基于SEM的土体微观结构三维分析与分维计算方法

土体微观结构研究很早就建立了三维空间的分形模型,但分形维数计算所需参数很难由常规土工试验得到,限制了分形理论在土体研究中的应用。基于陕西定边与甘肃兰州原状土样的扫描电镜(SEM)试验,提出了三维化处理与三角形网格原理联合方法,可以得到土体颗粒(孔隙)不同测量尺度对应的表面积与体积计算值,由此实现分形维数的计算,并通过分形理论在土水特征中的应用验证了方法的有效性与可靠性。另外,三维化处理还可获取视孔隙率、比面等土体微观结构参数,可以作为土体微观结构定量分析研究的新途径。

微生物加固技术研究进展

生物加固是工程地质领域近年来发展起来的一个新分支,微生物诱导碳酸钙沉淀(microbially induced calcite precipitation,MICP)加固技术是常用的方法之一。MICP加固技术是借助自然界广泛存在的微生物,利用其代谢活动诱导产生具有胶结作用和充填作用的碳酸钙沉淀,从而达到提高土体强度、降低土体渗透性、改善土体工程性能的目的。近20年来,MICP加固技术在理论研究、模型试验及现场试验方面已取得了许多重要成果。为推进对MICP加固技术的认识及研究,文章基于MICP加固技术目前取得的研究进展,进行了文献调研与分析,系统介绍了MICP技术的加固机理及影响因素,归纳分析了MICP加固技术的应用实例,在此基础上深刻分析了MICP技术目前存在的问题和挑战。结果如下:(1)MICP的加固机理是在微生物诱导矿化作用基础上产生的碳酸钙沉淀对土体的充填作用、覆膜作用和胶结作用;(2)MICP固化效果的影响因素主要有:菌液及胶结液的性质、pH值、温度、土体类型、注入技术等,以上影响因素均可以通过影响碳酸钙的形成及胶结效果来影响MICP的固化效果;(3)MICP加固技术在土体加固、抗裂防渗、防风抗蚀、修复污染水土等方面展现出了巨大的潜力;(4)MICP加固技术目前仍存在一些问题,包括固化均匀性、土体耐久性、经济效益、环境安全与可持续性等方面,为解决这些问题,需要进一步综合微生物学、土力学、材料科学、环境科学等多个学科进行深入研究。相关探讨有助于加深对MICP加固技术的理解,推动MICP加固技术在工程地质领域的发展及应用推广。

盾构废弃黏土泥浆真空脱水试验与理论研究

针对泥浆池中盾构废弃泥浆在上部真空脱水作用下倒渣及运渣受限等问题,提出了一种废弃泥浆底部真空脱水方法。采用自行研制的废弃泥浆底部真空脱水装置开展了自重、自重+底部真空荷载、自重稳定+底部真空荷载、自重稳定+底部分级真空荷载4组不同脱水荷载工况下废弃黏土泥浆模型试验,分析了废弃黏土泥浆的泥‒水界面沉降量、孔隙水压力以及脱水后含水率和总脱水量等物理量的变化规律。结果表明,先对废弃泥浆进行自重脱水处理,再对其底部分级施加真空作用的脱水方式具有更好的脱水效果。采用该方法对初始含水率为103.00%的废弃黏土泥浆进行脱水处理后,含水率分布范围为37.10%~62.65%,其内部孔隙水压力的最小值可达−73.09 kPa,接近底部真空作用值−80.00 kPa;且该工况相较于其余3种工况,平均沉降量分别提高了106.40%、2.91%、6.15%,总脱水量分别提高了122.0%、8.0%、5.1%。同时,基于分段线性化有限差分(CS2)模型建立了废弃黏土泥浆真空脱水数值计算模型,对废弃黏土泥浆在脱水过程中泥‒水界面沉降量进行数值模拟,验证了数值计算模型的有效性。

微生物分解硅酸盐矿物增黏对砂土强度的影响

砂土因其无黏聚力而易导致地震液化和渗流侵蚀等工程病害问题,微生物矿化与分解技术的发展为提高砂土黏聚力提供了新的可能。利用胶质芽孢杆菌能够分解硅酸盐矿物的特性,采取人工营养液激励加速含钾长石、黑云母等硅酸盐矿物砂土的生物风化,分析经微生物处理前后砂土的强度参数、黏粒含量、矿物组分和粒间微结构的变化规律。结果表明:胶质芽孢杆菌处理后的砂土中黏粒含量增加了1.6%;黏聚力与处理时长呈线性正相关,120 d内有效黏聚力增加了23 kPa,有效内摩擦角则有轻微的减小;砂土中的钾长石、黑云母等硅酸盐矿物均产生了不同程度的分解破坏,X射线衍射谱图显示,微生物处理120 d后砂土中出现了新的高岭石衍射峰,表明胶质芽孢杆菌分解了黑云母和钾长石等硅酸盐矿物,产生次生黏土矿物高岭石,使砂土中黏粒含量增加。微生物分解硅酸盐矿物产生黏土矿物和胞外聚合物是砂土黏聚力提升的主要原因。营养物激励下矿物分解菌对硅酸盐矿物的风化作用对于改善砂土抗液化和抗渗流性能具有潜在的价值。

滩海吹填粉细砂地基长期承载力特性试验研究

对某运行10年以上出现沉陷冒水现象的滩海人工岛吹填粉细砂地基承载力进行分析,基于螺旋板载荷试验结果,研究了标贯击数、动探击数与地基承载力的关系,拟合了经验公式,在此基础上综合分析粉细砂地基承载力现状,探究地基长期承载力特性。研究结果表明,吹填粉细砂形成的滩海人工岛地基在长期反复的水力作用下可进一步密实,承载力有所提高,有利于场地的运行安全。但鉴于其松散特性,水力作用下易流失,防渗措施不到位可能导致沉陷脱空、冒水等工程问题,影响场地安全运行。因此,针对本工程沉陷冒水现象,需采取原位固化、帷幕封闭等防渗措施进行处理。

地铁联络通道冻结壁冻融灾害效应及其平均温度预测

冻结法因具有施工方便、强度高、防水效果好及对土体扰动小等优点在软土地区地铁联络通道施工中获得广泛应用。冻结壁平均温度作为衡量冻结效果的重要参数之一,其解析公式求解较为复杂,在实际工程中难以应用。建立了包括冻结管断裂灾害、隧道收敛变形灾害、冻结帷幕收敛变形灾害、冻结帷幕透水灾害和融沉灾害的地铁联络通道冻结壁冻融灾害链式效应机制,并考虑多种布管方案,采用冻结壁平均温度等效梯形法建立完整数据集,利用神经网络的高度非线性特征,建立能同时预测单排、双排和多排(n>3)布管形式下冻结壁平均温度的神经网络预测模型。研究结果表明,基于完整数据集构建的冻结壁平均温度神经网络预测模型能有效地反映不同冻结管布置参数和冻结壁厚度等参数与冻结壁平均温度之间的关系;冻结壁平均温度均随冻结管排数和冻结壁厚度增大而逐渐降低,随盐水温度、冻结管间距和排距增大而逐渐升高。

堆载下深厚软土侧移分析及响应面预测方法研究

为预测路堤堆载作用下的土体侧移,为土位移法计算既有高铁桥梁桩基内力及侧移提供条件,本文采用Midas GTS建立二维有限元模型,计算路堤填筑产生的土体侧移,分析土体参数、路堤参数及堆载空间位置等因素对土侧移的影响。对各因素进行敏感性分析,采用响应面法,以5次多项式构建土体侧移与各因素之间的显式关系式。结果表明:路堤填筑后,土层总位移呈“灯泡”形,侧移沿深度方向呈现“弓”形;土体最大侧移随着土体泊松比、路堤堆载等级、路堤填筑宽度增加而增大,随距路堤中心距、土体弹性模量增大而减小;土体侧移对土体泊松比、路堤堆载等级、土体弹性模量、路堤填筑宽度、距路堤中心距离较敏感,对下层岩体的泊松比等因素不敏感;拟合得到的响应面函数可准确预测不同堆载等级下深厚软土土体侧移。研究结果便于快速估算堆载下土体侧向位移。

不均匀地层中刚性桩复合地基变形及加固措施分析

刚性桩复合地基凭借其工后沉降小、施工周期短、整体稳定性强、社会经济效益高等优势,逐渐得到广泛应用,但也伴随着一些工程问题,如在不均匀地层下刚性桩复合地基路堤容易出现稳定性问题。本文针对不均匀地层下刚性桩复合地基典型工程案例展开研究,采用有限元软件建立三维模型,揭示改进方案前后不均匀地层下刚性桩复合地基的变形规律,研究3种加固方式对于刚性桩复合地基稳定性的增强效果。结果表明:不均匀地层下刚性桩复合地基会产生偏应力进而引起路堤差异沉降,结构稳定性较差,改进方案可以有效降低路堤沉降,提高结构整体稳定性,横梁加固可以有效提高刚性桩复合地基的水平稳定性。

就地固化联合复合地基对堆载邻近桩基的影响

路桥并线路基修筑引起既有桥桩产生挠曲、侧向位移,严重时可能会造成重大坍塌事故的发生。结合工程现场试验,针对道路施工对邻近桥桩影响问题提出就地固化联合复合地基加固新方法,联合数值模型分析就地固化深度、固化土弹性模量和复合地基相关因素对邻近桩基的保护效果。研究结果表明:搅拌桩加固影响深度为1.5倍桩长左右,素混凝土桩施工会对被动桩在0.75倍桩长左右处产生最大水平位移。就地固化(2.0 m)+水泥搅拌桩法(1.8 m)可极大减小被动桩浅层水平位移,保护桥桩的安全。当固化土水泥掺量为5%~7%、水泥搅拌桩水泥掺量为12%~18%时,提高水泥掺量对减小被动桩水平位移有着明显的作用。同时,将普通褥垫层水泥搅拌桩替换为就地固化+水泥搅拌桩复合地基,桩身最大负弯矩减小近16.6%。

基于透明土的水力梯度对渗流侵蚀影响试验研究

为探究水力梯度对土体内部渗流侵蚀的影响规律,利用熔融石英砂作为透明土材料,以十五号白油与正十二烷按一定比例配置孔隙溶液,采用自研的PIV-PLIF(粒子图像测速-平面激光诱导荧光)渗流侵蚀试验系统研究了水力梯度对渗流侵蚀过程中孔隙溶液流速分布以及细颗粒运动的影响。结果表明:随着水力梯度的增大,示踪粒子流速也随之增大且不规则运动现象加剧,直到试样发生破坏流速才趋于稳定;同一水力梯度下,宏观流速略大于微观流速,两者之间的差距也随水力梯度的增大而不断缩小;当水力梯度达到临界水力梯度时,骨架颗粒中的细颗粒开始流失,渗透系数也开始发生变化,继续提升水头会使细颗粒大量流失而导致渗流通道不断发展扩大,最终达到破坏临界水力梯度,试样发生渗透破坏。

地震作用下双层土质边坡稳定性上限分析

为探究地震作用对双层土质边坡稳定性的影响,基于极限分析上限理论,建立了地震作用下双层土质边坡旋转破坏机构。采用拟静力法简化地震荷载作用,推导了双层土质边坡安全系数表达式。分析土体黏聚力比、边坡坡角以及地震作用对双层土质边坡稳定性及其滑动面参数的影响。研究结果表明:在水平地震作用下,随着黏聚力比的增大,边坡安全系数呈非线性增大且潜在滑动面变浅;当水平地震作用增强时,边坡失稳破坏范围显著加大;随着竖向地震系数及黏聚力比的增大,边坡安全系数略微降低;水平地震作用增强时,竖向地震作用对边坡稳定性的影响逐渐增大,此时需要考虑竖向地震的影响。

某高速铁路沿线天然场地季节冻胀特性监测与分析

某高速铁路沿线季节性冻土大面积分布,本文依据地形地貌、土性成分及水文地质条件等特征,选定14处天然场地。通过冻融周期的监测,得到沿线地基土的冻结融化速率、最大季节冻深及地表变形量等重要数据。通过分析积雪场地及裸露场地的冻结融化过程与地表变形情况,结合气温、降水量、地表雪盖等因素,分析了高速铁路沿线季节性冻土的冻融特性。研究结果表明:(1)沿线有雪条件下天然场地最大冻结深度19~90 cm,平均值为45 cm;(2)沿线季节冻土冻结速率0.27~1.20 cm/d,融化速率普遍大于冻结速率,为0.28~1.92 cm/d;(3)积雪对保持土体温度、抑制土体冻结具有良好效果,能有效缩短冻结、融化时间,使最大冻结深度减小18%~24%;(4)冻胀量呈由西向东增大趋势,其变化规律和气候条件吻合。研究成果可为类似季节性冻土地区高速铁路设计及冻害防治提供借鉴。

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。

干湿循环作用下剑麻纤维加筋膨胀土的抗裂作用及影响因素

为研究干湿循环作用下纤维加筋膨胀土的抗裂效果,分别开展了素土和剑麻纤维加筋膨胀土的干湿循环试验,并采用图像处理技术提取试样表面裂隙参数,分析了剑麻纤维含量及长度、干湿循环次数、试样含水率对裂隙发育的影响.结果表明:1)剑麻纤维加筋膨胀土具有较好的抗裂性能,且剑麻纤维的掺入对膨胀土的裂隙率和裂隙平均宽度影响较大,相较于素土试样,最优加筋土试样的裂隙率和裂隙平均宽度均比素土试样减小了约1/2.2)纤维长度相同时,随着纤维含量的增大,裂隙率、裂隙总长度、裂隙平均宽度和分形维数均呈先减小后增大的趋势,且纤维含量为0.4%时各参数值最小;纤维含量相同时,纤维长度对各裂隙参数影响不大.3)随着干湿循环次数的增加,加筋土和素土试样裂隙参数均呈逐渐增大趋势,但纤维加筋土裂隙率和裂隙平均宽度的增大幅度均比素土小;从第5次干湿循环开始,各裂隙参数增长趋缓.4)单次脱湿过程中,试样含水率由20%降至10%时,裂隙急剧发育,且素土裂隙的发育对含水率的变化更加敏感,含水率低于10%时,随着含水率的减小,试样裂隙率变小并趋于稳定;相同含水率条件下,剑麻纤维加筋土具有更好的抗裂性能.5)剑麻纤维加筋膨胀土的抗裂机理主要表现在两方面,一方面是剑麻纤维的掺入增大了膨胀土的渗透系数,促进了试样内水分的均匀分布,减小了试样各处的胀缩差异;另一方面纵横交错的剑麻纤维约束了聚集体之间大孔隙的收缩.

单双向循环荷载作用下砂砾料动模量和阻尼比试验研究

通过大型振动三轴试验,研究了单双向循环荷载作用下砂砾料动弹性模量和阻尼比的变化规律,分析围压和径向循环动应力对砂砾料动力参数的影响。研究结果表明:在双向振动三轴试验中,砂砾料的轴向动应变受径向动应力的影响较小,动应变主要与施加的轴向动应力大小有关;单双向振动下砂砾料的动弹性模量均随着动应变的增大而逐渐降低,双向振动时砂砾料动弹性模量随动应变的衰减速率基本不变,在相同动应变下双向振动的动模量均低于单向振动;砂砾料在双向振动时的阻尼比大于单向振动,双向振动时消耗的动应变能更大。通过对两种试验条件下的最大动弹性模量、动模量比进行分析,建立了表述单双向试验条件下最大动弹性模量的换算关系式和双向振动试验中动模量比和动应变的修正模型。

基于含冰量的冻结砂土-混凝土接触面蠕变特性

保证高含冰量冻土区桩基础的长期稳定性是多年冻土区桥梁桩基础安全服役中的关键问题,为研究含冰量对冻土-混凝土接触面蠕变特性的影响,采用自行研制的大型蠕变剪切仪,在−2℃条件下开展含冰量为6%、12%、16%、23%、36%、60%、80%的冻结砂土与混凝土接触面蠕变试验.试验结果表明:在恒定的剪应力作用下,除含冰量为6%试样出现加速蠕变外,其他试样仅出现衰减蠕变及稳定蠕变2个阶段;随含冰量的增大,试样黏性变形占比增大,含冰量为80%试样的黏性变形超过总变形量的80%;稳定蠕变速率受到干密度及含冰量的综合影响,含冰量为16%时稳定蠕变速率最小;Burgers黏弹性模型能较好地模拟高含冰量冻结砂土-混凝土接触面蠕变曲线;随着含冰量的增大,初始剪切模量和稳定蠕变阶段黏滞系数先增大后减小,初始蠕变阶段的渐进剪切模量呈幂函数减小,初始蠕变阶段黏滞系数呈幂函数增大.

各向异性层状千枚岩渗透率及有效孔隙率试验研究

采用岩石全自动三轴伺服仪和气体渗透装置,对一种致密的各向异性层状千枚岩开展了气体渗透率及有效孔隙率试验,研究常规三轴压缩和围压循环加卸载2种应力路径下,气体渗透率、有效孔隙率随层理倾角及偏应力的演化规律。结果表明:围压相同时,岩样的初始气体渗透率k0随着层理倾角β的增大呈“W”型变化,在β=45°时取最大值;在围压循环加卸载过程中,气体渗透率先随围压的加载而减小,后随围压的卸载而增大,卸载时的气体渗透率小于加载时的渗透率;层状千枚岩有效孔隙率和气体渗透率呈指数关系;平行于层理方向的气体渗透率远大于垂直于层理方向的气体渗透率;岩样有效孔隙率和气体渗透率随偏应力变化经历初始压密阶段、线弹性阶段和塑性变形阶段,随着偏应力的增大,岩样有效孔隙率和气体渗透率先减小,接着保持稳定,最后快速增大,并在岩样应力-应变曲线斜率接近于0时达到最大值。

基于极限平衡法的危岩倾覆稳定性三维计算方法

目前危岩防治工作中,危岩稳定性评价主要以简化后的二维剖面作为计算模型。由于自然界中的危岩形态极不规则,采用二维剖面计算模型并不能真实反映危岩受力情况。为了研究危岩稳定性三维计算方法,在前人研究基础上,基于极限平衡理论,提出了由后缘裂缝抗拉强度控制的危岩倾覆稳定性三维计算公式,采用数值积分和空间几何方法给出了在危岩单体三维模型基础上求解危岩后缘岩体抗拉力、水压力及其力矩计算公式和实现流程。以三峡库区瞿塘峡吊嘴危岩为实例开展了应用,并通过数值分析进行了验证。通过不同形态危岩的三维稳定性分析,讨论了三维与二维稳定性计算结果的关系,对比发现危岩形态对稳定性计算结果有明显影响,三维计算较二维计算更准确和实用。

基于地震P波初至2 s功率信息的高速铁路地震预警系统快速震级估算方法

震级估算是高速铁路地震预警系统的关键技术参数,更加快速、准确的震级估算模型能够更好地保障人民的生命财产安全。利用日本K-net强震动数据,建立基于地震P波到达后携带功率信息的地震动衰减模型并用于震级估算,并将本文算法与传统算法对比。结果表明,在1~5 s的时间窗下,模型的震级估算误差均明显小于传统的方法,且小震高估现象也明显改善;随着时窗长度的增加,模型的震级估算误差及标准差也逐渐降低,实现率也逐步提升,在1 s的时窗长度下,模型的单台震级估算实现率满足规范要求;对7级以下地震,模型的震级估算实现率可在地震P波到达1 s后满足规范要求;对7级以上地震,模型的震级估算实现率可以在地震P波到达2 s后满足规范要求。

木质素磺酸钙增强花岗岩残积土微生物固化效果研究

为提升微生物固化花岗岩残积土的效果,综合考虑木质素磺酸钙的特点和MICP(Microbial-induced calcite precipitation)作用过程的环境条件,设计进行木质素磺酸钙增强MICP固化花岗岩残积土试验,综合宏观物理力学试验和微细观检测,系统分析木质素磺酸钙对微生物固化花岗岩残积土的增强效果及增强机制。结果表明:①木质素磺酸钙能够显著提高花岗岩残积土微生物加固过程中的胶结物产量,木钙掺量在4.00%左右达到最佳,与常规MICP相比,胶结物生成量提高了48.86%;②木质素磺酸钙的掺入,显著提高了固化体的抗压强度和抵抗变形能力,2.00%~8.00%掺量下固化体的抗压强度提升了4.75%~41.20%,破坏时应变增加16.24%~38.55%;③掺入木质素磺酸钙后,固化体的孔隙大小及孔隙率均有不同程度降低,孔隙率降低了12.97%~37.38%,固化体的整体密实性进一步增强;④木质素磺酸钙的掺入,改善了残积土的孔隙结构,为后续微生物加固提供更好的环境条件;⑤在微生物固化花岗岩残积土过程中掺入木质素磺酸钙后,改善了微生物生长的酸碱环境,丰富了MICP作用过程中的钙源,提升了固菌率,促进了MICP反应,同时改善了碳酸钙沉淀颗粒的大小、性状及排列形式,使得胶结物产量进一步提升,从而提升固化体的整体固化效果。