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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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2024年, 第45卷, 第1期 刊出日期:2024-01-10
岩土力学卓越论坛
中国大规模盐穴储氢需求与挑战
杨春和, 王贵宾, 施锡林, 朱施杰, 郑铸颜, 刘伟, 范金洋,
岩土力学. 2024 (1):  1-19.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1785
摘要 ( 878 )   PDF(20564KB) ( 539 )   PDF(English)(1308KB) ( 27 )  
氢能是来源广泛且低碳清洁的能源,大力发展氢能产业是实现双碳目标和应对全球能源转型的重要举措。在氢能“制备―储存―运输―应用”全产业链中,储氢难问题长期制约着氢能产业高质量发展。盐穴储氢具有成本低、规模大、安全性高和储氢纯度高等突出优势,是未来氢能大规模储备的重要发展方向,也是我国能源低碳转型的重大战略需求。综合调研了我国制氢产业和氢能消费现状,分析了我国盐穴储氢的需求。调研了国外利用盐穴储存天然气和氢气的技术及工程现状,总结了我国盐穴储气库发展和建设历程。对比了利用盐穴储存天然气、氦气、压缩空气和氢气的异同点,提出我国盐穴储氢面临三大科技挑战:层状盐岩氢气渗透与生化反应、盐穴储氢库井筒完整性管控、储氢库群灾变孕育与防控。研究成果明确了我国氢气储备需求的快速增长趋势和大规模盐穴储氢的重点攻关方向。
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基础理论与实验研究
地下洞室变形破坏物理模拟的力学相似畸变映射原理与实例分析
江权, 刘强,
岩土力学. 2024 (1):  20-37.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1254
摘要 ( 163 )   PDF(15861KB) ( 239 )  
相似物理模拟是研究地下工程变形破坏问题的重要手段,然而经典相似理论关于相似模型与工程原型之间的几何相似比和材料力学参数相似比的相互约束,导致室内物理相似模型尺寸和材料力学参数一直面临难以完全满足相似准则的困局,从而产生力学畸变和模拟试验结果解译困难。为此,提出了地下洞室变形破坏物理模拟的力学相似畸变映射处理方法,引进畸变系数和映射系数,通过耦合解析法或数值法来映射畸变效应,实现地下洞室物理模拟结果对原型力学行为的定量解译;以圆形隧洞为工程原型,采用水泥基3D打印隧洞物理模型进行相似物理超载试验,基于提出的耦合力学相似畸变法与解析法对物理模拟结果进行了定量分析和对比验证;以某水电站地下洞室群为研究原型,通过砂岩3D打印洞室群物理模型的超载试验获得洞室破坏的变形值,采用耦合力学相似畸变法与数值方法对物理模拟结果进行定量分析。实例分析结果表明,在物理相似模拟中几何相似比和力学相似比不满足经典相似准则条件下,该方法可实现圆形隧洞或复杂洞室群原型的相似物理模拟结果的定量映射分析,对非恒定相似比的地下洞室物理模拟畸变分析具有普适性。
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基于冲能吸能平衡效应的冲击地压巷道分级支护研究
高明仕, 俞鑫, 徐东, 贺永亮, 赵世帆,
岩土力学. 2024 (1):  38-48.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1834
摘要 ( 132 )   PDF(11334KB) ( 143 )  

冲击地压是煤炭开采过程中发生的一种动力灾害,主要是由积聚在煤岩中的弹性变形能突然急剧释放造成的,约90%发生在巷道中。巷道冲击破坏不仅与冲击能量直接相关,还与冲击距离远近紧密相关,提出能距比的概念,即冲击震源释放能量与其至巷道距离的比值。根据冲击地压动静载叠加机制和冲能吸能平衡理论,综合考虑冲击震源能距比量级、巷道破坏程度、支护构件吸能、弱结构吸能等特性,建立了巷道围岩冲击矿震稳定性控制模型,分析了冲能、吸能的构成和计算过程,搭建了冲击地压能级与巷道支护强度之间的对应关系,确定了“四高锚网+”为主导技术的煤矿巷道防冲抗震支护体系。根据能距比量级大小,将冲击地压巷道支护安全可靠性分为P1~P4级别,分级对应采取不同支护强度的“四高锚网+”组合支护技术。“四高”锚网支护可对应能距比为102量级的无冲击巷道,“四高锚网+1”(O型钢棚、吸能防冲单元架、围岩弱结构)对应能距比为103量级的冲击地压,“四高锚网+2”对应能距比为104量级的冲击地压,“四高锚网+3”对应能距比为105量级的冲击地压,106及以上量级的冲击危险必须停产、撤人远场处理。结合工程实例进行了巷道防冲支护方案和参数设计,初步验证了理论研究成果的可行性和实用性。研究成果可为我国煤矿冲击地压巷道支护理论研究和工程实践提供一定的参考指导。

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热−力耦合作用下垃圾土体积变形特性和模型研究
李玉萍, 陈嘉瑞, 施建勇, 樊宝云,
岩土力学. 2024 (1):  49-58.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0162
摘要 ( 131 )   PDF(8096KB) ( 176 )   PDF(English)(418KB) ( 8 )  
城市生活垃圾填埋场因有机质降解产热导致其内部温度长期高于环境温度,引发工程运维问题。垃圾土温控三轴试验结果发现,温度变化引起的垃圾土体积应变与应力水平有关,且弹性体积应变占比较大,影响以塑性体积应变为硬化参数的弹塑性本构模型研究。在前期试验基础上,采用GDS温控应力路径三轴仪,研究了排水条件下温度对垃圾土中黏土体积变形特性和压缩特性的影响,并与相同条件下垃圾土体积变形特性进行比较,揭示了温度变化对垃圾土体积变形特性的影响机制。基于垃圾土温控三轴试验结果,推导了垃圾土热弹塑性压缩指数λT和热弹性压缩指数κT的确定方法;采用等效应力原则,假设温度变化引起的弹塑性体积应变等于某一等效应力增量引起的弹塑性体积应变,建立了垃圾土在热−力耦合作用下的体变计算模型,并对模型进行了验证分析。研究结果表明,孔隙比是影响垃圾土温度体积应变的主要因素;垃圾土的λTκT随初始固结应力的增加而减小,比黏土高一个数量级;选取常温下相应固结应力水平的回弹指数κ 和压缩指数λ 比例值(κ/λ )能够较好地模拟热−力耦合作用下垃圾土的体积变形特性。
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CO2-水作用对层状页岩拉伸破坏影响的微观损伤研究
杜布戈, 张广清, 周大伟, 屈乐, 邱仁怡, 范宗洋,
岩土力学. 2024 (1):  59-67.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0106
摘要 ( 102 )   PDF(12559KB) ( 116 )   PDF(English)(2950KB) ( 7 )  

CO2压裂页岩储层时CO2水作用损伤页岩微观结构,改变拉伸破坏特征与裂缝扩展模式。为研究CO2水影响层状页岩拉伸破坏的微观损伤原因,设计了矿物含量测定、扫描电镜观察与巴西劈裂试验,对CO2水作用前后龙马溪与长7段页岩试件的微观损伤、破坏特征与裂缝扩展进行研究。结果表明:CO2水对层理的微观损伤作用较基质显著,层理黏土矿物脱水而体积减小,有机质被萃取收缩,纹层内产生沿层理分布的大尺寸(长度为1030μm,开度为15μm)微裂缝,基质碳酸盐、长石等矿物被溶蚀,产生随机分布的小尺寸(长度小于1μm ,开度小于0.5μm)微裂纹;CO2水作用后页岩抗拉强度降低且各向异性增强,破坏模式变为拉剪混合破坏,垂直层理加载试件的剪切作用更强;CO2水作用后层理对裂缝扩展的影响更大,垂直层理加载裂缝延伸被层理限制,裂缝沿层理方向水平扩展,平行加载裂缝扩展轨迹受层理约束,裂缝仅在层理扩展。

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多层互剪搅拌桩工法的工艺因素模型试验研究
葛春巍, 刘钟, 余桃喜, 兰 伟, 杨宁晔, 赵梦雅,
岩土力学. 2024 (1):  68-76.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0072
摘要 ( 125 )   PDF(10004KB) ( 105 )   PDF(English)(801KB) ( 7 )  
采用模型试验方法,对多层互剪搅拌桩工法(contra-rotational shear deep soil mixing,简称CS-DSM工法)的工艺因素进行了试验研究,探索了水泥掺量、单位桩长搅拌次数T、单位体积搅拌能量E以及内外钻杆转速比RN等工艺因素对搅拌桩均匀性与强度UCS的影响。模型试验研究发现,通过多层互剪搅拌能够根除地表冒浆、防止糊钻抱钻、提高固化材料利用率。18组模型试验结果阐明搅拌桩在T-E-UCS之间存在固有关联,并揭示出机械参数、输出能量与桩身强度之间的本质关系。提供的计算方法可以定性指导选取合理的工艺参数,实现桩身设计强度目标。作为重要工艺因素,内外钻杆转速比RN与桩身强度试验曲线存在极值点,建议在工程中将1.80~2.20作为获取桩身峰值强度的最优RN值域。CS-DSM工法应用的系列研究结果为高质量搅拌桩工艺控制原则和质量保障体系提供了试验依据。
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可液化场地桩基震后水平变形预测模型研究
吴小锋, 张笛, 李星, 汪玉冰, 文凯,
岩土力学. 2024 (1):  77-86.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0099
摘要 ( 98 )   PDF(13586KB) ( 118 )  
近海海域实测数据显示,风机主要承受大幅值、长历时的水平向环境荷载。在服役周期内,位于高烈度区域内的近海风机遭受地震作用的概率极大。这些持续性的、量值巨大的初始水平环境荷载对风机的地震响应所产生的影响尚不清晰,目前相关研究多基于数值模拟方法。以福建海域某拟建近海风电场为对象,利用ZJU−400超重力振动台,开展了嵌岩桩单桩基础在砂土中的超重力物理模型试验,揭示了初始水平荷载与地震动荷载耦合作用下的桩身弯矩和位移响应。此外,引入超孔压参数来表征耦合荷载作用下的桩-土弱化效应,建立了能反映不同超孔压比下的大直径单桩基础桩身土反力-桩-土水平位移曲线模型。结合非线性Winkler地基梁理论框架,所构建的预测模型可以较有效地预测近海风机嵌岩单桩在初始水平荷载作用下的震后弯矩及位移分布。
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土工格栅加筋橡胶碎石动力特性试验研究
蔡永明, 王志杰, 齐逸飞, 杨广庆, 王贺,
岩土力学. 2024 (1):  87-96.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1828
摘要 ( 95 )   PDF(11742KB) ( 138 )  
土工格栅加筋是提升橡胶碎石混合料承载能力的重要方式。为探究土工格栅加筋橡胶碎石复合体动力特性及其作用机制,基于分级循环荷载作用下大型三轴试验,对3种代表性橡胶掺量碎石混合料进行不同层数土工格栅加筋,分析其累积塑性应变、滞回曲线发展演化规律,对比动弹性模量、阻尼比等动力特性关键参数,探讨耦合作用影响机制。研究结果表明:同级动应力作用下土工格栅加筋可减缓累积塑性应变的增大,随着加筋层数的增多,加筋效果更为明显;橡胶掺量增加可提升试样延性,但导致承载能大幅降低,不利于筋材加筋效果的发挥;滞回曲线形态主要取决于橡胶掺量,随着橡胶掺量增加,其形态更加饱满、倾斜,其排列更加稀疏;土工格栅加筋可提升复合体动弹性模量,并随筋材层数增多呈现出明显增长阶段;橡胶掺量对阻尼比初始值以及变化趋势产生主要影响。
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非挤土嵌岩预应力高强度混凝土管桩的桩端承载性能研究
凌造, 唐孟雄, 胡贺松, 刘春林, 李波, 苏定立,
岩土力学. 2024 (1):  97-107.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0073
摘要 ( 235 )   PDF(21146KB) ( 179 )  
施工装备和工艺的不断创新使得非挤土嵌岩预应力高强度混凝土(prestressed high-strength concrete,简称PHC)管桩逐渐得到推广和应用。为揭示嵌入中微风化岩PHC管桩的桩端承载机制,以随钻跟管工法桩为背景,基于泥质粉砂岩地区5组桩径为500 mm的PHC管桩桩端现场静载破坏性试验,分析了不同条件下嵌岩PHC管桩的桩端承载性能及宏观破坏模式,并提出桩端承载力计算方法。试验表明:对于采用敞口桩靴的PHC管桩,未封底时,敞口桩靴削弱了PHC管桩桩端承载性能,呈现刺入岩基的破坏,极限荷载下桩端沉降为11~15 mm;混凝土封底后,显著提高了桩端承载性能,极限承载力较非封底时提升340%,封底混凝土和桩靴的桩端阻力分担比分别为78%和22%,桩端呈整体剪切破坏。基于Hoek-Brown强度准则,提出了嵌岩PHC管桩桩端承力简化计算方法,计算精度得到了试验验证,可供非挤土嵌岩PHC管桩的设计与施工参考。
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石灰粉煤灰固化石油污染土的渗透特性及其工程再利用探讨
李敏, 李辉, 于禾苗, 赵博华, 齐振霄,
岩土力学. 2024 (1):  108-116.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0059
摘要 ( 96 )   PDF(9860KB) ( 91 )   PDF(English)(828KB) ( 5 )  

固化改性污染土的渗透性是推进污染土工程再利用需关注的指标之一。借助GDS环境土柔性壁渗透测试仪,优选兼具吸附与固化作用的石灰粉煤灰作为固化材料,以围压、渗透压、污染强度为变量参数,以固化前后石油污染土的渗透系数及土中残余含油量为指标,结合X射线衍射和扫描电镜,厘清渗透性演变及污染物迁移扩散规律,并以此探讨固化石油污染土的工程再利用性。研究结果表明:固化产物对石油分子的吸附作用弱化了石油斥水性,增加了渗透的有效通道,固化石油污染土的渗透系数较未固化石油污染的提高了两个数量级;土体干密度增大会增强对石油的吸附截流作用,围压、渗透压及污染水平的增大会增强土颗粒间相互作用,均引起石油污染土及固化石油污染土渗透性降低。固化作用可有效控制渗透作用下石油污染物的迁移扩散,各部位的残余含油量均非常接近于初始含油量,避免了渗透污染风险。结合石灰粉煤灰固化石油污染土力学特性(抗压强度为1 280.10 kPa,抗剪强度为388.88 kPa)、渗透性(渗透系数为4.28×10−6~7.39×10−6 cm/s)及迁移控制性(波动率为0.30%~4.90%),石灰粉煤灰固化石油污染土可考虑用于有防渗要求的路基类填筑材料进行工程再利用。

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巷道蝶形破坏强度准则低敏感性研究及工程应用
刘洪涛, 韩子俊, 刘勤裕, 陈子晗, 韩洲, 张红凯, 杨永松
岩土力学. 2024 (1):  117-130.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0107
摘要 ( 107 )   PDF(20305KB) ( 208 )   PDF(English)(1943KB) ( 7 )  
巷道围岩的塑性区形态对巷道的破坏形式及破坏程度有重要影响。为探究三向应力场下塑性区形态演化过程,基于弹性力学推导了轴向应力表达式,并依据蝶形塑性区边界方程求解思路,确定了三维强度准则下三向塑性区近似解的求解方法。通过等球应力p、等偏应力以及不同Lode角θσ  来确定围岩应力加载方案,对不同三维强度准则下的围岩塑性区形态演化规律进行深入研究,论证了蝶形破坏的准则低敏感性。基于蝶形破坏理论对羊场湾160206回风巷道的非对称变形破坏机制及控制技术进行深入分析。研究结果表明:(1)在相同pq及不同θσ 的应力加载条件下,5种强度准则下的塑性区形态均呈现圆形、类椭圆及蝶形的演化规律,且每种强度准则在相同θσ  的情况下围岩的塑性区形态基本一致。(2)相同应力大小、不同应力方向的加载方案下,围岩的塑性区形态大不相同。圆巷围岩的塑性区形态很大程度上由水平侧压比决定,轴向侧压对围岩的塑性区尺寸影响较大,对塑性区形态影响较小。(3)羊场湾160206回风巷道在叠加采动影响下顶板呈现非对称大变形破坏,基于蝶形塑性区支护思路,应用非对称锚杆索+超前单元支架+钻孔卸压的协同支护技术,取得了良好的支护效果。
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埋入式应变感测光缆-冻土界面渐进破坏机制研究
刘天翔, 朱鸿鹄, 吴冰, 李豪杰, 胡乐乐,
岩土力学. 2024 (1):  131-140.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0171
摘要 ( 72 )   PDF(9875KB) ( 107 )   PDF(English)(1155KB) ( 5 )  
冻胀融沉作用引起的地基土体变形是冻土地区工程建设的典型地质灾害,光纤传感技术为冻土变形的精细化、分布式实时监测提供了重要的技术手段。为探究分布式光纤应变传感在监测冻土变形方面的可行性,利用自主研制的光缆-冻土界面力学特性试验仪,探究了不同干密度和初始含水率的冻土试样中缆-土界面的破坏机制。试验结果表明,光纤应变监测结果准确地反映出缆-土界面呈现渐进性破坏特征,应变软化模型能够较好地描述界面的力学特性。在冻结过程中,土体内液态水相变成冰,引起了冻结锋面移动和水分迁移,使得界面的力学特性存在显著的差异性。不同深度处缆-土界面剪应力的演化过程反映了在光缆拉拔过程中与冻土的变形协调状态,表明光缆测量范围、界面耦合性与土体干密度、初始含水率密切相关。该研究为光纤传感技术在寒区冻土地基变形监测中的应用提供了参考。
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高摩阻超静定土工格栅在粗粒土夹层中的剪胀作用研究
崔新壮, 姜鹏, 王艺霖, 金青, 陈璐,
岩土力学. 2024 (1):  141-152.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1752
摘要 ( 93 )   PDF(11852KB) ( 98 )   PDF(English)(1004KB) ( 8 )  
在加筋土工程中,采用异型格栅和设置粗粒土夹层可以有效增强筋土相互作用。然而粗粒土夹层厚度的确定方法仍有待进一步研究。基于一种带有凸起节点结构的高摩阻超静定土工格栅(high resistance hyperstatic geogrids,简称HRHG)与砾石的直剪试验结果,建立了剪切硬化筋土界面的剪胀本构模型,并进一步研究了筋土剪胀应力在土体内引起附加应力的分布规律。通过开展不同法向压力(30、50、80 kPa)下的直剪试验,研究了不同粗粒土夹层厚度(60、100、140、180 mm)对筋土相互作用的影响,并与筋土界面剪胀应力的分布规律进行了对比分析。结果表明,筋土界面剪胀本构模型可以有效计算剪缩位移和剪胀位移,且最终剪胀位移随法向压力增加而减小。由界面剪胀应力引起的粗粒土中附加应力随着与筋土界面距离的增加而降低,但是剪胀范围逐步增大。粗粒土夹层厚度的增加可以有效提高界面剪切强度,但存在最优夹层厚度使界面剪切强度的增幅迅速降低。最优夹层厚度随着法向压力的增加而减小。通过对比分析最优夹层厚度与剪胀应力比之间的关系,提出了基于筋土界面剪胀本构模型的确定最优夹层厚度的半经验公式,可为HRHG在工程中的设计或应用提供参考。
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不同饱和度下膨胀土原位孔内剪切试验及强度响应特征
罗晓倩, 孔令伟, 鄢俊彪, 高志傲, 田升奎,
岩土力学. 2024 (1):  153-163.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0141
摘要 ( 139 )   PDF(9199KB) ( 104 )  
膨胀土强度随饱和度变化显著,非饱和膨胀土的抗剪强度一直是研究膨胀土工程问题的关键。选取南阳市某高速路沿线边坡膨胀土为研究对象,进行了天然条件下处于不同饱和度状态的膨胀土原位孔内剪切试验,获得了自然条件下膨胀土的抗剪强度随饱和度的变化特征。膨胀土的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角随着膨胀土饱和度的增大而逐渐减小。结合现场试验数据和土-水特征曲线,提出了以法向应力、饱和度为变量和以法向应力、基质吸力为变量的两种非饱和膨胀土的抗剪强度计算模型,并结合试验数据对计算模型的适用性进行了验证。与之前常用的非饱和土抗剪强度计算模型相比较,提出的两种计算模型所需的拟合参数少,适用于更宽吸力范围、不同法向应力条件下非饱和膨胀土抗剪强度的计算,且结果更为准确。
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粗粒土渗透及渗透变形试验缩尺方法研究
张丹, 邱子源, 金伟, 张梓航, 罗玉龙,
岩土力学. 2024 (1):  164-172.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0084
摘要 ( 138 )   PDF(9675KB) ( 120 )  
目前还未建立适用于粗粒土渗透及渗透变形试验的缩尺方法,遵循缩尺前后粒径小于d30(颗粒级配中质量百分含量30%所对应的颗粒粒径)以及粒径小于5 mm的颗粒含量及组成不变的原则,基于等量替代法,提出了一种粗粒土渗透及渗透变形试验缩尺方法:如果原级配中5 mm以下的颗粒含量大于等于30%,则根据试样允许最大粒径以下的大于5 mm的各粒组含量,按比例等质量替换超粒径颗粒;如果原级配中5 mm以下的颗粒含量小于30%,则根据试样允许最大粒径以下的大于d30的各粒组含量,按比例等质量替换超粒径颗粒。利用多组粗粒土渗透及渗透变形试验,论证了缩尺方法的可靠性。研究表明:提出的缩尺方法合理可行。缩尺后,土体渗透破坏型式未发生变化,渗透系数与原级配比较接近,渗透变形临界坡降和破坏坡降与原级配基本一致,缩尺级配的渗透及渗透稳定特性能够较好地反映原级配的渗透及渗透稳定特性。
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混凝土芯水泥土复合桩竖向承载特性分析方法
张晓笛, 段冰, 吴健, 王金昌, 杨仲轩, 龚晓南, 徐荣桥,
岩土力学. 2024 (1):  173-183.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0121
摘要 ( 129 )   PDF(8254KB) ( 153 )  
基于Euler梁理论和状态空间法,建立了综合考虑非线性芯桩-水泥土-桩周土界面作用的双层叠合直梁分析模型及其状态方程,推导了成层土中不同组合形式的复合桩截面内力与变形的统一解析解,有效地考虑了复合桩分析中土与结构相互作用、结构局部参数发生变化等难点。通过与已有文献中现场试验和数值计算结果对比,验证了该方法的有效性,并讨论了桩径比、芯长比和水泥土弹性模量对桩承载特性的影响。研究结果表明:(1)桩径比增大,可提供的桩侧摩阻力和桩端阻力增大,复合桩竖向承载力基本呈线性增长;(2)芯长比增大,复合桩竖向承载力的增长幅度逐渐增大;(3)水泥土弹性模量对于桩竖向承载力影响较小。
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双向渗流下考虑应力时空效应的组合桩复合地基固结理论研究
张玉国, 杨文兵, 赵雅纯, 王闯, 赵亚敏
岩土力学. 2024 (1):  184-196.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0048
摘要 ( 76 )   PDF(10071KB) ( 93 )  
碎石桩和不排水桩联合使用的组合型复合地基,既可以提高地基承载力,又可以加快土体固结,对处理饱和软黏土地基有很高的应用价值。基于双向渗流的轴对称固结计算模型,考虑中心及外围碎石桩的体积压缩、桩体施工的扰动效应,建立了组合碎石桩-不排水桩复合地基固结微分方程,采用解析法推导了附加应力随时间和深度变化下的组合桩复合地基固结解析解,包括碎石桩、桩间土的平均超静孔隙水压力解和复合地基整体平均固结度解。进行退化研究,并与已有解分析对比;验证了此解的正确性,且通过参数分析研究了复合地基的固结性状。结果表明:复合地基底部附加应力越小、碎石桩与不排水桩布置越密集,固结越快;碎石桩施工的扰动效应对复合地基影响大于不排水桩;忽略碎石桩体积压缩的影响会高估复合地基固结速率,且桩径比越小,误差越大;理论解预测的复合地基固结度与实测值拟合性较好。
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正融冰川碎屑冰冻体剪切强度劣化机制研究
孟秋杰, 宋宜祥, 黄达, 马文著, 钟助, 岑夺丰,
岩土力学. 2024 (1):  197-212.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1013
摘要 ( 82 )   PDF(18132KB) ( 73 )  
受到气候变暖的影响,青藏高原冰川剪切滑动带中的碎屑冰冻体存在融化风险,这严重影响了冰川的抗剪强度和稳定性。为了研究融化过程对碎屑冰冻体剪切力学特性的影响,引入融冰率定量评估融化程度,对正融碎屑冰冻体试样开展了室内直剪试验。基于试验结果提出了正融碎屑冰冻体的有限-离散元数值模型并进行了对比验证,研究了融冰率和碎石含量对碎屑冰冻体剪切力学行为的影响规律。结果表明:融化过程显著降低了峰值剪切强度、黏聚力和内摩擦角;强度参数与融冰率的关系可用线性准则表达;正碎屑冰冻体剪切强度急剧劣化的主因是孔隙冰融化导致的冻土-孔隙冰界面黏聚力降低;当融冰率从2%增加到4%,试样变形模式由应变软化过渡为应变硬化,破坏模式由粗糙的“锯齿状”过渡为平滑的“圆弧状”;随着碎石含量增加,碎屑冰冻体剪切强度明显降低,降低幅度随融冰率的增加而减小。该研究可作为冰川稳定性评价的有益补充。
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考虑截面规则性的柱状节理岩体变形及强度特性研究
朱姝, 阙相成, 朱珍德, 朱其志,
岩土力学. 2024 (1):  213-225.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0090
摘要 ( 74 )   PDF(12201KB) ( 92 )  

柱状节理岩体的复杂结构使其现场力学参数的确定存在困难,可靠地估计柱状节理岩体强度及变形特性对工程安全至关重要。结合Voronoi图形及3D打印技术制作不规则柱状节理岩体光敏树脂模具,并制备了具有不同倾角的规则及不规则柱状节理岩体试样。基于开展的单轴压缩试验结果,分析不同截面柱状节理岩体的变形及强度特性差异。根据试样最终破坏形态,揭示柱状节理岩体破坏模式及机制。结合已有研究结果,描述节理面材料对柱状节理岩体破坏形态及强度的影响。基于传统节理系数方法,提出了更能反映柱状节理岩体柱体结构特征的修正节理系数方法。采用修正节理系数法建立规则及不规则柱状节理岩体试验结果与现场变形及强度参数间的经验关系,将所提出计算公式应用于白鹤滩水电站工程,预测结果与现场实测值及RMR法(RMR为岩石质量评分指标)、法(为岩体质量指标)的预测值进行比较。结果表明,对于现场变形和强度参数,所提出的修正节理系数法的预测结果与现场实测结果较为吻合。

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加载与干湿循环作用下土石混合料蠕变特性试验
孙晨峰, 王步雪岩, 钱建固, 王家超, 张甲峰
岩土力学. 2024 (1):  226-234.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0088
摘要 ( 99 )   PDF(8268KB) ( 103 )  
土石混合料在干湿循环作用下具有显著的蠕变性,其对高填方工程蠕变变形的影响不可忽略。为了研究了不同干密度及荷载水平对土石混合料湿化蠕变变形的影响,开展了9组土石混合料干湿循环作用下的压缩蠕变试验。结果表明,土石混合料的湿化蠕变变形随荷载水平的提高而增大,随干密度的提高而显著减小,但随着干密度进一步提高,湿化蠕变变形的减小幅度则明显弱化。土石混合料在干湿循环作用下的湿化蠕变变形与干湿循环次数对数之间较好地满足线性发展规律,初次湿化应变及湿化蠕变速率均同荷载水平及干密度之间符合幂函数特征,在此基础上提出了考虑不同干密度及荷载水平的土石混合料干湿循环蠕变经验模型。
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酒精湿化法调配压实膨润土缓冲回填材料含水率研究
彭宇, 张虎元, 周光平, 谭煜,
岩土力学. 2024 (1):  235-244.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0022
摘要 ( 161 )   PDF(12610KB) ( 57 )  
压实膨润土砌块在我国高放射性废物处置中发挥着缓冲回填工程屏障的作用。然而,膨润土材料塑性极强,水分极易拌和不均,易导致压实砌块干缩开裂,显著降低了砌块质量。提出一种采用酒精代替纯水来湿化膨润土的新方法,以提高压实膨润土质量。对比喷水法,酒精湿化法中酒精浓度设计在5%~35%间。通过分析膨润土与酒精混合物的混合效率、黏附质量损失率、混合物中团聚体的含量、压实样干缩前后强度、干缩裂纹规律、干燥效率、膨胀性等指标综合评价酒精湿化压实膨润土样的适用性。试验结果表明:在相同含液率情况下,随酒精浓度增大,所得膨润土样的混合效率明显提高,黏附质量损失率及团聚体含量明显降低;压实样内团聚体与干缩裂纹及试样质量间具有较好对应关系。此外,酒精湿化法所得压实样在压实方向密度分布更均匀,干缩裂纹数量及宽度明显变小,风干试样剪切强度及膨胀性均与加纯水试样较为接近,压实样均匀性与完整性明显提高。新方法及相关成果可供我国高放废物缓冲回填砌块制备参考。
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岩土工程研究
渤海海峡跨海通道工程区海域三维地应力测试
王锦山, 彭华,
岩土力学. 2024 (1):  245-256.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.0744
摘要 ( 92 )   PDF(11120KB) ( 106 )  
跨渤海通道海域缺乏实测地应力基础数据,而海域钻探原位实测又承担着巨大风险与重重困难,为取得工程区现今地应力场特征第一手资料,利用以水压致裂地应力测量为主,以空心包体、非弹性应变恢复、差应变、声波各向异性法为辅的综合地应力测量技术,对研究区海域开展三维地应力测试与研究,建立了线性回归方程,得到了回归拟合曲线。结果表明,渤海海峡最大水平主应力σH、最小水平主应力σh 与垂直主应力σv 均随测试深度的增加呈线性增大规律;海峡南部地应力状态存在σHσhσv 的关系,处于逆冲应力状态,应力场方向为NE,最大水平主应力大于垂直主应力,区域内构造力处于主导地位;海峡北部应力状态为 σHσv >σh ,有利于走滑断层活动,应力场方向为NE,区域内构造力处于主导地位;整个工程区内地应力各分量值之间相差不大,远远小于区内断层活动应力值的下限,表明研究区目前处于稳定状态。研究结果符合一般地应力测量规律,测试流程符合地应力测试要求,测试数据可用于分析区域地应力状态。
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吹填珊瑚礁岛地下水淡化时空规律初探
王雪晴, 胡明鉴, 彭赟, 郑思维,
岩土力学. 2024 (1):  257-266.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0170
摘要 ( 67 )   PDF(13146KB) ( 66 )  
为分析吹填珊瑚礁岛地下水的时空淡化规律,开展珊瑚礁岛地下水现场长期监测,获取了不同位置、不同深度地下水电导率的长期监测数据和定期取样测试核验数据;结合礁岛降雨监测资料,以电导率为地下水质评价的主要指标,分析地下水电导率在时间、空间尺度上的变化特征,探索礁岛地下水的淡化趋势及影响因素,通过随机森林模型进一步预测了钻孔内地下水电导率的变化规律。研究结果表明,珊瑚礁岛地下水电导率总体呈震荡下降趋势,地下水电导率与时间的关系可以用指数函数表示。地下水电导率随深度的增加而增大直至与海水的电导率相当后维持稳定,礁岛内相同深度地下水电导率呈现中间低、四周高的趋势。说明地下水的淡化从礁岛中心部位开始向四周延展,并发现在礁岛中部存在多个初始淡化中心点。地下水电导率受降雨入渗、潮汐作用、水文地质参数等多个因素的影响,随机森林模型预测5 a后潜水面下8 m处的电导率将逐渐稳定在10 000 μS/cm,地下水的淡化速率显著降低。
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数值分析
基于计算流体力学-离散元耦合的相对密实度对断级配土体渗蚀效应的影响研究
张沛云, 木林隆, 黄茂松,
岩土力学. 2024 (1):  267-283.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0053
摘要 ( 114 )   PDF(21128KB) ( 232 )  
土体几何因素(粒径比、细粒含量、相对密实度等)不仅影响土体内部稳定性,同时对侵蚀进程有着重要影响。基于离散单元法(discrete element method,简称DEM)与计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)耦合方法,建立了内部不稳定土渗流-侵蚀三维计算模型。考虑细粒含量及相对密实度对内部侵蚀过程的耦合影响,对细观变量:土体孔径分布曲线、颗粒接触数目以及内部传力机制进行分析,以揭示细粒含量与相对密实度的影响的细观机制。研究结果表明:相对密实度的增加降低了侵蚀质量比,且该影响程度与细粒含量相关,细粒含量越高,相对密实度的影响更加明显;内部不稳定土体渗蚀后沿渗流方向可分为上游侵蚀区、中部稳定区及下游侵蚀区。土体渗透性在侵蚀过程中的增长幅度随相对密实度的降低而逐渐增加,随细粒含量的增加而增加;相对密实度对渗蚀过程的影响可归因于三方面:相同水力梯度下渗流流量不同,内部孔隙尺寸分布存在差异,以及细颗粒对土体内部应力传递的贡献不同。研究结果加深了土体几何因素对内部渗蚀过程影响的理解,并为宏观侵蚀本构的建立提供了参考。
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铁路路基动力响应的2.5D有限元方法研究现状及展望
王瑞, 胡志平
岩土力学. 2024 (1):  284-301.  DOI: 10.16285/j.rsm.2022.1822
摘要 ( 88 )   PDF(23790KB) ( 177 )  
作为一种频域计算方法,2.5D有限元具备计算效率高、内存占用小等优势,同时也存在诸多局限。经过20余年的发展,2.5D有限元方法已经具备了描述复杂土体本构关系和复杂路基几何特征条件下铁路路基动力响应的能力。荷载输入方法、建模策略和波动吸收边界的持续优化使得2.5D有限元方法的精度不断提高,二维插值方法则为进一步提升计算效率提供了思路。目前,2.5D有限元已经成为铁路路基动力响应研究中的常用方法。为了理清铁路路基动力响应2.5D有限元方法的发展脉络,分别从荷载输入、路基系统、响应输出和计算精度及效率的提升方面总结了其发展现状,介绍了2.5D有限元在发展过程中遇到的瓶颈问题及解决对策。在此基础上,针对算法的精度和效率、研究的对象和内容进行了进一步的讨论和展望。
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各向异性砂土渗流潜蚀流体动力学-离散元流固耦合分析
周闯, 钱建固, 尹振宇,
岩土力学. 2024 (1):  302-312.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0163
摘要 ( 131 )   PDF(17568KB) ( 162 )   PDF(English)(1868KB) ( 13 )  
针对具有初始各向异性的间断级配砂土细粒潜蚀问题,引入可以考虑颗粒投影面积影响的Ganser拖曳力计算模型,实现非球形颗粒的计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)和离散元(discrete element method,简称DEM)的双相耦合。通过与单颗粒下沉试验的对比,验证了该数值方法在解决异形颗粒与流体相互作用时的适用性。在此基础上,生成具有不同沉积方向和不同细粒含量的初始各向异性试样,模拟向上渗流潜蚀试验,并在试验中监测细粒流失量、强弱力链组成以及颗粒组构变化等宏微观特性,研究不同充填状态下(欠填充和过填充)不同组构各向异性土体渗流潜蚀特征。之后,对受潜蚀前后的试样进行了排水三轴试验,探究渗流对土体强度弱化的影响。结果表明,过填充试样质量损失随着颗粒沉积角度的增大而增大,而欠填充试样质量损失随沉积角度先增大后减小;欠填充试样细粒损失主要来源于低连通性细颗粒,而对于过填充试样,潜蚀则会导致低连通性和高连通性细颗粒数量同时减小。此外,三轴试验表明,潜蚀致土体峰值强度发生显著弱化,且峰值强度随沉积角度的变化也会受到土体充填状态的影响。
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耦合渗流-变形的数值流形法裂隙岩质边坡稳定性分析
屈小磊, 张云开, 陈悠然, 陈悠扬, 戚承志,
岩土力学. 2024 (1):  313-324.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0117
摘要 ( 136 )   PDF(12839KB) ( 154 )  
岩石裂隙渗流问题作为影响岩石边坡失稳的重要因素吸引了越来越多研究者采用不同的数值方法模拟其力学行为。提出了一种基于渗流-变形耦合模型的数值流形方法,并相应地讨论了岩体裂隙网络中地下水的流动、渗透压力和岩石变形的耦合效应。基于最小能量原理,分别推导渗流条件下单元边界流体压力和系统的整体平衡方程,以及块体接触算法求解任意岩石裂缝的局部安全系数。通过一系列验证实例对所提出的数模模型进行检验,验证了该数值模型的鲁棒性和有效性。利用该方法模拟了一个岩石边坡由于渗流作用而发生的坍塌事故,再现了岩石边坡的破坏过程。模拟结果表明,过大的水力压力导致垂直裂缝张开,增加岩体变形量,最终导致边坡破坏。研究表明,该方法在模拟大规模工程问题方面具有很大的潜力。
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