微膨胀泥岩地基原位水分入渗响应特征试验研究

红层泥岩的膨胀性和水敏性对地区公路、高铁的建设和工后变形控制构成了长期潜在威胁。为此,依托甘肃兰州一红层泥岩路堑段,开展了微膨胀泥岩地基原位水分入渗响应特征试验,分析泥岩地基膨胀变形量、膨胀力和体积含水率时空演化规律,并讨论了室内试验和原位试验的差异性。研究结果表明:红层泥岩地基水分入渗形式包括裂隙流和孔隙流,水分场具有明显的时空分布不均匀性,岩体裂隙对渗流、膨胀具有促进作用。入渗过程中泥岩吸水膨胀具有显著的时效性,原位地基膨胀量和膨胀力均经历骤增、减速增长和缓慢增长阶段,并未能达到收敛,浸润峰后泥岩表面逐渐软化甚至泥化,会导致地基承载力下降。室内试验对原位泥岩的水分入渗响应特征反映有限。

红层泥岩填料的力学特性及本构模型研究

在红层泥岩地区进行道路工程施工时,考虑到材料短缺和成本问题,常常采用就地取材的方式作为路基填料。为了研究红层泥岩填料的适用性,选取甘肃省永登县某工点的风化红层泥岩填料为研究对象,在室内开展一系列三轴CU剪切试验,探究含水率、围压和压实度对应力-应变曲线、峰值(残余)强度、抗剪强度指标的影响,并对不同类型的应力-应变曲线,分别采用相应的模型进行拟合。研究结果表明:含水率、围压和压实度对其物理力学特性具有显著影响;对符合应变软化型规律的曲线,采用沈珠江的双曲线模型拟合的规律一般;对符合应变硬化型规律的曲线,采用Duncan-Chang模型拟合的规律较好。研究结果可以为甘肃省红层泥岩路基的病害处治与维修提供参考依据。

高速铁路微膨胀泥岩破碎土非饱和渗透特性研究

非饱和渗透系数是非饱和膨胀泥岩土体渗流分析及水-力耦合研究的基础,对工程建设和工程病害预防具有重要意义。以新疆哈密地区微膨胀泥岩破碎土为例,制备4种不同初始干密度重塑土样,采用压力板法和滤纸法试验测量其土-水特征曲线,采用变水头试验测量土样饱和渗透系数;通过自主研制的土柱渗流试验装置进行恒定体积条件下一维土柱入渗试验,探究湿润锋前进法和瞬态剖面法的适用性,以获得不同初始干密度土体的非饱和渗透性曲线,并结合试验值对Childs和Collis-Geroge (CCG)渗透系数预测模型进行修正。结果表明:新疆哈密微膨胀泥岩破碎土的基质吸力范围为1~10^(5)kPa,渗透系数范围为10^(-9)~10^(-4)cm·s^(-1);试验土样初始干密度越大,大孔隙占比越小,阻渗作用越明显;CCG渗透系数预测模型可较好地反映土体渗透性曲线发展趋势,但在量值上随吸力的增加逐渐“远离”土体实测渗透性曲线;修正后的CCG渗透系数预测模型可反映不同初始干密度下土体渗透性曲线的发展规律。

水平瞬态荷载作用下桩土动力相互作用研究

为研究桩基在桩-土界面连续条件下,桩顶受撞击等水平瞬态荷载作用时桩基位移响应、桩-土界面动力响应和桩周土的应力分布规律,根据Biot理论和Novak平面应变假定,采用Euler梁建立桩-饱和土耦合振动的平面应变简化模型,利用Laplace变换和势函数分解求解系统动力控制方程.针对桩-土系统在水平三角形冲击荷载作用下的振动状态,着重对桩基位移响应、桩-土界面和桩周土的动力响应开展时域分析.研究发现:桩-土系统的位移场响应滞后于应力场响应;桩土模量比越小,桩-土界面有效径向应力、切应力及孔压响应越显著;土体渗透系数减小引起桩-土界面孔压增大,导致有效径向应力减小,桩-土界面处切应力几乎不受渗透系数变化的影响;渗透系数较大时,桩周土孔压分布较分散,最大有效径向应力出现在桩-土界面附近;渗透系数较小时,桩周土孔压分布较为集中,最大有效径向应力则出现在桩-土界面较远处.

红层泥岩填料蠕变特性及分数阶五元件非线性蠕变模型研究

为揭示红层泥岩填料的蠕变力学特性,对甘肃红层泥岩填料开展分级加载三轴CU蠕变试验,分析不同含水率和偏应力水平下红层泥岩填料的轴向蠕变、蠕变速率、应力-应变等时曲线等蠕变特性。基于红层泥岩填料蠕变曲线特征分析,引入分数阶微积分,构建适用于甘肃红层泥岩填料的分数阶五元件非线性蠕变模型,并对模型参数进行辨识和分析。研究结果表明:甘肃红层泥岩填料存在明显的蠕变特性,呈非线性衰减蠕变,随含水率与偏应力水平增大,蠕变变形明显增大;应力-应变等时曲线呈现出非线性特征,存在明显拐点,甘肃红层泥岩填料的长期强度为瞬时强度的0.6~0.8;所构建的模型可以准确地描述甘肃红层泥岩填料的蠕变特性,对试验结果的拟合效果明显比Burgers和Merchant模型拟合效果好。

弹簧地基上大直径单桩海上风机的一阶自振频率

自振频率是海上风机前期动力设计的主要难点之一,计算精度要求极高,而桩-土相互作用对自振频率影响显著。目前,针对桩-土相互作用普遍采用弹簧地基简化模型,为对比分析不同弹簧地基简化模型的准确性和精度,本文采用回传射线矩阵法,建立固定端、单弹簧、双弹簧和三弹簧这4种地基简化模型,基于Bernoulli-Euler梁理论和Timoshenko梁理论,求解风机系统的自振频率,并与风机基频实测值作对比,进一步分析三弹簧简化地基模型中地基旋转刚度、地基耦合刚度和地基水平刚度对风机系统基频的影响。研究结果表明,桩-土相互作用不可忽略,三弹簧地基简化模型计算风机系统基频精度最高;地基刚度对风机系统基频的敏感性次序为,地基耦合刚度>地基旋转刚度>地基水平刚度;当地基旋转(水平)刚度较小时,地基耦合刚度与地基旋转(水平)刚度的耦合效应对风机系统的基频影响较大;地基耦合刚度与地基旋转刚度的耦合效应对风机系统基频的影响程度大于地基耦合刚度与地基水平刚度的耦合效应。

粉煤灰改良红层泥岩填料静三轴试验研究

红层泥岩的吸水软化和体积膨胀特性易造成路基翻浆冒泥现象及路基不均匀沉降等病害,在作为公路路基填料时应对其进行改良。本文选用粉煤灰作为改良剂,通过室内X射线衍射试验、化学成分测试和易溶盐等试验,分析红层泥岩和粉煤灰的成分组成及离子含量;通过无侧限抗压强度试验、室内变水头渗透试验和固结等试验分析了试样改良前后物理力学特性;通过常规三轴UU试验,研究了不同粉煤灰掺量对改良试样剪切应力-应变及抗剪强度的影响;分析了粉煤灰掺量为10%时,养护龄期对改良试验抗剪强度参数的影响。结果表明:该地区红层泥岩属低液限黏土,其易溶盐溶液中的SO42-离子含量最高,pH值呈碱性;三轴剪切试验中,改良和未改良试样均呈塑性破坏,试样粉煤灰掺量和龄期均对试样抗剪强度提高具有促进作用,且黏聚力增长幅度远大于内摩擦角;粉煤灰掺量为10%龄期28 d时,试样黏聚力较未改良未养护试样和10%掺量未养护试样分别提升37.9%和6.9%,内摩擦角分别增大了1.2°和0.7°。试样的静力学试验均验证了粉煤灰改良的可靠性。

矿渣微粉改良红层填料的力学特性及其机理分析

为研究矿渣微粉改良红层填料的力学特性及其作用机理,通过无侧限抗压强度、直剪等试验,对不同矿渣微粉掺量下的红层填料进行了强度特性分析,并采用X衍射、热重分析、红外光谱、激光粒度、核磁共振和扫描电镜等微观分析方法,围绕矿渣微粉改良土体的作用机理进行了研究。试验结果表明,矿渣微粉对红层填料的力学强度和水稳定性具有较好的改良作用,改良填料的无侧限抗压强度由0.76 MPa逐渐增大至3.10 MPa;黏聚力与内摩擦角也得到了显著提高。通过红外光谱、激光粒度和核磁共振分析发现,改良填料颗粒间Al^(3+)阳离子配位的振动峰增强,降低了黏土矿物的双电层厚度,土颗粒团聚性显著增强,孔隙分布得到优化;通过X射线衍射和热重分析证明了水化产物的生成过程;扫描电镜观测到改良填料的具体作用机理:主要为填充效应和胶凝效应,其胶凝效应包括水化作用和离子交换作用。对微观扫描图的定量化分析进一步表明土体结构复杂程度增大,颗粒粗糙程度及骨架性增强。

时变载荷作用下饱和黏土地基的流变固结特性研究

基于Biot多孔介质理论,利用分数阶Kelvin模型描述土骨架流变效应,引入斜坡、三角形和梯形载荷的时空域解析函数,构建时变载荷作用下饱和黏土地基的三维轴对称固结模型.采用Hankel–Laplace联合变换和张量运算推导控制方程的变换域解析解,利用数值反演得出时空域解.通过算例分析,对模型和计算方法的有效性进行验证,并研究了3种时变载荷作用下饱和黏土地基的流变固结行为和参数影响规律.结果表明,饱和黏土的次固结沉降更为显著.土骨架流变性对孔隙水渗透具有抑制作用,使土体在主固结阶段沉降速率减缓,次固结阶段沉降速率加快,而且长期沉降量增大.加载速率越大,孔隙压力峰值越大.卸载阶段土体发生变形恢复,土骨架弹性扩张产生负孔压,卸载速率越大,产生的负孔压越大.土骨架流变性越强,变形恢复量越小,产生的负孔压也越小.载荷类型和加载路径主要影响固结过程中位移和孔压随时间的变化形态,而土骨架流变性影响土体的长期沉降量.

截面型式及槽宽比对高填明洞土压力影响分析

利用离散元软件PFC2D,考虑到土体的离散性与不均匀性,通过分析洞顶平均竖向土压力、内外土柱相对沉降差以及颗粒间接触力链的变化规律,探讨截面型式(矩形、1/4拱形、1/2拱形)及槽宽比(B/b=1.5∶1,2∶1,3∶1,4∶1)变化对高填黄土明洞土压力的影响,结合顾安全公式,分析高填明洞沉降差与土压力间的函数关系,并修正该函数,使其可以适用与不同的截面型式与槽宽比下的高填明洞。结果表明:(1)B/b确定,明洞采用矩形截面时,接触力链在洞顶分布,平均土压力更大,明洞采用拱形截面时,平均土压力更小,但拱顶存在局部应力集中现象;(2)明洞截面型式一定,随着B/b的增大,洞顶平均竖向土压力与沉降差均随之增大,当B/b较小时,边坡作用增强,外侧土柱沉降降低,对内土柱的作用力变小,从而导致明洞顶竖向土压力更小;(3)内外土柱沉降差与附加土压力呈线性相关,相对于矩形截面,拱形截面下较小的沉降差会产生相同的附加土压力,更有利于结构的稳定。

循环荷载作用下分数阶饱和黏土地基的动力固结分析

在Biot固结理论框架下,利用分数阶Kelvin模型描述土骨架流变效应,考虑孔压消散和土骨架流变的耦合作用。通过建立周期性循环荷载的时空域解析函数,在柱坐标系下构建半空间饱和黏土地基的三维轴对称动力固结控制方程。采用Hankel-Laplace联合变换及张量运算推导控制方程在变换域的解析解,然后利用数值反演得出物理场的时空域解。通过算例分析,对循环荷载作用下饱和黏土地基的动力固结特性开展研究。结果表明,饱和黏土在主固结阶段的沉降速率较慢,而次固结阶段的沉降速率加快;循环荷载作用下,土骨架流变性越强,土体的累积沉降发展越快,土体位移波动幅值随黏性阶数的增大而减小,而且黏性阶数越大位移滞后性越明显;土骨架流变性导致孔压响应滞后于有效应力,孔压与有效应力的螺旋曲线发生水平移动;在循环荷载的卸载阶段,正应力随外荷载的减小而减小,但切应力随之增大,土体因发生剪胀现象而产生负孔压。

单桩式近海风机横向基频的微分变换法求解

精准求解海上风机(OWTs)系统基频是海上风机结构研究的关键性难点之一。基于Euler–Bernoulli梁和Timoshenko梁理论,考虑风机塔筒变截面特性,根据是否考虑桩-土相互作用,分别建立底部弹簧模型与底部固接模型,采用微分变换法计算风机变截面梁横向振动方程,利用MATLAB软件求解风机系统基频。通过与实测结果进行比对,验证本文方法的有效性和精确性,并分析计算项数、塔筒高度、锥度比、弹簧刚度对风机基频的影响。研究结果表明,当计算项数为10及以上时,利用微分变换法计算基频满足精度要求;风机基频对塔筒高度变化的敏感性强,当塔筒高度增加时,基频下降趋势显著;变截面梁锥度比降低使塔筒底部直径变大,进而导致风机基频有所提升;考虑弹簧地基系统的风机基频随任一弹簧刚度的增加而提升,其中耦合弹簧刚度对风机基频的影响程度最大。

有损伤框架结构中的波动分析

基于回传射线矩阵法 ,研究了有损伤框架结构在水平方波脉冲作用下脉冲作用点的速度波 ,结构的局部损伤用减小受损单元的横截面面积来模拟。结果表明 :改变脉冲作用点位置 ,通过脉冲作用点横向速度波首波波幅的变化可以确定受损单元的起始位置 ;当脉冲作用点在受损单元的起始位置时 ,脉冲作用点横向速度波首波波幅变化越大 ,损伤越大 ,脉冲作用点横向速度波的第一个波谷到达时间越晚 ,损伤单元越长。

埋置框架质量检测的探讨

提出了埋置框架的回传射线矩阵法,研究了方波脉冲轴向作用、水平作用和斜向作用下有缺陷埋置框架和无缺陷埋置框架的速度波．结果表明:横向速度波不能识别埋置框架的基桩缺陷,轴向速度波可以识别,而且基桩缺陷信号很强烈;脉冲水平作用不能识别基桩缺陷,轴向或斜向作用可以识别．

一种基于模糊数学的桩基质量综合评定方法

提出一种桩基质量的模糊评定方法 ,该方法的特点是 :用类比法对非定量因素定量化 ,建立隶属函数 ;根据各因素之间的重要性 ,用层次分析 ( AHP)法确定因素权重 ;采用加权平均模型作为综合评判模型 ;用非对称贴近度法划分桩基质量等级 ;

两水隧道地应力测量及三维地应力场多元回归分析

文章针对兰渝铁路两水隧道选择1个测孔、7个试验段进行水压致裂地应力测量。测试结果表明两水隧道的现今应力场以水平应力为主导,应力量级属于极高应力水平。最大主应力方向为N80°W^EW,与区域构造应力场方向一致。该测点的最大水平主应力方向与隧道轴线方向夹角较小,利于隧道围岩稳定。结合实际的地质条件和地层参数,在实测地应力结果的基础上,建立隧道区两个大规模三维计算模型,通过有限元分析软件ANSYS对重力、水平挤压和剪切等4种工况的自重应力场和构造应力场分别进行数值计算,根据多元回归方程,宏观扩展分析两水隧道区域的原岩地应力场。分析结果表明,两水隧道大部分区段的水平横向地应力值为7.0~9.0 MPa、水平横向侧压力系数为1.0~1.5。宏观地应力场的分析结果对工程设计与施工具有重要参考价值。

基于回传射线矩阵法框架结构的损伤检测研究

利用回传射线矩阵法,本文对方波脉冲作用下的框架结构进行损伤诊断研究。结构的局部损伤用减小受损单元的横截面面积来模拟。比较了有损伤框架结构与无损伤框架结构脉冲作用点的速度波,分析了损伤位置、损伤程度和损伤区域对脉冲作用点速度波的影响。结果表明,方波脉冲斜向作用时,脉冲作用点轴向速度波曲线可准确判别损伤存在,确定损伤程度、损伤位置和损伤区域,回传射线矩阵法是一种很有潜力的损伤识别方法。

木寨岭隧道三维地应力场多元回归宏观拓展分析

以实测地应力结果为基础,结合实际地质条件以及地层参数,采用3D有限元多元回归分析方法,对木寨岭隧道区域的原始宏观地应力场进行宏观拓展分析,特别是F11,F12,F13,F14,F14-1,F14-2等断层及其附近的应力状况.宏观地应力场的分析结果表明,断层处横向应力明显增大,而且断层中部的横向应力大于断层两侧,呈现出中间高两头低的应力分布现象.宏观地应力场的分析结果对工程设计与施工具有重要参考价值.

均质土中部分埋入变模量桩的波动响应研究

基于回传射线矩阵法,求得单位脉冲作用下均质土中部分埋入任意段变模量桩的桩顶速度导纳,利用Fourier逆变换和卷积定理得到瞬态半正弦激振力作用下的桩顶时域速度响应。比较部分埋入变模量桩与部分埋入完整桩的桩顶速度导纳和反射波,分析缺陷长度和埋深、缺陷程度和脉冲持续时间对部分埋入变模量桩桩顶速度导纳和反射波的影响。结果表明:部分埋入变模量桩的反射波有延迟现象,缺陷长度和程度影响速度导纳曲线中波峰波谷对应的频率值,缺陷埋深对其没有影响。

南疆铁路路基填料改良盐渍土的盐胀冻胀试验研究

结合南疆铁路路基病害整治工程,从就地取材、经济可行的原则出发,利用氯化钙、消石灰、水泥和粉煤灰等掺合料,确定6种改良方案,进行改良盐渍土的盐胀冻胀室内试验研究,并与重塑土作比较,为最优改良方案的确定提供依据.试验结果表明:盐渍土中掺入氯化钙或氯化钙和石灰能有效缓解盐胀冻胀的发生,掺入水泥、粉煤灰和石灰没有盐胀冻胀现象.该结论与现场试验段相一致.