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岩土力学 2016年第11期杂志 文档列表

岩土力学杂志基础理论与实验研究

颗粒体双轴加载双向流动力链演化光弹试验研究3041-3047

摘要：颗粒集合体在外力作用下,颗粒间产生复杂的接触力链效应。为了揭示和描述颗粒集合体力链形成、发展过程以及力链分布形态,基于光弹材料受力产生光学条纹图像的原理,研发出能够使颗粒实现双轴加载和双向流动的颗粒光弹试验装置。通过不同工况条件下的颗粒流动光弹试验,初步反映出颗粒集合体流动产生力链的发育过程和分布形态,即经过颗粒集合体的流动其流动口上部会形成一个拱结构,其可以对上部颗粒体进行支撑以保持上部结构的稳定。为研究不同背景条件下颗粒流力链结构和颗粒集合体细观力学行为,特别是颗粒双向可流动性设计为实际工程应用提供了基础试验方法。

竖向荷载作用下斜桩荷载传递性状试验研究3048-3056

摘要：通过模型试验研究了竖向荷载作用下砂土中斜桩的荷载传递性状,分析了桩身倾角及长径比对斜桩桩身轴力、弯矩、剪力、桩侧摩阻力及端阻比的影响。试验结果表明：在桩顶竖向荷载作用下,斜桩桩身轴力均小于相应直桩桩身轴力,桩身倾角越大,轴力沿深度衰减得越快,桩长径比越大,轴力沿深度衰减得也越快;斜桩桩身最大弯矩随桩身倾角及长径比的增加而增加,最大弯矩出现的深度与桩身倾角无关,只与长径比相关;不论桩身倾角及长径比的大小,斜桩桩身最大剪力均出现在桩顶截面处,桩身最大剪力随着桩身倾角的增加而增大;桩身倾角越大,斜桩最大摩阻力越大,长径比越大,斜桩最大摩阻力越小,斜桩最大摩阻力出现在桩顶下1/4～1/5桩长处;斜桩端阻比随着桩顶竖向荷载的增加而增大,随着桩身倾角及长径比的增加而减小。

活性MgO碳化固化土的抗硫酸盐侵蚀性研究3057-3064

摘要：既有研究表明,活性MgO固化土经CO2碳化几小时后其强度能达到甚至超过28 d的水泥固化土强度,碳化反应生成镁的碳酸化合物能有效降低固化土的含水率和孔隙率,提高土颗粒胶结能力。通过室内试验进一步研究碳化固化土的抗硫酸盐侵蚀特性。采用硫酸钠溶液、硫酸镁溶液浸泡碳化固化土,对浸泡不同龄期后的碳化固化土进行无侧限抗压强度试验和微观测试（XRD,SEM和MIP）,并与硫酸盐侵蚀后的水泥固化土进行试验对比。结果表明：活性MgO固化粉土碳化3 h,试样的无侧限抗压强度可达5MPa左右,经硫酸盐溶液浸泡28d后其强度基本保持不变,试样质量变化也不大;而水泥土试样的早期强度（7d）则有一定增长,随龄期增长,强度大大降低,质量则明显增长。通过对硫酸盐侵蚀前后的碳化土的微观机制分析,发现活性MgO碳化固化土中的镁碳酸化合物的化学成分并未发生明显变化,孔隙结构也未明显改变,从而保证其强度稳定。因此,活性MgO固化粉土碳化后具有比水泥固化土更强的抗硫酸盐侵蚀能力。

新型防沉板基础的地基承载力研究3065-3071

摘要：防沉板是水下生产系统中井口、管汇节点、脐带缆等的支撑结构,服役期间需承受V-H荷载空间的强耦合非线性荷载。提出了新型倾斜式裙板防沉板基础型式,倾斜式裙板不仅可以减少海流冲刷对基础下部土体的掏空冲蚀,还可通过调整裙板倾斜角度α适应不同工程对承载力的要求,结合工程设计实例研究了新型防沉板的地基承载性能。结果表明,该新型防沉板基础单向极限承载力随土体强度不均匀性指标А的增加呈线性增长,基础与土体接触面属性对水平向承载力的影响远大于对竖向承载力的影响;防沉板基础V-H荷载空间归一化包络线对土体强度不均匀性指标А在0～10范围内具有普适性,在归一化竖向荷载介于0.5-0.8时Hanson公式高估了防沉板基础的承载力。

吹填场区双层软黏土地基超载比与卸载控制试验研究3072-3078

摘要：对于围海造陆工程所开展的超载预压处理方法,地基处理效果通常采用后续变形大小来评价,其大小与超载比和卸载控制时间密切相关。针对天津滨海地区围海造陆工程所形成的典型的上软、下硬的双层软黏土地基,采用改装的固结仪进行了多种超载比和卸载控制时间的试验研究,提出了适宜的超载比和最佳超载作用时间。试验表明：双层软黏土地基超载比大于0.375,超载作用时间超过主固结时间时,超载卸除后地基变形以回弹变形为主,后续的工后沉降将明显减小,减小幅度可高达70%以上;超载卸除后的土体次固结系数明显减小,减小的幅度随超载比的增大、超载作用时间的增加而减小;不同于均质地基和上硬下软的双层地基,上软、下硬双层地基的工后沉降以上部软土层沉降为主,约占总沉降量的73%以上。根据不同超载比和超载作用时间下土体的变形时程曲线,建议适宜天津滨海地区围海造陆工程软黏土地基的超载比控制在0.5以下,超载作用时间控制在1～3倍的主固结时间内。

基于裂纹体应变的深埋大理岩加、卸荷破坏机制研究3079-3088

摘要：为了弄清深埋硬岩的加、卸荷破坏机制,系统开展了深埋大理岩的常规三轴试验、保持σ1不变的卸围压试验和变σ1的卸围压试验等。以裂纹体应变为主要分析变量,结合体应变、等效塑性应变等参量深入分析上述不同应力路径下硬岩的破坏过程。运用裂纹体应变-轴向应变曲线、等效塑性应变-轴向应变曲线和轴向应力-应变曲线来解释岩石破坏过程所产生的现象与规律。结果表明：在裂纹闭合阶段岩样裂纹闭合的变化程度（裂纹体应变改变的大小）可以反映岩石的初始损伤程度;裂纹闭合阶段对岩石弹性模量的计算有重要的影响,需要根据合适的阶段划分,消除裂纹闭合阶段对弹性模量计算的影响,进而得到较为准确的弹性模量;在卸围压点处岩石的可闭合程度突然增加,裂纹体应变-轴向应变曲线发生突变;岩石卸荷破坏过程中裂纹扩展存在滞后性。研究成果有助于进一步理解深埋硬岩的加、卸荷破坏过程和机制,为深埋隧洞的灾害防治提供理论依据。

轴平移技术在基质吸力测控中的局限性和误差分析3089-3095

摘要：为了揭示非饱和土在自然环境和轴平移环境两种条件下,基质吸力测试数据存在差异的原因,分别研究了表面张力系数和难充水微孔隙在相同吸力作用下对含水率的影响。一方面,表面张力系数随压力的增大而小幅减小,同一基质吸力条件下采用轴平移技术时对应的含水率较自然状态有偏小的趋势;另一方面,由于一端封闭微孔隙的存在,较高的孔隙气压力必然促使土中水进入部分难充水微孔隙,从而同一基质吸力条件下轴平移技术对应的含水率较自然状态又有升高的趋势。因此,在特定基质吸力条件下,轴平移方法得到的含水率较自然状态偏大还是偏小取决于上述两方面的综合效应。毛细上升试验和针对一端封闭微孔隙模型的研究表明,一端封闭微孔隙的存在对土-水特征曲线的影响远远大于表面张力系数变化的影响。针对石英砂、砂土和黏土的两种SWCC测试结果表明,随土颗粒逐渐变细,轴平移技术对SWCC的影响越来越大。从而进一步印证,张力计法和轴平移方法在测试黏土土-水特征曲线方面存在差异的原因在于一端封闭微孔隙的存在。

掺砾黏土拉伸断裂细观特性研究3096-3104

摘要：掺砾黏土在高心墙堆石坝工程中的应用越来越广泛,其拉伸断裂特性对心墙的安全至关重要。将掺砾黏土视作四相复合材料,基于图像处理和随机投放建立了考虑真实砾石形态的细观数值模型,结合物理试验的结果验证了其有效性,并分析了掺砾黏土拉伸断裂的宏细观特性。应力位移曲线的宏观非线性是细观非均质性的体现,砾石的掺入大幅减低了抗拉强度,但提高了峰后抗拉性能;土石界面是微裂缝发展的源头,拉伸断裂是一个微裂缝萌生、扩展以至汇集形成宏观裂缝的过程;拉伸断裂发生在一个区域,即断裂过程区,该区域的形成与砾石的随机分布有关。最后,采用数值试验分析了随机砾石投放和掺砾量对掺砾黏土宏细观力学行为的影响。

复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性研究3105-3114

摘要：饱水作用对砂岩变形及强度特征影响显著,考虑岩体实际赋存环境,为了解复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性,利用RMT-150C岩石力学多功能试验机及SEM电镜扫描技术,对饱水砂岩进行循环荷载作用后卸荷破坏试验,研究不同影响因素作用下的疲劳损伤特征,重点分析了加载频率、上限应力等因素对卸荷变形、强度及细观损伤特征的影响规律。研究表明,根据试验设计方案获得的饱水砂岩应力-应变曲线大致可以划分为5个典型阶段,其中,同一应力状态下,疲劳损伤阶段轴向不可逆应变在等速变形阶段的应变速率随加载频率的增大迅速增加,这表明上限应力的＂门槛值＂极有可能是变化的,且与加载频率及循环次数密切相关;同时,卸围压变形破坏阶段的总应变及围压卸荷量均随加载频率（或上限应力）的增大而减小,与该阶段持续时间随加载频率（或上限应力）的变化规律一致。不仅如此,通过分析饱水砂岩破坏面细观损伤特征发现,加载频率与上限应力作用下的细观损伤特征差异显著,其中破坏面微裂隙面积占比随加载频率增大而减小,上限应力则恰好相反。

非饱和重塑砂土动力特性循环单剪试验研究3115-3122

摘要：利用英国WFI生产的WF25735循环单剪试验系统,完成了一系列不同含水率重塑砂土在不同剪应变条件下的循环剪切试验,分析了不同剪应变条件下含水率的变化对非饱和砂土动力特性的影响规律。试验结果表明：动剪模量Gd/G（dmax-γ）归一化数值,在大应变下存在一个临界含水率11.2%,低于临界含水率时,Gd/G（dmax）随含水率的增大而增大,高于临界含水率时,随着含水率的增大,Gd/G（dmax）逐渐减小。骨架曲线存在一个相同的临界含水率,当低于该临界含水率时,随着含水率的增大,骨架曲线呈缓慢增大趋势,在含水率为11.2%处达到峰值;当高于该临界含水率时,随着含水率的增大,骨架曲线下降比较剧烈,且出现软化现象,从骨架曲线可以进一步解释Gd/G（dmax-γ）散点图的变化趋势。对阻尼比D/D（max-γ）进行归一化数值,在较大正应力下,D/D（max）随着剪应变的增大而增大。非饱和砂土的滞回耗能随着剪应变的增大而增大;随着含水率的增大,存在一个临界含水率,滞回耗能曲线呈现先增大后下降的趋势,且临界含水率随着正应力的增大出现了偏移。

页岩气藏缝网压裂裂缝间距优化研究3123-3129

摘要：页岩气藏一般具有低孔隙、低渗透等特征,对其实施缝网压裂是高效开发页岩气的最佳途径。采用位移不连续法建立线弹性二维均质地层诱导应力场分布数学模型,通过水平应力差异系数对顺序压裂和交替压裂的裂缝间距进行优化研究。结果表明,水平应力差异系数受到裂缝净压力、裂缝缝长、原地应力场等因素的影响;裂缝净压力越大、缝长越长,水平应力差异系数越小;随着与裂缝距离的增加,水平应力差异系数呈现先减小后增加的趋势,因此,存在后续裂缝形成复杂网络的最佳裂缝间距;顺序压裂裂缝间距不宜过大,且后续压裂裂缝间距应适当减小;交替压裂裂缝间距最优时,缝间水平应力差异系数最小,对中间裂缝形成缝网最有利。

含有硬包裹体分布的非均质岩石水力压裂特性研究3130-3136

摘要：基于完全流-固耦合的弹塑性理论给出了水力压裂数值计算的弥散裂缝模型,其中材料的弹性部分采用线弹性本构关系,塑性部分采用摩尔-库仑破坏准则及强化准则。依据当前的有效应力状态修正渗透系数来模拟压裂液在裂缝中的流动。渗透系数的修改使用双曲正切函数,并采用平均有效应力作为水力裂缝的起裂判据。在ABAQUS软件中通过用户自定义程序添加了该模型。根据岩石的切面照片建立了含有硬包裹体分布的非均质岩石的有限元计算模型,模拟了中心点注水条件下的水力压裂传播过程,讨论了在常应力状态下非均质岩石中开裂区域、典型位置的应力路径变化和裂缝传播范围随时间变化的特点。进行了多种条件下含有硬包裹体分布的岩石材料的数值试验,得出了基岩材料的弹性模量、凝聚力和渗透系数以及注水速率对峰值注水压力、平均注水压力和裂缝开度的影响规律。

岩石分数阶体积变形模型及其试验研究3137-3144

摘要：为了可以合理地描述岩石的体积变形行为,从分数阶微积分出发,基于分数阶常黏性和变黏性系数Abel黏壶元件,提出了环向-轴向应变分数阶黏壶,构建了岩石在单三轴压缩,松弛及蠕变条件下的分数阶体积应变-轴向应变关系,得到了模型的解析解,新模型可为求解岩石的体积应变提供一种新方法。在完整砂岩、泥岩试样及单裂隙砂岩试样的单三轴压缩、松弛及裂隙花岗岩蠕变试验数据的基础上,通过拟合分析确定了分数阶导数体积-轴向应变关系模型的参数,并进行了参数敏感性分析,揭示了围压、单裂隙倾角、微分阶数及模型参数对体积应变的影响规律。结果表明,利用该黏壶构建的体积-轴向应变关系模型,不仅可以更好地描述岩石体积变形的剪缩、剪胀特性,还能够反映岩石的松弛及蠕变变形特性。

稀疏不规则裂隙岩体模型三维水流-传热对温度和应力影响的试验研究3145-3155

摘要：选取高放射核废物处置库重要预选场区甘肃北山地区的花岗岩,制作750 mm（宽）×300 mm（厚）×1 000 mm（高）的稀疏不规则裂隙岩体模型,该模型由18块花岗岩和竖向与斜向各两条裂隙组成,在裂隙及岩石内部埋置温度传感器、水压计、直角应变花,并在模型一侧设置局部热源,研究热源温度和裂隙水流速对岩石温度和应力的影响。结果表明,竖裂隙水主要从顶部进水口流向底部出水口,斜裂隙水主要从侧部进水口流向侧部出水口,竖裂隙与斜裂隙在交汇处存在微小流量交换;由于热源处在两条斜裂隙进水口之间,并且斜裂隙长度小于竖裂隙,岩石热传导与斜裂隙水流对岩石温度分布起控制作用,竖裂隙水流对岩石横向热传导起阻滞作用;由于热传导和水流传热的不规则性,上层岩石形成从左向右为主的传热路径,中层和下层岩石形成从上向下为主的传热路径;由于上、下层岩石温度梯度较小,岩石收缩受热拉应力,而中层岩石温度梯度较大,岩石膨胀受热压应力,大主应力的方向大致垂直于斜裂隙面与竖裂隙面的交线,岩石应力增量随斜平面方向的温度梯度增大而增大;热源温度越高,裂隙水流速越低,岩石温度越高、岩石应力越大,系统达到稳态需要的时间越长。

强降雨条件下基岩型层状边坡入渗模型及稳定性研究3156-3164

摘要：强降雨作用下基岩型层状边坡易发生失稳破坏,给人们生命财产造成重大损失。为探索基岩型层状边坡的降雨入渗过程,以Green-Ampt入渗模型为基础,考虑了边坡几何特征及饱和带渗流作用,得到了边坡不同入渗阶段入渗率和湿润峰深度的计算式,建立了适用于基岩型层状边坡的降雨入渗计算模型;在分析基岩型层状边坡稳定性时,考虑了饱和带的渗流作用,联合降雨入渗模型与极限平衡法,分析了基岩面与湿润峰面稳定性的变化规律,得到了计算基岩型层状边坡安全系数的解析表达式;结果表明,该模型的计算与试验结果具有一致性。利用该计算模型与传统计算方法对张家湾滑坡进行了强度为30 mm/h的降雨入渗与稳定性分析,得到了不同计算方法下张家湾滑坡湿润峰深度及安全系数随降雨历时增加而发生的变化规律,结果表明该计算模型在分析基岩型层状边坡稳定性时优于传统分析方法。

等效水力隙宽和水力梯度对岩体裂隙网络非线性渗流特性的影响3165-3174

摘要：等效水力隙宽和水力梯度是影响岩体裂隙网络渗流特性的重要因素。制作裂隙网络试验模型,建立高精度渗流试验系统;求解纳维-斯托克斯方程,模拟流体在裂隙网络内的流动状态,研究等效水力隙宽和水力梯度对非线性渗流特性的影响。结果表明,当水力梯度较小时,等效渗透系数保持恒定的常数,流体流动属于达西流动区域,流量与压力具有线性关系,可采用立方定律计算流体流动;当水力梯度较大时,等效渗透系数随着水力梯度的增加而急剧减少,流体流动进入强惯性效应流动区域,流量与压力具有强烈的非线性关系,可采用Forchheimer方程计算流体流动。随着等效水力隙宽的增加,区别线性和非线性流动区域的临界水力梯度呈幂函数关系递减。当水力梯度小于临界水力梯度时,控制方程可选立方定律;当水力梯度大于临界水力梯度时,控制方程可选Forchheimer方程,其参数A和B可根据经验公式计算得到。其研究结果可为临界水力梯度的确定及流体流动控制方程的选取提供借鉴意义。

多空隙组合地质单元渗流理论分析与试验3175-3183

摘要：岩体通常是以孔隙岩石为基质并包含各种成因的裂隙和溶隙的复杂多空隙组合地质材料。为研究孔隙-裂隙-溶隙多空隙组合介质的渗流特性,在简要介绍多孔介质渗流Darcy定律、平板窄缝流Poiseuille定律和圆形管道流Darcy-Weibach理论的基础上,分析了几种孔隙-裂隙-溶隙组合情况的多空隙介质渗流特性,推导出相应组合的等效渗透系数KE,给出了描述多空隙组合介质KE的一般表达式,讨论了影响各种空隙组合KE的主要因素。以普通砖模拟岩石基质,通过砖身钻孔填充及砖间缝隙填充,试验模拟了岩溶岩体和裂隙岩体中溶孔和裂隙填充后的渗透情况。试验结果与所推求理论公式计算出的KE在同一量级且误差很小,很好地验证了所推导的多空隙组合介质渗透系数表达式的有效性。

泥石流堆积物中细颗粒含量与渗透系数关系试验研究3184-3190

摘要：泥石流拦砂坝通常建造在沟床堆积物上。泥石流堆积物的渗透性是影响坝底扬压力的关键因素。目前关于土体渗透性的研究主要集中于无黏性粗粒土,对泥石流堆积物这种宽级配土体渗透性的研究比较缺乏。选择北川县泥石流沟床堆积物作为试验材料,通过渗透试验,确定了影响宽级配土渗透性的细颗粒上限粒径;在此基础上,通过试验研究了细颗粒含量与渗透系数的关系。结果表明,泥石流堆积物中粗颗粒仅起骨架作用,细颗粒才是决定其渗透性能的关键;显著影响宽级配土渗透性的细颗粒上限粒径为0.1 mm;细颗粒（〈0.1 mm）含量与渗透系数呈负指数关系,并且当细颗粒含量超过20%以后,泥石流堆积土的渗透性趋于稳定。