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文献检索:
  • 壁画地仗中盐分的毛细输送机制研究
  • 设计了专门的毛细水输盐模拟试验装置,在精确控制温度、湿度和供水水头的情况下,监测不同孔隙溶液在含盐及脱盐澄板土地仗中的毛细迁移特征。水盐迁移前后,测定模拟地仗的导热系数、孔隙半径变化,从微观角度判断外来盐分及地仗内存在的盐分对地仗盐害的贡献。试验结果表明,溶液毛细迁移速率由大到小排列为KCl与Na_2SO_4混合溶液〉KCl溶液〉Na_2SO_4溶液〉H_2O。毛细上升速度随着试样高度的增加逐渐减慢,而且脱盐澄板土中的毛细上升速率大于天然澄板土中的速率。孔隙溶液电导率随试样高度增加呈递增趋势,且天然澄板土试样的电导率普遍高于脱盐澄板土。试样的导热系数随高度的增加出现先减小后增加的总体趋势。脱盐澄板土与天然澄板土相比,孔径分布密度偏向小孔径方向;当迁移溶液为混合盐时,孔径分布较单一盐溶液时集中。模拟试验结果发现,毛细输送的外来盐分(特别是硫酸盐和氯化物复合盐)造成的土体盐胀破坏比土中既有盐分更加显著,说明控制降水入渗引起的化学淋滤作用对预防顶层洞窟壁画盐害具有重要意义。
  • 深埋圆形巷道围岩塑性区位移及特征曲线新解和参数分析
  • 考虑中间主应力、脆性软化、剪胀特性、塑性区弹性模量及弹性应变定义等综合影响,提出深埋圆形巷道弹塑性计算的基本假定,进而建立围岩塑性区位移及特征曲线新解,对其进行可比性分析与比较验证,并详细探讨各因素影响特性。所得围岩塑性区位移及特征曲线新解是不需要借助任何数值算法的理论解析解,具有广泛的适用性和很好的可比性。研究结果表明:巷道结构的强度理论效应即中间主应力影响显著,相应的支护可以减弱或改用轻型支护;不考虑脆性软化或剪胀特性都将低估围岩实际位移,工程设计偏危险;半径相关的塑性区弹性模量得到的围岩变形及特征曲线处于上、下限之间,能体现巷道开挖卸载受扰程度的距离渐进性变化;塑性区弹性应变应优先选用更合理和准确的第三定义,且各因素之间存在相互影响。
  • 多级升温及降温引起的饱和红黏土的热响应试验研究
  • 对温度和围压耦合作用下饱和红黏土的热力学特性进行多级升温及降温过程的室内试验研究。试验包括每级温度变化之间允许试样排水和不允许试样排水两组对比试验,温度变化等级为20℃→40℃→50℃→60℃→70℃→80℃→70℃→60℃…→20℃,围压包括50、100、150、200 k Pa共4种。分析了试样热固结过程中温度、孔隙水压力、固结体应变的演变过程以及热力学特征变化机制。研究表明,在多级升温级间排水以及后续逐级降温过程中,温度诱致孔隙水压力消散引起的固结排水量大于温度再降低至初始温度下的吸水量,最终表现为不可逆的体积收缩变形。另一方面,在多级升温级间不排水以及逐级降温条件下,温度升高后的孔隙水压力甚至可达到围压值,然后降至初始环境温度下时试样内仍保持较大的孔隙水压力,也表现为不可逆的热力学过程。
  • 考虑颗粒破碎对特征孔隙比影响的堆石体亚塑性本构模型
  • 颗粒破碎是影响堆石体强度和变形特性的主要问题之一。相比于砂土,堆石料在较低的应力水平下就会发生严重的颗粒破碎,因此,在进行堆石体力学特性及本构模型研究时必须考虑颗粒破碎的影响。同时,堆石体在受力过程中孔隙比是变化的,而传统本构模型不能使用一组参数模拟不同孔隙比的同种材料。因此,以能够考虑应力水平和土体孔隙比影响的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型为基础,考虑堆石体有别于砂土的孔隙比变化特征,提出了考虑堆石破碎的亚塑性本构模型。亚塑性理论是目前可最大限度地减少人为假定的一种本构理论,颗粒材料在不同特征应力路径下,破碎造成的过度变形量不同;但相同应力水平、不同特征应力路径下孔隙比已不满足Gudehus-Bauer亚塑性本构模型中提出的等比例变化规律。据此,结合考虑颗粒破碎的临界状态理论和堆石体常规三轴试验和循环加载试验结果,提出了考虑颗粒破碎堆石体特征孔隙比的表达式,并将其引入到Gudehus-Bauer亚塑性本构模型中,建立了考虑颗粒破碎的堆石体亚塑性本构模型,提出了模型参数的确定方法。与堆石体试验结果对比表明,该本构模型可以较好地模拟其力学与变形特性。
  • 碳化作用对水泥固化/稳定化铅污染土溶出特性影响
  • 采用室内加速碳化试验方法,分析了碳化作用对水泥固化/稳定化重金属污染土淋滤特性的影响规律。对人工配制的不同浓度铅污染土进行水泥固化/稳定化处理,标准养护28 d后对部分土样进行加速碳化试验,剩余试样继续标准养护。通过半动态淋滤试验方法测试了碳化后试样和标准养护试样的铅溶出量,并计算铅扩散系数、固化/稳定化土淋滤指数,分析碳化作用对水泥固化/稳定化铅污染土环境安全性以及铅溶出机制的影响。结果表明,单位面积上铅的溶出速率随淋滤时间的增加而降低;浸出液中铅累计溶出量与淋滤时间的平方根呈近似线性关系;碳化养护试样的铅累计溶出量是标准养护试样的0.68~0.91倍,碳化有利于铅的固化/稳定化。固化稳定化处理后铅的扩散系数在2.12×10-12~1.39×10-9 cm~2/s之间,淋滤指标在8.86~11.7之间,且碳化作用下铅的扩散系数进一步降低,淋滤指标略有升高。低铅含量土样中铅溶出机制为表面侵蚀,而高铅含量试样中铅溶出机制为表面侵蚀和扩散共同作用,并以扩散为主。
  • 混合赤泥胶结特性产生机制及对其力学特性的影响试验研究
  • 为了研究混合赤泥胶结特性产生机制,利用XRF、XRD、SEM等微观测试手段分析了混合赤泥在脱水干燥过程中化学成分、矿物组成、微观结构的变化,探讨了胶结强度随脱水龄期延长的变化规律。在此基础上,通过固结排水三轴剪切试验对5个脱水龄期混合赤泥的力学特性进行了研究,揭示了混合赤泥胶结强度的形成对其力学特性和结构性的影响。研究表明:混合赤泥的胶结强度的形成主要是因为烧结法赤泥中的水泥水硬性矿物的水化反应和活性氧化物的碳化反应形成的,并且主要集中在脱水龄期前70 d内;混合赤泥抗剪强度的增长与赤泥胶结强度的形成有直接关系,且主要体现在其黏聚力上;对具有相同初始物理指标、不同脱水龄期的混合赤泥,采用三轴试验各应变水平下不同脱水龄期干燥试样与刚出厂初始试样的主应力差之比所表示的结构性定量化参数,来研究结构性对变形强度的影响可以得到良好的规律性。
  • 干湿循环作用下膨胀土的贯入特性试验研究
  • 揭示干湿循环作用下膨胀土力学特性的演化规律对防治膨胀土灾害有重要指导意义。提出了一种基于超微型贯入试验的土体内部力学特性研究方法,在干湿循环条件下对重塑膨胀土开展了一系列贯入试验,获得3次干燥过程中试样贯入阻力随深度和含水率的变化曲线。结果表明:(1)通过超微型贯入试验能够简单、快速和有效地掌握膨胀土在干湿循环过程中力学特性的时空演化特征;(2)试样的贯入阻力在干燥过程中总体呈增加趋势,相对于深部土体,表层土体的贯入阻力对干燥作用更加敏感;(3)干湿循环作用对膨胀土的力学特性有重要影响,随干湿循环次数的增加,膨胀土的贯入阻力总体上呈减小趋势,贯入曲线由单峰结构逐渐向多峰结构过渡,贯入阻力的空间差异性更加突出,且该现象在低含水率区间更加明显。基于土力学、土结构的基本理论以及试验中观测到的一些现象,对干燥过程和干湿循环作用下膨胀土的贯入力学特性进行了分析和探讨。干燥过程中土颗粒收缩靠拢、密实度和颗粒接触点增加及土吸力增加是导致膨胀土贯入阻力增加的重要原因,而干湿循环作用导致的土结构松散化、裂隙化则是引起膨胀土整体力学性质弱化的重要原因。
  • 软黏土变形时效性的试验及经验模型研究
  • 对汕头东部入海口的吹填软土进行了一维次固结试验和三轴固结不排水蠕变试验,分析了这两种机制不同的蠕变特性。一维试验结果表明,软黏土的应力-应变关系呈现出明显的非线性特征,且当土体处于超固结状态时,其主固结和次固结变形相对于正常固结状态会变小,预压可以提高土体的结构屈服强度。在三轴固结不排水蠕变试验中,孔压会随时间一直发展,即有效应力不断减小。当偏应力较小时,土体的变形最终会趋于稳定,应变率也随时间一直减弱;而当荷载增加到临界值时,土体的变形会随时间快速发展,发生加速蠕变破坏。引入分数阶导数的概念,建立了含分数阶导数的Merchant模型,对两种试验数据分别进行拟合并给出了参数范围,结果表明:与经典的Merchant模型相比,分数阶导数Merchant模型能更好地描述软土的蠕变变形,而且模型简单、参数少,能很好地应用到实际工程中。
  • 内压对管状双椭圆洞室围岩应力影响的解析解
  • 以管状双椭圆高水压洞室围岩应力为研究对象,将该问题简化为混合边界的双椭圆孔平面应力计算模型。基于平面弹性复变理论,通过保角映射、Cauchy积分及留数定理等方法,求解了具有单椭圆内压孔的两个平面应力复势函数;采用Schwarz交替算法,推导了具有双椭圆内压孔无限平面内任一点的应力分量表达式。据所得表达式,编制了Matlab计算程序,研究了无限平面含双洞室或双椭圆洞室的4个算例,分析了内压及两孔相对位置对围岩应力的影响。研究结果表明:两洞室均无内压时,水平对称双椭圆洞室的左孔口0°(或右孔口180°)处有最大切向应力;各孔口的最大或最小切向应力均随内压的增大而减小;当两孔中仅一孔含内压时,两孔孔口应力随内压的增大而或增或减,具体视孔壁位置而定。
  • 强降雨诱发缓倾堆积层边坡失稳离心模型试验研究
  • 2011年9月16日,南江县普降大暴雨,引发了大量沿基覆界面滑动的堆积层滑坡。为研究强降雨诱发沿基覆界面滑动的浅表层堆积层滑坡形成机制,利用自主研制的离心场降雨模拟设备,通过大型离心模型试验,再现了强降雨引起红层地区堆积层边坡滑动失稳的全过程,获得了边坡变形破裂的特征参量,阐明了边坡的滑动失稳机制。研究表明:(1)在0~50 g加载过程中,土压力和孔隙水压力随加速度的增加而逐渐增大,坡体的含水率缓慢降低,滑带土的含水率缓慢升高;(2)在第1次降雨过程中,SP1、SP2土压力计测值继续增大,SP3、SP4土压力计测值变化不大,说明滑体前缘及中部已承受来自滑体后部的推力。4个孔隙水压力计测值逐渐增大至最大,停雨后,4个孔隙水压力计测值均减小,说明在降雨过程中,孔隙水向基覆界面逐渐汇聚,雨停后,基覆界面的孔隙水逐渐消散。滑体中MC3含水率传感器测值逐渐变大,过20 s后,滑带中MC2含水率传感器测值也逐渐增大。(3)在第2次降雨90 s时,4个土压力计、4个孔隙水压力计测值变化大,两个含水率传感器测值迅速降低,说明此时边坡呈现整体滑动。之后,SP1、SP2和SP3土压力计测值缓慢增大到最大。SP4土压力计测值一直下降;4个孔隙水压力计测值缓慢增大至最大,第2次雨停后,4个土压力计、4个孔隙水压力计和2个含水率传感器测值逐渐减小。(4)最后,通过模型和原型的综合对比分析,该边坡的滑动失稳机制为推移式蠕滑-拉裂-整体滑动。
  • 基于多参量归一化的花岗岩巷道岩爆预测试验研究
  • 通过室内模拟花岗岩巷道岩爆试验,基于线性函数转换的归一化算法,将试验中获得的声发射场和红外温度场等多参量进行归一化处理,在分析其原始曲线特征的基础上,分析各参量在同一尺度下的演化特征,综合研究花岗岩巷道岩爆前兆。研究结果表明:声发射事件率、声发射能率、最高和最低红外辐射温度均适合作为岩爆灾害预测的主要参数。岩爆发生过程中各参量经过归一化处理,在统一尺度下能够快速、有效地识别岩爆发生的前兆。声发射能量加速释放是岩爆发生的早期预警信息;声发射平静期可作为岩爆灾害预警与采取控制措施的关键时期;最低辐射温度突降和最高辐射温度突增表明岩爆随时都有可能发生,这是岩爆发生的征兆。试验结果为岩爆灾害预测研究提供了新的方法和依据。
  • 围压作用下盐岩应变与损伤恢复试验研究
  • 为了研究盐岩在特定环境下的损伤自恢复效应,通过改变盐岩初期损伤度、围压大小与保压时间3个变量分别开展了损伤盐岩保压恢复试验。基于材料破坏的应变控制理论,主要分析了盐岩初期损伤度、围压大小与保压时间3个因素在压力恢复作用下对盐岩应变恢复和损伤愈合进程的影响。试验结果表明:围压可以改变盐岩自恢复能力;盐岩应变恢复可以分为应变快速恢复、减速恢复与缓慢恢复3个阶段,这3个阶段与围压大小、裂隙发育度、时间之间存在密切关系,该恢复趋势呈现出类似负指数型降低趋势;保压时间和围压的增加在一定范围内都可以加强损伤试件的应变恢复效果与损伤愈合能力;盐岩保压期间围压的增加都相对地加快了整体的恢复速率,延长了减速恢复阶段的时间;较大初始损伤的试样虽在保压期恢复速率较高,但并未改变恢复后损伤大小的排序;较大的围压可以促使应变恢复和损伤愈合,但过大的围压容易造成应变假恢复和损伤增加的现象。
  • 半无限弹性体内作用竖向矩形和条形均布荷载时的应力计算公式
  • 传统土力学处理岩土工程问题时,经常采用弹性力学方法分析土中应力分布。土中应力通常依据较为简单的Boussinesq解计算,该解答假定荷载作用于土体表面;但是,建筑物基础一般都埋置在地表以下一定深度,此时,应依据Mindlin解计算应力分布。在半无限弹性体内作用竖向矩形和条形均布荷载时的应力分布对计算基础沉降以及分析基坑尺寸对稳定性和变形的影响均有重要意义,在其他岩土工程问题中也有诸多应用。尽管文献[1-2]给出了相关计算公式,但存在几处错误。基于Mindlin解,通过积分重新推导了在半无限体内部作用竖向矩形均布荷载时应力分布的解析表达式,进一步得到了条形均布荷载作用时应力分布的解析表达式,这2组公式均与文献[1-2]给出的结果存在不同。最后,采用数值积分方法验证了新给出的2组公式的正确性。
  • 基于轴对称模型的管桩竖向振动研究
  • 在管桩沉桩过程中产生的闭塞效应以及桩芯土的存在,使得管桩的力学特性与实心桩存在着差异,因此需要考察桩周土和桩芯土力学性质的差异对管桩振动的影响。将桩周土、桩芯土和管桩视为一个整体,利用轴对称模型和桩-土接触面的连续性条件得到了管桩的竖向振动解,为了比较,也给出了管桩竖向振动的欧拉模型解。借助数值算例,对比分析了管桩竖向振动采用轴对称模型和欧拉模型得到的桩顶复刚度,并分析了桩周土、桩芯土和桩体本身物理参数对管桩竖向振动的影响。研究结果表明,轴对称模型得到的桩顶复刚度较欧拉模型的结果小,两种模型得到的结果存在一定的差异;桩周土剪切模量比桩芯土剪切模量大时,桩基动刚度和动阻尼则较小;桩顶的复刚度随管桩壁厚的减小而减小,因此,管桩管壁不宜过薄。在进行管桩设计时,需要考虑土体性质对桩基振动特性的影响,合理选择管桩内、外半径和桩长。
  • 岩石裂纹闭合效应及其定量模型研究
  • 岩石的裂纹闭合效应对于岩石的变形以及强度性质具有重要影响。主要研究了岩石内部微裂纹的闭合压密效应及其定量评价方法。首先,基于有效介质理论将岩石的轴向应变分为基质轴向应变和裂纹轴向应变两部分;然后通过3组岩石压缩试验资料,建立裂纹轴向应变随轴向应力变化的负指数模型。分析发现,负指数模型可以较好地描述岩石裂纹闭合压密阶段的非线性。裂纹闭合应变可以在一定程度上反映岩石内部的微裂纹数量(密度),能够描述微裂纹密度在单轴、三轴压缩条件下的变化规律。
  • 地震作用下含水平软弱夹层斜坡动力响应特性研究
  • 基于相似性理论,设计并完成了2个含不同厚度水平软弱夹层的岩质斜坡。试验模型高度、长度、宽度分别为1.80、1.65、1.50 m,坡角约60°,软弱夹层厚分别为3、15 cm。输入不同类型、激励方向、频率和振幅的地震波,利用大型振动台试验中传感器记录的数据和正交试验,研究了斜坡的加速度响应特征及其影响因素。试验结果表明:斜坡动力加速度放大系数分布存在明显的坡内高程效应和坡面的非线性趋表效应。斜坡水平向坡面放大系数随斜坡高程增加呈波动性增大,薄夹层斜坡中、上部表现更为明显。竖直向坡面放大系数因软弱夹层厚度而异,薄夹层斜坡局部减小后增大,最大放大值出现在坡肩位置,而厚夹层斜坡最大放大值出现在软弱夹层底部。同等强度地震力激励下,坡内竖直向放大系数不及水平向,约为0.75倍。坡面上,水平和竖直向放大系数的相对大小与高程有关。软弱夹层以下,竖向放大系数大于水平向,夹层以上则相反。软弱夹层对斜坡动力响应的影响也因激励方向不同而有所区别,对水平向动力响应有一定的放大作用,而对竖直向动力响应则是吸收减弱。斜坡动力响应所选因素的影响大小顺序依次为斜坡高程、坡体位置、软弱夹层厚度、激励振幅、加载波形、激励方向,其中斜坡高程、坡体位置以及软弱夹层厚度对斜坡动力响应具有显著性影响。
  • 开挖断面曲率半径对高应力下硬脆性围岩板裂化的影响
  • 围岩板裂化是深埋高地应力条件下硬脆性围岩开挖后出现的一种典型破坏形式。影响围岩板裂化形态和形成机制的因素很多,开挖断面的曲率半径是其中的关键因素之一。为了研究开挖断面曲率半径对深部硬脆性围岩板裂化的影响,首先总结、分析了锦屏二级水电站深埋隧洞不同开挖断面曲率半径所对应的板裂化形态和特征。在此基础上,设计了室内物理模型试验,研究不同孔径的圆形洞室和不同尺寸的直墙拱洞室在平面应变条件下的板裂化破坏形态。研究结果表明,开挖断面的曲率半径对围岩板裂化的影响机制表现在尺度效应和结构效应两个方面,影响着板裂化的破坏形态和破裂机制,当同一洞室断面包含不同曲率半径段时,板裂化破坏表现出曲率半径影响下的组合破坏特征。最后,利用数值模拟结果分析和验证了开挖断面曲率半径对围岩板裂化的影响效应。
  • 基于多重响应面法的空间变异土坡系统可靠度分析
  • 空间变异土坡可靠度问题应该视为系统可靠度问题,多重响应面法为高效、准确地对其进行求解提供了一条有效途径。针对单一滑面确定了合理的空间变异土坡安全系数的响应面形式,并探讨了可靠度分析精度和随机场离散精度间的近似线性关系。建立基于大量潜在滑面的多重响应面,计算系统失效概率,并识别其中的代表性滑面。通过两个土坡算例验证所提方法的有效性。结果表明:随着空间变异性的增强,土坡可靠度的系统性增强,单一滑面的失效概率将显著低估土坡整体失效概率;通过控制随机场离散精度,可以事先保证一定的可靠度分析精度,从而有效地避免离散出过多并不重要的随机变量;合理地选择多重响应面形式有利于进一步提高计算效率和计算精度;多重响应面法可以同时分析所有潜在滑面的失效概率以及系统失效概率,并识别出代表性滑面,为边坡防治提供参考。
  • 格宾网加筋红层软岩土石混填路堤力学行为的现场测试与数值模拟
  • 为掌握格宾网加筋红层软岩土石混填路堤的力学行为,通过加筋路堤现场测试研究路堤土压力、路堤内部潜在破裂面、格宾网筋材和石笼墙面变形等力学行为,并结合FLAC^3D 数值模拟,分析格宾网加筋间距、加筋长度、地基土的压缩模量、强度指标及路堤填料压实度变化对其力学性状的影响。现场测试表明:格宾网拉应变沿路堤横断面非均匀分布,路堤内部潜在破裂面近似"改进双线段简化破裂面";石笼面墙在墙背平面内类似梁弯曲变形,在墙背平面外以向外鼓胀变形为主;墙后同一标高处填土竖直土压力呈非均匀分布;墙背实测水平土压力与墙高呈非线性关系,路堤填筑高度大于7.5 m时,墙背水平土压力接近朗肯主动土压力值。数值模拟表明:加筋间距及长度变化对路堤侧移的影响明显大于对沉降的影响,格宾网竖向加筋间距宜为0.5~1.0 m,水平加筋长度宜为0.7H~1.0H;地基土压缩模量改变对路堤沉降有较大影响,为控制路堤不均匀沉降,地基土压缩模量宜大于5 MPa;为控制墙面侧移增长速度,地基土黏聚力不小于15 kPa;红层软岩土石混填路堤填料压实度宜控制在93%以上。
  • 鄂尔多斯深部咸水层CO2地质封存效果评价
  • 中国首个陆上咸水层CO_2地质封存全流程示范项目于2010年正式实施。为更加清晰、准确地了解注入场地储层的注入性能和注入封存过程中可能遇到的潜在问题,基于场地储层结构和注入监测数据,采用储层多相流模拟软件TOUGH2-MP/ECO_2N对鄂尔多斯105 t/a CO2注入1 620 m以深的特低渗砂岩咸水含水层进行数值模拟,对储层的压力积聚和CO2羽体扩散的动态演化以及储层封存量进行评估。结果表明,所建立的模型比较准确地反映了实际注入过程和注入效果。3a注入引起的最大压力抬升小于15 MPa,CO2在含水层中总体呈均匀扩散,CO_2注入地下3a和53a后,羽体在刘家沟储层中的横向迁移距离分别为550 m和700 m左右。在目前的统注方案下,CO_2主要封存层位在储层上部的刘家沟组(埋深为1 690~1 699 m),其吸气量占整个储层封存量的80%以上,储层吸气能力具有由浅到深变差的特征。53a模拟期内,进入泥岩盖层的CO_2总量不及注入总量的0.05%。
  • 应变软化边坡渐进破坏及其稳定性初步研究
  • 采用应变软化本构模型和矢量和法,提出了一种模拟应变软化边坡渐进性破坏过程的分析方法。该方法可得到应变软化边坡的坡体材料强度参数、滑面状态、稳定安全系数、边坡破坏状态的变化过程,据此可分析边坡的渐进破坏。采用所提方法对应变软化材料边坡算例进行了分析,并与3种极限平衡法进行了对比,结果表明:(1)滑面矢量和安全系数介于传统极限平衡法峰值安全系数与残余安全系数之间,滑面强度参数部分处于峰值状态、部分处于残余状态,弥补了传统极限平衡法不能得到真实的应变软化边坡安全系数的缺陷。(2)强度参数弱化的区域与边坡破坏区域位置一致,坡脚处滑面最先出现软化,随着塑性剪切破坏的发展,其由软化状态变为残余状态,邻近部分滑面开始出现新的软化,接着进入残余状态,边坡破坏由坡脚向坡顶发展,随着这个过程的持续进行,边坡的渐进性破坏不断发展,边坡安全系数不断降低,直至渐进性破坏过程结束。(3)随着残余软化参数的增加,滑面位置逐渐变浅,矢量和法安全系数逐渐增加。该方法能够较好地分析边坡的渐进性破坏过程,具有较好的应用前景。
  • 基于楔形效应的隧道锚抗拔承载能力研究
  • 悬索桥隧道锚因楔形体外观特征具备强大的抗拔承载能力。基于匀质围岩假定和Mohr-Coulomb强度准则,研究锚碇围岩系统两种破坏模式即岩锚界面摩擦破坏以及围岩受侧向挤压后产生的破裂,根据岩锚界面受力特点建立界面平衡条件,分析围岩破裂面应力状态的改变,并将其与等截面体的抗拔承载力相比较,分别得到对应两种破坏模式的楔形效应系数,由此推导出两种破坏模式下隧道锚抗拔承载力计算公式。研究结果表明,隧道锚抗拔承载力的楔形效应对于不同类别的围岩表现出明显规律。通过与已建隧道锚承载力的研究结果相比较,验证计算较为吻合,进一步证实了考虑楔形效应的简化公式计算隧道锚承载力的正确性和合理性。
  • 基于Copula函数的岩土结构物系统可靠度分析
  • 研究了基于Copula函数的抗剪强度参数联合分布模型对岩土结构物系统可靠度的影响规律,揭示了抗剪强度参数间相关结构对岩土结构物系统可靠度影响的过程。介绍了不完备概率信息条件下基于Copula函数的抗剪强度参数联合分布模型构造方法,提出了Copula理论框架下岩土结构物系统失效概率计算的蒙特卡罗模拟方法,以典型岩土结构物如挡土墙和岩质边坡为例研究了Copula函数对系统可靠度的影响。结果表明:Copula函数为不完备概率信息条件下抗剪强度参数联合分布模型的构建提供了一种有效的工具。不完备概率信息条件下岩土结构物系统可靠度不唯一,不同Copula函数计算的系统失效概率差别非常大,这种差别在实际工程可靠度设计中应该引起重视。Copula函数对系统可靠度的影响分为两个机制不同的阶段,首先是参数间相关结构对系统中单一失效模式可靠度的影响,其次是每一个失效模式对系统可靠度的影响。
  • 浅埋超长工作面裂隙梁铰拱结构稳定性分析及数值模拟研究
  • 以超长工作面基本顶初次断裂所成铰拱结构为力学模型,在铰接端接触面按照应力指数分布规律,得出新的水平推力公式。通过严格几何变形推导出铰接端变形量与下沉量,结合数值模拟与现场实例进行验算,应用新的推力公式对结构稳定性进行判断。与传统近似建模方法相比,经研究发现:针对浅埋超长工作面,在回转角小于3°时,块度i〉0.40的断块所受推力随工作面长度、回转角变大而以微小变化率增加,块度i〈0.45时断块不发生滑落失稳;块度i≤0.30的断块所受水平推力T增幅明显,若回转角?超过6°,断块易因T过大而发生变形失稳;新公式代入实例得出的回转稳定区范围比传统范围至少大12%。给出了浅埋裂隙梁结构允许埋深公式,对浅埋超长工作面裂隙结构失稳预测有参考价值。
  • 颗粒-流体耦合算法与饱和土不排水剪切特性研究
  • 在颗粒流方法 PFC^3D的基础上发展了颗粒-流体耦合模型。在耦合模型中引入了孔隙度,其可考虑孔隙结构的可变性,并开发了可以考虑孔隙水压力和孔隙结构变化的颗粒-流体耦合计算程序。在此基础上模拟了饱和土的不排水剪切试验,与北京黏质粉土的试验数据及常体积模拟方法进行了对比。结果表明:采用颗粒-流体耦合方法计算得到的结果和常体积法计算结果与北京黏质粉土的试验结果相比均是一致的,验证了耦合算法的可靠性;分析比较了相同计算条件下耦合方法和常体积法计算得到的偏应力及径向应变曲线,研究了不同围压下试样的不排水剪切特性。颗粒-流体耦合计算结果表明:饱和土不排水剪切过程随着围压升高,孔隙水压力和偏应力均升高,而应力比曲线变得平滑,应力比有所降低。
  • 基于逆Broyden秩1拟牛顿迭代法的岩体裂隙网络渗流特性研究
  • 岩体裂隙粗糙度和流体惯性效应是影响岩体裂隙网络等效渗透性的重要因素。首先回顾了单裂隙中裂隙粗糙度和流体惯性效应对其过流能力的影响;然后基于逆Broyden秩1拟牛顿迭代法求解控制裂隙内流体流动的非线性方程组,研究岩体裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络(DFN)等效渗透性的影响;最后,基于两种不同边界条件,对离散裂隙网络模型内流体的流动特性进行了探讨。结果表明,当水力梯度较小(〈0.5)时,裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络渗透性的影响很小;当水力梯度较大(〉0.5)时,裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络渗透性的影响随水力梯度的变化而显著变化;在两种边界条件下,当水力梯度在0.1~10.0之间时,裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络过流能力的最大影响分别为18.1%和27.5%。所以,当水力梯度较大时,需要在离散裂隙网络模型的渗流计算中考虑裂隙粗糙度和流体惯性效应的影响。
  • 月壤水平开挖推剪阻力影响因素离散元数值分析
  • 通过引入考虑范德华力和抗转动作用的月壤微观接触模型,采用离散单元法模拟月壤水平推剪试验(简化的土-开挖设备间相互作用模型),对月壤推剪破坏机制进行研究,分析了推剪深度、倾角和速率的影响,为真实月面环境下开挖提供参考。结果表明:推剪过程中推剪阻力首先随推剪位移增加至峰值,而后下降并趋于稳定;随推剪位移的进一步发展,推墙前方土体堆积,推剪阻力缓慢回升,推墙前土体受扰动区范围逐渐增大;当推剪面竖直时,随着推剪深度增加,推剪阻力和能量消耗增大,前方受扰动土体范围增大,破坏面为直平面;相同推剪深度下,推剪倾角越大,推剪阻力和能量消耗越小,前方扰动土体范围越小,破坏面为直平面;推剪速率越大,推剪阻力和能量消耗增大,前方扰动土体范围越大。由于月面开挖时推剪反力由机械与月面摩擦提供,考虑到开挖机械重量受空间运输能力限制,建议采用对推力(机械重量)要求低的浅层、倾斜、慢速开挖,适用于月面早期建设活动。
  • 基于FDEM-Flow研究地应力对水力压裂的影响
  • 用提出的FDEM-Flow(考虑流固耦合的离散元-有限元耦合方法)方法作为工具,研究了地应力对水力压裂的影响。通过一个注水圆孔的算例,研究不同地应力状态对压裂裂隙的走向和形态的影响。研究结果表明,起裂压力的大小和压裂裂隙的方位均与地应力有密切关系。在竖向地应力σv保持不变的情况下,且侧压力系数λ〉1时,随着λ的增大,起裂压力和失稳压力均减小;λ〉1时且取值较小时,主要产生水平向的裂隙,并有斜向裂隙产生;λ〉1时且取值较大时,裂隙严格按照最大主压应力的方向扩展,不再出现斜向裂隙;λ〈1时,主要产生竖向的裂隙;λ=1时,水平地应力和竖向地应力相等,裂隙的扩展不存在优势方向。不同侧压力系数条件下,裂隙的扩展方向与最大主应力的方向一致,水力压裂裂隙的起裂和扩展主要由最大主拉应力控制,裂隙在拉应力集中的区域起裂。这些结果与已有的试验及理论认识是相符的,进一步验证了FDEM-Flow方法用于模拟水力压裂问题的有效性。
  • 人工裂缝逼近条件下天然裂缝破坏特征分析
  • 通过水力压裂裂缝的诱导应力场打开远场天然裂缝,可改变储层应力场,易形成压裂主裂缝、分支缝、应力松弛缝相互连通的裂缝网络,从而提高了页岩气储层改造效率,因此在页岩气开采中具有广阔的应用前景。人工裂缝逼近条件下天然裂缝的破坏特征是人工裂缝诱导应力场激活远场天然裂缝的核心问题之一。应用位移间断法(DDM),建立了人工裂缝逼近条件下激活天然裂缝的力学模型。根据摩尔-库仑破坏准则,建立了不同天然裂缝破坏状态的约束条件,形成了天然裂缝破坏特征的计算方法,并通过算例验证其正确性。在此基础上,模拟了人工裂缝逼近条件下天然裂缝张开、滑移、闭合行为,并研究了其影响因素。结果表明,天然裂缝下表面处最大主应力呈双峰型分布,天然裂缝下表面处最大主拉应力随着天然裂缝与最大水平主应力方向夹角的增加而增大。当人工裂缝逼近天然裂缝时,天然裂缝的剪切型破坏长度大于张拉型。天然裂缝破坏长度随着天然裂缝与最大水平主应力方向夹角的增大而减小,随着缝内净压力的增大而增大。天然裂缝破坏长度随着人工裂缝尖端到天然裂缝的距离的减小而增加。天然裂缝剪切型破坏长度随着摩擦系数及黏聚力的增大而减小。研究结果对页岩气压裂技术具有理论指导意义。
  • 基于自适应松弛Picard法的高效非饱和渗流有限元分析
  • 有效地模拟非饱和渗流过程对土质边坡稳定性分析、土石坝渗流、污染物迁移等众多领域有着重要的意义。描述非饱和渗流的Richards方程是具有强烈非线性的偏微分方程,通常需要采用有限元等数值方法并结合有效的迭代方法进行求解。Picard迭代法是实用的非线性计算方法,在非饱和渗流领域应用广泛,但经常会出现收敛震荡、速度缓慢和精度降低的问题。为提高计算性能,结合有限元法提出了一种高效的自适应松弛Picard法。通过模拟一维和二维渗流算例,并与传统方法的结果进行对比,对算法和程序的准确性、高效性和鲁棒性进行了验证。测试结果表明,该方法可以在保证计算精度的同时有效地减少数值震荡,提高收敛速度。研究成果对非饱和渗流有限元程序的开发和应用有一定的参考价值。
  • 裂隙岩体渗流-传热耦合的复合单元模型
  • 基于复合单元法建立了裂隙岩体渗流-传热耦合的复合单元模型。该模型前处理简便快捷,网格剖分不受限制,可依据裂隙的真实信息自动将其离散在单元内。其次,采用交叉迭代算法,对裂隙岩体的渗流场和温度场进行耦合分析,耦合算法不仅考虑了温度对流体运动黏度的影响,而且可计算裂隙中流体与相邻岩块间渗流-传热过程以及两者间的渗流量和热量交换。通过与已有近似解析解相比较,验证了复合单元耦合算法的可靠性。算例分析表明,渗流-传热耦合作用对裂隙岩体的渗流场和温度场均有一定的影响。分析了不同岩块热传导系数和裂隙开度对热能提取效率的影响,结果显示,岩块热传导系数越大、裂隙开度越大,低温流体从高温岩块中吸取的热能会较多,出口处流体温度下降得较快。
  • 基于端锚黏结式锚杆静、动载试验的非均匀受力锚杆单元
  • 为使锚杆支护工程的设计计算和数值模拟更加合理,对端锚黏结式锚杆进行了常规拉拔试验和动拉拔荷载试验,分析了静、动荷载下锚杆的受力特征并提出了力学计算模型。结合试验和力学模型计算结果,比选了多单元数2结点杆单元和少单元数高阶次杆单元的计算精度和计算量。试验结果表明,端锚黏结式锚杆在静荷载下轴向应力呈三角形分布,在动荷载下轴向应力呈负指数分布。受力分析表明,静荷载作用下黏锚力可视为均匀分布,动荷载作用下黏锚力可近似简化为三角形分布。对比试验和理论分析结果,高阶杆单元能简洁明了地反映静、动荷载下锚杆的非均匀受力情况,并能有效减少单元数目和结点数目,大大减少计算量,同时提高计算精度,相比多单元数2结点杆(索)单元优势明显。静、动载试验和理论成果为锚杆支护工程的设计计算和数值模拟提供了参考和依据。
  • 两种强度准则在Cosserat扩展模型弯曲变形中的应用
  • 目前对Cosserat扩展模型的有限元分析均是运用Mohr-Coulomb强度准则,但由于Mohr-Coulomb强度准则的六边形屈服面是不光滑且有尖角,这些尖角可能会导致其应用于Cosserat弹塑性分析时的计算困难,Drucker-Prager强度准则正可被看成Mohr-Coulomb强度准则为避免这些困难而做的光滑近似,因此很有必要对基于Drucker-Prager强度准则的Cosserat理论进行研究。利用MATLAB分别编写了基于Mohr-Coulomb和Drucker-Prager强度准则的Cosserat扩展模型的有限元程序,并对在互层岩体中开挖的洞室进行了变形分析。结果表明,两种强度准则均可用于Cosserat扩展等效模型,但基于Drucker-Prager强度准则的有限元程序收敛速度更快,稳定性更好,能得到更为理想的结果。
  • 岩石声波-声发射一体化测试装置的研制与应用
  • 为了研究岩石破裂过程中的超声波波速值和声发射活动规律,自主研发了一套岩石声波、声发射一体化同步测试装置,它主要由声波测试系统、声发射测试系统和数据采集、存储、处理系统三部分组成。声波和声发射测试系统通过试验机底座接口与数据采集、存储、处理系统相连,并受后者控制,可以独立的同步监测岩石的波速与声发射信息;数据采集、存储、处理系统可以实时采集、存储两类声学数据,并实现二者的识别、筛分及后期处理。为了验证该装置的适用性,将其应用于盐岩、大理岩、花岗岩的单轴加载试验及盐岩的三轴加载试验中,均获得了较为理想的波速-应力变化规律、岩石声发射活动趋势及震源定位图。结果表明,所研发的测试装置可以满足单轴、三轴应力状态下岩石破裂过程中声波与声发射信息的同步监测,设备性能稳定,测试数据精度较高,可为探索岩体的破裂损伤机制及损伤评价提供重要的研究手段。
  • 深地下工程模型试验加卸载装置的研制
  • 考虑地质力学模型试验的边界条件:一是等位移边界条件,二是等应力边界条件。由于深部岩体介质具有储能特性,在进行深地下地质力学模型试验时,模型边界应设置于弹性区,除满足试验模型表面均匀应力场条件外,需更多考虑加载边界处试验装置的整体刚度,其能及时补给模型因开挖卸荷导致围岩回弹所需的能量,并提供一回弹刚度,边界上应力可随此刚度进行调节。探讨并分析了试验装置刚度对围岩破坏模式的影响,分别以弹性模型和弹塑性模型计算了卸荷时围岩的回弹刚度。将碟簧引入加载框架,并对碟簧系统进行设计,通过试验对碟簧系统刚度进行验证。研究表明,该新型加卸载试验系统能更精确地模拟深部岩体原始属性,可适用于深地下工程地质力学模型试验。
  • 《岩土力学》征稿简则
  • 《岩土力学》是中国科学院武汉岩土力学研究所主办的综合性岩土力学与工程学术期刊。为全国中文核心期刊,中国科学引文数据库、中国学术期刊综合评价数据库、中国科技论文统计源期刊,《中国期刊网》、《中国学术期刊(光盘版)》全文收录,也是国际三大检索系统之一的美国《工程索引》(EI compendex)文摘收录期刊(光盘版)。
  • [基础理论与实验研究]
    壁画地仗中盐分的毛细输送机制研究(张虎元;姜啸[1,2];王锦芳;李秀祥)
    深埋圆形巷道围岩塑性区位移及特征曲线新解和参数分析(张常光;范文;赵均海)
    多级升温及降温引起的饱和红黏土的热响应试验研究(白冰;赵晓龙;许韬)
    考虑颗粒破碎对特征孔隙比影响的堆石体亚塑性本构模型(明华军;孙开畅;徐小峰;史存鹏)
    碳化作用对水泥固化/稳定化铅污染土溶出特性影响(章定文[1,2];张涛;刘松玉[1,2];曹智国[1,2])
    混合赤泥胶结特性产生机制及对其力学特性的影响试验研究(冯燕博;刘东燕[1,2];刘芳语;刘伟;韩朦朦)
    干湿循环作用下膨胀土的贯入特性试验研究(王德银;唐朝生;李建;骆晓伟;施斌)
    软黏土变形时效性的试验及经验模型研究(罗庆姿;陈晓平;王盛;黄井武)
    内压对管状双椭圆洞室围岩应力影响的解析解(饶军应[1,2];傅鹤林;谢涛;王小敏;尹泉;李文博)
    强降雨诱发缓倾堆积层边坡失稳离心模型试验研究(王维早[1,2];许强;郑光;李嘉雨;罗博宇)
    基于多参量归一化的花岗岩巷道岩爆预测试验研究(张艳博[1,2];梁鹏[1,2];刘祥鑫[1,2];刘善军;田宝柱[1,2])
    围压作用下盐岩应变与损伤恢复试验研究(陈结[1,2];刘剑兴;姜德义;范金洋;任松)
    半无限弹性体内作用竖向矩形和条形均布荷载时的应力计算公式(王洪新)
    基于轴对称模型的管桩竖向振动研究(刘林超;闫启方;王颂;陈晴晴)
    岩石裂纹闭合效应及其定量模型研究(彭俊[1,2];荣冠[1,2];周创兵[1,3];彭坤)
    地震作用下含水平软弱夹层斜坡动力响应特性研究(周飞;许强;刘汉香;王龙)
    [岩土工程研究]
    开挖断面曲率半径对高应力下硬脆性围岩板裂化的影响(周辉;卢景景;胡善超;张传庆;徐荣超;孟凡震)
    基于多重响应面法的空间变异土坡系统可靠度分析(李静萍[1,2];程勇刚[1,2];李典庆[1,2];常晓林[1,2])
    格宾网加筋红层软岩土石混填路堤力学行为的现场测试与数值模拟(蒋建清;杨果林)
    鄂尔多斯深部咸水层CO2地质封存效果评价(谢健[1,2];张可霓;王永胜;覃莉清;郭朝斌)
    应变软化边坡渐进破坏及其稳定性初步研究(沈华章;王水林;郭明伟;葛修润)
    基于楔形效应的隧道锚抗拔承载能力研究(廖明进[1,2];王全才;袁从华;汤华;张水华)
    基于Copula函数的岩土结构物系统可靠度分析(张蕾[1,2];唐小松[1,2];李典庆[1,2];曹子君[1,2])
    浅埋超长工作面裂隙梁铰拱结构稳定性分析及数值模拟研究(赵雁海;宋选民)
    [数值模拟]
    颗粒-流体耦合算法与饱和土不排水剪切特性研究(刘广[1,2];荣冠[1,2];侯迪[1,2];彭俊[1,2];周创兵[1,2])
    基于逆Broyden秩1拟牛顿迭代法的岩体裂隙网络渗流特性研究(刘日成;蒋宇静[1,2];李博[3,1];王肖珊;徐帮树;蔚立元)
    月壤水平开挖推剪阻力影响因素离散元数值分析(蒋明镜[1,2];奚邦禄[1,2];申志福[1,2];戴永生[1,2])
    基于FDEM-Flow研究地应力对水力压裂的影响(严成增[1,2,3];郑宏;孙冠华;葛修润)
    人工裂缝逼近条件下天然裂缝破坏特征分析(仲冠宇;王瑞和;周卫东;杨焕强)
    基于自适应松弛Picard法的高效非饱和渗流有限元分析(李文涛;马田田;韦昌富)
    裂隙岩体渗流-传热耦合的复合单元模型(薛娈鸾[1,2])
    基于端锚黏结式锚杆静、动载试验的非均匀受力锚杆单元(张向东;王帅;赵阳豪;孙小彬)
    两种强度准则在Cosserat扩展模型弯曲变形中的应用(张建成;贾金青;涂兵雄;何慧荣)
    [测试技术]
    岩石声波-声发射一体化测试装置的研制与应用(李浩然[1,2];杨春和[2,3];陈锋;马洪岭;巫尚蔚)
    深地下工程模型试验加卸载装置的研制(李浪;王明洋;范鹏贤;程怡豪;李治中;蒋海明)
    《岩土力学》征稿简则
    《岩土力学》封面

    主管单位:中国科学院图书出版委员会

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    主  编:白世伟

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