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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9期 刊出日期:2024-09-06
基础理论与实验研究
基于分形理论的岩体粗糙裂隙中溶质运移预测模型研究
苗柯韩, 黄勇, 马晓凡, 王超琦
岩土力学. 2024 (9):  2527-2538.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1584
摘要 ( 205 )   PDF(18657KB) ( 144 )  
为研究裂隙面粗糙度对粗糙裂隙中溶质运移过程的影响,以及粗糙度对水动力弥散系数DL和溶质运移速度Vt的控制作用,基于分形理论计算了不同裂隙的粗糙度和定水头下的水力开度,讨论了裂隙面粗糙度对粗糙裂隙中溶质运移过程的影响以及不同分形维数裂隙的渗流量和流速。通过耦合Navier-Stokes方程和对流−扩散方程(advection-diffusion equation,简称ADE)获得了裂隙中溶质运移穿透曲线,利用ADE经典解析解耦合直接模拟的穿透曲线,得到了水动力弥散系数DL和溶质运移速度Vt,讨论了DLV对溶质的控制作用及其与粗糙度的相关性,建立了基于分形理论的粗糙裂隙中溶质运移预测模型,并将该模型与直接模拟和基于几何特征的预测模型进行了对比验证。研究结果表明:分形维数和幅度参数K表征裂隙面粗糙度的效果较好,DLVt与分形参数DKv的相关性较高,所建立模型对于岩体粗糙裂隙中的溶质运移模拟具有很好的适用性和准确性。
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复杂应力路径下的花岗岩洞室开挖损伤区研究
王贵宾, 刘桓兑, 唐明豪, 杨春和, 陈世万,
岩土力学. 2024 (9):  2539-2553.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1611
摘要 ( 153 )   PDF(1010KB) ( 121 )  
在储库的建设与运行过程中,复杂的应力路径是控制围岩损伤的主要因素。然而在围岩的损伤区研究中,应力路径仍未得到充分考虑,特别是忽略了主应力轴旋转在围岩损伤中的作用。基于岩石扭剪仪开展岩石主应力轴旋转试验,利用断裂力学理论对裂隙的尖端应力场进行了分析。结果表明,应力旋转会提高裂隙尖端的拉应力以促进裂隙的进一步发育,从而导致岩体强度的降低,且降低幅度与旋转角度呈明显的正相关关系。基于上述结果提出了一种考虑应力旋转的损伤演化表征法,在岩体最大偏应力超过第一次起裂应力后,对主应力轴任意方向的旋转角度进行累加,得到累计有效旋转角度。利用其随深度变化规律实现开挖损伤区(excavation damage zones,简称EDZS)的圈定,同时利用损伤区的最大深度和超过第2次起裂应力的偏应力范围划定剥落区。该方法综合考虑了应力路径中主应力的幅值与旋转角度的变化,更加全面地反映了围岩损伤演化机制,并通过Mine-by隧道数值模型与现场监测数据的对比进行了有效性验证。本研究可以为理解围岩损伤机制和预测围岩损伤范围提供新思路。
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碳酸酐酶增强微生物矿化固土效果的试验研究
刘鹏, 曹源兴, 程钰, 白云波,
岩土力学. 2024 (9):  2554-2564.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1594
摘要 ( 122 )   PDF(21247KB) ( 89 )  

为了提升微生物固化砂土的效果,从自然界微生物主动参与碳循环、激发碳化现象中得到启发,利用碳酸酐酶(carbonic anhydrase,简称CA)能显著提高CO2水合反应速率(提高108倍),促进脲酶(urease,简称UA)分解尿素生成的CO2迅速水合形成大量的特性,设计并进行了碳酸酐酶增强微生物矿化固化砂土试验,综合宏观物理力学试验和微细观检测,系统分析了碳酸酐酶对微生物固化砂土的增强效果及增强机制。结果表明:(1)碳酸酐酶能够显著提高砂土微生物加固过程中的胶结物产量,碳酸酐酶菌掺量在4%左右达到最佳,与常规微生物诱导碳酸盐沉淀(microbial-induced carbonate precipitation,简称MICP)相比,胶结物生成量提高了105.3%。(2)碳酸酐酶的掺入提高了固化体的抗压强度和抵抗变形能力,在0.25%~4.00%掺量范围内,固化土样的无侧限抗压强度随碳酸酐酶菌掺量的增加而增大。当掺量为4.00%时固化土样的强度达到1.915 MPa,为常规MICP固化试样强度的8.54倍。(3)碳酸酐酶没有改变MICP过程的产物,仍是方解石。但在添加了CA后,方解石的晶粒尺寸更大,六面体形状更规范,力学性能也更好。(4)在MICP过程中,脲酶和碳酸酐酶相互协同沉淀碳酸钙固化砂土。碳酸酐酶可以显著加速脲酶分解尿素生成的CO2水合并形成HCO3-CO32-的速率,为矿化物沉降提供更有利的条件。

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考虑级配影响的粗粒土−格栅最优网格尺寸试验研究
蒋明杰, 李泽懿, 吉恩跃, 刘宇菠, 梅国雄,
岩土力学. 2024 (9):  2565-2572.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1572
摘要 ( 102 )   PDF(12169KB) ( 65 )  

土工格栅作为土石坝常用的加筋材料,根据颗粒级配采用适合的格栅网格尺寸可显著提高土石坝抗震性能,探究级配影响下最优网格尺寸变化规律具有工程意义。基于连续级配的级配方程,通过改变最大粒径dmax和级配面积S,设计15组级配土料,采用4组不同网格尺寸La对各个土料加筋,做成60组加筋试样。利用大型直剪仪对各个试样进行循环剪切试验,从而定量研究级配与能使加筋粗粒土抗震性能达到最优的土工格栅网格尺寸之间的关系。试验发现,当dmaxLa一定时,级配面积存在一个最优值使抗震性能达到最佳,将此定义为最优级配面积Sopt;当网格尺寸一定时,Sopt dmax增大而增大,两者之间呈明显的对数关系;当dmax一定时,Sopt 随 L增大而减小,两者之间也呈明显的对数关系。建立定量描述dmaxLa对最优级配面积Sopt的耦合影响的计算模型,并结合工程实际,提出基于室内试验结果预测现场粗粒土原级配对应最优网格尺寸的经验公式。

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基于孔内剪切试验的游离氧化铁对红黏土抗剪强度影响研究
冉宇玲, 张文博, 柏巍, 孔令伟, 周丽娜, 樊恒辉,
岩土力学. 2024 (9):  2573-2582.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1680
摘要 ( 144 )   PDF(13529KB) ( 62 )  
游离氧化铁的胶结作用及其与土颗粒形成的特殊结构与红黏土力学性能密切相关。为了研究原位状态下游离氧化铁对红黏土力学性质的影响,采用连二亚硫酸钠−柠檬酸钠−重碳酸钠(dithionite-citrate-bicarbonate,简称DCB)溶液对红黏土中的游离氧化铁进行选择性溶解,再结合孔内剪切试验(borehole shear test,简称BST)获得了不同除铁效果下各深度处的红黏土抗剪强度指标。结果表明,游离氧化铁含量FIOC(free iron oxide content)与DCB溶液浸泡时间具有较好的相关性,其特点是除铁速度前期快、后期慢。由BST试验得到红黏土应力−位移关系曲线呈应变硬化变形特征;在同一测试深度下,红黏土抗剪强度随着浸泡时间的递增而降低,浸泡4 d的抗剪强度降幅已达整个试验降低幅度的79.0%左右,再继续浸泡其抗剪强度降低幅度逐渐趋缓;在同一浸泡时间和测试深度下,红黏土的抗剪强度随着法向应力的增大而增大;在同一浸泡时间和法向应力下,红黏土的抗剪强度随着深度的增加而增加;随着浸泡时间的增加,以“包膜”、“桥”或“单粒”的形式赋存的游离氧化铁逐渐被去除,微观上表现为红黏土结构性被破坏,原本致密、紧凑结构出现孔隙、裂隙、疏松的情况,宏观上表现为红黏土力学强度的降低。
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单轴压缩下薄喷裂隙红砂岩力学性质与裂纹扩展特征分析
韩勇, 李树忱, 袁超, 冯现大, 王修伟,
岩土力学. 2024 (9):  2583-2594.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1682
摘要 ( 92 )   PDF(1426KB) ( 84 )  
选取红砂岩为研究对象,采用水泥基薄喷材料,制作完整和裂隙红砂岩薄喷岩石试样,研究在单轴压缩条件下薄喷材料对完整和裂隙红砂岩强度、变形和能量演化特征的影响;采用颗粒流PFC3D软件,分析薄喷材料对不同裂隙倾角试样裂纹扩展特征的影响。结果表明:薄喷红砂岩试样的峰值强度和应变较无薄喷红砂岩均有提高,裂隙试样的提升系数高于完整试样;峰后阶段薄喷岩石试样内部岩石发生破坏,表面薄喷材料出现拉伸裂纹,但整体未松散。薄喷红砂岩在破坏时的总能量、弹性应变能和耗散能均高于无薄喷试样,且薄喷材料使外部输入的总能量更多转化为破坏过程所需的耗散能。PFC3D模拟结果表明,薄喷材料增强了不同倾角的裂隙试样的起裂应力和峰值强度。薄喷材料对不同裂隙倾角试样的破坏模式影响程度不同,当裂隙倾角为15º,薄喷材料可以限制峰后拉伸裂纹扩展;但当裂隙倾角为75º,有无薄喷试样的裂纹扩展模式大致相同。该研究可为薄喷材料在工程应用提供一定的参考。
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基于非线性Hvorslev面的超固结土层隧道掌子面稳定性分析
石修松, 周高涨, 刘磊磊,
岩土力学. 2024 (9):  2595-2610.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1597
摘要 ( 86 )   PDF(50146KB) ( 48 )  
受沉积历史的影响,天然土层通常表现出一定程度的超固结特性,对土体强度具有显著的影响。然而,传统分析方法无法直接反映土体的超固结特性对隧道掌子面极限支护力的影响。引入非线性Hvorslev面描述地层土体的强度特性,通过切线技术得到土体的等效的摩尔-库仑强度参数,将其应用在修正后的三维坍塌机制分析,得到了超固结比随深度变化的黏土层中隧道掌子面的极限支护力。通过将模型退化形式与经典的模型计算结果进行对比,验证了所提方法的合理性。超固结土层中隧道掌子面极限支护力σc与土层超固结比、隧道直径D、回弹曲线斜率κ*与压缩曲线斜率λ*之比κ*/λ*、孔隙水压系数ru、侧压力系数K0、隧道深径比 C/D 和临界状态应力比 M 等因素相关。计算结果表明,随着超固结比增大,掌子面坍塌范围和相应的极限支护力σ减小。当土体超固结比OCR不变时,σ与D、κ*/λ和 r呈正相关,而与K0、C/D 和 M 呈负相关。当土体超固结比较高时,σκ*/λ的影响较为显著;当超固结比较低时,σ对C/D和K0 的敏感度较高。在超固结土层中设计隧道掌子面支护力时,应根据实际工况综合考虑土体的应力历史、超固结比、隧道尺寸和埋深等因素。
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阳离子交换量对膨润土层间水化影响的试验研究
郝丰富, 马田田, 于海文, 韦昌富, 田慧会, 伊盼盼,
岩土力学. 2024 (9):  2611-2620.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1614
摘要 ( 75 )   PDF(4030KB) ( 59 )  
膨润土因其具有强烈的膨胀性、极低的渗透性通常被用作防渗以及缓冲材料。阳离子交换量是影响膨润土的微观结构一个重要参数,进而会改变膨润土的膨胀性能以及水力和扩散特性。通过将改性后的锂基膨润土加热到不同温度,制备了一系列阳离子交换量逐渐降低的减电荷膨润土。采用核磁共振技术和X射线衍射技术获得了减电荷膨润土在不同含水率下的孔隙水分分布特征以及层间距变化,分析了阳离子交换量对膨润土层间水化的影响机制。研究表明,随着阳离子交换量的减小,可膨胀层的数量减少,导致膨润土的液限降低。根据核磁共振获得的横向驰豫时间T2分布曲线提出了一个确定可膨胀层比例的初步方法,该方法获得的结果与可交换阳离子降低的比例是非常接近的。
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岩体暴露面图像中裂隙全自动提取方法研究
吴金, 吴顺川, 孙贝贝,
岩土力学. 2024 (9):  2621-2632.  DOI: 10.16285/j.rsm.2024.0476
摘要 ( 79 )   PDF(1392KB) ( 77 )  
裂隙显著影响岩体物理与力学性质,针对从岩体暴露面图像中自动提取裂隙存在的提取结果不完整、信噪比低,以及提取方法经验参数多、鲁棒性差等问题,提出一种全自动裂隙提取优化程序。首先,通过引入广义伽马校正初步提升裂隙与岩壁面对比度;其次,考虑裂隙路径像素间相互影响,设计灰度传递算法提升裂隙连续性;最后,通过改进Frangi滤波器提取裂隙并充分抑制噪音像素响应。结果表明:该程序充分融合了裂隙低灰度和高线型两大特征,图像增强与裂隙提取两阶段协同运作,显著改善了裂隙对比度不均问题,在较完整提取裂隙的同时还能够有效防止噪音与伪裂隙的产生,对多种岩体暴露面图像均具有很高的鲁棒性。将该方法与常用的裂隙识别算法进行比较,展现了该算法流程在处理低对比度、高噪声岩体裂隙图像方面的显著优势。
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裂隙煤岩组合体单轴压缩力学响应及失稳机制
陈光波, 唐薇, 李谭, 王创业, 王二雨, 张国华,
岩土力学. 2024 (9):  2633-2652.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1677
摘要 ( 178 )   PDF(34121KB) ( 62 )  
煤岩系统中煤层与岩层之间的层间薄弱带是裂隙分布的主要区域,这些裂隙贯穿于两岩层,严重影响着煤岩系统的力学性质与工程稳定。为探究贯穿裂隙对煤岩系统力学性质的影响,对5种裂隙长度、5种裂隙角度的裂隙煤岩组合体开展轴向加载试验,结果表明:(1)随裂隙长度的增加,抗压强度、弹性模量、峰值能量、冲击能量指数呈线性减小。随裂隙角度的增大,抗压强度、弹性模量、峰值能量、冲击能量指数先减小后增大。(2)试样破坏声发射活动均经历平静期、活跃期、剧烈期3个阶段。随裂隙长度的增加,声发射累计能量先增加后减小。随裂隙角度的增大,声发射峰值能量和累计能量先增大后减小。(3)裂隙长度和角度对翼裂纹、次生倾斜裂纹、次生共面裂纹、斜裂纹、次生衍生裂纹、翼裂纹衍生裂纹、远场裂纹以及剥落现象有一定影响。(4)随裂隙长度的增加,黏聚力和内摩擦角逐渐降低。随裂隙角度的增加,黏聚力和内摩擦角先减小后增大。(5)构建了考虑裂隙长度和裂隙角度的Drucker-Prager强度准则,合理性验证发现:试样误差在1.367%~5.055%合理范围之内。(6)基于耗散结构理论,分析了组合体失稳破坏机制,组合体破坏主要经历了准稳态、亚稳态、失稳、新稳态4个阶段;构建了裂隙煤岩组合体能量运移模型,分析了裂隙煤岩组合体失稳破坏过程中的能量运移规律。裂隙两端是能量积聚的主要区域,煤组分裂隙端破坏时,一部分能量运移到岩石组分裂隙端,以岩石组分破坏或变形的形式释放出去。研究结果可为探究深部煤岩力学性质、揭示煤岩动力灾害发生机制提供有益参考。
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酸性干湿循环下泥质砂岩劣化及声发射演化特征识别研究
隆能增, 任松, 吴斐, 陈征, 陈国庆, 张平, 张闯,
岩土力学. 2024 (9):  2653-2668.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1586
摘要 ( 82 )   PDF(810KB) ( 76 )  

为深入探究降雨−蒸发干湿循环效应及酸雨腐蚀对泥质砂岩边坡运营稳定性的影响,基于不同酸性干湿循环下泥质砂岩单轴压缩、三轴压缩及声发射监测试验研究了其力学参数劣化规律及损伤破坏演化特征。研究结果表明:泥质砂岩的单轴抗压强度σ 、弹性模量E、黏聚力c、内摩擦角φ  的劣化度与干湿循环次数正相关,而劣化速率与干湿循环次数负相关,围压延缓了其劣化过程,酸性环境则会加剧岩样的劣化。σ  对于酸性干湿循环的敏感度最高,在不同pH值条件下力学参数与干湿循环次数均呈较强的对数关系。声发射振铃累计计数及能量演化特征可分为初始活跃期、稳定增长期和高峰陡增期,并且在稳定增长期表现出较为明显的突变破坏前兆。随着酸性干湿循环的耦合作用效应持续增强,RA-AF张拉裂纹信号持续下降,声发射定位事件特征由中部轴向聚集逐步演变为斜向随机分布,损伤破坏特征由张拉破坏向剪切破坏转变。基于声发射数据驱动的泥质砂岩损伤状态识别模型的综合识别准确率达到93.33%,振铃累计计数和最大能量特征贡献率为81.63%,表明所建模型可较为准确地识别损伤状态等级与声发射数据间的内在关联特征。

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不同灰砂比岩充组合体疲劳损伤与破裂特性试验研究
龙大愚, 王宇, 李鹏, 李长洪, 蔡美峰,
岩土力学. 2024 (9):  2669-2681.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1634
摘要 ( 70 )   PDF(1976KB) ( 70 )  
为了揭示地下采场中岩充组合结构体在频发应力扰动作用下的损伤演化和破裂机制,对4种不同灰砂比的岩充组合体试样开展多级增幅疲劳试验并进行试验后CT扫描。结果表明:(1)充填体的灰砂比对岩充组合体的变形、刚度劣化、损伤扩展和破坏模式均有影响。灰砂比从1:4下降到1:12,体积膨胀增加,割线模量先增加后减小。(2)提出了基于不可逆轴向应变的累积损伤演化模型,该模型与试验数据拟合良好,灰砂比为1:4和1:8的岩充组合体累积损伤呈现2阶段增加模式,即最初稳定增加,随后急剧增加。灰砂比为1:10和1:12的岩充组合体呈现倒“S”形损伤累积模式,即初始、稳定和加速增加3个阶段。(3)随着灰砂比减小,岩充组合体的宏观破坏模式从拉伸−剪切混合破坏过渡为拉伸破坏。试验后的CT图像揭示了岩充组合体细观破裂演化模式,包括充填体中的剪切破坏、沿着岩石和充填体接触面的拉伸破裂以及岩石中的拉伸和剪切破裂。采用“柔性充填体”有利于防止岩石剥落、坍塌等灾害。研究成果可为矿山充填配比优化和深部矿产资源安全开采提供理论依据。
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不同降压速率下天然气水合物垂直井分段降压开采特性试验研究
蒋宇静, 颜鹏, 栾恒杰, 刘明康, 梁伟, 杜晓宇, 马先壮, 史一辰,
岩土力学. 2024 (9):  2682-2694.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1684
摘要 ( 103 )   PDF(16658KB) ( 35 )  
认识分段降压法对天然气水合物储层开采特性的影响规律,能够为提高天然气水合物开采的效率和可控性提供科学依据。为此,利用自主研发的大尺寸二维天然气水合物开采模拟试验装置,开展了3种不同降压速率下的天然气水合物单一垂直井分段降压开采模拟试验,研究了降压速率对降压开采过程中储层的压力响应、温度响应、产气量、瞬时产气速率以及平均产气速率等的影响情况。结果表明:压力变化速率的异常峰值现象的产生与回压阀密切相关,且其持续时间之比约等于降压速率的反比;相同降压幅度下,降压速率越小时,降压持续的时间越长,外部热量传递越多,促使更多的水合物在降压阶段发生分解,使得总产气占比越高;随着降压速率减小,峰值产气速率在第2次降压阶段内出现的时间越来越晚,水合物分解速率达到最大值的时间逐渐推后。
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恒定法向刚度条件下加锚充填节理岩体剪切特性研究
宋洋, 王贺平, 张维东, 赵立财, 周健华, 毛镜涵,
岩土力学. 2024 (9):  2695-2706.  DOI: 10.16285/j.rsm.2024.0356
摘要 ( 91 )   PDF(1188KB) ( 70 )  
深部岩体节理往往存在不同程度的软弱充填物质,导致岩体力学性质更为复杂。开展恒定法向刚度CNS边界条件下,考虑高初始法向应力及不同节理粗糙系数JRC−充填度Δ组合模式的加锚充填节理岩体剪切试验,结合微观电镜扫描(scanning electron microscope,简称SEM)分析充填节理部分宏微观结构演变特征,推导CNS边界条件下峰值剪胀角相关计算方法。研究结果表明:当 Δ< 0.5,试件剪应力强度呈现应力硬化;当1.0<Δ≤1.5,剪应力强度由基本恒定演化为应力软化。当Δ小于临界充填度Δcr ,JRC成为峰值抗剪强度主要影响因素。 Δ在节理法向变形中起到控制作用,随着Δ的增加,出现剪胀、先剪胀后剪缩、剪缩3种演化规律,JRC则影响着试件剪胀−剪缩变化程度。充填节理部分破坏模式随着Δ的增加主要经历3个阶段:粗糙点磨平、充填物质摩擦、充填物质磨碎。微观角度下由疏松多孔结构形式演化为散体碎屑状结构形式。受挤压破碎区与挤压应力集中区二者的相互演化机制影响,锚杆剪切变形模式逐渐由 Δ= 0的“近似”拉剪变形向 Δ= 1.5的拉弯变形模式演变。在此基础上,提出了一种CNS边界条件下加锚充填节理岩体峰值剪胀角的计算公式,并进行了试验验证及边界条件影响参数敏感性分析。
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基于粒子图像测速技术的节状地下连续墙变形特性与破坏模式研究
吴九江, 肖琳, 王丽娟, 张祎,
岩土力学. 2024 (9):  2707-2718.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1559
摘要 ( 92 )   PDF(1263KB) ( 85 )  
节状地下连续墙(简称节状墙)是一种新型的地基基础形式,具备良好的工程特性,相对于传统地下连续墙而言,由于节部的存在,其抗拔承载力得到了有效地提升。目前,节状墙的应用及研究尚处于起步阶段,其变形特性与破坏模式亟待摸清。通过室内模型试验辅以粒子图像测速(particle image velocimetry,简称PIV)技术对节状墙基础竖向受拉下的位移和破坏形态开展了分析,研究结果表明:端部与中部节的设置扩大了深部与浅部土体的影响范围,多部节的设置相对于单部节有利于调动更广范围的土体。节状墙的破坏模式包括垂直滑移面、倒金字塔状或正切曲线和花瓶状曲线(即曲线滑移面)相连接的滑移面。总体而言,与抗拔桩相比,节状墙的抗拔破坏面受到节部数量和位置的影响而表现为复合型,且部分滑移面的走向与土体内摩擦角有关。
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基于土−水特征曲线的非饱和冻土未冻水含量预测
周凤玺, 赵文沧
岩土力学. 2024 (9):  2719-2727.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1692
摘要 ( 106 )   PDF(583KB) ( 87 )  
对非饱和土体在冻结温度以下土中未冻水含量进行了理论分析,给出了一种简便的预测方法及其数学模型。基于非饱和土孔隙中气液两相的化学平衡和力学平衡关系,结合土−水特征曲线,给出了以Van Genuchten土−水特征曲线模型参数表示的土体孔隙体积分布密度函数,且水分冻结与土体孔径分布密切相关。根据初始有效饱和度对应的液态水填充的最大孔径和一定冻结温度对应的起始结晶孔径之间的关系,分析了土体孔隙中冰水相变的特征及其临界有效饱和度。当初始有效饱和度超过临界结晶饱和度后,冻结现象才会发生。给出了非饱和土体在冻结温度以下土中未冻水饱和度的预测公式,并通过已有的试验结果对其有效性进行了验证。
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采石场粉尘和海砂混合物力学性能试验和数值研究
TIEP Pham Duc, TU Nguyen Van, PHONG Pham Duc, CHINH Mai Viet, PHONG Nguyen Viet
岩土力学. 2024 (9):  2728-2740.  DOI: 10.16285/j.rsm.2024.00104
摘要 ( 81 )   PDF(15200KB) ( 40 )  
越南等发展中国家的道路基础设施建设需要大量天然砂。河砂日益紧缺,其供应量将持续下降。因此,建筑行业必须实施可持续发展战略,将废弃材料与各种可利用资源相结合,以有效应对这一严峻形势。本研究的目的是测试采石场粉尘和海砂混合物的力学性能,并评估其在高速公路路基层中的潜在应用。进行了一系列试验,包括材料的含水率、相对密度、休止角测试和三轴试验,以研究不同配比下混合物的组成。结合Plaxis土工试验中的校准进行了广泛的参数研究,得出了割线模量E50和围压曲线。根据加州承载比CBR对公路路基层所用材料的评估结果,证明海砂和采石场粉尘混合物具有适当性能,可用于公路路基的建设。
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岩土工程研究
基于卷积神经网络的液化预测模型及可解释性分析
龙潇, 孙锐, 郑桐,
岩土力学. 2024 (9):  2741-2753.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1596
摘要 ( 161 )   PDF(565KB) ( 208 )  
常规液化判别方法通常是半经验方法,存在人为因素干扰,成功率及均衡性不佳。现有的机器学习方法缺乏足够的样本支撑,存在一定的局限性。通过整合液化数据集,选取修正标准贯击数、细粒含量、土层深度、地下水位深度、总上覆应力、有效上覆应力、门槛加速度、循环剪应力比、剪切波速、震级与地表峰值加速度11个液化特征建立卷积神经网络(convolutional neural network,简称CNN)模型。引入边界合成少数过采样技术消除不平衡数据集的影响。将CNN模型与随机森林模型、逻辑回归模型、支持向量机模型、极致梯度提升模型和规范方法进行对比,并结合沙普利加性解释(SHapley Additive exPlanations,简称SHAP)分析输入特征对预测结果的影响趋势。结果表明,CNN模型准确率达92.58%,各项指标均优于其他4种机器学习模型和规范方法。对SHAP结果分析可知,修正标贯击数小于15的土层液化概率较高,循环剪应力比CSR小于0.25的土层更不易液化。各因素的影响规律均符合现有认知,预测模型合理可靠。
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黄土塬边漫灌区土体水入渗过程研究
赵宽耀, 许强, 陈婉琳, 彭大雷, 高登辉,
岩土力学. 2024 (9):  2754-2764.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.0367
摘要 ( 96 )   PDF(41294KB) ( 69 )  
黄土漫灌区水入渗形成的饱和黄土层内极易产生液化型破坏,诸如积石山6.2级地震诱发的中川乡液化型黄土滑坡和甘肃黑方台黄土滑坡为典型案例;然而,黄土中水的渗流是以活塞式基质渗流为主还是以优势渗流为主,目前尚未定论。以甘肃黑方台典型滑坡后缘漫灌区土体为研究对象,开展现场漫灌入渗试验,借助三维高密度电法实时监测水的入渗过程;利用电阻率变化率表征水分的整体入渗过程,并用相邻测量时段电阻率变化率差值表征该时段内水分的关键渗流空间,分析漫灌作用下黄土中水的渗流模式,探讨不同补给强度对渗流模式的影响。主要得出以下结论:(1)固定电极的时序三维高密度电法能有效探测黄土中水的渗流过程;(2)试验区黄土中呈现基质流与优势流共存的渗流模式,其中基质流的均匀入渗为测量空间内的主要渗流模式且集中于近地表2 m内,优势流表现为延伸至4 m深度的优势通道内水分向周围以基质流形式逐渐渗流,渗流轨迹受优势通道分布的影响;(3)含裂隙黄土中水的渗流模式受水补给强度的影响,其中漫灌或降雨积水时,出露地表的裂隙内水分可直接下渗至裂隙延伸的区域形成优势流,而在无积水的降雨条件下,裂隙内无法形成明显优势流,水分以活塞式基质流的形式下渗。研究成果可为黄土中水渗流的现场观测及模式探讨提供借鉴。
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风驱雨作用下植被斜坡稳定性响应研究
林滨强, 章德生, 简文彬, 豆红强, 王浩, 樊秀峰,
岩土力学. 2024 (9):  2765-2774.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1563
摘要 ( 97 )   PDF(33483KB) ( 92 )  
闽东南高植被覆盖区台风暴雨型滑坡频发,探索在植被、降雨、强风作用下的滑坡失稳演化及其规律对揭示高植被覆盖区台风暴雨型滑坡的成灾机制、监测预警具有重要的理论及实际意义。以福建省永泰县洋斜滑坡为研究对象,对斜坡上的毛竹进行拉拔试验以及对根土区进行单环入渗试验,结合Green-Ampt模型和无限边坡模型,研究在台风暴雨作用下植被土坡的稳定性响应规律及其稳定性分析方法。结果表明:(1)毛竹抵御的极限风速主要在18~30 m/s的范围之内,对应8~11级风力范围。(2)毛竹迎风区土体入渗能力随着风速的增长而增长,0~12 m/s内入渗能力基本不变,12 m/s以上入渗能力迅速增长。(3)根土区湿润锋的迁移速度随着风速和降雨强度的增大而加快,台风通过植被扰动土体形成优势渗流,对入渗的影响主要在于加快了湿润锋的迁移速度。风−雨−植被协同作用下,风速是影响土体入渗能力的重要因素。(4)台风暴雨作用下风荷载通过植被加快根区土降雨入渗,从而增大湿润锋迁移速度,是台风暴雨型滑坡孕灾、成灾的重要环节。
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地铁车站下水平冻结过程中冻胀的热−水−力耦合模型研究
王长虹, 魏永青, 张海东, 李飞
岩土力学. 2024 (9):  2775-2785.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1605
摘要 ( 114 )   PDF(8912KB) ( 68 )  
随着地下空间大规模开发利用,人工冻结法在隧道下穿上覆结构工程中得到广泛应用,但上覆结构对冻胀变形控制要求也越来越高,而上覆既有结构与冻结法工艺的相互作用规律尚不明晰。为此,提出多物理场耦合冻胀变形计算方法。依托上海地铁18号线国权路站下穿既有10号线上部运营车站的盾构隧道工程,以上海第⑤1层灰色黏土为对象,研究新建隧道冻结法施工对上部运营车站主要结构的扰动作用。以孔隙比、冻结温度和平均水压力为耦合变量,考虑水分迁移,推导冻胀变形公式,改进热−水−力耦合的冻胀计算模型。基于黏性土的冻胀试验,获得冻胀试样的应力−应变关系,描述黏性土孔隙结构的变化规律。利用软件COMSOL Multiphysics的弱形式模块,开展热−水−力三场耦合数值模拟。结果表明:模拟结果与监测数据具有较高的拟合度,并小于预定的控制值,验证了耦合理论的正确性。研究成果可为类似冻结下穿隧道工程,提供一种多物理场耦合作用的上覆结构变形计算方法;为下穿隧道工程冻结法设计及施工提供有效的计算参数;为制定下穿隧道工程冻结法加固施工的安全控制指标,提供科学依据。
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邻近深埋地铁车站水−土阻隔效应及其对基坑抽水致沉的影响
薛秀丽, 谢伟睿, 廖欢, 曾超峰, 陈宏波, 徐长节, 韩磊,
岩土力学. 2024 (9):  2786-2796.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1635
摘要 ( 72 )   PDF(7664KB) ( 65 )  
既有地下结构会阻隔地下水渗流(阻水效应)和其周边土体运动(阻土效应),使得该条件下的基坑抽水致沉规律与无邻近地下阻隔时不同。以实际基坑抽水试验为工程依托,以基坑外既有地铁车站结构的水−土阻隔效应为例,通过建立不同车站位置、车站埋深及基坑抽水强度的系列三维数值仿真模型来研究不同水−土阻隔效应条件下的基坑抽水致沉规律。研究表明:当基坑外存在车站结构时,基坑抽水沉陷被加剧或被限制,这取决于阻水和阻土效应孰强孰弱,而车站与基坑间距D的远近将决定阻水和阻土效应的相对强弱,进而决定基坑抽水沉陷是被加剧还是被限制;车站埋深H只会单一影响阻水或阻土效应的发挥强度,不会决定阻水和阻土效应谁起主导作用。工程中应针对基坑外邻近车站的具体位置和埋深考虑其水−土阻隔效应的影响,从而更准确地评估该条件下的抽水致沉规律。
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土体本构模型参数的不确定性评估研究
薛阳, 苗发盛, 吴益平, 温韬, 王艳昆,
岩土力学. 2024 (9):  2797-2807.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1648
摘要 ( 78 )   PDF(3886KB) ( 101 )  
模型参数评估是本构模型发展的重要研究内容。为了考虑本构模型参数评估过程中存在的误差,采用基于结构可靠度、子集模拟和自适应条件抽样方法的贝叶斯框架,提出一种基于试验数据反演的本构模型参数不确定性评估方法。分别以表征岩土体剪应力−剪应变的节理剪切本构模型和描述土体非线性应变增量−应力增量的亚塑性黏土本构模型为例,研究了本构模型参数、土体偏应力−应变和孔隙比−压力曲线的不确定性表征结果,并分析了模型参数对试验结果的敏感性。结果表明该方法可以评估验数据驱动下本构模型参数的拟合不确定性。对于应力−应变曲线的表征,节理模型参数 和的贡献相对较大,而亚塑性模型的多数参数贡献度差异较小。研究结果有助于加深对这两种本构模型的理解以及提高本构模型预测的可靠性。
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数值分析
考虑土−结构相互作用的地下室层对高层建筑地震反应影响研究
马建勋, MOHAMMED El Hoseny, 庞盼望, 李文枭, 闫洪祥
岩土力学. 2024 (9):  2808-2822.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1606
摘要 ( 132 )   PDF(12615KB) ( 60 )  
当前建筑抗震设计中往往忽略了地下室层及土−结构相互作用(soil-structure interaction,简称SSI)效应的影响,研究旨在通过振动台试验和数值模拟,研究考虑SSI效应时不同地下室层数的高层建筑在不同地震作用下的地震反应。首先选择相似系数λλ = 1:50)进行缩尺模型的振动台试验,以模拟真实建筑的地震反应。为了模拟复杂的结构系统,利用PLAXIS 3D对有无SSI效应的缩尺模型和真实模型分别进行了数值模拟。试验和数值模拟的结果取得了很好的精确度并具有良好的一致性,同时也验证了所选相似系数λ = 1:50足以反映不同地震作用下建筑的真实情况。通过对试验和数值模拟的结果进行分析,发现SSI效应和地下室对高层建筑的地震反应的影响显著。虽然目前大多数规范都认为SSI效应会减小建筑的剪力,增加相对侧向位移,但研究发现,在某些情况下SSI效应会增加建筑的剪力和相对侧向位移。
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考虑化学反应的高聚物压密劈裂注浆仿真研究
李晓龙, 赵泽鑫, 陈坤洋, 马鹏, 陈灿, 钟燕辉, 张蓓,
岩土力学. 2024 (9):  2823-2838.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1619
摘要 ( 77 )   PDF(760KB) ( 70 )  
考虑浆液化学反应原理,综合运用扩展有限元理论、修正剑桥模型和高聚物浆液膨胀力计算模型,建立了模拟高聚物在土体中压密劈裂注浆动态过程的二维仿真分析方法。通过模型试验验证了所提出方法的适用性,进而分析了浆液膨胀力、浆脉形态、土体孔隙比随时间变化规律及注浆孔埋深、土体断裂韧度对浆脉扩展过程的影响。结果表明:受高聚物化学反应进程驱动,在浆液与土体耦合作用下,浆液膨胀力初期随时间近似呈线性增长,达到峰值后快速下降并趋于稳定;浆脉长度和宽度发展速度不同步,裂缝启裂至二次扩展阶段,浆脉长度基本保持不变,宽度线性增大,裂缝二次扩展后,浆脉长度近似线性增大,而宽度增长速率趋缓;受浆液挤密作用影响,裂缝两侧一定范围内土体孔隙比显著降低,沿垂直于裂缝面方向,距注浆孔中心越近,孔隙比越小;孔隙比随时间整体呈下降趋势,随着裂缝的扩展和后期膨胀压力的下降,紧邻裂缝面两侧土体孔隙比有一定恢复,随后趋于稳定;随着注浆孔埋深和土体断裂韧度的增加,浆脉长度逐渐减小,宽度不断增大,两者变化速率基本保持不变;浆脉扩展稳定时间随埋深的增大而提前,随断裂韧度的增大而延后。
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基于自动机器学习的岩爆烈度分级预测模型
贺隆平, 姚囝, 王其虎, 叶义成, 凌济锁,
岩土力学. 2024 (9):  2839-2848.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1607
摘要 ( 111 )   PDF(41875KB) ( 88 )  
为了解决岩爆预测过程中人为因素影响过大与预测时间过长的问题,提出了一种基于自动机器学习的岩爆烈度分级预测模型。收集国内外岩爆案例样本构建数据,基于5个自动机器学习模型框架训练岩爆烈度分级预测模型,采用准确率、精确度、召回率、F1指标评价模型性能。与13种常见机器学习模型预测结果进行对比分析,得出AutoML框架构建的岩爆预测模型预测准确率远远高于13种传统机器学习算法构建的岩爆预测模型。其中,基于Auto-Sklearn框架构建的岩爆预测模型准确率高达0.969,基于Auto-Gluon框架构建的岩爆预测模型准确率在5个框架中最低,准确率也高达0.927。应用构建的模型预测晒旗河磷矿的岩爆发生情况,预测结果与现场情况一致,表明基于自动机器学习的岩爆烈度分级预测模型能够有效预测实际工程中的岩爆发生情况。
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考虑间断速度场的光滑有限元极限分析上限法
戴北冰, 袁新, 周锡文, 刘锋涛,
岩土力学. 2024 (9):  2849-2858.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1544
摘要 ( 80 )   PDF(30619KB) ( 53 )  
基于应变光滑技术的有限元极限分析方法,为岩土工程稳定性分析提供了一种有效和高精度的数值分析途径。通过改进基于节点光滑域的方法,使其可以考虑间断的运动许可速度场,提出一种新型节点光滑有限元极限分析上限法。在土与结构接触面处引入间断速度场,以间断面处节点速度差表征间断速度场的大小,进而基于间断节点重新构造节点光滑域。在Mohr-Coulomb屈服准则和关联流动法则的基础上,分别计算间断面和光滑域内的内能耗散,并将屈服准则和流动法则的约束条件转化为一系列的二阶锥约束方程,最终将考虑间断速度场的节点光滑有限元上限法转化为标准的二阶锥规划模型。此模型可以采用高效的原对偶内点算法进行求解。通过岩土工程中经典问题的数值分析,验证了新方法的可靠性,并通过数值分析发现,结构与土体接触的强度性质对结构的失稳模式和极限承载力具有明显的影响。
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