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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11期 刊出日期:2023-11-28
基础理论与实验研究
承压水地层基坑抗突涌稳定性的计算方法
黄茂松, 刘奕晖, 俞剑, 李弈杉,
岩土力学. 2023 (11):  3071-3081.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1728
摘要 ( 691 )   PDF(4688KB) ( 659 )  
现行规范计算基坑抗突涌稳定性采用压力平衡法,该方法未考虑上方土体强度和基坑尺寸的影响,对接近临界承压水压力情况的评价偏于保守。针对上述问题,首先根据强度折减原理定义安全系数,采用有效应力分析并考虑基坑被动区的存在,改进了已有的考虑土体四周抗剪强度抗突涌计算方法,并基于弹性板理论提出了新的基坑抗突涌计算方法;随后在平面应变条件下利用强度折减有限元计算结果进行了讨论,并进一步分析了基坑长宽比的影响;最后对工程实例进行了计算分析。分析表明,改进后和新提出的方法相较于现有方法能更好地说明基坑抗突涌稳定性随承压水压力的变化情况,在保证工程安全的前提下提高经济性。
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法向循环荷载下土石混合料-织物界面剪切特性研究
李水江, 姚嘉敏, 刘飞禹, 刘洪波, 侯娟,
岩土力学. 2023 (11):  3082-3090.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1831
摘要 ( 170 )   PDF(9952KB) ( 186 )   PDF(English)(719KB) ( 4 )  
筋-土界面动力剪切特性会影响加筋土石混合料路基的稳定性和耐久性。采用室内大型动态直剪仪,对5种含石量(0%、25%、50%、75%和100%)下的土石混合料-土工织物界面进行了一系列静、动力直剪试验,分析了法向应力振幅(10、20、30、40、60 kPa)和法向加载频率(0.5、1.0、2.0 Hz)对界面剪切响应的影响规律,并在试验的基础上建立了界面摩擦系数的经验公式。结果表明:界面上、下界抗剪强度随含石量的增大表现为先增大后减小的趋势,并与法向应力振幅呈正相关关系,与法向加载频率呈负相关关系;增大含石量会使界面剪胀效应增大,增大振幅和频率会使其减小;含石量和振幅的增大会导致界面摩擦效应增强;在试验的基础上建立了与含石量、振幅、频率相关的界面摩擦系数经验公式,与试验结果吻合较好。
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静钻根植桩扩底桩端极限承载性能的试验研究
王卫东, 王萌, 吴江斌,
岩土力学. 2023 (11):  3091-3098.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0818
摘要 ( 136 )   PDF(4070KB) ( 169 )   PDF(English)(564KB) ( 4 )  
静钻根植桩是一种绿色环保的新型植桩工法,采用下段竹节桩与桩端扩底相结合的方式,大幅提升了单桩承压或抗拔承载力,在江浙沪地区已取得了大量应用实践,但限于目前的研究现状,对于桩端扩大头的承载性能不甚明晰。基于自平衡静载试验方法,对桩端扩大头的极限抗压承载性能开展了试验研究。研究结果表明:实测桩端扩大头极限承载力相比规范计算结果提高了40%,反分析得到上海⑦层粉砂的极限端阻力折减系数为0.72~0.81,明显高于规范建议取值0.50~0.55;桩端扩大头的承载能力完全发挥所需的桩顶位移值约为0.03倍桩径,且主要由端承力控制;静钻根植桩全桩身承载能力中,扩大头部分占比达64%~67%,扩大头结构完整性对静钻根植桩工作性能起到关键作用。
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基于连续-非连续分析理论的隧道围岩破坏区判识方法研究
肖明清, 徐晨, 杨剑, 吴佳明, 付晓东, 周永强,
岩土力学. 2023 (11):  3099-3108.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0652
摘要 ( 174 )   PDF(38504KB) ( 231 )   PDF(English)(546KB) ( 3 )  

准确分析隧道挖破坏区的范围对合理确定支护参数有着重要的指导作用和工程意义,主要围绕连续介质分析方法和以有限元-离散元耦合方法(finite element-discrete element coupling method,简称FDEM)为代表的连续-非连续方法开展了隧道围岩破坏区判识方法研究。研究了连续介质分析方法与FDEM识别围岩破坏的判别标准;将岩体划分为弹性的岩石单元和弹塑性的界面单元,基于等效连续模型的思想,推导了界面单元力学参数与岩石单元及岩体单元力学参数的关系表达式,首次建立这两种方法参数取值的联系,解决了连续-非连续方法取值难的问题;对比了两种方法模拟不同岩性、断面铁路隧道开挖过程中围岩破坏区范围。基于规范中各级围岩的力学参数取值范围,给出了各级围岩下以FDEM中罚参数和断裂能等围岩主要破坏参数的取值范围;FLAC3D为代表的连续介质方法和FDEM两种方法对不同岩性、断面铁路隧道开挖过程模拟结果表明,连续介质方法得出的塑性区和以塑性极限应变得出的破坏区域和连续-非连续方法得出的裂纹扩展区和破坏区在分布范围、形态及破坏形式上基本一致,验证了提出的FDEM围岩破坏参数取值方法是合理可行的。

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考虑潜水面的基坑二维稳态渗流场解析解
余俊, 张扬, 郑靖凡, 张志中
岩土力学. 2023 (11):  3109-3116.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.2019
摘要 ( 135 )   PDF(1927KB) ( 107 )  
对考虑潜水面悬挂式止水帷幕支护下的基坑二维稳态渗流场进行了解析研究,并给出一种求解潜水面的解析方法。根据对称性取基坑半截面,并根据边界的连续条件将其分为3个规则区域,使用分离变量法分别将3个区域的水头分布表示为级数解的形式,结合区域之间的连续性条件及级数正交条件得到各区域渗流场的显式解,根据潜水面所满足的总水头等于位置水头的条件确定潜水面。将解析解方法计算结果与室内试验、有限元分析结果进行比对分析,结果验证了解析解的正确性,解析方法相较于有限元数值方法具有更高效的计算效率。对潜水面位置进行参数分析,发现止水帷幕插入深度、基坑宽度及深度对潜水面位置有不可忽视的影响。随着过水断面厚度的增加,潜水面位置逐渐降低,不考虑极端状态的情况下可认为帷幕底部至不透水层顶面的距离与潜水面在止水帷幕上的位置呈线性关系;随着基坑尺寸的增加,潜水面位置呈下降趋势,基坑内侧半宽度对潜水面的影响明显小于帷幕底部至不透水层顶面的距离,且随着基坑内侧半宽度的增加影响越来越小;潜水面位置随着基坑深度的增大而降低,基坑深度对潜水面位置的影响相对较大。
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欠压密饱和黄土基本物理力学性质研究
康佐, 亢佳伟, 邓国华,
岩土力学. 2023 (11):  3117-3127.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1840
摘要 ( 241 )   PDF(4137KB) ( 155 )  
黄土浸水可形成两类工程性质差异较大的压密饱和黄土或欠压密饱和黄土。通过对西安地区22个黄土场地的试验和数据统计,分析了两类饱和黄土性质的差异,系统地研究了欠压密饱和黄土的基本物理力学性质,揭示了其具有饱水软弱性和失水大变形的根本原因,归纳得到了西安地区欠压密饱和黄土的物理力学特征指标,为科学研究和工程实践中严格区分两类饱和黄土、分类制定技术措施提供了依据。研究表明:欠压密饱和黄土是黄土浸水过程中未被充分压密、大孔隙结构仍然存在的土,在Q3和Q2上部地层中均有揭露,其具有大孔隙比、高含水率、中高灵敏度、中高压缩性、低承载力和强度等特征,一般处于软塑或流塑状态,其与湿陷性黄土、古土壤和压密饱和黄土邻近分布,形成了软硬不均的地层组合特征。
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硬岩开挖诱发扰动应力旋转规律及其对岩体破裂的影响
孙钱程, 刘越, 王庆文, 李邵军, 郑民总,
岩土力学. 2023 (11):  3128-3140.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1726
摘要 ( 139 )   PDF(1014KB) ( 189 )   PDF(English)(895KB) ( 2 )  
针对深部地下工程扰动应力场变化诱发围岩损伤破裂的问题,在详细分析锦屏地下实验室Ⅱ期工程扰动应力场测试数据的基础上,解译了不同施工过程下扰动应力场的变化规律,分析了主应力方向的变化模式,通过对照分析岩体原位钻孔成像,揭示了主应力方向变化对围岩破裂的影响。研究结果表明:中导洞开挖阶段是扰动应力场变化最活跃的阶段,开挖掌子面向监测断面推进的过程中主应力方向的变化模式以应力回旋为主,开挖掌子面远离监测断面推进的过程中主应力方向的变化模式以应力旋转为主,主应力方向出现最大变化幅度的位置在距离边墙4.5 m测点处;边墙扩挖阶段,主应力方向的变化模式以应力旋转为主,主应力方向出现最大变化幅度的位置在距离边墙2.5 m测点处;扰动应力方向变化直接影响岩体裂隙发育的形态和走向,大角度旋转的应力容易诱发张拉裂隙以及拉-剪混合型裂隙,小角度旋转时更倾向于诱发破裂面偏转角度与应力旋转角度相当的、具有凹凸形态的剪切裂隙,大角度回旋的应力多形成相互交叉的“X”型剪切裂隙。基于实测扰动应力的研究结果可为深埋高应力硬岩开挖的扰动应力场变化规律及其对岩体破裂发展的影响研究提供参考。
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新型框架通风锚杆支护多年冻土边坡降温效果及力学效应试验研究
董建华, 师利君, 吴晓磊, 王璐,
岩土力学. 2023 (11):  3141-3150.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1743
摘要 ( 81 )   PDF(22888KB) ( 216 )  
新型框架通风锚杆是自主研发的一种冻土边坡柔性支挡结构,具有广阔的应用前景。为了探究新型框架通风锚杆的降温效果及力学效应,设计了能够加载、变角度且可同时测得温度、水分、风速及内力的多功能冻土实验箱,并搭建了新型框架通风锚杆支护多年冻土边坡的室内试验,得到了不同时期内边坡温度、水分、风速及支挡结构内力变化规律。试验结果表明:越靠近通风锚杆,土体温度和水分变化越明显,新型通风锚杆能吸收冷量并沿轴向和径向传递和扩散,具有良好的降温效果,并保持冻土边坡的冻结状态。新型通风锚杆内风速变化规律与外界风速变化较为一致,外界风速越大,新型框架通风锚杆降温效果越明显。不同时期内,新型锚杆轴力呈抛物线型变化,冻结期轴力大于融化期,且冻结期框架内力是融化期的2~3倍。研究结果可为新型框架通风锚杆的设计和工程应用提供指导。
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低温养护下电石渣激发偏高岭土基地聚物固化土力学特性及固化机制研究
刘凤云, 罗怀瑞, 万旭升, 路建国
岩土力学. 2023 (11):  3151-3164.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1100
摘要 ( 96 )   PDF(853KB) ( 116 )  
为解决使用水泥固化冻土时热扰动大及水泥带来的碳排放等问题,采用电石渣作为碱激发剂激发偏高岭土基地聚物固化土质,研究偏高岭土掺量、电石渣掺量、养护温度和养护龄期对固化土抗压强度的影响规律,并与水泥固化土进行平行对比,采用X射线衍射和电镜扫描等试验方法进行微观分析,揭示其固化机制。试验结果表明:偏高岭土和电石渣均存在最优掺量,当掺量小于最优掺量时发挥积极作用,超过时则会产生反作用。其中偏高岭土和电石渣的最优掺量分别为10%和6%,最优掺量试样在20、–2、–10 ℃养护28 d的抗压强度分别为3.783、1.164、0.901 MPa。电石渣激发偏高岭土基地质聚合物主要产物有无定型的水化硅酸钙、水化铝酸钙凝胶,是固化土抗压强度提升的主要原因。地聚物固化土在–2 ℃和–10 ℃养护28 d的抗压强度相较于在20 ℃养护28 d分别降低69%和76%,冻结状态下土体冰晶扩张土孔隙,同时促使裂缝生长,降低地质聚合反应效率,聚合产物数量减少。试样抗压强度随养护龄期的增加而增加,地质聚合反应产生的硅铝网格结构随养护龄期的增加而增多,使土体内部结构相互交织联结,形成更加密实的结构。地质聚合反应受到低温影响较小,地聚物固化土在20、–2、–10 ℃养护28 d的抗压强度分别为水泥固化土的1.07、1.13和1.19倍。研究结果可为地聚物在冻土区路基土质加固的应用奠定一定的理论基础。
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砂土特征状态线及不排水特性的初始状态分区
王宁博, 姚仰平,
岩土力学. 2023 (11):  3165-3174.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1111
摘要 ( 152 )   PDF(470KB) ( 114 )  
砂土不排水特性表现出强烈的初始状态依赖性,为深入探究砂土这一特性,介绍了e-lnp(e为孔隙比,p为围压)平面内砂土已有与不排水特性有关的初始状态特征线,即最松固结线(loosest consolidation line,简称LCL)、静态液化分界线(static liquefaction dividing line,简称LDL)以及准稳态分界线(quasi steady-state dividing line,简称QDL),并在引入砂土正常压缩线(normal compression line,简称NCL)的基础上,结合剪胀和屈服理论,补充论证了LDL的存在性,给出了QDL的简易确定方法。基于特征状态线,将砂土初始状态进行了分区,分别为I静态液化区、II应变软化区、III准稳态区、IV应变硬化区,使得砂土在同一初始状态特征区表现出相似的不排水剪切特性。分析了初始状态分区的应用,包括理论应用与工程应用,以期为砂土不排水特性初始状态依赖性的理解及相关工程实际提供指导。
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离心机振动台模型试验验证的珊瑚礁砂液化判别方法研究
梁小丛, 陈平山, 刘志军, 王永志, 朱明星,
岩土力学. 2023 (11):  3173-3181.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0779
摘要 ( 103 )   PDF(552KB) ( 112 )  

工程现场珊瑚礁砂场地主要以珊瑚砂、砾组成的宽级配珊瑚礁砂,其砾粒含量分布从20%~90%,其液化特性与普通石英砂有较大区别,如仍采用现行液化判别方法评估珊瑚礁砂场地液化潜势,则容易导致工程场地的抗液化处理设计不经济或无法满足要求。以中国南海岛礁和东帝汶珊瑚礁砂为研究对象开展了原级配大动三轴试验分析,建立了基于抗液化强度(cyclic resistance ratios,简称CRR)与相对密实度Dr关系液化判别方法,并通过离心机振动试验进行对比分析。结果表明,当采取相同地震动工况时,由动三轴试验产生的超孔压比相比模型试验超孔压比大;当持时增加到30周时(对应震级8级),土体液化深度达20 m,有效证明了珊瑚礁砂场地遭遇强地震动时具有液化潜在风险。此外,通过液化判别计算,验证了基于CRR-Dr关系的液化判别方法准确率达82.5%,且判别不一致工况的判别结果偏保守,进一步验证了此方法可应用于工程抗液化设计。

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土工合成材料缓冲层减压膨胀土挡墙侧向压力的实用预测方法研究
樊科伟, 邹维列, 王柳江, 廖洁, 刘斯宏,
岩土力学. 2023 (11):  3182-3190.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1089
摘要 ( 97 )   PDF(684KB) ( 79 )  
回填膨胀土吸水至饱和状态时,土工合成材料缓冲层减压膨胀土挡墙墙后侧向压力的预测方法,对减压膨胀土挡墙的设计至关重要。假定膨胀土变形由吸水膨胀变形和外力压缩变形组成,以弹性理论为基础推导了膨胀土弹性模量和膨胀力的计算公式,公式参数通过膨胀土有荷膨胀试验确定;基于减压挡墙中回填膨胀土吸水至饱和时土工合成材料缓冲层与回填膨胀土间相互作用关系与变形协调条件,建立了一种土工合成材料缓冲层减压膨胀土挡墙侧向压力的实用预测方法。根据土工袋缓冲层减压膨胀土挡墙和土工泡沫板缓冲层减压膨胀土挡墙模型试验结果,对提出的预测方法进行了验证,结果表明通过预测方法得到的计算结果与模型试验中实测结果具有良好的一致性。
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基于OpenGeoSys的天然气水合物降压开采热-水-力耦合分析模型
叶智刚, 王路君, 朱斌, 陈云敏,
岩土力学. 2023 (11):  3191-3202.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1012
摘要 ( 119 )   PDF(1942KB) ( 166 )   PDF(English)(399KB) ( 4 )  
天然气水合物是突破世界能源瓶颈的重要潜在途径,降压法是目前公认最经济有效的开采方法。降压开采时会引起固相水合物分解、液气产生与运移、热量传递及沉积物骨架变形,表现出温度场、液气渗流场、应力应变场间强烈的热-水-力(T-H-M)耦合响应,易诱发开采井倾斜、储层塌陷等灾变。基于开源有限元平台OpenGeoSys及其已有的饱和土T-H-M耦合模型,通过嵌入水合物动力分解方程表征固相水合物分解为气液相过程,引入水气质量守恒描述液气相变特性;在此基础上采用非线性互补方法(nonlinear complementary problem,简称NCP)结合特殊主变量选取严格框定液气饱和度范围,并将水合物动力分解速率与控制方程源汇项予以关联;构建了开源的水合物开采T-H-M耦合分析模型。通过与室内降压分解试验和大尺度数值模型对比,验证了该模型的适用性和正确性,并探讨了水合物开采过程中孔隙水压缩性对沉积物T-H-M耦合过程的影响。结果表明:本模型求解水合物分解引起的固液气相变与液气相生成或消失等强非线性问题时稳定性好;降压开采过程中水合物由近及远逐渐分解,产生气液逐渐向边界处运移并逐渐达到稳定运移状态,气、液相饱和度渐趋稳定;受气相溶解的影响,气相饱和度发展滞后于液相饱和度;高孔隙压力下孔隙水压缩性对远端孔压与骨架变形影响显著。
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花岗岩残积土剪切带上的细观结构损伤规律
黎澄生, 孔令伟, 舒荣军, 刘智军, 张炳鑫,
岩土力学. 2023 (11):  3203-3212.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1732
摘要 ( 129 )   PDF(8070KB) ( 161 )   PDF(English)(684KB) ( 3 )  
剪切带和裂隙演化对土体滑坡至关重要,裂隙是土体中最薄弱的区域,但是当前缺乏用于定量分析剪切带上细观结构损伤规律的方法。为了揭示花岗岩残积土内部裂隙对剪切变形破坏的影响,利用CT扫描获得试样在三轴加载过程中不同加载阶段的数字体图像,基于数字体图像相关方法(digital volume correlation,简称DVC)把复杂三维裂隙的坐标进行转换,根据加载前后的裂隙在三维空间的重叠特征提出改进的裂隙分类方法,将裂隙分为8种:湮灭型裂隙、新生型裂隙、继承型裂隙、拆分型裂隙、合并型裂隙、复合-新生型裂隙、复合-继承型裂隙和复合-混合型裂隙。结果显示:新生型裂隙和复合型裂隙与剪切带演化紧密相关。随着轴向应变的增大,剪切带上的新生型裂隙和复合-新生型裂隙呈增大趋势,当轴向应变为12%时新生型裂隙体积含量超过50%;复合-继承型裂隙呈快速衰减特征,而复合-混合型裂隙呈先增大后衰减的趋势。在剪切带萌生初期,剪切带内部生成少量新生裂隙,但裂隙是材料中最薄弱的区域,因此新生裂隙加速了剪切带的发育;随着剪切带的发育,大量新生裂隙使剪切带上的细观结构损伤更为严重;剪切带与裂隙之间互相耦合影响,最终使土体发生破坏。
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坡底饱和型黄土滑坡离心模拟试验
赵宽耀, 许强, 高登辉, 刘方洲, 彭大雷, 陈婉琳,
岩土力学. 2023 (11):  3213-3223.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0413
摘要 ( 77 )   PDF(1945KB) ( 108 )  
黄土极具结构性和水敏性,人类活动及自然因素作用下的水致地质灾害备受关注,其中坡底饱和型黄土边坡极易失稳破坏并造成危害。基于离心模拟手段,采用未扰动原状黄土制作模型,自主设计模型后缘渗水装置,模拟坡底饱和型黄土边坡的失稳过程;通过模型顶部视频监测、侧面粒子图像测速(particle image velocimetry,简称PIV)分析、底部孔隙水压力及土压的联合监测手段,分析其失稳破坏特征,并结合现场滑坡演化特征进行验证对比。主要得出以下结论:加速度达80g时,模型底部饱和,前缘出现滑移、后缘发生塌陷及内部湿陷,呈多元破坏形式;模型侧面位移表现为滑移前的表层张拉变形、底部湿陷变形及后缘塌陷前的顶部沉降变形;模型底部高孔隙水压力区分布于大面积滑移和塌陷区域下方,表征了坡底高水位对破坏的影响及底部水渗流的不均匀性;模型滑移破坏与现场滑坡具相同演化进程:坡底饱和-张拉裂缝-后退式小型滑移-水位抬升-后退式大型滑移。研究成果可为原状黄土的模型试验研究思路及原位滑坡的多元破坏机制研究提供借鉴。
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考虑弹塑性卸荷的柱孔和球孔反向扩张解
张家奇, 赵春风, 赵程, 吴悦, 龚昕,
岩土力学. 2023 (11):  3224-3234.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1770
摘要 ( 76 )   PDF(396KB) ( 84 )  
为研究卸荷对灌注桩、隧道等复杂受力岩土结构的影响,建立了考虑弹塑性卸荷的圆孔反向扩张简化解模型。该模型在应力计算中采用了叠加法的思想,在反向塑性区采用了非关联的Mohr-Coulomb准则、塑性区大应变假设和忽略塑性区弹性应变的假设。研究表明,圆孔反向扩张过程可划分为弹性阶段和两个弹塑性阶段。当孔压重新加至初始值时,不论柱孔还是球孔其半径均未能恢复到初始值,且在孔周存在一定范围的应力薄弱区。与经典原位扩张解相比,当圆孔压力增至一定值后圆孔反向扩张的屈服面发展、圆孔应力变化及孔周应力场将与之趋于一致。忽略塑性区的弹性应变假设会使简化解的土体位移偏小,极限扩张压力偏大,但对应力相关量的计算没有影响。与Tresca解相比,所提模型考虑了内摩擦角的影响,更接近于土体实际。通过数值模拟建立了圆孔反向扩张的平面应变模型,其应力分析结果与理论模型基本一致。
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砂土应力诱发弹性波速各向异性的试验研究
梁晓敏, 杨朔成, 顾晓强,
岩土力学. 2023 (11):  3235-3240.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0625
摘要 ( 83 )   PDF(5661KB) ( 114 )  
针对砂土弹性模量的各向异性,利用安装在试样上的竖向和水平向弯曲元波速传感器,研究了不同应力状态下丰浦砂试样不同方向的压缩波(P波)和剪切波(S波)波速特征,确定了表征砂土纵观各向异性的弹性刚度矩阵,并探讨了砂土试样中波速各向异性程度随应力状态的演化规律。研究结果表明:在等向应力固结下,丰浦砂试样中不同方向的波速均与围压呈幂函数关系,且存在明显的初始各向异性,试样中沿水平向传播的波速小于沿竖直向传播的波速;在三轴压缩不等向应力固结下,沿竖向传播的弹性波速随竖向应力和水平向应力比值的增加而增加,沿水平向传播的弹性波速随应力比的增加先保持不变后衰减。随着应力比的增加,砂土试样中应力修正后波速的各向异性程度先变化不大后逐渐加剧,这一现象与砂土微观组构的演化有关。
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基坑开挖及降水引起下卧隧道变形的解析解
管凌霄, 徐长节, 王雪鹏, 夏雪勤, 可文海,
岩土力学. 2023 (11):  3241-3251.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1961
摘要 ( 114 )   PDF(647KB) ( 162 )   PDF(English)(520KB) ( 8 )  
基坑开挖及降水打破周围土层的平衡应力场,对下卧盾构隧道造成不良影响。采用两阶段分析法提出了基坑开挖及降水共同作用引起的下卧隧道纵向变形解析解。在第1阶段采用Mindlin弹性解与有效应力原理分别计算出基坑开挖与降水对下卧隧道造成的附加应力;第2阶段将盾构隧道视为Timoshenko梁搁置在Pasternak地基模拟隧道与土的相互作用,通过叠加法推导出隧道纵向变形解析解。通过与工程实例监测数据的对比,验证了方法的正确性,并进一步分析了基坑开挖长度、宽度、深度、隧道埋深、水位降深及与基坑相对位置等因素对隧道纵向位移的影响。结果表明:随着基坑开挖长度、宽度和深度的增加,隧道最大隆起值均明显增大;隧道变形随着隧道埋深的增加而减小;坑内水位降深的增加将导致隧道隆起值减小而沉降值增大;随着隧道轴线与基坑中心距离的增加,可依次为隆起值减小区、沉降值增大区及沉降值减小区。
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基于4D显微成像的非饱和颗粒土微观力学与渗流试验研究
栾纪元, 王冀鹏
岩土力学. 2023 (11):  3252-3260.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1054
摘要 ( 143 )   PDF(760KB) ( 128 )  
非饱和土力学水力-力学相关的微观机制尚不明确,目前缺乏准确的微观试验分析。针对非饱和土试验无损化观测的研究需求,研发了适用微焦点CT(computed tomography,简称CT)扫描系统的微型非饱和三轴试验装置与微型土-水特征曲线试验装置,研发的装置均主要包含压力控制系统、数据采集系统和装置主体,体积轻巧、兼容性高,可分别实现对小型化颗粒状土试样在非饱和三轴剪切试验与非饱和渗流试验的无损动态三维成像。与常规试验设备结果进行对比分析,验证了自研的微型试验装置的精度与可靠性。开展三轴剪切与非饱和渗流的原位CT扫描试验,均获得微米级分辨率三维图像,图像分析所得参量的多尺度演化趋势准确反映了原位试验的宏观应力-应变关系及全局持水能力特性。
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深海超软土动剪切模量与阻尼比特性研究
王奕霖, 李飒, 段贵娟, 李怀亮, 赵福臣
岩土力学. 2023 (11):  3261-3271.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1862
摘要 ( 89 )   PDF(14543KB) ( 146 )  

海底表层的结构物在使用中可能受到动荷载作用,为保证其的长期稳定性,有必要对海床表层的深海超软土动力学特性展开研究。使用Anton Paar MCR302流变仪,采用应变控制模式,对含水率高于液限的深海超软土进行动态剪切测试,研究动态流变参数、动剪切模量G和阻尼比l的变化规律。结果表明,随着剪切应变的增大,深海超软土的变形由可恢复的弹性变形主导逐渐过渡为不可恢复的黏性变形主导。通过建立动态流变参数与动剪切模量G和阻尼比l的关系,探讨了深海超软土的动力特性。根据深海超软土动剪切模量G的变化特征,提出了峰值参考应变的概念,建立了最大动剪模量Gmax与归一化含水率w/wpw为含水率,wp为塑性含水率)的关系。结果还显示,相较于常规黏土,深海超软土的G/Gmax-γγ 为剪切应变)曲线衰减较快,且受塑性指数影响较小。深海超软土的阻尼比整体偏高,并随剪切应变的增大快速上升。根据试验结果,给出描述深海超软土G/Gmax-γλ-γ 曲线的数学模型。

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岩土工程研究
沿缓倾软弱外倾结构面滑动的主动岩石压力计算
陈柏林, 杨文君, 谢强, 彭海游, 叶晓明, 檀康, 周鹏,
岩土力学. 2023 (11):  3272-3279.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0469
摘要 ( 94 )   PDF(2499KB) ( 122 )  

在现行规范中,沿缓倾外倾软弱结构面滑动的边坡主动岩石压力Eak公式未考虑后缘裂隙水压力,导致Eak计算存在偏差。针对这一问题,考虑后缘裂隙水压力,根据力系的平衡关系和几何条件,进行受力分析和简化,推导主动岩石压力计算公式,判断是否存在极值点以及其位置。研究结果表明,与不考虑后缘裂隙水压力相比,Eak的误差达到21.89%~100%;Eak在有实际工程意义区间内存在极大值。针对缓倾岩层倾角θ  和结构面内摩擦角φ 大小进行讨论,当θ >φ 时,坡顶潜在滑裂面宽度b0一般为边坡高度的0.2~1.2倍;当θ φ 时,Eak的极大值出现在坡面位置。本次研究分类完善了计算公式,并对极值点位置和等因素之间的关系进行了分析,对沿缓倾软弱外倾结构面滑动边坡的防治具有理论和工程实践意义。

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基于CPTu的状态相关边界面模型标定研究
汪明元, 孙吉主, 王勇, 杨洋,
岩土力学. 2023 (11):  3280-3287.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0735
摘要 ( 83 )   PDF(927KB) ( 70 )  
对土工结构进行数值分析时,需要引入土的有效应力本构模型,以预测土体变形或液化破坏。然而,由于土单元初始状态的不确定性和缺乏适当的试验结果,模型参数标定经常成为实际工程应用的障碍。在现有边界面模型中引入状态相关的剪胀性概念,使得土体破坏时处于临界状态。基于现场孔压静力触探试验(piezocone penetration test,简称CPTu)的测试数据,提出了模拟单调和循环荷载下土体液化和破坏的边界面模型的参数标定方法。取现场残余强度为室内试验的临界状态,用于标定临界状态线相关参数。基于现有CPTu数据的抗液化强度图,以及震级比例系数与液化等效循环次数之间的联系,建立了土体液化应力比与等效循环次数的关系,在此基础上简要介绍了标定卸载体积模量参数的方法。最后基于CPTu实测地层数据,具体说明了模型相关参数的标定过程。
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考虑地层变异和参数空间变异的浅基础承载力可靠度分析
姜琪浩, 王金铜, 侯波, 张东明, 张晋彰,
岩土力学. 2023 (11):  3288-3298.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0540
摘要 ( 96 )   PDF(8638KB) ( 134 )   PDF(English)(839KB) ( 1 )  
地层不确定性显著影响浅基础承载力,其不确定性主要包括地层变异和参数空间变异性。以往研究已分别研究了地层变异和参数空间变异性对浅基础承载力的影响。旨在建立浅基础承载力的随机概率计算框架,以揭示地层不确定性对浅基础承载能力的影响。其中,使用马尔可夫随机场模拟地层变异。在此基础上,考虑土体参数竖向相关距离的变化,使用对数正态随机场模拟不同地层中土体参数的空间变异性。基于深圳妈湾的钻孔和土体参数数据,根据所提出的计算框架进行浅基础承载力分析。使用子集模拟方法加速计算各方案的可靠度,提出了缩小系数对计算结果进行不同程度的缩减以达到简化考虑空间变异性的效果。定义了贡献率指标以定量计算地层变异和参数空间变异性对浅基础承载力计算结果的影响。结果表明,如果不考虑地层不确定性,传统确定性的承载力计算会高估浅基础的承载力。当钻孔数量较少时,地层变异对承载力计算起主要影响;当钻孔数量充足时,则由参数空间变异主导。
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基于多尺度边缘特征的深度学习电阻率反演方法
刘征宇, 庞永昊, 张凤凯, 万勇, 刘磊, 蔡玉梅, 刘嘉雯,
岩土力学. 2023 (11):  3299-3306.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1767
摘要 ( 120 )   PDF(26742KB) ( 205 )  
直流电阻率法是一种经济、高效的工程地球物理探测手段,对含水构造敏感。线性电阻率反演是实际探测中的主流方法,但其反演结果容易陷入局部最优,产生错误的地质解译。与之相比,无监督反演方法能够采用物理规律和数据挖掘双驱动训练网络,摆脱对真实模型的依赖,具备在实际数据中全局搜索的可行性。在无监督反演方法的基础上,创新了基于多尺度边缘特征的深度学习边界刻画方法。针对反演成像边界模糊的问题,借鉴地震、电磁勘探中多尺度反演的经验,提出了一种电阻率多尺度反演方法,以多尺度反演目标函数作为损失函数修正网络梯度,有效提高了无监督学习反演的边界刻画能力。在上海市域铁路机场联络线1号风井工程开展现场试验,以5号基坑地连墙渗漏点探测为例,探明了15处低阻异常,指导基坑补强作业,验证了方法的可行性和有效性。
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数值分析
三轴剪切条件下胶结型深海能源土应变局部化离散元模拟分析
王思远, 蒋明镜, 李承超, 张旭东,
岩土力学. 2023 (11):  3307-3317.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1070
摘要 ( 142 )   PDF(23370KB) ( 246 )  
天然气水合物(后简称为“水合物”)开采期间会导致其储层的变形和破坏,继而引发一系列的工程问题。为实现水合物安全有效的开采,需要对其赋存条件下的水合物沉积物(后称为“能源土”)的剪切变形特性进行相应研究。采用温-压-力-化胶结接触模型用以考虑水合物的胶结效应和对赋存环境温度压力的敏感性。此外,柔性边界被应用于离散元模拟的三轴剪切试验,用以保证剪切带的充分演化。通过考虑局部变形、孔隙率、平均纯转动率、胶结破坏及组构各项异性等变量研究了剪切带的形成规律及其宏微观机制。结果表明:①在三轴剪切试验中所采用的柔性边界在有效模拟深海能源土的应力-应变及体变响应的同时保证了试样的自由变形。②剪切带在剪切初期应变硬化阶段已经开始萌发,并在应变软化阶段愈发明显。③剪切带内外宏微观参量例如颗粒转动、局部孔隙率变化等均表现出明显差异。④水合物胶结的存在对于其宿主砂土具有双重作用,一方面增强了其强度特性,另一方面作为剪切过程中的薄弱环节率先发生破坏促使剪切带的萌发。研究结果对于理解深海能源土变形中的细观演化机制具有参考价值。
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软土修正剑桥模型参数反演及其应用研究
虞洪, 陈晓斌, 易利琴, 邱俊, 顾正浩, 赵辉,
岩土力学. 2023 (11):  3318-3326.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0932
摘要 ( 128 )   PDF(2631KB) ( 167 )  
土体本构参数的合理取值是数值模拟的重要前提。为准确获取湖州软土修正剑桥模型参数,针对该地区两种典型软土,提出了基于室内试验-神经网络的软土修正剑桥模型参数反演方法。首先,开展了室内三轴固结不排水试验及标准固结-回弹试验,基于室内试验结果确定了湖州地区典型软土修正剑桥模型参数反演区间;其次,基于正交试验设计原理,对基坑开挖过程中不同参数水平下维护结构侧移进行数值计算,根据数值计算结果构造出64组PSO-BP神经网络训练样本;最后,利用构造的训练集对湖州地区软土修正剑桥模型参数进行反演。研究结果表明:反演得到的两种典型软土修正剑桥模型参数临界状态有效应力比M1、M2,压缩参数λ1λ2,回弹参数κ1κ2及孔隙比e1、e2分别为M1=1.076、λ=0.050、κ=0.021、e1=1.712,M2=1.123、λ2=0.038、κ2=0.012,e2=0.967;通过反演参数计算得到的维护结构变形预测值与实测值吻合度较高,其相对误差不超过5%;基于反演参数通过有限元数值计算对基坑变形预测,预测结果验证了反演方法的准确性。针对软土修正剑桥模型参数反演,分析了神经网络训练样本数、输入层节点数对反演结果的影响。研究成果可以为湖州地区类似的基坑工程提供参数支持和技术指导。
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不同形状三维凹陷地形场地对地震动影响比较分析
李小军, 任朋亮, 王玉石, 李再先, 钟康明, 董青,
岩土力学. 2023 (11):  3327-3338.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1866
摘要 ( 107 )   PDF(1732KB) ( 146 )  

采用有限元离散模型、黏弹性人工边界和中心差分积分格式相结合的方法,开展三维凹陷地形场地地震反应计算,分析了P波和SV波入射下均匀弹性半空间三维棱锥形凹陷、半球凹陷和棱柱形凹陷地形场地对场地地震动的影响特征与差异。研究表明:(1)不同形状的凹陷地形对场地地震动的影响差异显著,即棱柱凹陷地形>半球凹陷地形>棱锥凹陷地形,但不同形状凹陷地形影响之间的差异更多地表现在中频范围内;(2)凹陷地形对地震波具有复杂的散射作用,无论是垂直入射的P波还是垂直入射的SV波(仅竖向或水平向地震动输入),在凹陷区及附近均能产生两个方向很显著的地震动,且在SV波垂直入射下的凹陷散射更为强烈,其产生的竖向地震动幅值甚至超过水平向的;(3)凹陷地形可能会产生地震动的地形边缘效应,棱柱形凹陷边缘处地震动被显著地放大,而半球凹陷地形、棱锥形凹陷地形中这一效应相对较弱。研究揭示了凹陷边缘陡峭程度对场地地震动有显著的影响,而且凹陷地形边缘效应可能存在并与凹陷边缘陡峭程度密切相关。这一研究结果对实际工程问题分析给出了重要提示:建立凹陷地形的简化分析模型时需要特别关注凹陷边缘部位的合理处理。研究结果可应用于山区工程建设,特别是桥梁和水坝建设,为其抗震设防考虑不同凹陷形状地形对场地地震动影响的特征及差异,特别是可能出现的地形边缘效应提供参考。

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