力下的全应力−应变行为、循环加卸载破裂行为和时效变形行为,解决了试样变形测量不准确、加载系统低刚度、高油压与作动器压力互相干涉等技术难题。利用该装置完成了山东黄金集团三山岛金矿西岭副井工勘孔岩芯真三轴应力下力学行为的测试,发现:循环加卸载弱化了试样的脆性破裂特征,诱导3个方向的变形表现出各向异性;分级蠕变试验中,试样3个方向的变形均表现出初始蠕变、稳态蠕变、加速蠕变,且3个方向的蠕变速率均随偏应力的增加近似线性增加。
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砾石土料的湿化变形试验技术难点与解决方法
左永振, 程展林, 潘家军, 周跃峰, 赵娜
岩土力学. 2023 (7):  2170-2176.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1270
摘要 ( 189 )   PDF(6948KB) ( 102 )  
砾石土心墙料的大尺寸样品湿化变形试验难度极大,这主要是砾石土料的性质决定了其饱和固结排水困难、样品难以达到饱和状态、试验周期太长。从试验技术、测试方法等方面进行攻关,分析试验成果出现偏差的原因并修正,针对砾石土湿化变形离散性大、存在应力饱和问题,进行了艰难地研究探索。通过对湿化试验过程中的体变修正、进水量修正、饱和度实时计算、成果离散性处理等关键细节的严格把控,最终成功地完成了典型砾石土料的湿化变形试验,获得了规律性较好的砾石土心墙料湿化变形成果。试验过程中出现的异于常规的现象,如围压施加过程中三轴压力室的整体向上变形、高应力状态下没有湿化变形量等,通过试验数据分析和理论分析,最终都得到了合理的解释,加深了对砾石土心墙料土工试验技术和砾石土料湿化变形的认识。
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