膨胀土流态固化改性试验与配合比研究

流态固化改性是弃方资源化新方式,有助于解决道路工程中异形或狭隘空间难以回填压实问题.选取南宁地区中等膨胀土弃方,与水、水泥及标准砂混合配制流态固化土试样并开展室内土工试验,分析掺配比对试样膨胀性、强度、流动度及泌水率的影响规律.结果表明:试样膨胀性由掺灰比和掺砂比决定,受水固比影响小,当掺灰比大于18%且掺砂比超过6%时,试样呈现非膨胀特征.无侧限抗压强度主要来自水泥水化作用,随掺砂比的增加呈先增大后降低的变化,掺砂比上限宜控制在10%;水固比增加导致强度大幅下降,水固比大于80%后干湿循环条件下的强度衰减趋势显著.初始流动度与水固比、掺砂比及掺灰比正相关,受掺灰比影响最小;试样拌合完成后的90 min是流动度损失的主要阶段,流动度损失率为23%~32%,随后变化放缓.泌水率取决于水固比,受掺灰比影响较小.基于试验规律,经归一化分析得到膨胀土流态固化改性配合比设计流程.

重力式挡土墙抗震稳定性检算最不利状态选取探讨

重力式挡土墙整体稳定性检算最不利状态选取对抗震设计有重要影响。针对加速度峰值、墙身外倾峰值、墙顶位移峰值三种典型挡墙抗震危险时刻以及常用“土压力峰值时刻包络”取值方法,以振动台模型试验揭示地震土压力取值结果差异性,基于重力式挡土墙ABAQUS有限元模型地震响应计算,分析各危险时刻墙背土压力取值及整体稳定性检算结果差异,提出抗震稳定性检算最不利状态建议。结果表明:(1)随地面峰值加速度和墙高增加,三种危险时刻地震土压力均呈现从非线性分布向近似正三角图式转化,合力及作用点高度整体上较现行抗震规范分别大49%和18%;(2)峰值包络法因不能反映墙-土运动主/被动状态和地震动传导时延特征,致使墙顶附近土压力取值结果过大,地震土压力合力较危险时刻大一倍且作用点偏高约25%;(3)墙身外倾峰值危险时刻的抗滑移稳定系数较其余两种危险时刻偏小14%~33%,且随地面峰值加速度增大反映出更明显的衰减敏感性,以此作为抗震稳定性检算最不利状态有利于结构安全与经济性协调。

考虑永久位移的锚索框架减震锚头弹簧组件合理刚度研究

强震作用下预应力框架锚索可能出现内锚段松脱、锚索拉断等震害,在锚头处设置弹簧是一种新型抗震措施,而弹簧刚度的合理选取对改善锚索受力至关重要。建立在锚头处设置弹簧预应力锚索框架的加固基岩-覆盖层边坡三维数值模型,研究边坡在不同峰值加速度、不同持时地震波作用下响应规律,调整锚索-弹簧串联体系等效刚度大小,分析坡体永久位移和锚索轴力减载比随弹簧刚度的非线性变化特征;以控制边坡位移及锚索减载效果为目标,提出弹簧组件的合理刚度确定方法。研究表明:随弹簧刚度降低,缓冲减震作用逐渐显著;坡顶水平加速度受刚度变化影响较小,但当弹簧刚度低于临界值后边坡位移及弹簧变形量急剧增加;以边坡永久位移实际调查经验限值为首要控制条件,结合位移、弹簧峰值行程随刚度变化拟合“直-曲分界点”曲线,以共同确定弹簧刚度下限;同理,依据减载比拟合曲线轴力削减明显区段得出刚度上限,以保证一定工程经济性。针对算例模型取永久位移10 cm、拟合曲线曲率k小于0.002 k max作为直曲分界判断依据,得0.4 g~0.6g强震下弹簧刚度区间为(2.5,3.8)kN/mm,研究方法可为边坡预应力锚固工程抗震设计提供参考。

传递函数分析在边坡振动台模型试验的应用探讨

传递函数分析对获取振动系统的动力特性参数及估算动力响应具有重要意义。边坡地震模拟振动台模型试验可求算两种传函:反映边坡各点的场地地震动特征的绝对加速度传函(基于测点实测加速度时程)和反映坡体本身振动性质的相对加速度传函(基于测点与坡脚即台面间的实测加速度相对时程)。以弹性体振动方程分析和试验实测,探讨了边坡振动台模型试验中动力特性参数计算的传函选择和以传递函数对动力响应的估算,得出结论:(1)不同于机械模态分析(以绝对传函的模和虚部计算动力特性参数具有等价性),对于边坡模型试验,绝对传函实部和模混入了台面加速度影响,以绝对传函虚部或相对传函虚部才能正确计算动力特性参数;(2)传递函数和台面输入波形Fourier谱的逐频相乘得到动力响应估算谱,与测点实测响应Fourier谱吻合较良好,这种估算方法有助于对不同地震波作用下的边坡动力响应作出总体评价,并指导模型试验中地震波形的合理选取。

黏性土桩间土拱效应计算与桩间距分析

土拱效应是安全经济地发挥抗滑桩等非连续支挡结构的支护功能的重要前提,桩间距与成拱作用密切相关。利用合理拱轴线几何特征与受压破裂角方位,通过力学概念分析,将黏性土土拱计算的平衡条件和强度条件综合简化为以拱脚处拱圈轴向压应力表达的形式。继而从最少且最易获得的土工材料参数(内聚力c、内摩擦角φ)出发,根据轴向压应力与矢跨比函数关系,利用摩尔-库仑强度准则,推导了拱曲线与桩间距上下限的简便计算式,再以此进一步探讨了考虑土拱效应三维稳定的桩间距校核,并以工程实例验证,以对土拱效应的估算提供简便清晰的计算方法。

锚索桩的主动支护作用及桩身初始内力分析

预应力锚索桩在桩身施工完毕且锚索施加了初始预应力时,因滑坡推力未及作用于桩上,初始预应力即刻对受荷段桩背的岩土体产生迎滑动方向反推的一种主动支护效应,同时使桩身产生初始内力。基于受荷段桩背岩土水平反力模数为常数的单向Winkler弹性地基梁模型,以及嵌入段桩周岩土水平反力双参数模式的Winkler弹性地基梁模型,以受荷段桩身挠曲线的有限差分式与嵌入段挠曲线的解析通解改进式在滑面处的协调条件联立,推导了锚索初始预应力所产生主动支护效果的半解析定量计算和桩身初始内力求解方法,该方法有助于建立应急抢险或施工期,锚索桩工程对滑坡稳定性及时作用的评估。

地震扰动下边坡的浅表动力效应与锚固控制机理试验研究

针对汶川震区国道213线都江堰-映秀段道路边坡崩滑和岩土损伤深度所表现的地震扰动浅表动力效应现象,通过大型振动台模型试验,对浅表效应产生机理及防护工程锚固控制机制进行了初步研究。试验采用高2.1m的砂粘土单面坡模型和3种地震波形,定量分析对比了0.253g、0.471g强震作用下3种典型高度原型边坡坡表与坡体内部的加速度放大率、动应变、振动主频等动力学响应量。由试验结果知,坡表的加速度放大率和振动主频平均较同高程坡体内部约大40%和45%,坡表的动剪应变及其与坡体内部间的动拉压应变量值显著,0.471g地震下峰值甚至高达6.5×10-3和2.2×10-3,均接近土体的极限应变。边坡浅表动力效应体现于浅表层与坡体内部间的不协调运动,拉-压动应变将产生剥离拉应力;同时与浅表层岩土动剪应变的反复揉搓作用相叠加,浅表层损伤积累及触发崩滑。对此,进一步通过锚固边坡与自然边坡的振动台模型试验对比,初步探讨了浅表动力效应的锚固控制机理,发现锚固结构能有效抑制坡表的加速度放大,提高坡体自振频率,试验中锚固边坡坡顶处加速度放大率较自然边坡小约15%～35%,自振频率提高近39%。分析锚固控制机理得:锚固后坡表自振频率提高,减轻地震波激励下的共振作用;锚固结构穿过浅层损伤破坏面将坡体内部与坡表连成整体,消除两者的不协调运动;锚固力抵消地震波在坡表反射造成的拉裂。论文研究可为汶川震区震后次生崩滑物源条件分析及边坡灾害防范深度提供一定的参考。

边坡振动台模型实验动位移的加速度时程积分探讨

受数据采集条件限制,振动台模型实验的速度和动位移时程一般由实测加速度时程信号进行积分得到。通过理论分析和实验实测数据计算,认为动位移的频域积分法误差来源是低频截止频率的选取,特别当低频频率接近零时,传统二阶频域积分可产生较大的动位移低频振荡和峰值误差。提出利用时域与频域混合的方法,即频域-时域混合积分法,来克服积分过程带来的误差,其在对加速度两次积分中,分别进行一次频域积分和一次时域积分。地震模拟振动实验的台面实测加速度数据积分与台面动位移计实测数据的对比表明,较之传统的二阶频域积分,采用频域-时域混合积分时误差可明显减小。

锚固段侧阻力分布的一维滑移-软化半数值分析

工程实际表明,预应力锚索(拉力型)锚固段侧阻力的沿程分布多呈单峰上凸曲线,而较多解析推导及半数值分析采用锚固体与孔壁界面的严格全程黏结假设,其计算结果难以解释这一现象。对此,以岩土介质的半无限弹性体假设为基础建立一维力学模型,利用半无限体Mindlin问题的位移解析解,以半数值法求得岩土体与锚固体的孔壁界面位移差值。通过引入侧阻力与位移差值的滑移-软化模型关系,对锚索锚固段的侧阻力分布进行半数值求解探索和算例讨论。相对于锚固段严格全程黏结假设,考虑孔壁界面侧阻力滑移-软化特性更符合实际情况,在张拉力作用下,锚固段始端一定范围的滑移使该区段侧阻力降低,应力向深处转移调整,从而形成侧阻力分布的单峰曲线。

锚索桩设计计算的几个力学问题及有关概念探讨

分析探讨了锚索桩设计计算的几个力学问题及有关概念。传统上对于桩身嵌入段的计算,须根据桩身与桩周岩土的相对刚度划分为刚性桩和弹性桩两种不同的计算模型,并各自对应不同的算法及计算公式,通过对两种模型计算式的数学极限分析表明,刚性桩模型算式仅为弹性桩计算法中将嵌入段的桩身刚度取很大值下的特例,两种模型算法在力学本质上是统一的。由锚索桩嵌入段分别按弹、刚性桩模型算式的位移、转角的对比分析可知,基于弹性桩模型计算出的锚索受力大于按刚性桩模型,以弹性桩模型进行锚索设计偏于安全,而嵌入段的换算长度取1.3("m法")或0.8("常数法"),从工程设计角度方可作为刚/弹性桩模型的划分判据,此时两种模型的最大位移或转角差别才小于5%。桩上锚索倾角的力学效应除矢量分解作用影响水平锚拉力大小外,更重要的是将影响锚拉点处的水平约束刚度,进而改变锚索桩超静定结构的受力分担,因此锚索最优倾角的选取可使较好地控制桩身位移且降低锚索初拉力得以兼顾。力图令桩身正负弯矩峰值大致相等的所谓"平衡设计原则"实际上具有较强条件性,须依赖于锚索既要初拉力合适又能在正常工作状态下具备足够大的锚拉力。

溜砂坡动力学特性实验及防治

溜砂坡是川藏公路中段较为严重的一种山地灾害。本文在自组织临界性理论的概念框架下,通过干燥沙石散粒体临界态单面坡沙堆实验,对溜砂坡的坍滑动力学特性进行了探索。实验发现,颗粒均匀的沙坡出现正态分布的、准周期的大规模"雪崩",而颗粒非均匀的沙坡的坍滑重量表现为难以界分的、多样化的负幂率分布,大规模坍滑的绝对规模较小,呈现自组织临界行为。基于自组织临界性系统具有的普适性,提出了溜砂坡"频率-规模"关系等灾害演化的初步规律。溜砂坡坡顶来沙和坡脚制约作用削弱,是造成坍滑发展的主要原因。针对坍滑的"牵引式"形式和实际工程条件,设计了一种能稳定溜砂坡坡脚、对基础条件要求低的新型支挡防护结构。

非均匀散粒体自组织临界性机制初探

通过干燥沙石散粒体临界态沙坡实验,证实了沙石颗粒组成的非均匀系数是影响散粒体坡面崩塌自组织临界性的重要因素。利用大型粗颗粒实验系统,进行了不同非均匀系统散粒体沙石相对密度和直剪测试,以此对散粒体自组织临界性的形成条件和机制进行了初步分析。根据随着颗粒非均匀程度增大,堆积体的颗粒堆积结构渐趋复杂,颗粒间运动摩擦阻力增大的实验现象,提出观点非均匀散粒体系统的物理力学性质具有失稳状态多样性和能量耗散加剧的特点,使扰动-反馈的放大作用被抑制,从而能够保持整体结构稳定,因此,大尺度的系统也可以呈现自组织临界性现象。

考虑孔壁界面滑移-软化的预应力锚索锚固段侧阻力分布

较多理论分析得到锚索锚固段侧阻力的沿程分布呈下凹衰减曲线,与工程实际的单峰曲线差异很大,缘其全程粘结、共同变形假设不甚合理。作者采用简便的荷载传递法,分析了全程粘结所满足的变位协调条件,导出了滑移临界荷载判别式。分析认为,由于孔壁界面滑移的软化效应,侧阻力曲线始端变为上升曲线。因此侧阻力曲线由两部分组成:侧阻力峰值之前部分为始端滑移段,呈上升曲线;而侧阻力峰值之后的部分为粘结段,呈下凹衰减曲线。在锚固的理论分析中,应对界面滑移及软化因素对侧阻力分布的影响予以足够重视。

反倾层状岩体斜坡弯曲-拉裂两种失稳破坏之判据探讨

对反倾层状岩体斜坡弯曲-拉裂的失稳破坏判据,已有研究分别基于两种力学模型进行推导,即竖直压杆弹性屈曲稳定和平直梁弯折破坏模型,但对层间错动阻力及挠度产生附加弯矩等因素未加以考虑,不尽合理。在反倾斜坡岩层受力分析基础上,建立考虑了板侧层间错动阻力的下端嵌固、上端自由的斜置等厚弹性悬臂板梁模型,统一地通过瑞利-里兹能量方法,推导了弹性屈曲临界条件和嵌固端弯折破坏临界条件。实例计算及讨论表明,弹性屈曲判据适用于陡立岩层;而中-陡反倾岩层应主要为弯折破坏,但层间的力学性质对弯折临界判据值具有较大影响。

基于振动性态和破坏相似的边坡振动台模型实验相似律

鉴于岩土动态性质复杂及地震模拟振动台尺寸较大,边坡振动台模型实验采用原型工点采样岩土材料制成模型.模型实验相似律不仅应确保由共振频率与行波效应所体现的振动性态相似,同时应尽可能对变形破坏行为进行相似模拟,即做到破坏强度和应力水平相似.相似律关键在于保证原型、模型的按参考应变归一化后的应变比一致,因为岩土体本构关系呈软弹簧非线性,归一化应变比不仅决定对应的相对应力水平,更重要的是影响着共振频率.基于Mohr-Cou lomb破坏准则和双曲线动本构模型恢复力骨干曲线,提出在保持归一化的剪应变比一致条件下,兼顾振动性态和破坏相似的振动台模型实验相似律:由土体初始剪切模量随埋深的幂函数变化规律,按振动性态相似原则确定台面输入地震波波形的时间压缩比,再以岩土材料的强度参数(c,φ值)按破坏相似原则确定台面输入波形的幅值比,得到各主要物理量的相似律.

小样本岩土参数下土质边坡可靠度分析的条件概率法

岩土勘察取样数量有限是土工参数统计不确定性的重要来源,小样本条件下参数估计偏差向可靠度计算环节传递,导致分析结果呈现不确定性。针对小样本岩土参数X,围绕样本平均值X珔构造具有不同随机偏离程度的一系列假想参数总体均值μ*,以μi*的不同取值为发生条件P(Bi)、对应的可靠度计算结果Pfi为条件概率P(A|Bi),基于Bayes全概率公式,建立了小样本岩土参数下计算边坡失效概率P(A)的条件概率分析方法。研究表明:参数正态总体的样本数量有限条件下,以t分布函数对总体均值μ发生抽样估计偏差(X-μ)的概率进行量化,以此作为权值对可靠度条件概率进行修正,得到更趋近可靠度真值的分析结果;由简单土坡算例验证,较之将样本平均值X替代总体均值μ进行可靠度计算的传统直接代入法,条件概率法能减小因参数估计偏差导致的计算结果离散性,一定程度上可提高小样本岩土参数下的边坡可靠性分析精准度。

层状结构岩体顺层斜坡滑移-弯曲失稳计算探讨

中-陡倾顺层斜坡在下端被阻挡及嵌固时可能产生滑移-弯曲型结构变形与屈曲失稳,但以前失稳分析采用的力学模型的边界条件及变形形态对地质原型的符合性较为不足。因顺层斜坡上部平直段与下部屈曲段是一个连续的整体,弯曲段边界条件及变形形态的合理对正确建立挠曲线方程和临界屈曲失稳分析均非常重要。在分析了顺层斜坡地质原型变形形态的基础上,由考虑自重的阻滑端固定的斜置等厚弹性板梁模型,提出了以地质原型变形形态抽象出相应边界条件的分析方法,及理论上求解挠曲线的适定三阶微分方程。鉴于弯曲段长度可现场测知,以所分析的边界条件拟定了简便合理的、曲线形态能较好反映地质原型变形形态的多项式近似挠曲线。通过势能泛函的平衡稳定判断方法,滑移-弯曲破坏的临界条件得到确定,失稳临界弯曲长度计算式较符合工程实际。

溜砂坡防治工程安全系数实验探索

采用干燥沙石散粒体临界单面坡沙堆坍滑实验,对颗粒均匀和较大非均匀度沙石建造的临界坡面的坍滑动力学特性进行了探索.颗粒均匀的沙堆坡面出现准周期、大规模的沙石"雪崩",坍滑重量符合统计的正态分布。而非均匀度较大沙堆的坍滑规模呈现多样化的负幂率分布。从理论上探讨了这2种动力学特性对坍滑的概率风险度以及防治工程可靠度的影响关系。结合实验结果分析认为,当坍滑灾害发生概率α减小情况下,颗粒非均匀溜砂坡的防护工程所需考虑的外荷载安全系数迅速增大,并将逐渐大于颗粒均匀的溜砂坡。尤其在α较小,即对工程可靠度要求较高的情况下,安全系数的增大更为显著。

Mindlin位移解推求锚固段侧阻力分布方法中的奇异性问题

基于弹性半无限空间的Mindlin位移解推求锚固段侧阻力分布,是一种力图以数理力学理论模型严格推导的研究思路,但不同解法间结论相异,与工程实际也相差较大。针对其原因,通过建立普适的求解侧阻力的积分方程进行理论分析。发现Mindlin位移解所具有的数学奇异性影响突出,在积分方程的数值求解中不能直接消除,虽以设置带取值任意性的最小微间距或以在锚固体横截圆面上积分的荷载转换方法可加以避免,却难以实现严格数理力学推导的初衷。而解析手段因引入了3个简化假设,虽数学求解上克服了奇异性困难,但使力学模型发生了失真,推导的结果仅属于特定定解条件下的数学表象。针对理论上以剪应力互等定律推断出锚固段始端侧阻力应为0,与工程实际间的矛盾,提出锚固段始端角点的应力可以是非对称的,以传统的剪应力互等定律来推断该局部区域的应力状况不尽合理。

溜砂坡滑塌特性及内在演化结构实验探索

溜砂坡滑塌特性与内在演化结构的认识,有助于对该高寒地区山地道路灾害的防治与预报。通过非连续与连续加沙两种形式的干燥沙石散粒体临界态单面坡室内模型实验,初步探索了溜砂坡的滑塌规模统计特性与演化动力学规律。发现其受颗粒级配非均匀度影响而异差异很大。非均匀沙堆呈现明显负幂率分布统计特点。对滑塌演化动力学的相空间分析进一步揭示,非均匀沙堆的演化结构复杂,动力学吸引子分维数较大;而均匀沙堆演化结构相对简单,体现准周期特点,可以自相关分析进行主周期预测。利用小波变换,分析了非均匀沙坡滑塌演化的复杂内在结构,即演化过程由不同周期、不同规模的滑塌-回复过程复合而成。尝试以选择合适预报精度进行时间尺度变化,用小波系数截线对演化活跃周期初步估计。