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岩土力学 2019年第05期杂志 文档列表

岩土力学杂志基础理论与实验研究

循环剪切荷载作用下充填物对结构面剪切特性影响试验研究1627-1637

摘要：利用相似材料复制劈裂结构面,进行常法向应力下循环剪切试验,研究无充填、充填黄泥3mm、充填石膏3mm和充填岩屑3 mm条件下结构面循环剪切强度、变形和形貌演化特性。结果表明:(1)循环剪切中占主导地位的破坏模式会发生改变,无充填时由剪断破坏向磨损破坏转化,充填黄泥时主要为滑移破坏,充填石膏时由剪断破坏向滑移破坏再向磨损破坏转化,充填岩屑时由剪断破坏向磨损破坏转化。(2)随着循环剪切次数增加,无充填和充填黄泥时峰值剪应力以减速率减小,充填石膏和岩屑时峰值剪应力先减小再以减速率增大,充填物会弱化结构面循环剪切强度,其中以黄泥的弱化影响最大。(3)不同充填材料条件下,结构面循环剪切中平均剪胀角均以减速率减小,有充填时循环剪切中剪缩现象更明显,其中充填黄泥时剪缩幅度最小,充填石膏时剪缩幅度最大。(4)有充填物条件下,循环剪切后结构面磨损程度比无充填条件下要小,其中以充填黄泥时磨损程度最小,充填石膏时磨损程度相对最大。

基于西原模型的圆形隧道黏弹-黏塑性解析解1638-1648

摘要：基于西原模型,假设黏塑性体的偏应变张量的一阶导数与瞬态偏应力张量和稳态偏应力张量之差成正比,得到围岩黏塑性区的本构方程。采用拉普拉斯变换与逆变换,推导了圆形隧道黏弹-黏塑性解析解。当t=0时,该解退化成线弹性本构模型的解答;当t→∞时,该解退化成理想弹塑性本构模型的解答。通过工程实例,分析了围岩位移场、应力场和黏塑性区半径随时间的变化规律。当支护力保持不变时,围岩不同位置位移、围岩黏塑性区半径将随时间增长而持续增大并趋于稳定;围岩黏弹-黏塑性特征对径向应力和黏弹性区切向应力影响较小,对黏塑性区切向应力影响较大,越靠近洞壁处,切向应力随时间变化越剧烈。此外,不同支护力作用下洞壁处的切向应力在支护初期均较大,因此应采用及时支护的策略;考虑到围岩黏弹-黏塑性特征对支护力的影响,建议采取让压支护技术以保证围岩和衬砌的稳定性。

岩桥直剪试验声发射频谱特征及主破裂前兆分析1649-1656

摘要：岩桥破坏的声发射研究一般只针对计数、能量等参数来分析。为探究岩桥直剪试验的声发射频谱特征,对岩桥进行声发射测试,利用时频分析方法对声发射波形信息进行研究,分析了其频谱特征。结果表明,直剪试验中幅值比计数率变化明显,且发生激烈响应的时间较早;主频基本呈高低频带状分布;主频带向中频分散和低频高幅值的声发射特征可作为试验主破裂的前兆信息,且前者出现较早;与单轴压缩试验相比,幅值在主破裂阶段区别明显,且此时出现中频值;声发射幅值由颗粒所受应力决定,频率与颗粒力链的最终位移有关;岩桥宽度增加,主频带整体升高;法向应力增加,平均主频值减小。研究可为节理边坡的稳定性分析提供参考依据。

不同胶结度断层泥强度参数与含水率关系1657-1662

摘要：断层泥的强度参数对断层的强度有重要影响,而断层泥的强度参数与其胶结度和含水率密切相关。通过对不同胶结度和含水率断层泥试样开展直剪试验,获得了断层泥的主要强度参数--黏聚力c和内摩擦角?,并对其与含水率和胶结度的关系进行了分析研究,取得了如下结论:(1)不同胶结度断层泥试样的内摩擦角均随含水率的升高而降低,但降低程度较小;(2)不同胶结度断层泥试样黏聚力随含水率升高而变化的过程可划分为3个阶段,即上升期、急剧下降期、缓慢下降期,这3个阶段由第一拐点和第二拐点分隔开;(3)随着胶结度的增大,断层泥试样的内摩擦角逐渐升高,但变化不大,且内摩擦角随含水率升高而降低的程度有逐渐减小的趋势;(4)随着胶结度的增大,断层泥试样黏聚力第一拐点位置的含水率迅速增大,而第二拐点位置含水率的变化相对较小;(5)断层泥胶结度与第一拐点含水率的关系可用二次多项式函数进行描述。

水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用模型及应用1663-1672

摘要：为了研究温度对水饱和边坡夹层力学参数的影响,将水饱和边坡夹层视为固-液两相的线弹性体,建立了水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型,并推导了其耦合控制方程;采用物理相似模拟的方法,建立了与边坡原型相似的试验模型,研究温度引起的边坡夹层力学参数的变化特征;通过比较分析理论计算结果与模型试验结果,验证了所建立的耦合力学模型的适用性。研究结果表明:孔隙水压力系数和热压力系数是引起水饱和边坡夹层孔隙水压力增加的关键控制因素;孔隙水压力系数取决于孔隙排水压缩特性和固相介质压缩特性,这两者差值越大,孔隙水压力系数越大;孔隙水热膨胀系数和孔隙体积热膨胀系数是影响热压力系数的主要因素,这两者差值越大,热压力系数也越大;边坡夹层孔隙水压力随温度升高呈现出先缓慢增加而后急剧增加的变化特征,而黏聚力和抗剪强度随温度升高而缓慢降低,且孔隙水压力的理论计算结果与试验测试结果吻合良好。因此,水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型能较好地反映孔隙水压力在加热升温过程中的变化特征,为科学地预测和控制类似边坡工程的稳定性提供了参考。

真三轴加载条件下岩爆过程的声发射演化特征1673-1682

摘要：利用真三轴岩爆试验系统,对花岗岩开展真三轴加载条件下岩爆过程的声发射试验,初步揭示了岩爆过程中的声发射时空演化特征:岩爆孕育前期,振铃撞击比较小,主频以低频为主,优势频段(基于小波分析能量占比最大频段)为小于125 kHz的低频段,声发射事件点由分散态趋于聚集态,新增事件由临空面向岩样内部方向转移;岩爆发生前夕,振铃撞击比大幅突增,低频、中频、高频信号大量涌现,主频带由离散形态转变为连续形态,250~500 kHz优势频段信号占比明显增加,声发射事件成核区在距临空面较远处成形,临空面附近区域事件点增多;岩爆发生阶段,声发射呈低频高幅特征,优势频段重新转入62.5~125.0 kHz,岩样临空面附近声发射活跃,岩样内部出现明显的声发射事件成核区,表明临空面附近出现了岩板劈裂现象,距临空面较远处出现了宏观剪切破坏现象。

饱和软土大变形非线性自重固结模型1683-1692

摘要：基于分段线性方法,建立了饱和软土一维自重固结模型(简称SWC模型)。该模型能考虑自重固结过程中土体的大变形效应和材料参数的非线性变化。将该模型的计算结果与相关解析解、现场试验及室内试验结果进行了对比验证,证明了SWC模型能准确计算出大变形和非线性条件下饱和软土的自重固结过程,包括沉降量、平均固结度、孔隙比分布和超孔隙水压力分布等参数随时间的变化过程。随后,以现场试验为基础,采用SWC模型对饱和软土自重固结的4个主要影响因素(即土体初始高度、边界排水条件、初始孔隙比和土粒相对密度)进行了参数分析。结果表明,上述4个参数对软土自重固结过程均具有重要影响:土体初始高度越高,则自重固结沉降量和最终平均应变值越大;边界排水条件对土体自重固结的速度有重要影响,但不影响自重固结的最终沉降量;初始孔隙比越大,则自重固结沉降量越大,其完成自重固结所需时间越短;土粒相对密度越大,则土体的最终沉降量越大,完成自重固结所需时间越短。

水中沉井下沉期间刃脚空间受力试验1693-1703

摘要：以沪通大桥沉井为背景,设计完成了深水大截面沉井下沉模拟试验。模拟了沉井在水中不排水吸泥下沉的过程,并分析了沉井在下沉过程中刃脚踏面和斜面应力在空间上的分布规律,得出沉井角点处应力最大,长边中点处最小,短边平均应力大于长边的结论。以长边中点为基准应力,确定了长宽比为1.33时刃脚全截面的应力系数。刃脚斜面上应力除受空间位置影响外还与泥面高度相关,且变化规律与踏面应力相反。当泥面高度确定后,用三次函数确定其应力分布。讨论了倾斜、翻砂突沉对刃脚受力的影响,得出两者均会引起刃脚空间受力分布的改变。发现沉井翻砂和突沉前后刃脚踏面应力、斜面应力、刃脚处水力梯度均会发生明显的变化,且变化趋势均早于沉井翻砂和突沉的发生,对沉井翻砂和突沉的预警有重要意义。

软黏土中张紧式吸力锚循环承载力简化计算方法1704-1712

摘要：张紧式吸力锚是一种重要的深水浮式平台基础。深水环境中,海底浅层沉积物多为饱和软黏土。软黏土中平均荷载与循环荷载共同作用下吸力锚的循环承载力对其设计至关重要。根据最佳系泊点受倾斜荷载作用下吸力锚的破坏模式,假设不同破坏区土体具有相同的平均剪应力,且平均剪应力与循环剪切强度比等于吸力锚所受静荷载与静荷载和循环荷载之和的比值。结合室内土性试验获得的饱和软黏土样不固结不排水归一化循环剪切强度随归一化平均剪应力的变化关系曲线,建立了破坏区土体不排水循环剪切强度的确定方法。对不同破坏区土体阻力进行分析,按照水平应力具有连续性这一特点,构建了上部滑动楔体破坏区与深部平面流动破坏区交界深度的计算方法,进而提出了计算吸力锚循环承载力的简化极限平衡方法。采用该方法对竖向和水平破坏模式吸力锚循环承载力模型试验结果进行了预测,预测与试验结果基本吻合,最小和最大偏差分别为0.79%和16.08%,平均偏差为5.74%,可较好地反映吸力锚循环承载力随循环破坏次数增加而减小的变化关系,验证了该方法的可行性。

离心机中球形贯入仪贯入黏土特性1713-1720

摘要：目前球形全流贯入被仪广泛应用于岩土离心试验中,以表征软弱黏土土样的抗剪性能。然而,在离心加速度作用下离心机试验中的球贯入仪比现场使用的标准球贯入仪有更大的加载杆与球的面积比a、更大的等效原型直径以及不一样的球-土摩擦系数,从而使得离心机球体会出现不一样的贯入特性,进而导致不一样的土体抗剪承载力校验系数。通过大变形有限元(large deformation finite element,简称LDFE)方法对中国常见离心机球形贯入仪贯入单层黏土进行分析,获得不同几何尺寸和摩擦系数下球形贯入仪的贯入特性。计算结果通过与有关解析解以及其他前人研究结论的对比分析,验证了有限元分析结果的合理性。通过大量参数分析表明,球摩擦系数对空腔的临界深度以及深层破坏深度的影响较小,面积比a对浅层和深层承载力系数以及达到深层破坏深度有显著的影响。根据数值模拟的结果,提出了不同面积比和摩擦系数下的极限间隙深度Hc、浅层和深层临界破坏模式深度Hd、不同摩擦系数和面积比情况下的深层承载力系数和浅层承载力校准系数的计算公式,从而能获得更精确的土体抗剪强度,为离心机中球形贯入仪的应用提供了理论依据。

一种非稳态气体渗流条件下岩石渗透特性参数计算方法及应用1721-1730

摘要：提出了一种非稳态渗流条件下岩石材料气体渗透特性参数的计算方法。首先将气体滑移方程代入非稳态渗流偏微分方程,利用Picard-Newton差分迭代格式建立非稳态渗流方程的数值解。基于此数值解,对非稳态渗流气压变化曲线进行拟合,利用最小二乘原理反算确定最优的绝对渗透率和滑移因子。算例表明,计算稳定收敛,对步长和随机误差不敏感,同时能够准确捕捉渗透性能参数的微小变化。最后,利用该方法成功测试了位于中国高放废物处置首选预选区的甘肃北山坑探设施硐室掌子面花岗岩的气体渗透特性。提出的方法所需输入数据的获取手段简单,核心算法便于数值实现,可以应用于地下工程围岩的气体渗透性能测试。

水平分层胶结充填体损伤本构模型及强度准则1731-1739

摘要：以矿山分层充填为背景,针对水平分层充填体,提出了初始分层损伤、荷载损伤与总损伤的概念;利用损伤力学理论,考虑分层效应,建立了充填体损伤演化及本构模型;基于全微分方法构建了考虑分层效应的充填体强度准则。开展了不同分层充填体力学特性试验。研究结果表明:所建立的分层充填体损伤本构模型及强度准则理论曲线与试验曲线高度吻合,y=ax^2+bx+c的二次多项式递增,分层效应与荷载耦合作用劣化了充填体总损伤;充填体总损伤率呈先增大后减小趋势。在峰值之前,分层数越多,则总损伤率越大;而峰值之后,分层数越多,则总损伤率越小,且总损伤率最大值随分层数增多而增大。

中心直裂纹半圆盘试样的石灰岩断裂韧度尺寸效应试验研究1740-1749

摘要：为了考察试样尺寸和预制裂缝长度对岩石断裂韧度测试值的影响,采用4种圆盘半径分别为25.0、37.5、50.0、75.0 mm,预制裂缝长度与圆盘试样半径比值(无量纲裂缝长度)在0.3~0.7范围内的中心直裂纹半圆盘石灰岩试样(NSCB)进行了三点弯曲断裂试验。结果表明:NSCB试样的破坏过程表现出明显的"脆性"破坏特征。与预制裂缝长度相比,试样尺寸对峰值载荷和载荷-位移曲线的形态影响更显著;随着试样尺寸的增加,试样的断裂韧度测试值不断增加,增加幅度随着预制裂缝长度的增加而加剧;当试样尺寸一定时,随着无量纲裂缝长度的增加,断裂韧度测试值有一定程度降低;为减小尺寸效应的影响,建议采用圆盘半径大于37.5 mm,无量纲预制裂缝长度范围在0.4~0.6内的NSCB试样测试岩石的断裂韧度。所得结果为推广NSCB试样国际建议方法及准确测试岩石的断裂韧度提供了一定的参考。

群桩基础引发饱和地基振动的近似解析解1750-1760

摘要：建立了饱和半空间-群桩基础耦合动力近似解析模型,其中基桩考虑为欧拉梁,饱和地基采用Biot两相介质动力控制方程,二者在频率-波数域中利用桩-土相互作用点处的饱和地基柔度矩阵进行耦合,并采用快速傅里叶逆变换获得频域解答。分析了饱和地基中群桩基础的动力阻抗及刚性承台上施加简谐振动荷载时群桩基础引起的饱和地基振动响应。研究结果表明,荷载类型、激振频率以及地基渗透系数对饱和地基位移和孔压响应有明显影响。特别的,群桩基础动力阻抗峰值频率会随着地基渗透系数的增加而增大。

不同初始孔隙比下非饱和黏土渗透性试验研究及模型预测1761-1770

摘要：不同初始孔隙比下非饱和土渗透系数的试验测量及预测,是进行非饱和土渗流分析及水-力耦合研究的基础,相关工作具有重要的意义。以湖南邵阳红黏土为例,利用千斤顶制备5种不同初始孔隙密度塑土样;采用压力板仪测量其土-水特征曲线;选用变水头法测量其饱和渗透系数;自制有机玻璃桶试验装置,采用瞬态剖面法进行非饱和渗透试验,测量不同初始孔隙比土样的非饱和渗透系数。选用CCG(Childs和Collis-George)修正模型和陶-孔模型预测非饱和渗透系数,并与实测值进行比较,验证模型有效性。以上述试验及模型预测的成果为基础,研究初始孔隙比对非饱和(相对)渗透系数的影响规律。研究结果表明:湖南非饱和黏性土渗透系数随基质吸力增加而降低,在低基质吸力阶段(100 k Pa以内)变化较为剧烈,在高基质吸力阶段(100 kPa以上)变化较为缓慢;CCG模型预测误差较大,陶-孔模型预测值与实测值总体吻合较好;进气值之后,初始孔隙比对非饱和渗透系数的影响较小,对非饱和相对渗透系数的影响较大,相同基质吸力条件下初始孔隙比越小,相对渗透系数越大。

中国南海钙质砂蠕变-应力-时间四参数数学模型1771-1777

摘要：钙质砂是一种海洋生物沉积形成的具有特殊结构和力学性质的岩土材料,是我国南海岛礁吹填工程的物源材料。为进一步了解其蠕变特性,采用三轴流变仪对取自中国南海某岛礁的钙质砂进行不同围压条件下的长期蠕变试验研究。试验结果表明,在小于其破坏强度的恒定应力作用下,饱和钙质砂发生衰减蠕变,随时间增加,变形不断增加,但变形速率不断减小,直至变形稳定,所受应力越大则达到变形稳定所需时间越长,且蠕变变形量与所受偏应力正相关、与有效围压反相关。应力-应变与应变-时间均为非线性关系。试验研究发现,可采用幂函数对钙质砂蠕变应变-时间进行数学描述,基于试验结果,提出了一种蠕变应变与时间、偏应力和有效围压相关的四参数新的蠕变模型,可以对钙质砂的蠕变过程进行较好的数学描述;与经典的Mesri蠕变模型相比,所提出的数学蠕变模型不需要开展常规三轴压缩试验确定破坏时的峰值偏应力,减少了试验工作,具有一定的优势。

基于核磁共振技术的淤泥固化水分转化机制研究1778-1786

摘要：为了揭示淤泥固化体的微细观水分分布与工程特性的内在联系,针对水泥固化湖泊淤泥,基于柔性壁渗透、无侧限抗压及核磁共振(NMR)试验,探明淤泥固化过程中的水分转化和孔隙结构演化机制,并与固化体的渗透系数k、无侧限抗压强度qu和变形模量E50建立关联。试验结果表明:7d龄期内水化反应速率快,淤泥固化体内的大量孔隙水转化成水化物中的化合水,最可几孔径减小,形成孔隙结构骨架主体,导致k值降低、qu和E50增大;7d后,只有当孔隙水扩散穿透水化物膜层,水化反应才继续缓慢进行,但qu和E50仍大幅增长;化合水量Mhw与lgk存在线性关系,而Mhw-qu和Mhw-E50均呈指数关系。基于微观水分参数与工程特性的量化关系模型,可充分揭示水泥固化淤泥的宏微观演化机制。

粗粒土渗透试验边壁孔隙特征及处理层最优厚度研究1787-1796

摘要：室内渗透试验的边壁效应对粗粒土渗透系数的测定影响显著。从颗粒与边壁间孔隙的组成特征出发,根据边壁孔隙体积Vb与构成边壁孔隙的颗粒关联体积Vs之比,定义了试样边界孔隙比eb。基于等直径圆堆积原理,确立了边壁颗粒的堆积模式,构建了考虑边壁处理层厚度的边界孔隙比平面几何计算模型,并通过空间和颗粒级配修正导出了eb表达式;以eb与试样孔隙比e相等为原则,提出了确定边壁处理层最优厚度hopt的等效孔隙比法,探讨了渗透仪直径D与边壁效应的关系。研究表明:边壁引起的多余孔隙将提高边壁处的渗流速度;边壁颗粒存在两颗粒、三颗粒锐角以及三颗粒钝角3类典型平面堆积模式,与此对应的eb依次增加;hopt由试样级配、密实程度、颗粒密度、边壁颗粒堆积模式以及D等因素决定,其估算值与试验结果吻合;D超过8倍试样最大粒径后边壁效应对渗透试验结果的影响不再显著。