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《岩土工程学报》2020年第12期中文摘要
日期:2020年12月11日 13:11:12点击数:字号:【

基于混合物理论的饱和岩石弹塑性模型

胡亚元

(浙江大学滨海与城市岩土工程研究中心,浙江 杭州 310058)

摘  要:为了避免运用Skempton有效应力创建非线性本构模型时确定Biot系数的困难,选择工程混合物理论来建立饱和岩石的弹塑性模型。首先,根据工程混合物理论中的均匀化响应原理,揭示“固相基质体应变决定固相基质压力,骨架弹性和塑性应变决定Terzaghi有效应力和耗散Terzaghi有效应力,流相基质体应变决定孔压”的饱和多孔介质本构规律。其次,根据Hoek-Brown屈服准则和非关联流动准则,在已有岩石损伤模型基础上建立了饱和岩石弹塑性模型。最后,利用三轴排水和不排水剪切试验验证了饱和岩石弹塑性本构模型的合理性。研究表明,基于工程混合物理论的饱和岩石弹塑性模型能够较准确地模拟弹性阶段、弹塑性阶段和下降段应力应变全过程曲线的宏观力学性质,反映三轴不排水剪切试验条件下孔压随剪切加载先增加后减少的变化规律。由于工程混合物理论不直接采用Skempton有效应力建模,因而可以克服Biot非线性理论中确定Biot系数公式的困难,更容易建立饱和岩石弹塑性本构模型。

关键词:饱和岩石;工程混合物理论;弹塑性模型;骨架应力和骨架应变;基质压力和基质体应变

饱和软黏土的蛋形单面边界面模型

徐日庆1,2,3,鞠露莹1,2,俞建霖*1,2,蒋佳琪1,2,丁  盼1,2

(1. 浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心,浙江 杭州 310058;2. 浙江省城市地下空间开发工程技术研究中心,浙江 杭州 310058;3. 浙江加州国际纳米技术研究院台州分院,浙江 台州 318000)

摘  要:为描述饱和软黏土在循环荷载作用下的动力特性,建立了一个蛋形单面边界面模型。首先,模型通过引入蛋形边界面,克服了剑桥形式的边界面在角点处塑性应变增量方向不明确的缺陷,并将蛋形边界面退化为包含剑桥形式与椭圆形式等在内的不同形式的函数,体现了模型的普适性。其次,模型采用适用于饱和软黏土的相关联流动法则,以塑性体应变作为等向硬化过程中的内变量,利用广义各向同性硬化法则与移动映射中心的映射法则,准确描述了土体应力诱发各向异性与卸载过程中的塑性。然后,明确提出了模型参数确定方法,并通过参数分析阐述了模型各循环参数对饱和软黏土动力特性的影响。最后,利用高岭土在不排水条件下的单向循环三轴试验及Itsukaichi海洋黏土在不排水条件下的等向固结静三轴试验将模型模拟值与实测值进行对比,结果表明:模型计算结果与试验结果吻合良好,模型可合理描述饱和软黏土在不排水单向循环荷载及不排水剪切静荷载作用下的特性。

关键词:饱和软黏土;蛋形边界面模型;动力特性;广义各向同性硬化准则;循环三轴试验;静三轴试验

含软弱层顺倾岩体边坡锚固地震响应试验研究

言志信1,刘春波1,2,龙  哲*1,韩  杨1,靳飞飞1,张功会1

河南城建学院土木与交通工程学院,河南 平顶山 467000;2. 三峡大学土木与建筑学院,湖北 宜昌 443000)

摘  要:首次通过浇筑方式构筑大型相似边坡模型,并进行振动台相似模型试验,且首次测得了地震作用下两锚固界面上的应变,进而深入系统地研究了含软弱层顺倾岩体边坡锚杆杆体和砂浆的地震响应规律。研究发现:地震作用下边坡锚固发生变形,其锚固作用得以发挥,且随地震波的持续输入锚固应变增大,进而达到其峰值,最终锚固破坏失效;其中锚杆杆体的应变响应得到持续增强,而砂浆由于脆性产生裂隙,致使其受到的拉剪力减小,应变响应受到制约;地震作用下锚杆杆体的应变响应可分为拉压循环阶段、张拉阶段、强烈振荡阶段和残余应变阶段4个阶段;砂浆的应变响应可分为拉压循环阶段、张拉阶段和破坏阶段3个阶段;同时,分析了地震作用下锚固边坡中力的相互作用和传递。该研究对岩土锚固理论研究、数值模拟和抗震设计施工均具有重要意义。

关键词:地震响应;振动台试验;软弱层;岩体边坡;应变

单轴压缩条件下花岗岩声学信号频域特征分析

赵  奎1,2,杨道学1,2,曾  鹏*1,2,丁健华1,2,龚  囱1,2,王晓军1,2,钟  文1,2

(1.江西理工大学资源与环境工程学院,江西 赣州 341000;2. 江西省矿业工程重点实验室,江西 赣州 341000)

摘  要:岩石失稳破坏往往会导致严重的工程问题和地质灾害,为了探讨花岗岩失稳破坏过程的演化机制及前兆特征,进行了单轴压缩声学试验,对花岗岩试件失稳破坏过程伴生的声发射信号及次声信号频域信息演化特征进行了分析。研究结果表明:低于100 kHz频段的声发射事件在花岗岩试件峰值破坏前夕逐渐减少,而高于250 kHz频段的声发射事件在花岗岩试件峰值破坏前夕逐渐增多;花岗岩试件在发生峰值破坏前会经历平均频率质心的“相对上升期”及“相对稳定期”,并且会在“相对稳定期”发生峰值破坏;次声信号主频分布在0.01~20 Hz,其中5~15 Hz频段的次声信号分布最多,占比约为62.5%;峰值应力前相对应力水平大于80%时,第一频段和第三频段的次声信号占比达到最低值,第二频段占比达到最高值;最后,计算了花岗岩变形破坏过程次声信号主频的分形维数,该分形维数在临近峰值应力时下降到最小值。上述峰值应力前声学信号的特征可作为其破坏前兆特征。

关键词:声学信号;主频;平均频率质心;分形维数;破坏前兆

循环荷载作用下筋箍碎石桩复合地基工作性状试验研究

张  玲,徐泽宇,赵明华

(湖南大学岩土工程研究所,湖南 长沙 410082)

摘  要:为研究交通荷载作用下筋箍碎石桩复合地基的工作性状,开展了一系列循环荷载作用下筋箍碎石桩单桩复合地基室内模型试验。通过复合地基中埋设的各类传感器,监测了桩顶平面处桩–土应力、地基累积沉降、超孔隙水压力和桩体鼓胀变形情况,探讨了地基加固形式、土工格栅套筒拉伸强度和砂垫层厚度对复合地基动力响应的影响。试验结果表明,桩–土应力分布取决于桩–土刚度差异,竖向加筋套筒能有效提高桩体刚度,水平加筋格栅能进一步将荷载传递至桩顶,而砂垫层将荷载分担至桩周土中。地基累积沉降随加筋套筒拉伸模量的提高而减小,基于沉降控制设计,工程中应选用拉伸模量高的土工格栅作为加筋套筒。复合地基超孔隙水压力的累积随桩周土中应力的增加而增大。筋箍碎石桩的鼓胀变形取决于桩体承受的竖向荷载和加筋套筒的拉伸模量。

关键词:筋箍碎石桩;复合地基;模型试验;循环荷载

砂-砾复合地层盾构隧道开挖面稳定模型试验与极限支护压力研究

宋  洋1,王韦颐*2,杜春生3

(1. 辽宁工程技术大学建筑与交通学院,辽宁 阜新 123000;2.辽宁工程技术大学土木工程学院,辽宁 阜新 123000;3. 中铁四局五公司,江西 九江 332000)

摘  要:砂–砾复合地层盾构掘进时支护力过小极易导致开挖面前方土体发生主动破坏,造成地表沉降。定义砂–砾复合地层?(盾构开挖面内粉细砂高度与盾构机刀盘直径的比值),并通过试验分析了?对极限支护力、地表沉降和开挖面失稳扰动范围的影响;基于模型试验和筒仓理论,建立了适用于砂–砾复合地层的盾构隧道开挖面极限支护力计算模型,将?引入模型中并推导出其计算公式。研究结果表明:①随着开挖面支护力的减小,开挖面发生主动破坏时侧向土压力–支护力曲线表现出不敏感阶段、快速下降阶段、缓慢下降阶段、稳定阶段4个阶段的规律;②破坏时?越大,越不利于地表沉降控制;③与传统模型相比较,通过试验得知破坏面近似为折线,更贴合砂–砾复合地层的变形破坏模式;④极限支护力随着?的增大呈近似线性的函数关系增长,覆土深度较大时,应充分重视σ对极限支护力带来的影响;⑤埋地层中,覆土深度对极限支护力的影响更加明显,需引起重视。研究结果对确定砂–砾复合地层开挖面的极限支护力有重要的指导意义。

关键词:砂–砾复合地层;盾构;模型试验;极限支护压力;地表沉降规律

冲击扰动下滑移型岩爆的模拟试验及机理探讨

邓树新1,王明洋*1,2,李  杰2,张国凯1,王  振1

(1. 南京理工大学机械工程学院,江苏 南京 210094;2. 陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室,江苏 南京 210007)

摘  要:由岩体结构面滑移破坏导致的滑移型岩爆对外界扰动敏感、释放能量巨大,一旦发生可能带来灾难性的后果。利用自主研制的试验装置,结合高速摄影技术,模拟了冲击扰动下岩块从开始滑移至发生岩爆全过程,并从内因、外因和诱因3方面探讨了滑移型岩爆机理。冲击扰动应力波在块系岩体中传播造成结构面正应力的减小导致摩擦力下降,即超低摩擦现象。如果结构面摩擦力减小到小于结构面剪切力,岩块开始滑移。如果最终的动摩擦力也仍然小于结构面剪切力,岩块将持续滑移导致块系岩体失稳崩塌,发生滑移型岩爆。冲击扰动诱发的岩块间滑移运动与结构面初始应力状态密切相关。引入一个无量纲能量参数来表征动力扰动诱发滑移型岩爆的临界能量条件,并给出了该能量参数与结构面初始应力状态的定量关系。总结得出滑移型岩爆产生需要满足3个条件:块系岩体中存在软弱结构面(内因),结构面上的应力水平接近临界状态(外因),动力扰动使得结构面抗剪强度降低(诱因)。

关键词:滑移型岩爆;冲击扰动;模型试验;岩爆机理;高速摄影

高孔隙率砂岩中破坏模式演化的多尺度分析

吴焕然1, 2, 3,刘汉龙1, 2,赵吉东3,肖  杨*1, 2

(1. 重庆大学土木工程学院,重庆 400045;2. 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室,重庆 400045;3.香港科技大学土木及环境工程学系,香港)

摘  要:高孔隙率砂岩是油气藏、地下水等的重要储层,对其在不同加载条件下破坏模式演化的研究具有重要意义。采用有限元与离散元耦合的分层多尺度模拟方法,对同一种高孔隙率砂岩材料在(排水)双轴压缩试验、钻孔稳定性问题、水岩耦合问题等典型岩土工程边值问题中,破坏模式的演化进行了对比研究。研究表明,高孔隙率砂岩在不同加载条件下可以产生压缩带、含剪切变形带等具有显著不同几何特征的破坏模式;受应力集中、边界条件、孔隙压力变化等因素的影响,不同破坏模式之间可能发生演化,在边值问题中产生复杂的破坏形式;有效平均应力增加可能导致破坏模式从含剪切变形带演化为压缩带,反之,有效平均应力降低也可能导致从压缩带向剪切带的演化。

关键词:高孔隙率;砂岩;压缩带;剪切带;模式演化;平均应力;多尺度

富水砂层冻结壁形成过程声场响应特征研究

张基伟1,2,3,刘书杰 *1,2,3,4,张  松1,2,3,5,李方政1,2,3,韩玉福1,2,3,王  磊1,2,3

(1. 煤炭科学研究总院建井研究分院,北京 100013;2. 北京中煤矿山工程有限公司,北京 100013;3. 天地科技股份有限公司,北京 100013;4. 北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083;5.石家庄铁道大学土木工程学院,河北 石家庄 050043)

摘  要:为了掌握富水砂层冻结壁形成过程超声波响应特征,利用NM-4A型非金属声波检测仪对广州地铁三号线北延伸冻结段-16 m层位进行超声波检测。基于此,根据孔隙介质热传导与压力声学理论,提出了人工冻结壁热–声耦合数值模拟方法。获得了富水砂层冻结过程中温度场–声场的演化特征与声学特征值变化规律。掌握了不同冻结锋面位置、孔间未交圈距离与波速之间的定量关系。总结了热–声耦合模型在冻结施工中应用思路与流程。①应用热–声耦合数值模拟方法求解出J1—J2检测孔间的波速准确率为89.7%~96.97%;②超声波由冻土向未冻土的传播过程中反射与折射现象非常明显,根据声波理论计算出J1—J2检测孔间声波平均反射系数为0.278、折射系数为1.278;③冻结早期在未冻土–冻土交界面附近出现明显的声压增高区域,声压场分布不均匀,且声线发生偏移。冻结后期无声压集中现象且声压场分布较均匀;④冻结壁发育过程中,波速随着冻结时间的增加而增加,而峰值声压、声强均随着冻结时间增加呈先减小后增加的趋势;⑤冻结锋面位置、冻结孔间未交圈距离均与波速之间呈非线性单调递增趋势,满足二次函数关系,相关性很好;⑥总结了热–声耦合模型应用思路与流程,可实现冻结壁发育状况的“早期预报、过程监测、效果评价”。

关键词:热–声耦合;热传导;峰值声压;声强;冻结锋面

三层三跨框架式地铁地下车站结构抗震性能水平研究

杨  靖1,云  龙2,庄海洋*1,任佳伟1,陈文斌1

南京工业大学岩土工程研究所,江苏 南京 210009;2. 核工业北京地质研究院,北京 100029)

摘  要:根据相关规范规定,设计出6种不同的场地类别,并考虑地下连续墙和输入地震动强度的影响,分析了三层三跨框架式地铁地下车站结构的地震损伤特性、破坏过程及抗震性能水平。结果表明:在结构层间位移角幅值接近时,二类场地条件下结构的地震损伤程度最轻,四类场地条件下地震损伤最为严重;在大震且场地条件较差时,主体结构在输入地震动峰值过后的一段时间内将处于严重破坏状态,随后才进入可能的完全破坏状态;基于计算结果,建立了该类型地铁地下车站结构层间位移角与结构–土体刚度比R的预测公式;通过对比地下结构不同损伤破坏程度与对应的结构层间位移角的关系,给出了地铁地下结构地震完全破坏的判别标准,并初步给出了不同场地类别下该类地下结构基于层间位移角的抗震性能水平划分及其地震破坏物理描述。

关键词:地铁地下车站结构;场地类别;结构–土体刚度比;层间位移角;抗震性能水平

CFRP加固地铁车站结构中柱地震损伤评价研究

马  超1, 王作虎1, 路德春*2,杜修力2

(1. 北京建筑大学北京未来城市设计高精尖创新中心,北京 102616;2. 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京 100124)

摘  要:FRP(纤维增强复合材料)能够在不显著改变钢筋混凝土柱侧向刚度的情况下,改善柱子的侧向变形能力,而地铁车站结构地震反应的强烈程度取决于土–结构相对刚度比,因此采用FRP加固地铁车站结构中柱,能够在不影响车站结构整体地震反应的情况下,减小地震引起的中柱损伤。开展了CFRP(碳纤维增强复合材料)加固混凝土柱的抗震性能试验,分析了CFRP对钢筋混凝土柱侧向刚度和变形能力的影响规律。采用试验结果验证了数值模型的合理性,并研究了不同轴压下CFRP加固柱的侧向变形能力。采用三维非线性时域显式整体分析方法,模拟获得了CFRP加固地铁车站结构的地震反应,分析了地震作用过程中结构中柱的变形行为。基于改进的Park-Ang模型,评价了加固柱与非加固柱的地震损伤程度。研究结果表明,在地震PGA介于0.3g~0.4g时,地铁车站结构下层加固柱在震后处于易修复或可修复状态,而非加固柱处于难修复或不可修复状态。

关键词:地铁车站;CFRP加固;地震反应;抗震试验;损伤评价

叠合式衬砌结构抗外载特性足尺试验与数值研究

李代茂1,严振瑞2,唐欣薇*3,莫键豪3,黄鸿浩3,刘庭金3

(1. 广东粤海珠三角供水有限公司,广东 广州 511458;2. 广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广州 510635;3. 华南理工大学土木与交通学院,广东 广州 510640)

摘  要:设计了一种探究“管片–自密实混凝土(SCC)–钢管”叠合式衬砌结构横向力学行为与变形特性的大型足尺试验方法,初步揭示了叠合式衬砌结构在非均匀外载下的变形及力学响应规律;结合三维精细化有限元模型,探讨了栓钉布设、衬砌类型、侧压力系数等因素对结构承载机理的影响。结果表明:在非均匀外载作用下叠合式衬砌的环向应力相比分离式衬砌较小,变形呈现“横椭圆”模式,且随荷载非均匀性增加,其变形规律越显著;栓钉布设有效地增强了钢管–SCC的界面性能,但对结构环向应力影响甚微。

关键词:输水隧洞;叠合式衬砌;足尺模型试验;横向性能;数值模拟

盾构隧道“T字缝”接触应力与防水性能研究

周文锋1,廖少明*1,2,门燕青3

(1. 同济大学地下建筑与工程系,上海 200092;2. 同济大学岩土与地下工程教育部重点实验室,上海 200092;3. 济南轨道交通集团有限公司,山东 济南 250014)

摘  要:针对高水压海底盾构隧道防水安全问题,以琼州海峡海底盾构隧道为背景,开展了“T字缝”密封垫接触应力及防水性能研究。首先,建立了“T字缝”渗流流固耦合数值计算模型,揭示了“T字缝”密封垫间接触应力分布特点以及渗流规律;同时,采用自主研制的伺服式高水压试验装置开展了“T字缝”防水性能实验,得到了不同接缝张开量情况下的渗漏临界水压;最后,根据数值模拟结果和试验数据建立了“T字缝”渗漏临界水压公式。研究表明:“T字缝”的环纵缝交点处的平均接触应力最大,纵缝上距离交点20 mm处的平均接触应力最小,易发生渗漏;渗流形态与平均接触应力分布有关,平均接触应力越小,渗流速度越快;“T字缝”的临界水压与接缝张开量呈反比,为保证琼州海峡海底隧道长期防水安全,建议接缝张开量应小于10 mm;“T字缝”渗漏临界水压公式计算结果最大误差为15.7%,满足精度要求。

关键词:海底盾构隧道;T字缝;防水安全;渗流特性;接触应力

深埋隧洞硬岩板裂化过程试验研究

胡小川1,苏国韶*1,2,陈冠言1,燕柳斌1,梅诗明1

(1. 广西大学土木建筑工程学院,广西 南宁 530004;2. 广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室,广西 南宁 530004)

摘  要:基于含孔花岗闪长岩试件成功再现了深部隧洞硬岩板裂化过程,并结合实时监测系统、光学显微镜、声发射监测系统对板裂过程、“V”型板裂破坏带、板裂微观机理、特征应力、碎屑及裂纹演化特征进行详细分析。结果显示:通过不断加载的应力路径可再现板裂化过程,板裂主要在压应力集中区域开始孕育,在微观上以穿晶、张性、膨胀性裂纹相互作用、联合贯穿,并以33.42°~41.91°的角度相交于临空面或洞壁,于潜在“V”型坑附近形成一系列薄岩板,岩板厚度通常为101.38~120.9 μm;岩板不断向外鼓胀、屈曲折断,最终在压应力集中区域形成近似对称的“V”型板裂带。板裂前期,声发射信号主频主要集中在260~340 kHz,幅值主要集中在40~60 dB,以产生高频、低幅、小尺度裂纹为主要特征;板裂后期,25~75 kHz的低频声发射信号开始出现,且在25~350 kHz整个区间均有分布,大于80 dB的高幅信号出现,以低频、高幅值裂纹号出现,低、中、高频和低、中、高幅值裂纹共存为主要特征;板裂中期,以主频、幅值特征介于上述二者之间的裂纹为主要特征。

关键词:岩石力学;深埋隧洞;板裂;物理试验;声发射

砾性土动三轴液化试验橡皮膜顺变性补偿新方法

王  鸾1,2,孙  锐1,2,刘荟达1,2,3,袁晓铭*1,2,汪云龙1,2

(1. 中国地震局工程力学研究所,黑龙江 哈尔滨 150080;2.中国地震局地震工程与工程振动重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080;3. 中国建设基础设施有限公司,北京 100044)

摘  要:橡皮膜顺变效应对砾性土动三轴液化试验结果影响显著,采用试样注水补偿是消除橡皮膜顺变效应的基本手段。论证现有补偿方法的原理与技术缺欠,提出橡皮膜顺变性补偿新原理及新方法。通过多种含砾量砾性土大尺寸动三轴液化试验,结合橡皮膜嵌入体积测量,以能够考虑橡皮膜顺变性计算修正后孔压发展结果为参照,对新补偿方法可行性与可靠性进行对比验证。研究表明,现有补偿原理仅以动力导致橡皮膜回弹水作为总补水体积,将导致补偿不足,新补偿原理考虑了补偿过程中橡皮膜分流作用,更科学合理;在不同含砾量、不同振次条件下动三轴液化试验中,新补偿方法所得结果与理论计算相符,变化规律一致;相比现有补偿方法,新方法在单次补偿阶段无需反复补水和多回合逼近,可操作性明显增强,补偿效果明显占优。新方法操作简捷高效易推广,不仅适于砾性土动三轴液化试验,也为粗粒土动力特性试验研究提供了新的技术支撑。

关键词:砾性土;橡皮膜顺变性;补偿方法;计算修正;液化试验

超大型深水沉井下沉及渗流的离心模型试验研究

蒋炳楠,马建林,王蒙婷,李蜀南,周和祥

(西南交通大学土木工程学院,四川 成都 610031)

摘  要:以世界最大深水沉井基础为原型,通过离心机再现原型应力场,模拟沉井在埋深超过30 m后的下沉过程和吸泥引起的渗流场,结合原型沉井实测数据对比分析沉井下沉期间的受力,发现超大型深水沉井侧压力分布主要特点为在台阶处较小,刃脚附近存在应力松弛,台阶上下区段均存在应力集中且台阶以下更明显。沉井下沉时侧阻大于接高时,并根据侧压力分布特性给出了沉井竖直状态下侧阻的计算方法。结合渗流数据,分析得出吸泥会使侧壁下部土体变得松散,侧压力大幅减小并与渗透力负相关。当沉井受力平衡时,渗流作用对侧阻平均值的变化影响较小,但对侧阻的分布形式影响较大,并可能打破沉井的受力平衡状态引起翻砂突沉。沉井下沉时对侧壁土体的挤压会引起部分土体应力集中和超静孔压的上升;下沉结束后,部分超静孔压沿排水路径迅速消散,侧壁土体整体上发生竖向固结,由下沉引起的部分挤土应力集中会缓慢消散。

关键词:沉井;离心机试验;渗流;侧压力

盾构隧道下穿引起砌体结构建筑沉降损伤实例研究

陈仁朋1,2,曾  巍1,2,吴怀娜1,2,吴文斌3,刘齐建1,2

(1. 建筑安全与节能教育部重点实验室,湖南 长沙 410082;2. 湖南大学土木工程学院,湖南 长沙 410082;3. 广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

摘  要:盾构掘进引起地层变形过大极易导致上方沉降敏感结构物变形开裂。对某地铁盾构隧道正交下穿砌体结构建筑物进行研究。通过对建筑物沉降进行系统监测和对建筑物进行全面巡查,获得了双线盾构隧道施工过程引起建筑物沉降及裂缝开展状况。通过三维有限元模型研究了建筑物–地层变形相互作用规律,对比分析了墙体主拉应变云图与实测裂缝分布规律,发现当隧道下穿引起的主拉应变超过0.05%的墙体区域会产生裂缝,且墙体裂缝的发展角度与该处的主拉应变方向垂直。最后根据墙体最大主拉应变讨论了建筑物损伤程度和损伤等级。盾构掘进引起上方砌体建筑物损伤案例,对地铁施工过程中砌体建筑保护具有一定的指导作用和参考价值。

关键词:盾构隧道;砌体结构;损伤评估;有限元模型

可控刚性桩与排水体组合型复合地基受力与变形特性的模型试验研究

周志军1,陈昌富2,肖水强3

(五邑大学土木建筑学院,广东 江门 529020;2. 湖南大学岩土工程研究所,湖南 长沙 410082;3. 茂名市交通运输局,广东 茂名 525000)

摘  要:在复合地基中,桩、土的变形受诸多因素的影响,褥垫层较难协调、匹配好所有桩土之间的沉降差,往往存在桩承载过大而破坏,或桩承载过小而浪费的情况。提出一种新型复合地基—可控刚性桩与排水体组合型复合地基,该复合地基通过桩顶注浆装置来协调桩土的沉降差,使得注浆前刚性桩基本不承担上部荷载,地基土充分排水固结、提高承载力;注浆后刚性桩恢复承载作用,桩土共同承担荷载和控制沉降。通过室内模型试验研究该新型复合地基的受力与变形特性,试验结果表明:新型复合地基的沉降主要产生于注浆前,注浆后沉降量相对较小,而且,新型复合地基能有效减小不均匀沉降;桩顶盖板所分担的荷载压力在注浆前小于桩间土压力,注浆后盖板顶压力迅速增大,而桩间土压力相应减小;刚性桩的承载作用可由注浆实现人为可控。

关键词:复合地基;受力与变形;刚性桩;排水体;模型试验

岩土工程三轴试验微摩擦荷载传力板的研制及初步应用

王艳丽,程展林,潘家军,徐  晗,王君雄

(长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,湖北 武汉 430010)

摘  要:针对粗粒土三轴试验中存在的端部约束问题,基于土体与加载板之间的接触由“整体接触变为分散式接触、滑动摩擦变为滚动摩擦”的减摩新方法,研制了岩土工程三轴试验微摩擦荷载传力板。详细介绍了该装置的研制思路、结构原理和细部构造,并通过数值计算进一步论证了分散式接触代替整体接触的减摩措施效果。利用该装置和应力应变式大型三轴仪对典型砂土进行了常规和端部减摩的固结排水三轴剪切试验,研究砂土在端部正常约束和端部自由(微摩擦)条件下的强度和变形特性,分析端部约束对砂土应力应变特性的影响规律。结果表明,端部约束是试样出现鼓胀的根本原因,常规试验方法高估了试样的峰值强度,易使偏应力应变曲线表现软化,并使试样的体变曲线更突出表现出剪胀性。该装置有效解决了三轴试验的端部约束问题,提高了三轴试验结果的可信性。

关键词:微摩擦荷载传力板;三轴试验;整体接触;分散式接触;端部约束

基于对数动骨架考虑可逆孔压的有效应力本构研究

董  青1,周正华1,苏  杰1,李小军*2,郝  冰1,李远东1

(1. 南京工业大学交通运输工程学院,江苏 南京 210009;2. 北京工业大学建筑工程学院,北京 100124)

摘  要:在对含饱和砂土场地进行地震反应分析时,等效线性化方法难以模拟饱和砂土的孔压变化,且适用的有效应力本构也相对较少,相关本构的模拟结果亦缺乏与实际饱和砂土场地观测台阵地震动记录的对比验证。从一维饱和砂土场地时域非线性地震反应分析出发,基于对数动骨架曲线时域非线性土体动本构和陈龙伟孔压增长模型,并考虑可逆超静孔隙水压力,得到了可用于饱和砂土场地地震液化反应分析的时域非线性有效应力本构。这一本构能合理的模拟饱和砂土层在地震动作用下的孔压波动变化,以及孔压增长引起的土体软化现象,其孔压模拟结果更符合实际孔压发展过程。通过自行编制的一维土层地震反应分析程序Soilresp1D,实现了可液化场地动力反应分析。含饱和松砂场地地震反应分析本构数值模拟结果与基于丰万玲孔压增长模型的有效应力本构的时域分析结果和实际观测场地地震动记录对比表明,提出的基于对数动骨架曲线并考虑可逆超静孔隙水压力的有效应力本构是可行的且结果合理。此外,通过对含饱和砂土层场地地震反应分析,揭示了液化对场地地表加速度峰值和反应谱及饱和砂土层抗剪强度的影响特征。

关键词:对数骨架曲线;可逆孔压;有效应力;液化;应力–应变关系

三轴剪切过程中粗粒料颗粒破碎变化规律研究

吴二鲁1,朱俊高*1,黄  维2,刘  忠3

(1. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098;2. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122;3. 黄河水利委员会黄河水利科学研究院,河南 郑州 450003)

摘  要:准确预测粗粒料在加载过程中颗粒破碎的变化规律,并将其应用于粗粒料的本构模型中具有重要意义。合理定义和精确计算颗粒破碎指标是准确研究加载过程中粗粒料颗粒破碎变化规律的保障。引入Einav的分形破碎指标,认为在目前的颗粒破碎指标中该指标最适合用来对比评价粗粒料的颗粒破碎程度,并利用连续级配土的级配方程代替分形级配方程进行破碎指标的准确计算。在此基础上,选取已有文献中的试验数据,对粗粒料三轴剪切过程中的颗粒破碎变化规律进行了研究,建立了一个可以描述三轴剪切过程中颗粒破碎指标与剪应变及平均正应力之间关系的数学模型,并验证了该模型的适用性。

关键词:粗粒料;三轴剪切;颗粒破碎;级配方程;变化规律

珊瑚砂渗透性的微观机理研究

崔  翔1,2,朱长歧1,胡明鉴1,汪  稔1,刘海峰1

(1. 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071;2. 中国科学院大学,北京 100049)

摘  要:珊瑚砂是一种海洋特殊土。特殊的物质来源和形成过程,导致了其水文物理性质与陆源砂存在差异。文中设置了珊瑚砂和石英砂作为对照组,通过一系列微观试验,从微观角度定量研究并揭示了珊瑚砂特殊性质的原因。研究发现,导致珊瑚砂特殊性质的微观因素包括颗粒表面性质和颗粒形状性质两方面。其中,颗粒表面性质包括颗粒带电性和表面亲疏水性。颗粒带电性显示,石英砂较珊瑚砂颗粒更易发生聚集和凝聚;表面亲疏水性显示,珊瑚砂较石英砂颗粒表面亲水性差。颗粒形状性质包括颗粒整体形状和颗粒表面粗糙度,并呈现分段性规律。粒径≤0.25 mm时,珊瑚砂较石英砂颗粒形状规则,且表面光滑;粒径介于0.25~0.75 mm时,珊瑚砂较石英砂颗粒形状规则,但表面粗糙;粒径≥0.75 mm时,珊瑚砂较石英砂颗粒形状不规则,且表面粗糙。最后,通过上述微观结论对珊瑚砂和石英砂渗透性差异机理作出合理解释,并总结出颗粒微观性质对珊瑚砂渗透性影响的分段性规律。

关键词:珊瑚砂;石英砂;微观试验;颗粒表面性质;颗粒形状性质

基于核磁共振的聚氨酯固化砂土浸水作用分析

王  颖,刘  瑾*,马晓凡,祁长青,卢洪宁

(河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京 211000)

摘  要:为分析浸水对聚氨酯固化砂土的作用,采用核磁共振技术对固化砂土浸水后的微观特性和强度特性进行研究。对添加不同固化剂含量、不同密度和不同浸水时间的固化砂土进行核磁共振和无侧限抗压强度测试。研究结果表明,随着固化剂含量增加,T2谱由单一峰值发展为多个峰值,且幅值面积也持续增加;幅值强度和面积随浸水时间增长而增加;随着固化剂含量和浸水时间的增加,总有效孔隙率增加,且相对大孔喉所占的比例均增加;密度增加,小孔喉所占比例增加,大孔喉减小;随着固化剂含量和浸水时间增加,核磁共振成像图中亮点越多,有效孔隙增加;随着密度增加,核磁共振成像图中亮点由连续集中变化为分散状态;强度随浸水时间增加而减小,加入1%固化剂强度在浸水24 h前最高,大于2%后,浸水后强度随固化剂含量增加而增强。密度增加,浸水后强度保持增加趋势。通过核磁共振技术测试了固化砂土的微观变化规律,揭示了浸水对聚氨酯固化砂土微观特性的影响和以及宏观强度特性的微观作用机制。

关键词:固化砂土;浸水;低场核磁共振;微观特征;成像分析

 

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