土木工程话土木

Civil Engineering这个学科在中国以两种天然材料土和木命名,称为土木工程,可见华夏文明与这两种材料间的密切关系。中国古代的殿堂庙宇基本都是木结构建筑,这与其他古文明主要以石料建造大型建筑物不同。该文从地理、历史、经济与文明属性对此进行分析,指出华夏文明的特殊性。土为人类提供了栖息、载体、武器、工具和材料,也是人类衣食之源。中国自古至今主要用土治水,所谓“水来土掩”;黄土高原自古至今窑洞都是当地居民重要的居所。几千年来,中国先民在不同的地域创建不同型式的木结构住房,雄伟壮丽的名楼殿宇代表了中国古代木结构工程的高超技艺。在治水过程中,中国古人因地制宜地将土与木相结合,创造了形式多样的加筋土。文章分析土的特殊性与多样性,指出岩土工程仍然需要依靠丰富的经验和成熟的案例进行工程决策。

非稳定渗流条件下非饱和土边坡稳定分析

大量的滑坡灾害表明,水的作用是影响边坡失稳的重要原因,合理地评价边坡的稳定性,需考虑边坡基质吸力场的变化与水的渗流作用。通过稳定与非稳定渗流条件下的非饱和土堤算例,探讨了Bishop和Fredlund非饱和土抗剪强度公式应用于强度折减有限元法的差异,并与极限平衡法的结果进行对比。结果表明,Bishop和Fredlund非饱和土抗剪强度公式的本质是相同的,而从非稳定渗流条件下的分析结果来看,强度折减有限元法分析的安全系数与极限平衡法分析临水坡和背水坡安全系数的最小值相当接近,强度折减有限元法更适合分析边坡的整体稳定性。此外,采用Bishop强度公式可以通过用饱和度代替基质吸力参数来体现基质吸力对强度的影响,在分析饱和度较高的非饱和土边坡稳定性时较为方便。

抗滑桩静力与动力破坏离心模型试验对比分析

在探讨边坡中抗滑桩的加固效果时,应该重视混凝土抗滑桩不同条件下破坏规律的研究。采用研制的微混凝土抗滑模型桩,通过动力离心模型试验研究了两种情况下的破坏特点。一种情况是混凝土抗滑桩一侧静力开裂后受地震作用继续开裂至完全断桩,另一种情况是静力条件下稳定的边坡加固桩在地震作用下桩底发生开裂。根据试验观察以及试验结果对比分析了微混凝土抗滑桩在两种不同条件下开裂破坏过程中弯矩分布特点:静力开裂后在地震作用下桩底嵌固约束转化为活动铰约束,其弯矩始终呈抛物线形分布,只是其峰值随时间发生变化;静力条件下稳定的加固桩在地震作用下,其弯矩先有较大增加然后又由于桩底一侧开裂而下降较多,并且小于震前静态弯矩。

铜质模型桩加固边坡的动力离心模型试验研究

地震作用引起的边坡大变形常会使边坡稳定性丧失或使加固措施失效,动力离心模型试验是研究地震作用下边坡土体与抗滑桩的动力相互作用的有效手段之一。本文采用铜质抗滑模型桩制作了抗滑桩加固边坡模型,通过动力离心模型试验研究了地震作用下边坡变形、土体加速度反应和抗滑桩静力、动力弯矩等动态反应。试验表明:边坡的地震加速度反应自下而上逐渐放大,桩体附近土体的加速度反应略有减小;抗滑桩弯矩随着地震作用增强而相应地增至峰值,此后随着地震作用的衰减而下降,地震结束后承担着震后残余弯矩,该弯矩值仍大于震前静力弯矩;通过比较震前与地震中抗滑桩弯矩分布的变化可以看出,地震作用导致的最大附加弯矩为202 kN.m,相当于静力弯矩的36%,表明地震作用导致的附加弯矩不容忽视。

面板堆石坝筑坝材料动力特性试验研究

某抽水蓄能电站上水库主坝为沥青混凝土面板堆石坝,坝址区地形地质条件复杂且处于强震区,需研究其坝体和坝基料的动力特性。采用清华大学大型高压多功能静动三轴试验机,对坝基和主要坝体材料进行了动弹性模量与阻尼比试验和动残余变形试验。试验结果表明,与普通堆石料相比,软岩次堆石料和覆盖层料的动弹性模量较低且变形较大,但其动应力应变关系与动变形特性同样可以分别用修正的黏弹性动本构模型和残余变形经验公式进行描述。此外,根据动力试验结果初步论证了利用软岩和直接在覆盖层上筑坝的可行性。

土石坝基础塑性混凝土防渗墙材料力学特性研究

本文通过大量的试验着重研究四周压力对塑性混凝土力学特性的影响，揭示了塑性混凝土在四周压力加大时呈塑性破坏，其强度、峰值应变有极大的增加，而其初始模量基本无变化的特性．依据试验资料求得的参数，对一典型高土石坝深覆盖层塑性混凝土防渗墙的应力、位移进行了有限元计算，并用剪应力动用水平和拉应力值判断其强度方面的安全程度．上述工作为塑性混凝土在中、高土石坝深覆盖层防渗壤中应用的可能性和合理性提供了重要论据．

抗滑桩加固边坡地震响应离心模型试验

为研究抗滑桩加固边坡的地震响应和桩土相互作用规律,利用土工离心机及专用振动台进行了砂土边坡的动力离心模型试验。在50g离心加速度条件下,输入El Centro地震波,记录了边坡不同位置的加速度时程并作频谱分析,采集了桩前动土压力和抗滑桩应变等。结果表明:边坡的地震动力响应自下而上逐渐放大;抗滑桩对周围土体响应有一定阻滞作用;桩前动土压力随着地震输入而迅速增大至峰值,此后保持稳定直至地震结束;抗滑桩各截面弯矩的变化规律与动土压力类似,弯矩最大值出现在抗滑桩下部。

堆石料真三轴条件下力学特性试验研究进展

该文综述了国内外岩土真三轴仪的发展、堆石料力学特性及机理相关的研究现状。重点介绍了该研究团队开发的大型岩土静动真三轴试验机及在堆石料力学特性试验研究方面取得的初步成果。按加载方式,土的真三轴仪可以分为3类:刚性加载真三轴仪、柔性加载真三轴仪和混合型加载真三轴仪。堆石料真三轴试验具有试样尺寸大、承压高、各方向相互干扰强、试样变形后荷载对中难、加压板与试样间摩擦效应强、试样安装和量测复杂等诸多困难。因而,目前适用于堆石料的真三轴仪和试验成果均较少。考虑堆石料真三轴及复杂应力路径条件下的颗粒破碎、各向异性等,研究其力学特性并开发相应的本构模型是该课题发展的趋势。清华大学大型岩土静动真三轴试验机中联合采用了椭圆形试样帽和异形乳胶膜的封样方式,可很好地解决真三轴试样的高压密封、拆装、量测和耐久性等一系列难题。对堆石料进行了一系列真三轴复杂应力路径试验,结果表明真三轴试验中堆石料表现出更明显的应力诱导各向异性和应力状态依赖性,特别是对小主应力-应变关系、球应力-体应变关系和广义剪应力-剪应变关系的影响更显著。球应力和广义剪应力对体积应变和广义剪应变之间存在着明显的交叉影响。

渗流作用下的江河岸坡冲刷变形分析

岸坡地形随河流上游来水来沙、河势变化等因素而不断变化,直接影响岸坡稳定性。江河水流、岸坡渗流均对岸坡水下地形变化有很大的影响。通过分析泥沙受力条件和冲刷特性,应用在室内水槽进行的不同泥沙粒径在多种水流条件下的冲刷率试验研究成果,在岸坡泥沙受力分析基础上推导了崩岸冲刷率公式,并以算例具体说明江河水流和岸坡渗流对其冲刷变形过程的影响。

边坡滑动预测的有限元分析

滑坡发生时间的有效预测,将有助于减少滑坡灾害所造成的损失,因此,如何有效预测滑坡的发生时间是坡地地质灾害防灾减灾工作中极为重要的一环。通过非饱和土坡的算例,并结合试验槽试验的试验结果,探讨将边坡稳定分析应用于滑坡发生的时机预测可能面临的问题。结果表明:稳定分析所预测的边坡破坏时间与非饱和土的参数、初始基质吸力场的分布和非饱和土的强度准则关系密切。因此,仍需进一步研究和讨论,以期能更合理的应用稳定分析方法的结果,并作为边坡灾害预警的理论依据。

高土石坝地震动力响应特征弹塑性有限元分析

我国的高土石坝主要分布在水利水电资源最为丰富的西南地区,而这些地区多位于强震带,研究高土石坝地震作用下的动力响应特征对于大坝的设计和安全评价有着重要的意义。本文采用数值计算的方法来研究高心墙土石坝地震作用下的动力响应特征,采用理论构架更为完善的弹塑性模型-非线性方法进行高心墙土石坝二维和三维地震动力响应计算分析。通过和实际工程及传统粘弹性等效线性方法的对比分析,认为弹塑性分析方法能较好地反映土石坝在地震过程中的实时动力响应,在分布规律上比传统方法更为合理。

土工离心机振动台系统的发展研究

与普通的地面振动台相比,土工离心机振动台在研究岩土工程动力问题方面,具有巨大的优越性,因而在全世界得到了较快的发展,出现了不同种类的土工离心机振动台.为此,主要介绍了土工离心机振动台的发展类型及每种振动台系统的特点.

土工动力离心模型试验在边坡工程中的应用综述

总结了土工动力离心模型试验在边坡的地震响应、动力破坏机理、液化大变形和土与结构物动力相互作用等研究中的应用现状,提出了目前边坡动力模型试验中存在的问题,以及今后的发展方向。

MOOC和雨课堂混合式教学实践--以土力学和高等土力学课程为例

清华大学土力学课程组针对土木水利大类培养新模式,构建了基于混合式教学的土力学课程和高等土力学课程教学体系,设计和制作了多种不同课堂模式的基于混合式教学和雨课堂的教案,重点介绍了基于MOOC/SPOC和雨课堂的混合式教学模式及其实践。与传统教学模式相比,混合式教学模式增加了学生预习的时间,减少了课后复习和做作业的时间,总的学习时间保持不变。研讨时间的增加可帮助学生深入理解关键内容,严格执行上述步骤,学习效果改善明显。混合式教学方法积累的经验在疫情期间的远程授课中发挥了重要作用。

软弱岩体对西龙池上库1#副坝应力变形的影响分析

西龙池抽水蓄能电站上库1#副坝为沥青混凝土面板堆石坝,坝址地质地形复杂,有软弱岩层出露。本文采用E-B模型和Bursers粘弹性模型分别模拟堆石材料和沥青混凝土材料的应力应变关系,对该坝进行二维及三维应力变形有限元分析,计算结果较合理地揭示该坝在施工和蓄水过程中的受力和变形性状。本文对改善面板变形的两种软弱岩体开挖处理措施的效果作出了数值模拟和合理评价,为设计提供了参考。

降雨特性对土质边坡失稳的影响

通过降雨诱发土质边坡失稳的模型试验及已有研究成果来探讨降雨特性对边坡失稳的影响,并以此来选取出合适的雨量预警参数。研究结果表明:高强度降雨较易使边坡产生流滑破坏且冲蚀现象较为明显;而低雨强长历时的降雨较易使边坡深层土体的孔隙水压力增加,因此较易产生滑动型破坏且滑坡体的规模也较大;此外,降雨型滑坡存在"门槛累积雨量"。该研究成果揭示了降雨入渗对边坡稳定性的作用机制,并以此建议采用降雨强度与累积雨量作为雨量预警基准所需的参数,其中降雨强度参数可用时雨量表示,时雨量可用以衡量流滑型滑坡和泥石流灾害,而累积雨量则有助于评估滑动型滑坡的灾害。

基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响

在自然界和工程实践中遇到的土大多数是非饱和土,研究吸力对非饱和土抗剪强度的作用,对于工程实践具有重要的意义。通过压力板仪和直剪仪组合试验,探讨了击实土抗剪强度和基质吸力的关系。试验结果表明：凝聚力在饱和度为40%-60%时最大,而内摩擦角则随饱和度增加而有所减少。进一步对比土-水特征曲线与抗剪强度的关系,并整合前人研究成果,指出了非饱和土中吸力对其抗剪强度影响的规律。对于无黏性土,在边界效应区不产生假凝聚力,且内摩擦角不变;在过渡区与非饱和残余区,假凝聚力和基质吸力的关系存在峰值且变化较大,内摩擦角则随吸力增加而增加。对于黏性土,残余体积含水率所对应的最小吸力可能是影响抗剪强度的界限值,小于此吸力值,φb可近似为常数。但在非饱和残余区,凝聚力将随土状态路径的不同而变化。对于重塑土,凝聚力降低;而对于原状土,则凝聚力可能不变或增加。

土动力学与岩土地震工程

近年来,动力荷载引起的工程建设中的新问题给土动力学的研究不断注入新的活力,提出新的挑战,从而推动其发展和完善。文章简要回顾了土工动力测试技术、土体的动力特性与本构关系、土体液化、土石坝地震响应数值模拟、交通荷载引起的环境振动及长期沉降等方面的研究进展,并对一些需加强和深入的研究方向进行阐述。

大型高尾矿坝灾变机制与防控方法

大型高尾矿库隐患治理是"十三五"期间遏制重特大事故的重要任务和重点工程之一。高应力下尾矿材料的细观结构和宏观力学特性演化、大型尾矿坝沉积规律及复杂条件下高尾矿坝的劣化理论是其中的关键问题。为揭示尾矿细观结构特性,对尾矿材料进行了光学显微镜观察、电镜扫描和CT扫描处理,建立了尾矿材料的三维重构模型;为揭示高压下尾矿材料的力学特性,对尾矿进行了高应力三轴试验、高应力渗透固结联合试验,研究了高应力下尾矿材料的强度、渗透和固结特性;为揭示尾矿的沉积特性,进行了尾矿材料的大型模型试验,得到了矿浆流动、淤积形态、尾矿料物理力学性质的空间分布以及夹层结构在空间内的分布规律;为揭示高尾矿坝的失稳机制,通过理论分析与数值模拟,对高压下尾矿的强度准则进行了讨论,高尾矿坝的稳定性分析建议使用强度折减法;为揭示尾矿的排渗设施淤堵机制与服役性能,进行了尾矿-土工布渗透试验以及微观观测,发现细粒尾矿更容易产生物理淤堵,且化学淤堵程度与溶液中离子的种类和浓度有关;为了推进尾矿坝风险管控技术,搭建了尾矿库重大风险评估监测系统平台,以便实现尾矿库基础数据的提取、实时风险预警等智能化功能。通过以上坝体劣化理论研究、溃坝灾害评估与预警,提升了我国大型高尾矿库筑坝与灾害防控水平。