真空热固结联合强夯处理工程废浆试验研究

为解决真空热固结过程中热量与真空负压在土体中衰减而导致土体加固效果不均匀的问题,利用强夯法能改善土体密实度的特性,将真空热固结法与强夯法联合应用于工程废浆的加固处理,通过4组室内模型试验研究不同夯击时机对土体加固效果的影响。结果表明:沉降速率为每3 d沉降4 cm时为最佳夯击时机,土体表面沉降比其他试验组提高26.55%、11.72%和3.74%,对工程废泥浆的处理效果最佳,能有效解决真空热固结下深层土体加固效果差的问题,并提高土体的均匀性。通过微观结构分析发现,合适的夯击时机下,由于土颗粒之间的孔隙重分布,导致土体密实程度更高,十字板剪切强度随之增大。此外,内部孔隙重分布产生微裂缝形成的排水通道对排水有一定的促进作用,进一步提升了固结效果,在合适的夯击时机下,对土体的十字板剪切强度与固结度均有促进作用。

含初始损伤饱水花岗岩的冲击破坏规律

为研究饱水和初始损伤对冲击荷载下花岗岩宏观和微观破坏特征的影响,开展了X射线衍射、霍普金森和扫描电镜试验,利用分形维数对花岗岩的破碎块度和断口形貌进行了分析,探讨了图像放大倍数对分形维数的影响,分析了冲击荷载下饱水后花岗岩的微观致裂机制。结果表明:饱水后花岗岩中角闪石、钠长石、微斜长石和石英的占比减少,高岭石占比显著提高;随着初始损伤的增大,花岗岩的动态峰值应力逐渐减小,而破碎程度和块度分形维数逐渐增大,且初始损伤对块度分形维数的影响大于饱水的影响;随着初始损伤的增加,断口出现更多的微裂纹和碎屑,断口图像的分形维数也逐渐增加;放大倍数在400~3200范围内时,断口图像分形维数随着图像放大倍数的增大而增加,超过3200后,分形维数减小。

考虑盐度影响的粉煤灰固化软土直剪试验

采用粉煤灰作为固化剂,制备了多组粉煤灰固化软土试样,其孔隙水中盐度分别为0%、2%、4%和6%,养护龄期分别为3 h、7 d和28 d.通过开展室内直剪试验,探讨盐度对粉煤灰固化软土强度特性的影响.试验结果表明:竖向固结压力为50 kPa时,粉煤灰固化软土的剪应力与剪切位移关系曲线呈现软化型,而在竖向固结压力为200 kPa时曲线呈现硬化型;高盐度试样具有较低的峰值剪应力和残余强度,表明高盐度对粉煤灰固化软土强度特性具有不利的影响;随着盐度增加,各养护龄期下软土试样的抗剪强度、黏聚力和内摩擦角的曲线均呈现近似线性下降的趋势,主要原因在于盐度的增加抑制了粉煤灰中活性成分的水化反应.

土体抗剪强度各向异性对边坡滑动模式与稳定性的影响

基于极限分析法中的上限定理,开展了考虑土体抗剪强度各向异性的边坡稳定性研究,通过参数分析研究了土体抗剪强度各向异性对边坡失稳滑动方式与边坡稳定性安全系数的影响规律.结果表明:边坡稳定性安全系数随着抗剪强度各向异性系数减小而减小,其影响程度随着土体内摩擦角和坡度的减小而增大;对于土体黏聚力较大、内摩擦角较小的缓坡,随着抗剪强度各向异性系数减小,边坡的最危险滑动面会由坡脚深层破坏转变为坡底深层破坏,滑动范围显著增大;基于计算结果绘制了稳定图(stability chart),实现了考虑土体抗剪强度各向异性影响的边坡稳定性安全系数的快速计算与最危险滑动方式的判别.

含EPS垫层及轻量填土挡墙的墙后土压力及其减载效应

挡墙后铺设柔性垫层或回填轻量土,对其优化设计和降低成本有着重要的工程意义。通过开展不同级别荷载下的挡土墙物理模型试验,分析墙后铺设EPS柔性垫层、回填泡沫轻量土及二者同时施加时的墙后土压力大小及分布特征,并探讨相应的减载效应。结果表明:挡土墙铺设柔性垫层、回填轻量土或二者同时施加时,墙后土压力均随埋深呈先增大后减小的“鼓肚”状非线性特征,土压力最大值多出现在1/2墙高处;同等荷载作用下,仅回填轻量土的减载效果相对较弱,减载率为10%~25%,而铺设柔性垫层的最大减载率较之提高了1.5倍,当二者同时施加时,减载效果最佳,最大减载率相应提高了近3倍;柔性垫层减载效果随着厚度的增加逐渐降低,但泡沫掺量对墙后回填轻量土的减载率影响更为敏感。工程中可考虑采用中等厚度的垫层,若墙后填土附加荷载较大,可适当提高回填泡沫轻量土的掺量。

铝离子絮凝剂对微生物加固砂土效果的影响试验研究

灌注次数过多制约了微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)在实际工程中的应用。为了减少灌注次数、提高胶结效率,提出一种MICP加固强化方法,即在胶结液中添加铝离子絮凝剂,以提高MICP加固速率和增强加固效果。开展MICP砂柱试验,在胶结液中加入不同浓度AlCl3·6H2O进行灌注试验,然后测试加固砂柱碳酸钙含量及无侧限抗压强度(UCS)。在水溶液试验中,观察不同溶液条件下沉积物生成情况及溶液的pH值变化,并通过XRD、SEM试验研究铝离子絮凝剂对沉积碳酸钙的成分及形态的影响。结果表明:与常规方法的对照组比较,胶结液中加入适量铝离子絮凝剂,灌注3次后砂柱即可形成有强度的固结体,灌注5次后砂柱无侧限抗压强度可达到1.7MPa,而常规对照组达到相同的强度需要灌注9次。铝离子絮凝剂的掺入有效减少了MICP灌注处理次数,对实际应用有重要意义。

不良级配粉细砂路基碾压数值模拟

我国滨海地区存在大量粉细砂,其级配较差,为减少客土使用,可将其用做路基填料。依托海南某旅游公路粉细砂填筑路基项目,建立不良级配粉细砂路基压实过程的PFC2D模型,研究压实作用力、静动碾压和压实遍数的压实效果,建立压实度K和孔隙率n关系。结果发现,不同压实力作用下粉细砂孔隙率沿深度变化不明显,动碾相对于静碾压实效果更好且作用深度更深,随碾压遍数增加,粉细砂孔隙率减小,路基压实度增大,但碾压超过一定遍数后,对压实效果提升不明显。数值模拟与现场试验结果较为一致。

敏感环境下地下水池基坑围护施工技术

杨树浦水厂深度处理改造工程具有地质条件复杂、场地工况敏感、施工组织及环境保护要求高等特点。结合周边建筑物密集,且离运营中的文保工业建筑最近距离仅为15 m的特点,从支撑选型、回填及降水、土方开挖等方面介绍了敏感环境下地下水池处理改造基坑围护施工技术,有效地保障了重大工程的高效、安全实施,为今后类似环境下地下结构建造涉及到的基坑施工提供了借鉴和参考。

基于虚拟仿真的爆破工程实践教学探索

为了解决《爆破工程》实践教学中存在的爆炸安全隐患、火工品管控、储运条件严苛、教学场地狭小等问题,从教学方案设计、教学资源收集、虚拟仿真实现、教学应用与考查四个方面,构建了包含隧道掘进爆破与台阶爆破的虚拟仿真实验平台,探索出一套适用于华北科技学院城市地下空间工程专业的《爆破工程》实践教学模式。实际应用表明,虚拟仿真教学在激发学习兴趣、培养自主应用、增强实践能力等方面成效显著,极大提升了学生对知识的实际应用能力。

偏心荷载作用下钢楔式活络端力学性能研究

为了解决钢楔式活络端在偏心荷载作用下工作机理的研究相对较少的问题,该文定量研究钢楔式活络端的抗弯性能,首先建立经过试验结果验证的有限元模型,然后通过数值分析的方法,系统研究偏心载荷作用下钢楔式活络端的变形和受力机理,并对钢楔式活络端的抗弯性能进行参数化分析,基于参数分析结果,建立适用于钢楔式活络端的弯矩-转角模型。研究结果显示:钢楔式活络端的抗弯性能随偏心距、钢楔高度和中肋板高度的增加而降低,随钢楔长度、钢楔宽度、槽钢厚度和钢管壁厚的增加而增加,同时本文所建立的弯矩-转角模型能够准确地预测钢楔式活络端的弯矩-转角曲线、初始抗弯刚度和塑性抗弯承载力。

恒刚度边界下加锚节理岩体剪切行为宏细观研究

为探究深部地下工程中加锚节理岩体的剪切特性,本文开展了恒刚度边界条件下加锚节理岩体的直剪试验,探究了不同节理面粗糙度、法向刚度和初始法向应力对加锚节理岩体剪切力学特性的影响,并结合PFC数值模拟,分析了不同锚杆弹性模量影响下锚固体系的宏观力学特性和细观裂纹变化特征.结果表明:节理面粗糙度对剪切强度影响显著,粗糙度越大,剪切强度越高;锚杆可提高试样的整体抗剪强度,但法向刚度和初始法向应力对锚杆的锚固效果有不同的影响,存在最优范围;试件内部裂纹以张拉裂纹为主,随着锚杆弹性模量的增加,锚固体的峰值剪切强度和内部裂纹数量都呈现增加趋势,但增加速率在变小;锚杆内部剪切应力曲线和轴向应力曲线变化相似,与锚杆弹性模量有明显关系,弹性模量越大,应力增长越剧烈,达到屈服强度后增加变得十分缓慢.

水平联合竖直排水板真空预压处理工程废浆试验研究

传统真空预压法(VP)在加固工程废浆时存在预制竖向排水板(PVD)易淤堵、周围土体形成土柱以及真空度随深度衰减等问题,考虑到预制水平排水板(PHD)在真空预压法处理软土地基中的特点,提出一种水平联合竖直排水板真空预压(PHD-PVD-VP)处理工程废浆的方法。通过4组大型室内模型试验,对工程废浆加固过程中的排水、沉降以及孔隙水压力进行监测,并借助扫描电镜得到的排水板滤膜微观图片,分析不同初始PHD真空压力下PHD-PVD-VP对工程废浆的加固效果。试验结果表明,PHD-PVD-VP处理工程废浆时减少了土颗粒径向移动速率,延缓“土柱”的形成及缓解土颗粒嵌入排水板滤膜的淤堵效应,提升了土体整体固结效果;40 kPa的初始PHD真空压力使PHD-PVD-VP对工程废浆的排水固结效果最佳,处理后土体的平均含水率和十字板剪切强度分别为40.9%和25.5 kPa,有效地缓解了PHD和PVD的淤堵并改善了土体固结的均匀性。通过微观结构分析发现,PHD初始真空压力的大小同时影响着PHD与PVD滤膜的淤堵情况,从而影响其排水性能,40 kPa的初始PHD真空压力使得两种排水板的排水性能都得到充分发挥。

螺牙高度对螺纹桩竖向承载特性的影响

为探明竖向荷载作用下螺牙高度对螺纹桩承载特性及桩周土体的影响,通过室内半面模型桩试验,结合数字图像相关技术(DIC),研究了不同螺牙高度、不同荷载条件对桩身承载性能、桩周土体破坏特征、桩周土体位移场的影响。采用ABAQUS数值模拟方法对模型试验的结果进行验证,并扩展了螺牙高度的取值范围,分析螺纹桩桩身极限承载力与材料利用率、桩周土体应力场分布随螺牙高度变化的规律。结果表明:增加螺牙高度能提升桩身承载力,增大桩周土体位移影响范围,延缓桩侧土体剪切破坏的发展;随着桩身沉降量增加,桩顶荷载以桩侧阻力承受为主,逐渐演变为以桩端阻力承受为主;螺牙高度的增加虽然能提升桩身极限承载力,但桩身材料利用率存在峰值。

磷石膏/木质素固化铅污染土的无侧限抗压强度

采用工业固体废弃物磷石膏、木质素对人工配制铅污染土进行固化处理,通过无侧限抗压强度(UCS)试验探究固化剂掺量、养护龄期对不同程度铅污染土固化后应力-应变曲线、破坏形态及无侧限抗压强度的影响规律,对比分析两种固化剂的固化效果,并采用扫描电镜(SEM)试验分析土样固化前后的微观特性。试验结果表明,磷石膏、木质素均能增大固化土的无侧限抗压强度,减小破坏应变;固化土的无侧限抗压强度随磷石膏掺量增加呈持续上升趋势,随木质素掺量增加呈先上升后下降趋势;延长养护时间能有效提高固化土无侧限抗压强度。随固化剂掺量和养护龄期的增加,土体内部胶结水平提高,土样破坏形态从局部张裂逐渐转变为剪切破坏,呈现脆性破坏特征。两种固化剂固化土效果各有优劣,木质素对高浓度铅污染土的固化效果优于磷石膏,抵抗变形能力更好,而磷石膏短期内提升强度能力及对铅的固定效果更好。扫描电镜试验表明,固化剂可起到填充孔隙、胶结土颗粒的作用,水化产物在土体内形成致密结构,宏观表现为强度增强。

非饱和黄土的水蒸气吸附特性

为研究非饱和黄土对水蒸气的吸附特性,采用蒸汽平衡法开展不同湿度环境下的等温吸附试验,分析水蒸气在非饱和黄土表面的吸附行为,并探讨温度、矿物成分及含量、干密度对土体吸附性能的影响。结果表明:非饱和黄土水蒸气吸附量随相对湿度的增加而增加,整个过程包含了单层吸附、多层吸附和毛细凝聚3个阶段,且GAB模型可以用来描述非饱和黄土的水蒸气吸附过程;水蒸气吸附量与温度之间存在明显的负相关关系,相对湿度恒定,水蒸气吸附量随温度的升高而降低;非饱和黄土的水蒸气吸附与矿物组成密切相关,黏土矿物含量直接影响其水蒸气吸附能力;此外,干密度对水蒸气吸附量的影响可分为两个阶段,在相对湿度RH<80%时,水蒸气吸附量随干密度的增大而增大,直到进入毛细凝聚阶段,随着干密度的增大,水蒸气吸附量不再增大反而有所降低。

地震液化离心机振动台模型试验与LEAP研究进展

离心机振动台模型试验是研究地震液化问题的重要手段,一方面可重现场地地震响应和揭示液化致灾规律,为发展工程设计方法提供依据;另一方面可以作为特定边值问题的标准模型试验数据,验证数值方法与土体本构模型及其参数选取的合理性。介绍了离心机振动台模型试验的试验原理,回顾了离心机振动台模型试验在地震液化领域的主要研究进展。围绕由中国、美国、日本和英国等国家高校与研究所联合开展的国际合作项目“液化试验与分析”(LEAP),重点介绍了若干为提高离心机振动台模型试验可重复性而发展的物理模拟新技术,包括离心机振动台的台面振动控制技术、模型土体弹性波速测试技术和基于图像分析的动态位移监测技术等。最后针对地震液化领域的若干工程和研究需求,探讨了离心机振动台模型试验领域的发展趋势。

大型地下厂房围岩稳定性及支护措施研究

为研究大跨度、高边墙地下厂房开挖过程中出现的围岩稳定性问题及不同支护措施效果,以西南地区某大型水电站工程为例,采用三维非线性有限元法分析地下厂房围岩稳定性,并建立三维地质模型,对比分析不同支护工况下地下厂房围岩变形、应力变化及塑性区的分布规律。结果表明:洞室顶拱、底板及拐角处易产生应力集中现象,洞室开挖面切割出的岩体存在塑性损伤的风险;相较于无支护措施开挖,采取支护措施后,不同工况下地下厂房围岩变形量、应力集中现象以及塑性区分布均有不同程度的减少;喷混凝土层+锚杆+预应力锚索系统支护的效果最为显著,对围岩变形和损伤的控制作用优于锚杆+预应力锚索支护和喷混凝土层支护。

岩石爆破基础理论研究进展与展望Ⅲ——波纹关系

岩石爆破“三大关系(本构、动静、波纹)”是爆破理论研究的重要内容,爆炸应力波与裂纹的相互作用是影响岩石破碎效果的关键因素.本文围绕“炸药爆炸能量释放与爆炸裂纹扩展的精细控制原理”这一关键科学问题,聚焦爆炸应力波与静止裂纹(岩体中既有缺陷)的相互作用、爆炸应力波与爆炸裂纹的相互作用、爆炸应力波作用下裂纹间的相互作用、地应力与爆炸应力波耦合作用下的裂纹扩展等四个方面,深入探讨了不同爆炸应力波的传播方向和强度对裂纹扩展行为(包括裂纹扩展方向、速度和长度)的影响规律.现有研究发现爆炸应力波在静止裂纹处发生反射和衍射,产生“双马赫锥”现象,致使爆炸能量较多地积聚在静止裂纹周围,诱导静止裂纹周围产生损伤和破坏;爆炸膨胀波对迎面爆炸裂纹的扩展有抑制作用,剪切波对其扩展有促进作用,而在爆炸应力波与同向爆炸裂纹的相互作用过程中,爆炸膨胀波和剪切波对裂纹扩展速度的影响则相反;爆炸荷载下相向扩展的两条裂纹互为自由面,产生“咬合效应”,形成相互勾连的形状;地应力场能够促进平行最大主应力方向的爆炸裂纹扩展,抑制垂直最大主应力方向的爆炸裂纹扩展,且地应力场的主应力差值越大,爆炸裂纹沿最大主应力方向的扩展长度越长.研究成果可为优化爆破炮孔间距、延期时间等参数,实现精细调控爆炸裂纹扩展提供理论依据.

逐级加压启动时机对电动硅化法加固软黏土影响

逐级加压法可以有效提高电渗后期处理效果,降低能耗。本实验采用逐级加压的方式对电动硅化法进行优化,以解决电动硅化法中实验后期排水速率低、实验能耗大、电极腐蚀严重等问题。设置4组不同逐级加压启动时间实验研究最佳的逐级加压启动时机,对实验过程中电流、排水量进行监测,分析实验结束后土体的沉降量、含水率、抗剪强度,并计算各实验过程中的能耗系数,深入探究不同加压启动时机对电渗处理效果的影响。结果表明:逐级加压的通电方式可以有效提高电渗处理效果,并且逐级加压存在最佳的加压时机,当电流下降至峰值电流的60%时加压可以有效提高电渗的排水量,增大土体整体抗剪强度,土体均匀性较好,降低实验后期能耗系数。

碳纳米管混凝土三点弯曲梁的声发射及损伤演化特征

为研究碳纳米管掺量对混凝土梁损伤演化过程及裂纹扩展规律的影响,制备了质量分数分别为0、0.1%、0.3%、0.5%的碳纳米管混凝土三点弯曲梁试件。采用搭载声发射测试系统的YNS300电液伺服万能试验机开展三点弯曲试验,得到了声发射能量、振铃计数和幅值等声学信息,并基于声发射参数对裂纹类型、损伤演化过程进行分析。结果表明:碳纳米管混凝土三点弯曲梁破坏时产生的声发射能量明显高于素混凝土梁,但随着碳纳米管掺量的增加,其破坏时产生的声发射能量逐渐减小;碳纳米管的掺入可以提高混凝土三点弯曲梁的承载能力,但超过某一界限后,其承载能力随着碳纳米管掺量的增加而降低;碳纳米管的掺入使得混凝土三点弯曲梁第一次声发射幅值突变的时间提前,试样破坏前,振铃计数及累计振铃计数增长缓慢,近似直线,试样断裂瞬间,两者均急剧上升;声发射信号源隶属于拉伸裂纹,碳纳米管混凝土三点弯曲梁断裂属于Ⅰ型断裂,拉伸裂纹和剪切裂纹占比与碳纳米管掺量之间没有明显关系,但声发射平均频率、上升角度信号源数量与碳纳米管掺量之间具有显著的相关性。不同碳纳米管掺量下,混凝土三点弯曲梁试样的损伤演化规律基本保持一致,试验前期损伤曲线基本为水平直线,破坏阶段损伤变量首先处于快速增长阶段,而后呈陡增式增长。