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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10期 刊出日期:2024-10-09
上一期   
基础理论与实验研究
我国盐穴地下储库建设的挑战与对策研究——从“金坛模式”到“XX模式”
李银平, 马洪岭, 施锡林, 杨春和,
岩土力学. 2024 (10):  2859-2869.  DOI: 10.16285/j.rsm.2024.0310
摘要 ( 285 )   PDF(4500KB) ( 213 )  
我国盐穴地下储库建设起源于江苏金坛盐矿并获得成功,初步构建了我国盐穴储库建设首个技术标准体系。但是,我国各地盐矿的品位、埋深、矿层厚度和夹层特性等地质条件与金坛盐矿相差甚远,盐穴储库建设面临诸多挑战,不能照搬“金坛模式”。着眼于盐穴储库地质设计、造腔工程、注气排卤方案等方面,首先总结盐穴储库建库的“欧美模式”,以及基本上借鉴“欧美模式”发展形成的我国“金坛模式”的基本特征,然后结合我国已开展和正在开展的其他多座盐矿的盐穴储库建设的研究和工程实践,提出几种基于“一地一议、因矿制宜”原则的典型盐穴储库建库的“XX模式”。“XX模式”意味着是不同于金坛模式并有极大突破和变革的新型建库模式,是应对我国各地盐矿地质复杂性所带来挑战的技术方案和新思路。最后,对于下一步应对盐矿复杂地质条件带来的挑战需要突破和创新的关键理论和技术进行了展望。
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动水作用下岩体裂隙中颗粒运动规律的试验研究
崔溦, 裴介渲, 江志安,
岩土力学. 2024 (10):  2870-2878.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1878
摘要 ( 188 )   PDF(1467KB) ( 173 )  
动水作用下岩体裂隙中的颗粒运动是引起渗透破坏的常见原因。针对天然岩石裂隙的随机性与隐蔽性,采用三维Weierstrass-Mandelbrot分形函数构建随机裂隙通道,并采用3D打印方法获得透明裂隙模型实体,使用微流体控制仪开展动水作用下颗粒在裂隙中的运动试验,分析裂隙粗糙程度、颗粒粒径与裂隙开度的比值(简称粒径隙宽比)、渗流水压力对颗粒在裂隙中起动、运移的影响规律,进而推断岩体裂隙发生渗透破坏的可能性。研究结果表明:颗粒在岩石裂隙中的运动规律与裂隙粗糙程度、水压力、颗粒粒径隙宽比3个因素有关。裂隙粗糙程度越大,或颗粒粒径隙宽比越大,颗粒越不容易开始运动,即裂隙发生渗透破坏的可能性越低。同时,水压力是颗粒运动的主导因素,颗粒粒径隙宽比对颗粒运动的影响与水压力有关。存在一特定水压力临界值,未达到该水压力时,颗粒粒径隙宽比对平均运动速度的影响不明显,超过该水压力后,影响程度显著增大,且该临界水压力值的大小与裂隙粗糙程度有关,裂隙越粗糙,临界水压力越大。
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带压环境下泥浆-泡沫组合改良级配不良砂剪切特性研究
王树英, 钟嘉政, 倪准林, 郑响凑,
岩土力学. 2024 (10):  2879-2888.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1697
摘要 ( 177 )   PDF(2105KB) ( 63 )  
盾构穿越富水砂性地层时易出现排渣不畅或喷涌等风险,仅采用泡沫改良往往无法有效改善级配不良渣土的流动性与抗渗性,归因于泡沫易消散和流失,故须引入膨润土泥浆进行组合改良。正确认识土舱压力环境泥浆-泡沫组合改良级配不良砂土的剪切大变形行为有助于优化满足盾构安全掘进的渣土组合改良方案。因此,开展了泥浆-泡沫组合改良级配不良砂土的加压十字板剪切试验,研究结果表明:在土舱压力环境下,组合改良砂土的初始孔隙比和饱和度随泥浆注入比(bentonite injection ratio,简称BIR)增加而增大,有效应力降低,进而导致峰值强度和残余强度降低;然而剪切强度的剪切率相关性和有效内摩擦角对BIR的敏感性较弱;BIR增加还使大变形后改良砂土的屈服应力有所降低。此外,对比常压下流动性相似的3类不同改良砂土带压剪切大变形行为,表明带压环境下提高BIR或泡沫注入比(foam injection ratio,简称FIR)均可提高孔隙比且减小有效应力,但相较于纯泡沫改良砂土,组合改良砂土具有更低的有效应力和剪切强度。该类级配不良砂土的合适组合改良参数为FIR=20%、BIR=10%~15%。最后,细观成像结果揭示了膨润土对改良砂土剪切强度的双重削弱作用:①吸附砂土颗粒表面,降低颗粒间摩擦力;②延缓泡沫衰变,使得小粒径气泡较均匀分布于孔隙中,进而有效削弱土骨架强度。
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基于孔压静力触探试验测试数据的原位固结系数物理信息神经网络反演方法
李林, 左林龙, 胡涛涛, 宋博恺,
岩土力学. 2024 (10):  2889-2899.  DOI: 10.16285/j.rsm.2024.0842
摘要 ( 169 )   PDF(654KB) ( 115 )  
固结系数是软基沉降计算和稳定性分析的关键参数,现有固结系数原位测试方法存在耗时长且精度低的缺点。根据孔压静力触探试验(piezocone penetration test,简称CPTU)贯入机制与锥肩超孔隙水压力消散模式,采用圆孔扩张理论和轴对称固结方程描述CPTU锥肩超孔隙水压力的形成、发展和消散过程,利用神经网络自动微分功能将轴对称固结方程嵌入深度神经网络,通过物理方程损失函数、边界条件损失函数和初始条件损失函数形成神经网络的物理信息约束,同时将CPTU孔压测试数据作为数据驱动项,以最小化超孔隙水压力损失函数为优化目标,建立了CPTU孔压测试数据反演场地原位固结系数的物理信息神经网络(physics-informed neural networks,简称PINNs)模型。通过已有离心模型试验数据反演验证了PINNs模型反演场地原位固结系数的有效性,并利用CPTU孔压测试数据分析了PINNs模型反演原位固结系数的鲁棒性。结果表明:提出的PINNs模型能够有效利用CPTU孔压测试数据快速准确地反演场地原位固结系数;由于模型融入了物理机制约束,所需训练数据量少,且对有噪声的孔压测试数据具有较强的鲁棒性和泛化性能,为准确、快速可靠测试场地原位固结系数提供了有效途径。
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饱和黏弹性孔隙介质中压缩波的频散与衰减
师文佳, 丛琳, 杨多兴,
岩土力学. 2024 (10):  2900-2906.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1728
摘要 ( 88 )   PDF(421KB) ( 57 )  
波的频散现象及其成因是岩石物理学与孔隙介质声学研究的一个热点。基于Biot理论与Darcy-Brinkman定律,提出了Maxwell-Brinkman与Kelvin-Brinkman黏弹性孔隙介质力学模型,建立了压缩波的频散关系,揭示了波的频散与衰减规律,分析了应力松弛与蠕变对波的传播速度与逆品质因子的影响。低频情况下,Kelvin-Brinkman模型与Darcy-Brinkman-Biot模型预测的压缩波的频散及其衰减一致。高频情况下,Maxwell-Brinkman模型与Darcy-Brinkman-Biot模型预测的压缩波的频散及其衰减一致。结合墨西哥湾的试验数据,验证了物理模型的可靠性。通过参数敏感性分析,探讨了基于实测数据优化介质参数的方法。
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基于压敏胶片的法向应力作用下砂岩节理的接触特征研究
龚耕, 潘佳, 赵立春, 熊峰, 张国华, 唐志成,
岩土力学. 2024 (10):  2907-2918.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1845
摘要 ( 113 )   PDF(2615KB) ( 56 )  
定量测量岩石节理的接触特征是开展节理岩体的水-力特性研究的基础,然而其接触特征难以直接在室内试验中测量。采用闭合变形试验研究了法向加载下岩石节理的接触特征变化规律。首先利用岩石雕刻系统构建系列粗糙砂岩节理,然后在节理两个面壁间重复置入多种型号(MS、HS和HHS)的压敏胶片进行闭合变形试验,再引入自适应阈值分割方法识别压敏胶片图像信息并定量分析其接触特征变化规律。岩石节理的力学特性主要受接触区域演化过程的影响,主要包括新接触点产生、接触区域扩展和融合。接触面积比随法向应力增加从线性增加逐渐变为非线性增加趋势,双曲线经验模型可较好地表征接触面积的变化趋势;模型中初始接触面积增长速率与节理粗糙度系数JRC呈正相关关系。接触点数量随法向应力增加呈波动性增加,增长速率与表面分形维数呈负相关关系。低法向应力(0.5 MPa)下岩石节理的局部真实接触应力最大可达名义法向应力的600倍,导致微凸体崩解破坏;随着法向应力和节理粗糙度的增加,其接触应力分布越不均匀;高法向应力条件下粗糙度对其接触面积的影响程度是低法向应力条件下的20倍。该试验结果可为相关力学模型构建提供参考,所提出的测量方法亦可为数值模拟结果的验证提供途径。
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岩土常规三轴Drucker-Prager准则
冯嵩, 郑颖人, 高红,
岩土力学. 2024 (10):  2919-2928.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1754
摘要 ( 181 )   PDF(638KB) ( 304 )  
随着三维数值极限分析得到日益关注,亟需发展适用于岩土常规三轴应力状态的Drucker-Prager(DP)准则。当前尚无适用于岩土常规三轴条件的DP准则的精确解,而是使用近似的等面积圆DP-31准则,该准则偏安全。基于岩土三剪能量准则,推导了该准则最高点(即该准则与摩尔-库仑准则的切点)对应的罗德角的表达式,进而通过最高点建立了岩土常规三轴DP-32准则,并将其应用于常规三轴条件下土体的极限荷载计算与边坡稳定性分析。研究表明:DP-32准则计算的常规三轴下土体极限荷载为实测值的87%~97%,DP-32准则与DP-31准则计算的极限荷载之比可达1.19,且随着围压减小、黏聚力增大或者内摩擦角φ 增大,二者计算结果的差异增大;DP-32准则计算的土质边坡稳定安全系数为DP-31准则计算结果的1.01~1.04倍,且二者差异随着坡度增大而增大。这些结果表明DP-32准则适用于岩土常规三轴应力状态下的数值极限分析。
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生物炭水泥土渗透特性试验及细观结构分析
刘忠玉, 黄通通, 曹永青, 刘朝凡
岩土力学. 2024 (10):  2929-2936.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1907
摘要 ( 132 )   PDF(1110KB) ( 90 )  
为拓展生物炭在土木工程领域的应用,用生物炭代替部分水泥制作生物炭水泥土。采用室内变水头渗透试验和扫描电镜(scanning electron microscope,简称SEM)试验,分析不同生物炭掺量和养护龄期等条件下的渗透特性规律及其作用机制,寻找最佳生物炭掺量。渗透试验结果表明,随着生物炭掺量的增大,水泥土渗透系数先减小后增大,并在生物炭替代水泥量为1%时试样渗透系数最小。另外,随着龄期的增加,水泥土渗透系数非线性减小,其中生物炭对水泥土早期的渗透性影响最大。细观分析发现,生物炭在水泥土中并没有直接发生化学反应,生物炭之所以能提升水泥土的抗渗性能是由于生物炭填塞在土及水泥颗粒的孔隙中,使其更加密实。
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卸围压下弱胶结软岩分数阶蠕变损伤本构模型
刘家顺, 周妮, 左建平, 郑智勇, 金佳旭,
岩土力学. 2024 (10):  2937-2948.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1748
摘要 ( 104 )   PDF(1410KB) ( 82 )  
为研究地下硐室开挖卸荷诱发的软岩蠕变损伤特征,以西部矿区弱胶结软岩为研究对象,利用GDS HPTAS开展了分级卸围压蠕变试验,研究了不同含水条件下弱胶结软岩卸围压下蠕变特征和蠕变速率特征。基于稳态蠕变速率倒数的方法,确定了弱胶结软岩长期强度和含水率的数学指数函数关系。基于蠕变速率曲线特征提出了一种确定衰减蠕变与等速蠕变分界点t1和等速蠕变与加速蠕变分界点t2的新方法。引入Riemann-Liouville分数阶积分算子和负时间指数损伤演化变量,定义了非线性损伤Abel黏壶,建立了一个包括弹性元件、黏弹性损伤元件、黏性元件和非线性黏塑性损伤元件的六元件分数阶蠕变损伤本构模型。基于试验结果,采用Trust-Region算法进行了模型参数识别和敏感性分析。结果表明,所建立的模型具有物理意义明确、与试验值吻合度较高等特点,可较为准确地反映开挖卸荷条件下弱胶结软岩蠕变损伤特性,对保障地下工程长期稳定性具有重要的意义。
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梯度应力作用下不同中主应力对岩爆影响的模型试验研究
王亚鑫, 夏元友, 黄 建, 阎要锋, 范成强, 刘曜源
岩土力学. 2024 (10):  2949-2960.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1890
摘要 ( 88 )   PDF(5593KB) ( 57 )  
为探究围岩切向应力梯度加载过程中不同中主应力对岩爆孕育及破坏的影响,借助自主研发的气液复合加载装置,开展类岩石材料模型试件在3种不同中主应力条件下的真三轴岩爆模拟试验。试验过程利用高速摄像机与声发射监测系统进行监测,对比分析各试件岩爆宏观破坏差异与声发射参数演化规律。研究结果表明:随中主应力增大,试件破坏荷载增大,岩爆破坏瞬时突发性增强,岩爆碎屑总质量及各粒径碎屑质量增加,试件破坏规模越大。加载前、中期高中主应力条件下试件的声发射活动减弱,表明高中主应力条件抑制了试件损伤与裂隙发育;加载后期高中主应力条件下试件的声发射振铃计数与能量释放愈发集中且能量峰值与累计值提高,声发射b值骤降至更低水平,高主频幅值点占比增加,表明高中主应力条件加剧了试件损伤与裂隙发育,大尺度裂纹及剪切裂纹数目增多,岩爆瞬间能量释放更猛烈,致使试件破坏更严重,岩爆剧烈程度更高。
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软弱岩体锚杆物理锚固装置参数优化分析及试验研究
郭鹏飞, 王戌, 徐飞龙, 孙岩, 刘鑫
岩土力学. 2024 (10):  2961-2970.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1885
摘要 ( 116 )   PDF(2945KB) ( 75 )  
对于软弱岩体的锚杆支护,传统锚固剂锚固往往不能发挥理想的锚固效果。针对软弱岩体锚固性能差、锚固力易衰减的技术难题,提出一种物理锚固装置对软岩进行锚固,增强锚杆对软弱岩体的支护效果,确保锚固能力的持续稳定。采用数值模拟及室内试验相结合的方法开展系统研究。数值模拟结果表明:在设计参数范围内,锚固装置上倒齿的高度越大,锚固力越大;倒齿的角度越小,锚固力越小;倒齿的排数越多,锚固力越大,而倒齿间距对锚固力影响不显著。在数值模拟的基础上,选取锚固装置倒齿的最优参数并进行拉拔试验。试验结果表明:物理锚固装置能保证锚固力长时间不衰减,并且3排倒齿的锚固装置能提供的锚固力高于传统锚固剂锚固。本研究有助于解决软岩条件下锚杆锚固性能差的核心问题,为确保软弱岩体的锚杆支护效果提供了重要参考。
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考虑轴力影响的盾构隧道纵向地震响应解析
任璐瑶, 吴镇杰, 黄啟超, 关振长
岩土力学. 2024 (10):  2971-2980.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1902
摘要 ( 109 )   PDF(695KB) ( 53 )  
如何合理估算盾构隧道的地震响应,一直是业界和学界关注的研究热点。相较于横断面地震响应,盾构隧道的纵向地震响应更为复杂。将盾构隧道视为Winkler地基上的Timoshenko梁,考虑轴力影响,包括残余轴力和纵向地震附加轴力,提出纵向与横向地层位移共同作用的理论计算模型,并通过有限差分方法求解盾构隧道纵向地震响应。依托常规6.2 m级错缝拼装的盾构隧道进行算例验证,考虑轴力影响使得盾构隧道整体刚度得以提高,内力与变形响应均有所减小;若不考虑轴力影响,则可退化为传统计算方法。进一步地,通过参数敏感性分析探讨了隧道残余轴力、地基反力系数、地震波入射角及波长对盾构隧道纵向地震响应的影响规律。结果表明:残余轴力越大,等效梁整体刚度提升越大,盾构隧道地震响应越小;且入射角小于45°时,残余轴力对隧道地震响应的影响更加显著。地基反力系数越大,隧道整体挠度和环间局部非连续变形均越大;波长在20~100 m范围内的地震波更容易导致隧道环缝间发生较大的张开和错台。以上研究成果可为盾构隧道纵向抗震设计提供理论支撑。
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高温对不同粒径花岗岩剪切特性影响研究
张塑彪, 张帆, 李康文, 马双泽
岩土力学. 2024 (10):  2981-2993.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1798
摘要 ( 198 )   PDF(3966KB) ( 66 )  
在干热岩水力压裂过程中,高温会弱化热储岩体裂隙壁面强度从而表现出裂隙错动的行为特征,而这种弱化现象与黏聚力和内摩擦角的热变特性相关,因此,了解花岗岩在高温下的力学特性对于干热岩开发过程中热储岩体的稳定性评价具有重要意义。在不同高温条件下进行了粗、细颗粒花岗岩变角剪切试验(45°、55°、65°),分析了高温对不同粒径花岗岩黏聚力和内摩擦角的影响,结合扫描电镜与低场核磁共振试验,进一步研究了热力耦合作用对花岗岩微裂纹与孔隙结构演化规律的影响。研究结果表明:花岗岩的黏聚力随温度升高呈现先增加后降低的趋势,内摩擦角变化规律受温度影响较小,300 ℃为花岗岩黏聚力发生转化的阈值温度。在温度阈值前,粗颗粒花岗岩黏聚力增幅约为细颗粒花岗岩的5.73倍,温度强化效应对粗颗粒花岗岩影响更为显著。随着温度的升高,花岗岩微裂纹形式由晶内裂纹向沿晶裂纹发展。核磁共振T2谱曲线存在多个间断性峰值,温度升高使粗颗粒花岗岩大孔隙受到压实作用,导致弛豫效应减弱,而热力耦合作用对细颗粒花岗岩大孔隙发展影响有限。该研究结果有望为干热岩热储岩体稳定性评价提供参考。
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海上风电大直径单桩基础循环重固结效应离心机试验研究
赖踊卿, 李炜, 戚海峰, 何奔, 王欢,
岩土力学. 2024 (10):  2994-3002.  DOI: 10.16285/j.rsm.2024.0091
摘要 ( 119 )   PDF(1234KB) ( 56 )  
我国东南沿海台风频发,海上风机在其服役期内往往经历多次循环重固结阶段。然而当前绝大多数研究仅局限于未经历重固结的单桩循环响应,鲜有研究考虑循环重固结效应对后续单桩响应的影响。为此,针对软黏土中两种桩径的大直径单桩基础开展了一系列不同幅值下的循环重固结离心机试验,旨在揭示并量化循环重固结效应对大直径单桩循环累积位移、桩头刚度等关键设计指标的影响。试验结果表明:同等循环荷载幅值下,经历2轮循环重固结后,单桩基础桩头刚度相比初始刚度最大提高了1.5倍,这使得单桩累积位移显著减小,最大减幅达63%。因此,若设计过程中不考虑循环重固结效应对单桩后续循环响应的影响,而直接将每场极端台风下单桩的累积位移进行累加,则会严重高估桩头累积位移,使单桩基础设计偏于保守。
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锚固条件下煤系地层裂隙岩体蠕变力学特性研究
李天国, 唐彬, 程桦, 刘小虎, 侯俊领, 李宏亮, 王晓云,
岩土力学. 2024 (10):  3003-3012.  DOI: 10.16285/j.rsm.2024.0295
摘要 ( 90 )   PDF(1683KB) ( 47 )  
为探究煤系地层裂隙岩体锚固状态下的蠕变特性,开展不同裂隙倾角(15°、30°、45°、60°、90°)下裂隙加锚试件、裂隙无锚试件、完整试件的单轴蠕变试验。试验结果表明:相同应力加载等级时,裂隙无锚试件的瞬时应变量大于完整试件的瞬时应变量,而裂隙加锚试件与完整试件的瞬时应变量之差随着裂隙倾角的增加逐渐减小;随着应力加载等级的增加,各岩石试件的稳态蠕变量也逐级增大;含裂隙试件的稳态蠕变速率随着裂隙倾角增大呈先下降再上升的趋势,但裂隙加锚试件的稳态蠕变速率小于相同应力等级下裂隙无锚试件的稳态蠕变速率;在裂隙倾角较低时,裂隙无锚试件和裂隙加锚试件的裂纹贯通发展规律差异较大;基于CVISC蠕变模型进行参数反演,得出Maxwell和Kelvin相关系数随应力加载等级的变化趋势;采用应力-应变等时曲线法和非稳定流变判别法研究裂隙试件的长期强度变化规律。该研究结果为煤矿巷道长期稳定性分析及锚杆支护方案提供了试验依据。
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花岗岩非稳态传热破坏过程能量演变规律研究
贾鹏, 郤保平, 李晓科, 解瑾, 蔡佳豪, 高鹏利,
岩土力学. 2024 (10):  3013-3023.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1765
摘要 ( 75 )   PDF(777KB) ( 58 )  
热作用下花岗岩损伤的定量描述是个亟待解决的问题。从能量角度出发,对600 ℃范围内高温花岗岩试件非稳态传热过程的温度状态进行测定,借助冷却法分析了花岗岩正规状况阶段热物理参数演变规律,讨论了花岗岩非稳态传热过程能量吸收、释放及耗散特性,揭示了热作用下花岗岩性能损伤与能量演变规律的内在联系。结果表明:不同高温状态下的花岗岩试件自然冷却时正规状况阶段比热变化分两个阶段,分别为比热平稳变化阶段与比热大幅变化阶段;随着初始高温状态的降低,整个非稳态传热过程中所耗散的能量也在随之降低,且在同一冷却模式下,输入的能量越大,耗散能所占比例也越大;非稳态传热过程中耗散能的大小与高温热作用后花岗岩宏观力学性能的劣化有较强的相关性,耗散能的大小与最大热冲击因子有显著的线性关系。
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靖边Q3砂质黄土湿陷特征及其微观机制研究
慕焕东, 何也, 白逸松, 邓亚虹, 郑龙浩,
岩土力学. 2024 (10):  3024-3036.  DOI: 10.16285/j.rsm.2024.0109
摘要 ( 183 )   PDF(1673KB) ( 52 )  
沙漠-黄土高原过渡带的砂质黄土遇水后会产生明显的湿陷变形,广泛分布于陕北靖边的长庆油田工程遭受砂质黄土湿陷危害严重,揭示砂质黄土湿陷特性及湿陷机制是长庆油田工程建设迫切需求。为此,以陕北靖边沙漠-黄土高原过渡区Q3砂质黄土为研究对象,通过室内基本物理性质、X射线衍射和湿陷试验,研究砂质黄土基本物理特性和物质组成,厘清湿陷特性、影响因素及其规律。在此基础上,通过扫描电子显微镜试验和孔隙及裂隙图像识别分析手段,探究砂质黄土湿陷前后的微观结构,孔隙大小分布、方向频率及丰度变化,从微观角度揭示砂质黄土湿陷机制。研究表明:靖边Q3砂质黄土具有湿陷性,且湿陷系数随着轴向压力的增加先增加后减小,随着干密度、含水率的增加而逐渐减小,轴向压力为150 kPa时湿陷系数达到峰值;靖边Q3砂质黄土以石英、钠长石、白云母以及方解石为主,颗粒形态多以棱角状亦或次棱角状为主,具有架空排列结构和架空孔隙,以点-点接触为主,黏粒胶结物多分布在骨架颗粒接触处。靖边Q3砂质黄土的架空孔隙结构崩塌是砂质黄土湿陷变形的本质,为湿陷提供主要空间,黏粒胶结物包裹少量碎屑颗粒形成的凝块结构产生的沉降变形为砂质黄土湿陷变形提供了增量。研究成果为长庆油气田工程建设区砂质黄土湿陷性评价提供了数据依据。
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震陷场地变截面单桩动力特性与损伤评价
张聪, 冯忠居, 林路宇, 周桂梅, 陈露,
岩土力学. 2024 (10):  3037-3046.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1744
摘要 ( 72 )   PDF(1883KB) ( 50 )  
为探明震陷场地变截面单桩动力响应特性与损伤状况,以翔安大桥为工程背景,基于大型振动台试验,开展了0.10g~0.45g地震动强度下变截面单桩动力响应特性的研究,评价分析了变截面单桩损伤程度。结果表明:受桩周软弱土层震陷特性的影响,变截面单桩桩顶水平位移动力响应、桩身加速度动力响应及桩身弯矩动力响应均随地震动强度增大呈增大趋势,桩基基频逐渐减小;变截面单桩弯矩最大值出现在震陷土层分界处,地震动强度为0.30g时,超过了其抗弯承载力;地震动强度为0.20g时,变截面单桩桩顶水平位移、桩身加速度、桩身弯矩显著增大,桩基基频突降。基于系统损伤理论,震陷场地变截面单桩损伤状况分为稳定阶段、加剧损伤阶段、塑性破坏阶段共3个阶段。试验结束后,变截面位置处产生弯曲塑性破坏。
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三轴卸荷损伤砂岩单轴再承载力学特性及其破坏机制
魏明星, 朱永建, 任恒, 李鹏, 王希之, 王平, 唐成,
岩土力学. 2024 (10):  3047-3057.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1700
摘要 ( 84 )   PDF(4260KB) ( 60 )  
深部煤炭资源开采面临着高应力的地质环境和岩体开挖卸荷的工程环境,卸荷损伤岩体再承载力学特性及破坏机制研究对于揭示深部岩体失稳破裂规律具有重要意义。通过控制三轴加载卸荷点制备损伤砂岩试件,采用RMT-150C岩石力学加载系统和东华DHDAS应力-应变采集系统,监测三轴卸荷及单轴再加载过程中试件的横向应变和轴向应变。试验结果表明:根据加载前后波速差值,可将卸荷岩体分为压密岩体、低损岩体和高损岩体3类;随着卸载应力水平的升高,损伤砂岩由塑-弹-塑性体变形特征过渡为塑-弹性体变形特征最后转变为弹-黏性体变形特征;压密岩体单轴再加载裂纹体积应变曲线与标准砂岩基本一致,低损岩体弹性变形阶段明显缩短,高损岩体经历极小变形就发生破坏;压密岩体呈现Y型斜面剪切破坏特征,低损岩体在卸荷阶段出现的纵向裂缝和裂隙基础上发育并贯通形成主控裂纹造成破坏,高损岩体在Y型斜面剪切破裂基础上发育为X型斜面剪切破坏;建立了单轴压应力下裂纹力学分析模型,明确了岩石裂纹断裂角与裂纹角和裂纹面摩擦系数f之间的关系。
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基于Weierstrass-Mandelbrot函数的岩体裂隙映射重构
刘宏伟, 陈世江, 许有俊, 张旭, 鲍先凯,
岩土力学. 2024 (10):  3058-3070.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1722
摘要 ( 72 )   PDF(2144KB) ( 32 )  
重构岩体裂隙对精准构建裂隙岩体模型以及准确获取其力学性质具有重要意义。鉴于此,为使重构裂隙与天然状态相吻合,提出了D-nmax阈值公式,修正了用于岩体裂隙模拟的Weierstrass-Mandelbrot(W-M)函数。通过二值化灰度图像对Barton 10条剖面线进行数字化,经试错法及综合分析法,以等差方式确定10个粗糙度水平的Hurst值。通过对10条剖面线进行傅里叶变换得到了幅值特征新参数 Spp ,结合起伏角标准差σi 线性构建新裂隙粗糙度系数(joint roughness coefficient,简称JRC)计算公式。采用二分法获得目标JRC值对应W-M函数的最佳尺度常数G值,建立了JRC与W-M函数的映射关系。W-M函数考虑了随机项,实现了重构裂隙的差异化。对重构裂隙进行粗糙度定量化研究和室内试验,验证了新参数 Spp、新JRC计算公式及映射关系的有效性。所作研究为拓展岩体裂隙获取方法提供了新的思路,为裂隙岩体力学性质研究奠定了基础。
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岩土工程研究
深挖方膨胀土边坡时空变形特征分析
胡江, 李星,
岩土力学. 2024 (10):  3071-3080.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1762
摘要 ( 88 )   PDF(1413KB) ( 78 )  
深挖方膨胀土边坡受降水、地下水以及地质构造、支护措施等多因素影响,变形呈现复杂的时空异质性。以南水北调中线总干渠陶岔渠首段边坡为例,开展时空变形特征分析。借助变分模态分解、加权多尺度局部异常系数以及聚类分析等数据挖掘方法,分析变形的时间变化规律,识别空间分布特征;阐释降水量、地下水位等因素对边坡变形趋势性、周期性和波动性分量的影响机制;对边坡变形进行分区分析,推测潜在滑动面和滑动体;讨论边坡变形机制。结果表明,边坡变形呈现显著的趋势性变化,还表现出季节性和间歇性。下部变形值较大,往上逐渐减少。上部显著变形区深度为3 m,位于大气影响层内;中部受地下水波动和裂隙密集带影响,显著变形区较深,达11 m;下部受支护体系限制,变形主要位于浅层。上层滞水受雨水补给,波动范围大,导致中上部变形深度较深,在16.5 m深度内仍存在一定变形。潜在滑动面为折线形,前缘受地下水、裂隙密集带和边坡支护体系影响,近似水平。为减少地下水波动对膨胀土胀缩变形的影响,建议采用排水井降排深层地下水。该研究成果可为深挖方膨胀土边坡运行管理和加固处置提供技术支撑。
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裹覆隔振层的实心桩纵向振动特性研究
邓世邦, 罗威力
岩土力学. 2024 (10):  3081-3094.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1753
摘要 ( 90 )   PDF(1747KB) ( 35 )  
为分析实心桩裹覆隔振材料后的纵向振动特性,基于Rayleigh-love杆件模型和Novak平面应变理论,综合考虑桩周振动传播介质的径向和纵向非均匀性以及桩身横向惯性效应,建立了桩周振动传播介质-实心桩耦合作用纵向动力阻抗解析模型。利用Laplace变换、复刚度传递和阻抗函数传递法,得到黏性阻尼介质中任意竖向荷载作用下实心桩桩顶动力阻抗的解析解答,并与已有解析解答对比验证其合理性。通过现场试验发现,桩顶动刚度幅值的大小对桩顶动力响应有明显影响,两者之间高度相关。在此基础上,研究了橡胶隔振层不同厚度和纵向深度以及隔振层材料种类变化对实心桩桩顶动刚度的影响。结果表明,在1~80 Hz频段内:(1)随着橡胶隔振层厚度的增加(减小),动刚度幅值曲线会向低频(高频)移动,但整体上厚度变化对特征频率和动刚度幅值的影响较小;(2)随着橡胶隔振层纵向深度的增加(减小),动刚度幅值曲线的振荡幅度和振荡频率也会随之明显提高(降低);(3)当采用剪切模量小于桩周土体的隔振材料时,随着剪切模量的减小,动刚度幅值曲线的振荡幅度和振荡频率也会随之提高;(4)当采用剪切模量大于桩周土体的隔振材料时,随着剪切模量的增大,动刚度幅值曲线的振荡属性基本消失,且整体会出现小幅抬升。
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缺陷桩-梁系统的动力特性应用研究
高柳, 吕述晖, 王奎华,
岩土力学. 2024 (10):  3095-3104.  DOI: 10.16285/j.rsm.2024.0581
摘要 ( 70 )   PDF(1108KB) ( 50 )  
提出了缺陷桩-梁系统的理论模型。桩周土采用了三维连续介质模型,桩身则采用Rayleigh-love杆件,以考虑大直径桩的横向惯性效应。为了模拟桩身的缺陷段,采用了不同于正常桩身半径的桩段。通过结合阻抗函数递推法、虚土环法(ring soil pile theory,简称RSPT)和修正的阻抗函数递推法(amended impedance function transfer method,简称AIFTM),得到了桩-土系统的桩顶阻抗。桩顶梁采用了Timoshenko杆件进行模拟,同时在桩-梁连接处施加瞬态激振。成功求得了桩-梁系统动力响应在频域内的解析解,并利用离散傅里叶变换获得了时域内的半解析解。为了验证模型的合理性,将获得的半解析解与试验数据和有限元法结果进行了对比。研究结果显示,桩-梁系统较为适合的激振拾取点通常为桩梁连接处,同时需要综合考虑桩梁参数的影响。最后,通过参数分析方法探讨了在桩-梁系统上使用低应变测试的注意事项。
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自然条件下石窟岩石裂缝宽度的变化规律
刘成禹, 许枝钰, 吴昌宇, 张向向, 郑健,
岩土力学. 2024 (10):  3105-3116.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1806
摘要 ( 142 )   PDF(1122KB) ( 48 )  
以北京周口店猿人洞遗址侧壁上的钙质胶结砾岩为研究对象,通过12个岩石测缝计连续7年监测数据和周边环境监测数据的统计分析,得出自然条件下石窟岩石裂缝的变化规律。研究表明:(1)自然条件下,岩石裂缝宽度呈现出季节性、周期性变化规律,采用适宜于非平稳季节的差分自回归滑动平均模型(autoregressive integrated moving average model,简称ARIMA模型)对裂缝宽度进行预测,其中ARIMA (2, 1, 1) 模型的拟合精度最高。(2)岩石裂缝宽度与环境温度、湿度呈负相关性关系,与环境温度的相关性明显高于湿度;岩石裂缝宽度变化滞后于环境温度和湿度的变化,与温度的滞后相关性高于湿度,与温度的滞后时间远小于与湿度的滞后时间。(3)岩石裂缝宽度与环境温度的相关性及滞后相关性程度为常温>高温>低温>极端低温;滞后时间为极端低温>低温>高温;周边环境相对湿度越稳定,它们的相关性越高。(4)相同温度下,岩石裂缝宽度随时间呈缓慢增长趋势,近似呈指数增长或指数渐近式分布。(5)环境温度相同条件下,湿度越稳定,岩石裂缝宽度随时间的增长越缓慢;天然状态下,环境温度越低,岩石裂缝宽度随时间的增长越快。该研究成果有助于深入了解石窟岩石裂缝在自然条件下的扩展规律,为温带季风气候地区岩石古遗址、石窟、石刻等的预防性保护提供了裂缝变化的参考依据。
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某引水隧洞大变形缓冲层支护方案设计参数优化研究
舒晓云, 田洪铭, 陈卫忠, 朱珍德, 杨帆, 田云, 张朝轩, 张韬,
岩土力学. 2024 (10):  3117-3129.  DOI: 10.16285/j.rsm.2024.0242
摘要 ( 147 )   PDF(2516KB) ( 76 )  
高地应力软岩隧道围岩变形具有显著的时效特性,容易引起运营期隧道衬砌结构开裂和破坏。以新疆某引水隧洞泥岩大变形段为背景,提出在初期支护与二次衬砌之间设置高压缩缓冲层的支护方案,以保证隧洞在运营期安全。首先针对现有缓冲层支护方案,开展了支护结构受力的现场监测与分析,然后采用数值仿真方法对缓冲层支护方案进行了参数优化,最后将优化后方案与原方案的支护效果进行了对比分析。(1)现有支护方案的监测结果表明:当现场安装密度为90~100 kg/m3的5 cm聚乙烯缓冲层后,缓冲层易进入压密阶段,围岩形变压力达到0.36 MPa,衬砌受力仍具有非均匀性,缓冲层材料和厚度还有可优化的空间。(2)缓冲层支护参数优化表明:缓冲层平台应力偏大会导致其难以被压缩而降低吸能效果,偏小将难以有效限制围岩变形,两者都会造成缓冲层对围岩形变能的吸收不足,衬砌的安全性较低。随着缓冲层厚度的增加,衬砌破坏程度逐渐减小,但减小幅度逐渐减弱。对于本工程而言,当平台应力为0.5 MPa,压缩率≥0.6,厚度为10 cm时,缓冲层支护效果最佳。(3)对比分析表明:相比于原缓冲层支护方案,优化后的缓冲层支护将使得衬砌最大主应力减小了20%~30%,缓解衬砌的应力集中程度,可保障隧道支护结构的长期稳定。
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数值分析
液化诱发剪切应变局部化的近场动力学模拟
孙伟, 王睿, 张建民,
岩土力学. 2024 (10):  3130-3138.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1730
摘要 ( 97 )   PDF(1173KB) ( 243 )  
在含有低渗透性土层的可液化地基中,液化引起的超静孔压累积和重分布可能导致孔隙水集中至低渗透性土层底局部区域,从而引发剪切应变局部化和延迟破坏现象。引入一种正则化技术——非局部近场动力学(peridynamics,简称PD)理论来模拟此类现象,以克服采用经典有限元方法(finite element method,简称FEM)模拟应变局部化时通常具有的网格依赖性问题。计算模型采用PD和FEM分别模拟固相和流体相,并使用砂土液化大变形本构模型(CycLiq)模拟可液化砂土。在验证了所提出方法的有效性后,使用多种不同离散密度的计算模型,分析了具有低渗透性夹层的一维倾斜场地的地震响应。从理论和数值上,说明了所提出的方法在模拟液化引起的剪切应变局部化时,可以消除网格依赖性。同时参数分析表明,相同条件下,低渗透性夹层位置越高,夹层渗透系数相比砂层越小,则地基因剪切应变局部化产生的侧向位移量越大。
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P1波在饱和土和饱和冻土介质分界面上的 透反射问题研究
张嘉伦, 马强, 蒋汇鹏,
岩土力学. 2024 (10):  3139-3152.  DOI: 10.16285/j.rsm.2023.1801
摘要 ( 117 )   PDF(691KB) ( 55 )  
基于饱和多孔介质和冻结饱和多孔介质中波的传播理论,研究了P1波在饱和土介质与饱和冻土介质分界面上的透反射问题。采用Helmholtz矢量分解原理,结合饱和土与饱和冻土交界面的边界条件,获得P1波从饱和土层入射至饱和冻土层分界面处的透反射振幅比的解析解。通过数值计算,分析了入射频率、入射角度、饱和土介质中的渗透率以及饱和冻土介质中胶结参数、温度和接触参数等对土层分界面处的透反射振幅比的影响规律。研究结果表明:入射P1波的传播速度远小于饱和冻土介质中P1波的传播速度,因此当P1波从饱和土介质入射至饱和冻土介质中时将产生临界角,当入射角等于临界角时振幅比将发生突变;饱和土介质中渗透率对波的透反射振幅比影响较小,但其对于反射P2波影响突出;饱和冻土介质中的温度、胶结参数的变化对于波的透反射振幅比的影响显著。
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