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岩土力学 2018年第12期杂志 文档列表

岩土力学杂志基础理论与实验研究

岩石空心圆柱扭剪仪研制的重点问题及研究进展4295-4304

摘要：随着深部岩体工程的发展,开挖卸荷导致的应力主轴旋转问题引起了广泛关注。首先,分析总结了岩体工程中存在的应力主轴旋转问题及其对岩体工程稳定性的影响;其次,介绍了土体空心圆柱扭剪仪的发展现状及其特点,从荷载的施加方式、试样尺寸两个方面指出了研制岩石空心圆柱扭剪仪的关键问题,并与土体空心圆柱扭剪仪进行了对比,提出了新的扭矩施加技术和合理的岩石空心圆柱试样尺寸;最后,总结概括了考虑应力主轴旋转的土体本构模型的研究成果,并对考虑应力主轴旋转的岩石本构关系的研究进行了展望。该工作将对岩石空心圆柱扭剪仪的研制和相关理论的研究提供一定的参考和指导。

静压沉桩与CPTU贯入离心模型试验及机制研究4305-4312

摘要：为了探究静压沉桩与CPTU贯入力学机制,开展了饱和黏土中静压沉桩及CPTU贯入的离心模型试验,获得了静压沉桩与CPTU贯入过程中土压力、超孔压和贯入阻力的变化规律。同时,将静压桩和CPTU压入过程视为一系列球孔的连续贯入,应用圆孔扩张解答,建立了静压沉桩和CPTU贯入过程中锥头阻力、侧阻力与超孔压的预测方法。通过离心模型试验和理论预测结果的对比分析表明:随着桩体的压入,桩周土体的超孔压和土压力均逐渐增大,当桩头通过监测点时,超孔压与土压力均达到最大值;在饱和黏土中,CPTU锥头阻力、锥侧摩阻力和锥头超孔压与锥头贯入深度总体上呈线性关系。预测方法估算沉桩和CPTU贯入引起的土压力、超孔压与模型试验结果相符,较好地反映了饱和黏土中静压沉桩和CPTU贯入的力学机制。

剪切-渗流作用下煤岩剪断面形态特征试验研究4313-4324

摘要：利用自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验装置,开展了不同法向应力作用下煤岩剪切-渗流耦合试验研究,并对剪断面进行立体扫描,分析不同法向应力作用下煤岩剪断面的二维断面特征参数和三维断面特征参数。结果表明:(1)煤岩试件剪切破坏主要是塑性破坏,在恒定气压条件下,法向应力越大,煤岩的峰值剪应力越高,且煤岩的峰值剪应力与法向应力近似呈线性关系;(2)法向应力是煤岩剪断面形态特征的影响因素之一,在恒定气压条件下,其施加的法向应力越大,二维断面特征参数和三维断面特征参数基本都呈减小趋势,也即法向应力越大,煤岩剪断面的起伏度和粗糙度都越小;(3)在煤岩剪切过程中,法向应力能通过影响剪切裂纹的扩展区域进而影响煤岩试件的渗流特性和剪断面的形貌特征。

随钻跟管桩桩-土接触面作用机制大型直剪试验研究4325-4334

摘要：随钻跟管桩(DPC桩)是一种新型工程桩,其设计方法在工程实践中已得到应用。但是研究现状表明,关于DPC侧摩阻力方面仍有几个关键问题需要专门研究:多个界面导致的结构层破坏模式不清楚、注浆加固机制有待明确和侧阻力参数的精确性有待加强。针对上述问题,开展了DPC桩-土接触面作用机制和破坏模式的大型直剪试验研究。选用粉质黏性土与中密砂土作为代表桩周土,共完成了14组DPC桩-土接触面大型剪切试验,包括8组未注浆及6组注浆试验。基于试验结果,明确了破坏面位于注浆体-土体层的破坏模式;采用线性Mohr-Coulomb强度理论获得了注浆前后接触面剪切强度参数;将试验结果进行了对比,通过对比,揭示了注浆加固机制。试验成果加深了实践中DPC桩设计与施工的理解。

黏土中静压管桩土塞机制研究4335-4341

摘要：针对黏土中管桩土塞形成机制,利用耦合欧拉拉格朗日(CEL)法模拟钢管桩的大变形沉贯过程。在验证网格密度参数对数值计算精度影响的基础上,结合管桩内外土体速度场、应力场、土塞高度和增量充填比的变化分析了土塞演变和土塞形成机制,讨论了摩擦系数以及软硬土夹层对土塞形成的影响,并与离心机试验和理论计算数据验证。结果表明,管桩贯入过程土塞的演变可分为上涌期、过渡期和下滑期3个阶段。随着桩的贯入,桩端下轴线处形成连续的下凹塑性拱,当此处竖向应力增量达到7~8倍不排水抗剪强度时土塞初步形成。同时土塞效应随着桩-土间摩擦系数增大,桩径减小(壁厚相同)而增强;软硬夹层对土塞效应影响显著,上硬下软的土层易形成完全土塞,而上软下硬的土层,硬土挤入管桩不会形成土塞。

长壁首采工作面采场基本顶初次来压薄板模型的辛解算4342-4350

摘要：采场基本顶矩形薄板模型的求解直接受边界条件的影响,其理论精确解只在对边简支条件下采用半解析法得以解决,缺少统一合理的理论方法。基本顶薄板模型随工作面推进先后形成四边固支、对边简支和四边简支的边界条件,从薄板弯曲问题控制方程入手,使用基本力学量为对偶变量,构造出Hamilton体系并利用辛几何方法理性求解,给出了该类问题不同边界条件下统一的辛解析解。由本征向量辛正交的特性,求解算法稳定、收敛快速,实例验证计算正确,为顶板来压计算提供了一种新途径。

压力水作用下硬石膏岩膨胀性研究4351-4359

摘要：针对隧道工程中硬石膏围岩在压力水作用下的膨胀现象,设计加工了多功能膨胀仪。使用该仪器及MTS815岩石力学测试系统,对不同水压条件下硬石膏岩的轴向膨胀应变及侧向膨胀应力进行了测试,对压力水作用后硬石膏岩的含水状态及力学特性进行了测试。结果表明:水压越大,硬石膏岩的最大轴向膨胀应变及最大侧向膨胀应力越大,膨胀起始时间越短;随水压的增大,硬石膏岩的吸水率增大,结晶水率逐渐增大并趋于吸水率,而自由水率逐渐减小并趋于0;硬石膏岩的弹性模量和峰值强度随水压的增大而增大。这些说明水压能影响其含水状态,增强硬石膏岩的膨胀性,促进其膨胀的激活,提高其力学性能。基于试验结果,建立了压力水作用下的硬石膏岩吸水状态方程,并改进了湿度场理论体系中的膨胀本构模型。

加筋土挡墙静载模型试验及其力学性能研究4360-4368

摘要：为研究加筋土挡墙在墙顶荷载作用下土体受力和变形形态,通过改变筋材层数、筋材长度和替换加筋材料等方式对加筋土挡墙进行了4种工况的模型试验。对4种工况下的加筋土墙体内竖向土压力、墙面水平位移、墙顶竖向位移和筋材应变等进行对比研究。研究表明,挡墙上部竖向土压力增长较快且各层竖向土压力最大值由加载点下部向墙面处移动;墙顶荷载超过130 kPa时,由于不均匀沉降,第5层筋材对应墙面处有向内收缩趋势,墙面水平位移最大值大约在上三分点位置;整个加载阶段,筋材总体应变值增幅不大且远小于筋材设计应变峰值;增加挡墙内筋材层数和增加筋材长度均可提升挡墙各方面性能,但增加筋材层数提高效果要优于增加筋材长度;使用废旧轮胎代替单向格栅进行加筋可有效提高挡墙整体性能,分散超载引起的附加应力,有效减小墙面水平位移和墙顶竖向位移。

不同加载速率Ⅰ型预制裂纹花岗岩断裂特征研究4369-4376

摘要：以CCD相机配合高速相机搭建试验变形观测系统,开展不同加载速率下含I型预制裂纹花岗岩试件的三点弯试验。利用数字散斑相关方法对试验过程采集的数字散斑图像进行分析,对不同加载速率作用下含I型预制裂纹花岗岩试件裂纹扩展过程中的变形演化特征、裂纹扩展速率、裂纹尖端张开位移、裂纹张开角以及初始断裂应力强度因子进行研究,研究结果表明:(1)花岗岩试件初始裂纹扩展速率随着加载速率的增加总体呈线性增加趋势;最大扩展速率随着加载速率增加呈现先较快增加后缓慢增加的变化趋势。(2)不同加载速率作用下,花岗岩试件预制裂纹尖端张开位移均呈现非线性缓慢增长-迅速增长-线性增长的变形趋势,且线性增长阶段曲线斜率随着加载速率的增加而增大。(3)随着加载速率的增加,花岗岩试件初始裂纹张开角先逐渐减小后稳定在0.1^。~0.13^。。(4)随着加载速率的增加,花岗岩试件初始断裂应力强度因子呈指数增长。

软土地层浅埋圆形隧道非达西渗流场解析研究4377-4384

摘要：软土在低水力坡降下的渗流会偏离达西定律,即为非达西渗流模式。假设孔隙水渗透服从指数渗流模式,采用镜像法原理推导了浅埋单孔和双孔圆形隧道非达西渗流场的解析解。结合算例,对浅埋圆形隧道非达西渗流解析解与达西渗流解析解进行了对比分析与验证,并对非达西渗流指数、隧道周围土体与衬砌渗流系数比值对隧道渗流场的影响进行了讨论。结果表明:非达西渗流指数、渗流系数比值对隧道渗流量和周围土体孔压均有较大的影响;随着渗流指数逐渐增大,土体内水头损失加快,隧道周围土体孔压及渗流量逐渐减小;随着土体与衬砌渗流系数比值逐渐增大,衬砌排水能力增强,隧道渗流量逐渐增大,隧道周围土体孔压减小更大。

单侧限压缩下预制裂隙试样力学特性及板裂化机制细观研究4385-4394

摘要：岩体板裂化破坏是地下工程中一种常见的破坏现象。采用等效岩体技术,将岩体中裂隙(平行于临空面)和岩块分别用光滑节理模型及颗粒体模型表征,通过试验和计算对比,研究单侧限压缩条件下裂隙岩体强度、裂纹分布、裂纹孕育演化规律及裂隙岩体板裂化形成机制。研究表明:(1)随裂隙数量的增加,岩体单侧限抗压强度近似呈线性降低的规律。(2)单侧限压缩下裂隙岩体中产生的裂纹可划分为Ⅰ型~Ⅴ型裂纹,其中Ⅰ型、Ⅱ型(剪切)裂纹是由加载端部效应导致,Ⅲ型~Ⅴ型裂纹由岩体板裂化破坏导致。(3)单侧限压缩下岩体板裂化破坏过程中,导致无侧限边界处岩体剥落的Ⅴ型裂纹最先产生,原生裂隙进一步扩展的Ⅳ型裂纹随后产生,最后产生的是板裂化现象向岩体深部发展的Ⅲ型裂纹。(4)各类裂隙试样在单侧限压缩下的声发射数量与破裂强度均近似服从高斯函数分布关系。

水泥改良风积砂负温动力性能与流变特征研究4395-4403

摘要：为研究水泥掺量对风积砂改良效果影响及不同负温、频率下的改良风积砂动力特征,开展了单轴、动力循环加载和蠕变试验。通过单轴试验获得了不同水泥掺量的改良风积砂7、28 d单轴抗压强度,并结合冻胀量随时间变化规律确定了最优水泥掺量;通过动力循环试验测定了不同次数的滞回曲线,确定了改良风积砂动弹性模量衰减、动损伤和阻尼比的演化规律;通过流变试验确定了能够描述滞回曲线流变特征的西原模型参数,建立了屈服前后滞回曲线的演化方程,并给出了每个循环内的时间划分标准。研究发现:(1)电镜观测显示水泥在风积砂颗粒间形成絮状连接结构,增加颗粒间的黏结强度,有效抑制动力损伤发展;(2)负指数模型可以描述改良风积砂动弹性模量衰减特征,阻尼比随加载次数增加逐渐变大,最终趋于某一定值,掺入水泥可以有效控制阻尼比发展;(3)提出了考虑围压影响的改进西原模型,根据实际加载特征建立了滞回曲线的加载方程,最小二乘原理可以对流变参数进行识别。

坑中坑条件下基坑有限土体的被动土压力计算4404-4412

摘要：坑中坑在基坑工程实践中普遍存在,使得基坑底部土体成为有限土体,因此,常规的建立在半无限空间土体假定上的朗肯土压力理论对于坑中坑条件下的基坑不再适用。基于极限平衡理论和平面滑裂面假定,考虑土体黏聚力和滑动土体不同的形状,推导了4种情况下被动土压力的计算公式,并给出了滑裂面剪切破坏角的数学表达式。通过算例,计算了不同内坑位置条件下被动土压力的大小和变化趋势。结果表明,滑裂面剪切破坏角是与土体内摩擦角、黏聚力、计算深度、内坑大小及位置有关的变量,内坑的存在将降低围护结构上的被动土压力,且存在一个内坑影响最不利位置,此时的被动土压力值最小。成果为基坑围护设计中被动土压力的计算提供了理论基础。

气泡混合轻质土试样制备研究4413-4420

摘要：由于气泡消泡的缘故,室内制备和现场浇筑气泡混合轻质土时存在塌陷问题。为分析和解决该问题,以砂土为原料土,开展了不同温差、湿度和掺砂与否条件下3种密度气泡混合轻质土的制备试验,并测定了各试样的高度和强度,基于热力学理论分析了3种因素对试样制备和强度的影响规律。试验结果表明,试样制备时温度与养护温度之间的温差是影响气泡混合轻质土胀缩性的决定性因素,轻质土中的气泡含量越高,受温差影响越大,通过控制温差即可解决塌陷问题;湿度和掺砂与否对气泡混合轻质土的试样制备影响不明显,但是湿度高会延长试样脱模时间以及影响试样的完整性;温差和温度共同影响气泡混合轻质土的早期强度,其中温差主要影响试样密实度,温度主要影响水泥水化反应速率。试验结果可为气泡混合轻质土制备和施工时间点选择提供借鉴。

不同温-压条件下含水合物沉积物的损伤本构关系4421-4428

摘要：环境温度和孔隙压力对含水合物沉积物的力学特性存在重要影响,深刻揭示温度和孔隙压力对含水合物沉积物力学特性的影响机制并对其进行有效地模拟是含水合物地层稳定性评估的前提。在分析温度和孔隙压力变化对含水合物沉积物的力学特性影响机制的基础上,引入温压条件参数来考虑温度和孔隙压力变化对含水合物沉积物力学特性的影响,建立了考虑温度和孔隙压力影响的损伤本构模型。模型假设含水合物沉积物微元强度服从Weibull分布,采用Drucker-Prager强度准则描述微元强度,建立了损伤因子的演化规律。此外,还提供了一套模型参数的确定方法。通过一系列不同温度压力条件下的含水合物沉积物的三轴压缩试验结果对模型进行校核和验证,结果表明,该模型能很好地模拟含水合物沉积物的应力-应变关系,并且能较好地考虑水合物含量、环境温度和孔隙压力对含水合物沉积物的力学特性的影响。

确定残积土原位G-γ衰减曲线的建议方法与适宜性分析4429-4436

摘要：基于结构性土易受扰动的特点,在典型花岗岩残积土地层上开展自钻旁压试验(SBPT)和地震扁铲试验(SDMT),以此提出获取原位剪切模量-剪应变(G-γ)衰减曲线的建议方法。为了分析建议方法的适宜性,开展共振柱试验(RCT)获得常规的室内G-γ衰减曲线,同时结合RCT与SDMT数据推求近似原位G-γ曲线。结果表明,利用SBPT与SDMT可以直接获得完整的土体原位G-γ衰减曲线,采用Stokeo模型能很好地描述该曲线;基于对比分析,发现在相同应力条件下室内试验的剪切模量低于原位试验值,证明取样、运输和制样等扰动因素对花岗岩残积土造成不可恢复的结构损伤;用RCT结合SDMT结果拟合得到的近似原位G-γ曲线的初始阶段与建议方法一致,但曲线衰减速率明显偏高。综合比较3种方法,认为建议方法在残积土以及其他结构性土体的刚度分析中具有更好的适宜性,可为相关工程参数的选取提供参考。

正交各向异性岩体中非圆形水工隧洞的解析解4437-4447

摘要：将围岩和衬砌分别视作均质、连续的线弹性正交各向异性和各向同性体,并充分考虑衬砌的支护滞后效应和隧洞运行时的内水压力作用,运用复变函数方法中的幂级数解法,提出了正交各向异性岩体中任意形状水工隧洞的力学解析方法。以直墙半圆拱形水工隧洞为例,所获得的解析解可精确满足衬砌内边界的应力边界条件以及围岩与衬砌接触面的应力、位移连续条件,同时还将解析结果与ANsYS数值结果对比分析,吻合良好。利用获得的解析解,讨论了围岩开挖面上不同的各向异性程度、不同的弹性对称面角度以及隧洞内不同的水压荷载对衬砌以及围岩上应力和位移分布的影响。

水平井中多条裂缝同步扩展时裂缝竞争机制4448-4456

摘要：水平井中多条水力裂缝间的应力干扰行为,造成了压裂液排量的非均匀分配,影响了水力裂缝的几何形态。采用边界元法研究岩体在压裂液作用下的变形程度,以幂律流体泊肃叶平板流动方程来研究水力裂缝内部的压裂液流场,考虑了多条裂缝间应力干扰和压裂液流量分配,建立了流一固耦合的水平井多条水力裂缝同步扩展模型。模型可模拟水平井多条水力裂缝几何形态、应力干扰情况和压裂液排量的分配情况,可解释水力裂缝之间的竞争机制。多条裂缝同步扩展时,压裂液排量并非均等地分配到各个裂缝之中,进入到内部裂缝的压裂液流量最小,内部裂缝宽度最小;内部的水力裂缝增长一定长度后,停止增长,并且在应力干扰下逐渐闭合。