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岩土力学 2016年第10期杂志 文档列表

岩土力学杂志基础理论与实验研究

高静载条件下受频繁动力扰动时蛇纹岩动力学特性研究2737-2745

摘要：基于改进的分离式霍普金森压杆（SHPB）岩石动静组合加载试验系统,进行了在不同静力轴压条件下受频繁动力扰动作用的动力学试验,研究蛇纹岩在高静载下受频繁冲击扰动过程中的动态变形特性、动态峰值应力和应变、能量变化规律和岩石破坏模式等动力学特性。研究结果表明：高静载条件下受频繁冲击扰动作用时,在动态峰值应力前,动态应力与应变呈正相关关系,而在动态峰值应力后,出现变形回弹和不回弹两种现象;随着动力扰动次数的增加,岩石动态峰值应力减小、动态峰值应变增大、动态变形模量减小、岩石由释放能量向吸收能量方向转化;随着预加静力轴压的增大,单次冲击过程中岩石损伤加剧,岩石破坏需要的扰动冲击次数减少,同时岩石由拉伸破坏模式向压剪破坏模式转变,破坏块度由小变大、均匀度降低。试验结果对揭示深部岩体承受高地应力和频繁开挖爆破等动力扰动作用下的破坏机制具有重要意义,同时为工程实际中通过调整围岩静应力状态和爆破以提高围岩长期稳定性的可行性提供了室内试验支持。

带分舱板海上风电筒型基础承载特性试验研究2746-2752

摘要：为正确评估分舱对于海上风电筒型基础承载特性的影响,对有、无分舱板的相同钢筒进行室内模型对比试验,分别得出在水平荷载及弯矩共同作用下和竖直荷载作用下的荷载-位移曲线,及筒内外侧壁土压力及顶盖土压力的分布规律,同时进行有限元分析模拟。试验和计算结果表明：在竖向荷载作用下,分舱板使基础的极限承载力略有提高,分舱板分担了筒顶盖和筒壁的竖向承载,降低了顶盖的承载比例;在水平荷载和弯矩共同作用下,分舱板为筒型基础提供了较大的抗拔承载力,使筒型基础在水平和弯矩荷载作用下的极限承载力提高了20.2%,降低了极限状态下的水平位移和倾角。总之,分舱板不但可以提高海上风电基础施工浮运过程的稳定性,还可以提高基础运行时的极限承载力。

基于微观力学特性的脆性岩石变形过程模拟2753-2760

摘要：为了建立能够描述岩石宏观变形及其组成部分的变形模拟方法,考虑微缺陷的不均匀性对岩石宏观变形产生的影响,将岩石视为由空隙部分材料和骨架部分材料两部分组成。首先,基于岩石各组成部分材料变形分析,利用真应变描述方法及非线性变形的特点建立空隙部分材料的变形力学分析方法,同时,引入统计损伤以及固体力学理论建立骨架部分材料的变形力学分析方法。然后,通过岩石及其组成部分的变形力学分析建立岩石宏观变形力学分析方法,从而获得能够模拟岩石变形破坏全过程的统计损伤本构模型,并给出了模型参数的确定方法。最后,将文中模型与既有模型的理论曲线与试验曲线进行了对比分析,且基于文中模型对岩石及其组成部分变形进行了讨论。研究结果表明：文中模型不仅能反映既有模型所描述的主要变形特征,还能克服其难以较好地反映初期宏观变形非线性的不足;同时,该模型还能描述岩石组成部分的变形过程,不仅揭示了岩石宏观变形与其组成部分变形之间的关系,也揭示了空隙部分材料变形是引起岩石宏观变形非线性的根本原因。表明本文模型与方法具有一定的合理性与优越性。

脆性岩石三轴压缩渐裂过程中的渗透性演化规律研究2761-2768

摘要：岩石渐进破坏伴随着裂纹的开展发育,岩石的渗透性演化与裂纹的开展规律有着密切的联系。运用三轴渗流伺服装置对凝灰岩进行了不同围压和渗压下的渗流-应力耦合试验,分析了岩石在渐裂过程中不同裂纹开展阶段渗透率的演化规律。结果表明：在裂纹的稳定扩展阶段,渗透率的变化不明显,起裂强度对应的渗透率可用于确定最小渗透率;进入裂纹非稳定扩展阶段后,渗透率出现明显增大,增大过程可以分为两个阶段,裂纹环向应变能较好地反映渗透率增大的两个阶段,其拐点可用于确定起始渗透率的位置;在峰后软化阶段,渗透率出现下降并进入残余稳定阶段,裂纹环向应变率可以反映渗透率的下降阶段,并可用于确定峰值渗透率的位置。

基于复数傅里叶分析的岩土颗粒细观特征识别与随机重构方法2780-2786

摘要：岩土细观特征的识别与分析是岩土力学研究的重要内容。基于傅里叶变换原理,将任意岩土颗粒的二维轮廓变换为傅里叶描述符与相位进行分析,建立了基于复数傅里叶分析的细观特征表征与重构方法。通过两组不同颗粒的傅里叶细观特征统计,研究了不同阶傅里叶描述符与细观特征参量的对应关系。结果表明：-12-0及16-20阶对应的傅里叶描述符决定颗粒的形状;-23-11及1-15阶对应的傅里叶描述符与颗粒粗糙度密切联系;傅里叶描述符曲线峰值与颗粒的粒径显著线性相关;高阶傅里叶系数与阶数近似呈对数线性关系,低阶系数则由不同颗粒形状决定。采用建立的傅里叶描述符对应关系进行颗粒相似重构研究,发现重构颗粒的外轮廓及傅里叶统计参量与实际颗粒十分接近,且反映颗粒的粗糙度、纹理等细部特征,其成果可用于大量岩土颗粒与力学特性的相关性研究。

基于非对称双侧破坏模式的临坡地基承载力上限分析2787-2794

摘要：临坡地基已成为一种广泛的地基形式。针对临坡条形基础地基破坏模式的非对称性特点,首先引进双侧破坏模式的研究思路,重点考虑临坡地基基础两侧滑块大小和同一滑块几何形状的双重非对称性特征,构建了临坡条形基础地基非对称双侧破坏模式,为临坡地基承载力分析奠定了坚实基础;然后在此基础上,引进极限上限分析和优化理论,建立了临坡条形基础地基承载力分析的模型与方法,该方法不仅可考虑地基破坏模式,还可考虑基础与坡顶距离对临坡地基承载力的影响,而且还可较好地蜕化为平地地基承载力的分析;最后通过工程实例计算,并与现有相关分析方法进行对比分析,表明该方法的可行性与合理性以及普遍适用性。

K_0及三轴应力状态下压实膨胀土膨胀模型研究2795-2802

摘要：以不同初始压实状态下的南阳中膨胀土为对象,在常规固结仪上开展侧限膨胀试验及采用GDS三轴仪进行恒定偏差应力的三轴膨胀试验,通过多元非线性拟合分析,分别获得考虑初始压实度、含水率、上覆压力耦合关联影响的K0膨胀模型以及体积膨胀率与球应力（体积应力）关系的三轴膨胀经验模型。基于K0膨胀模型,提出了压实土膨胀潜势能的定量计算公式,并推导出膨胀土边坡处理层厚度的理论计算方法。基于膨胀体积应变只随球应力变化而不受偏差应力影响的假设条件,分析了同一起始条件下,膨胀土K0模型与三轴膨胀模型的内在关联,并建立了通过K0模型推算三轴应力条件下体积膨胀率的理论方法。试验结果表明：采用多因素耦合的K0膨胀模型预测压实土膨胀势具有较好的准确度及合理性;联系K0模型与三轴膨胀模型的纽带在于假设侧限膨胀全程存在一个平均静止侧压力系数,采用反演方法得到平均侧压力系数呈现随上覆压力增大而减小的趋势,这种变化规律的根本原因则在于侧向膨胀力随上覆压力的增大而减小。

花岗岩张拉和压剪裂隙渗透率演化研究2803-2809

摘要：地下工程开挖造成围岩破坏,其破坏方式可归纳分析为两类：张拉型破坏和压剪型破坏,这两种破坏导致的裂隙面的细观形态并不相同,这种不同的细观形态导致张拉和压剪型裂隙的渗透率表现出不同的演化规律。为此,对花岗岩进行了不同围压下三轴压缩试验,产生张拉和压剪型裂隙,进行含裂隙岩样在静水压力加载条件下渗透系数试验。试验表明,相比于含压剪裂隙试样,含张拉裂隙试样的渗透率对静水压力更敏感。进而,分别对不同围压条件下的三轴压缩试验获得的张拉和压剪裂隙面进行扫描电镜试验,获得张拉和压剪裂隙面的细观形态,花岗岩单轴压缩试验所产生的裂隙面表现为典型的张拉型裂隙,破裂面比较光滑;随着围压的不断增大,破裂面的细观形态发生明显的变化,从破裂面上可以明显地观察到逐渐增多的压剪型裂隙,破裂面比较粗糙。在静水压力的作用下,张拉裂隙较快闭合;而压剪裂隙的锯齿能够一定程度上阻止裂隙的闭合。张拉和压剪裂隙面的不同细观结构决定了含张拉和压剪裂隙岩样的不同渗透率演化规律。研究结果对于地下工程分析中确定围岩的渗透率具有一定的意义。

基于传递矩阵法的层状土中管桩水平动力阻抗分析2810-2816

摘要：在考虑土体分层特性的基础上,分别建立了管桩桩周土体和桩芯土体的水平振动控制方程。通过引入势函数并考虑桩周土和桩芯土径向位移和环向位移的边界条件及其奇偶性,求得了管桩-土动力相互作用的刚度系数和阻尼系数。将土体模拟为连续分布的弹簧-阻尼器,并考虑桩芯土和桩周土的作用,建立了层状土中管桩的水平振动方程。借助初参数法和传递矩阵法求解了管桩的水平振动,得到了管桩桩顶的水平动力阻抗。通过数值分析,得到了土层剪切模量、管桩壁厚、桩周土和桩芯土剪切模量比、土层厚度等对管桩桩顶动力阻抗的影响规律。土层剪切模量、管桩壁厚、桩周土和桩芯土剪切模量比对层状土中管桩水平振动的影响主要在低频处,土层厚度在较宽的频率范围内对管桩水平振动有影响;管桩壁越厚,桩周土的剪切模量越大时,管桩水平动力阻抗的绝对值越大。

岩体裂隙网络非线性渗流特性研究2817-2824

摘要：基于人工交叉裂隙模型,通过室内透水试验,利用电荷耦合元件（CCD）照相机可视化技术,对流体在裂隙交叉点内的非线性流动特性进行研究。建立两种离散裂隙网络（DFN）模型,考虑两种边界条件,改变模型进口和出口之间的压力,直接求解Navier-Stokes（简称N-S）方程,对DFN的非线性渗流特性进行研究。结果表明,室内试验可以观测到与出口3相连的裂隙单元内发生了明显的非线性流动,且通过模型的流量Q和模型两端的压力P具有非线性关系。数值计算结果也表明,在水力梯度J较大时（比如J〉0.1）,通过DFN的Q和P具有非线性关系,而当J较小时（比如J〈10-4）,Q与P线性相关;根据文中的算例,建议利用局部立方定律求解DFN内每条裂隙的渗流特性的临界条件为J≤10-4;裂隙表面粗糙会造成通过DFN渗流量的降低,但对相对流量误差的影响可忽略不计。

软土狭长深基坑抗隆起破坏模式试验研究2825-2832

摘要：针对软土地区基坑底土层为饱和软黏土的情况,设计了狭长深基坑的抗隆起离心模型试验,分析不同开挖深度和水位条件下的基坑围护墙弯矩、土压力分布、水平位移以及基坑隆起稳定破坏机制。基于离心模型试验的基本参数和工况,建立了有限元数值模型,分析试验工况基坑的抗隆起稳定性与破坏状态,并进行对比验证。试验结果表明：随着开挖深度和坑外水位的增加,坑底软土层产生向上的隆起变形,当隆起变形较大时,围护墙由于坑内土体侧向约束的减弱,底部产生较大的向坑内的水平位移,同时导致支撑轴力增大,基坑最终表现出围护墙绕某道支撑点向坑内的转动踢脚破坏。数值计算结果表明：随着坑外水位的升高,基坑抗隆起稳定性安全系数逐渐减小,当发生抗隆起稳定破坏时,基坑底产生较大的隆起位移,破坏机制与离心模型试验结果相同。

基于突变理论的单根锚杆脱黏分析2833-2838

摘要：针对工程中单根预应力锚杆的脱黏失效问题,基于突变理论提出一种研究的新思路。在建立简化力学模型的基础上,推导出锚固界面的非线性剪切滑移模型;视预应力锚杆为弹性体,根据弹性理论得出锚杆的总势能;引入突变理论,将锚杆势函数化简为尖点突变模型的标准形式,构建锚杆失效的临界判据,并进行脱黏分析。结果表明：所建非线性剪切滑移模型可以合理考虑锚固界面的软化特性;拉拔荷载作用下,锚杆杆体与周围注浆体的界面剪应力分布逐渐演化为单峰曲线,直至极限状态下整个锚固界面发生软化破坏;推导出的临界松动位移理论公式简单实用,可为研究单根预应力锚杆的脱黏失效提供参考。通过对工程算例进行验算分析,证明所提方法是合理可行的。

温度梯度作用下非饱和土水分迁移研究2839-2844

摘要：为了探明非饱和土中的水分在温度梯度作用下的迁移规律,开展了非饱和土在不同温度梯度作用下的气态水迁移试验和混合态水迁移试验。试验结果表明土样内部的温度场在24 h内均能达到稳态且稳定后的温度场沿土样长度方向线性变化。气态水迁移量和液态水迁移量均随着温度梯度的增加而增加,气态水迁移量的增幅显著大于液态水迁移量的增幅。在气态水迁移中,温度效应随着土样初始含水率的增加而显著增加;在液态水迁移中,温度效应与土样初始含水率的关系不大。最后建立了非饱和土在不同温度梯度作用下,当其水分场接近稳态时,土样内部含水率梯度的表达式,该表达式包含温度梯度和初始含水率两个影响因素。

黏土颗粒间液桥从形成至断裂时毛细力的演化规律2845-2850

摘要：通过土颗粒间形如液桥的水分毛细力认识和解释非饱和土的持水特性日趋为土力学界所关注。为研究黏土颗粒间液桥毛细力的演化规律,将黏土颗粒其简化为一对平行的片状颗粒,不考虑黏土颗粒表面的粗糙度。以Young-Laplace方程为基础,推得表征黏土颗粒间液桥毛细力关于固-液接触角和液桥体积的无量纲表达式;再令该无量纲表达式为0,绘制出固-液接触角与无量纲液桥体积的关系曲线,将1/3〈vLB〈1范围划分为液桥的断裂区、形成区和消失区，这种分区方法对描述黏土样在毛细阶段和吸附阶段的持水特性至关重要。最后，分析了液桥形成时毛细力与液桥体积和固一液接触角的关系，结果表明：当固一液接触角一定时，液桥的毛细力随其体积增大呈递增趋势，而当液桥体积一定时，其毛细力随固一液接触角增大呈先增后减的趋势。

断层破碎带隧道突水突泥灾变演化模型试验研究2851-2860

摘要：为研究断层破碎带隧道开挖扰动作用下突水、突泥灾变演化过程,建立了三维地质模型试验系统,以江西永莲隧道F2断层突水、突泥灾害为例,通过大量的材料配比及物理力学性能参数测试,研制出适用于流-固耦合模型试验的新型断层及正常围岩相似材料,对隧道突水、突泥灾害进行研究。试验结果有效地揭示了无支护条件下断层破碎带隧道的洞周位移、渗流压力、应力-应变以及突出物质量等特征参数对时效性的响应规律。随着时间的增长,渗流压力整体呈上升趋势,越靠近开挖面其波动范围及幅度越大;突出物质量在发生突水、突泥灾害前出现短时减小后迅速增加;洞周围岩拱顶以竖向位移为主,而拱腰以水平位移为主;在相同相应力状态下,拱腰位置应变比拱顶位置大。将试验灾变特征与现场实际演化过程进行对比分析,两者结果较为吻合。该系统可广泛应用于其他地下工程的模型试验研究,其研究方法及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。

水-动力耦合作用下红砂岩力学性质及能量机制研究2861-2868

摘要：以干燥试样为对照,对自然、吸水和饱水3类含水试样进行单轴冲击试验,分析水-动力耦合作用下红砂岩试样的动态强度与变形特征以及损伤破坏前后的能量演化机制。试验结果表明：试样的动态抗压强度和峰值应变受含水率和冲击荷载影响较大,而峰值模量主要受含水率影响较为明显,这是由于红砂岩在水弱化作用下颗粒结构疏松膨胀、胶结强度减弱,加之在中高应变率下孔隙水所具有的细观力学效应,致使试样表现出低强度和高应变,而冲击荷载带来的应变率效应则使试样强度增强,塑性变形受到抑制;试样峰值点前吸收的总应变能U多以可释放弹性能Ue存储起来,耗散能Ud占比较小,各部分应变能随着脉冲强度的升高而增加,但随着含水率的变化趋势则不尽相同;不同脉冲强度下的脆性指标修正值BIM（Ud与Ue的比值）显示红砂岩试样的含水率以及冲击荷载的脉冲强度均存在一个阀值,使其塑性变形在水-动力耦合作用下的响应截然不同,而引入的有效冲击能指标K_（eff）显示应变率效应对干燥试样和自然试样的冲击倾向性具有显著影响,对于含水率较高的吸水试样,水弱化作用降低了应变率效应,达到饱水状态时,因为饱和液体对应变率效应的促进作用,饱水试样的应变率效应得到强化。

传递函数在场地振动台模型试验中的应用研究2869-2876

摘要：利用场地大型振动台试验,基于传递函数理论,计算得到场地的相对传递函数和绝对传递函数,并对两类传递函数特征以及利用两类传递函数计算场地动力特性参数的差异性进行了对比,并对采用传递函数进行场地频域动力响应估算的可行性和准确性进行了分析。研究结果表明：相对传递函数和绝对传递函数的虚部重合,采用两种传递函数虚部计算场地动力参数具有等同性,且采用两种传递函数虚部曲线计算得到的动力特性参数较为准确;固有频率的计算适合采用两种传递函数的虚部或是相对传递函数的模;场地阻尼比的计算宜采用两种传递函数的虚部或绝对传递函数的模;利用两种传递函数实部、虚部或模计算得到的场地加速度振型是一致的;利用传递函数估算场地频域动力响应是可行的,且相对传递函数的估算结果更加准确。该研究对传递函数在场地动力特性参数计算及场地频域响应估算方面进行了有益的尝试。

砂土中桩土侧向相互作用的应变楔模型修正2877-2884

摘要：提出了砂土中水平受荷单桩的修正应变楔方法。从3个方面对应变楔模型进行了修正,首先假设三维被动土楔后桩身的水平位移呈非线性变化,从而使得楔形体内的水平应变不再是一常量,而是沿深度变化。其次引入了两个双曲线型的模型分别用以模拟楔形体中土体的水平应力增量-应变关系和桩-土界面处桩侧剪应力-位移关系。然后通过算例验证了修正方法的有效性,模拟结果与实测结果吻合较好。最后分析了各个修正因素对计算结果影响,结果显示,非线性位移假设的引入对原应变楔模型计算的水平承载力偏高有明显地改善,新的水平应力增量-应变关系和桩侧剪应力-位移关系的引入使得应变楔方法更加简便有效。