兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室简介

依托于兰州大学的西部灾害与环境力学教育部重点实验室于2005年底获教育部批准建设,2006年经教育部组织的论证后正式进入建设期,2008年5月通过教育部组织的重点实验室建设评估后正式批准挂牌.实验室主任为教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者周又和教授,

不同水岩作用下板岩物理力学性质劣化实验研究

甘肃舟曲、武都地区是我国滑坡、泥石流等地质灾害发育最为密集、活动最为频繁的区域之一,该区广为出露的志留纪板岩的水岩劣化进程是滑坡、泥石流高度发育的主要原因之一。研究通过对经历不同次数饱水循环、干湿循环养护后板岩的宏观形态的观测,质量变化、弹性波速和单轴抗压强度的测试,对板岩在两种不同水岩作用方式下裂纹扩展过程、质量、波速和强度等相关指标的变化进行了对比研究,揭示了水岩作用方式下板岩的劣化规律,并初步探讨了板岩在不同水岩作用方式下的劣化机理,为滑坡、泥石流灾害的区划评价和防治提供有益的参考。

循环荷载下冻结兰州黄土变形性质的实验研究

对温度为-1℃的冻结兰州黄土在围压为0.6 MPa和不同动荷载振动频率条件下进行动三轴试验,试验采用分级加载,每一级荷载振动十次,加载波形为正弦波。实验结果表明:冻结兰州黄土的累积应变在整个加载过程中逐渐增大;当动荷载加载级数增加时,累积应变率逐渐变大。动应变幅随加载频率和振次的增加而减小;当频率小于或等于1 Hz时,动应变幅随加载级数的增加而增大;当频率大于1 Hz时,动应变幅随加载级数变化不大。随着加载级数的增加,滞回曲线的面积和密集程度越来越小,整体斜率和不闭合程度越来越大。用动模量来描述滞回曲线的整体倾斜程度。当频率小于或等于7 Hz时,动模量随加载级数的增加而增大;当频率大于7 Hz时,动模量随加载级数没有明显的规律。

兰州市主要地质灾害危险性评估浅析

兰州市地质灾害主要体现为泥石流、滑坡和崩塌。结合具体工程实例对三种地质灾害危险性及其评估方法进行了探讨,并提出灾害防治及治理的措施。

硫酸盐环境下混凝土抗压强度耐蚀系数研究

基于混凝土腐蚀层厚度及腐蚀区混凝土抗压强度损失率的概念,建立了硫酸盐环境下混凝土试块的蚀强模型.根据该模型推导出混凝土抗压强度耐蚀系数计算公式,同时进行了3组全浸泡混凝土的腐蚀试验,并根据试验结果对混凝土抗压强度耐蚀系数计算公式进行拟合和参数分析.结果表明:根据所建立的模型得到的混凝土抗压强度耐蚀系数计算结果与试验结果吻合较好;硫酸盐环境下混凝土可划分为裂缝发展区、膨胀密实区和未腐蚀区3个区域;综合性的腐蚀系数可以反映混凝土配合比与抗硫酸盐腐蚀性的关系,腐蚀系数越大,抗硫酸盐腐蚀性越差.根据所建立的模型和计算方法能够评估和预测硫酸盐环境下混凝土的抗腐蚀性能.

麦秸秆加筋材料抗拉性能的实验研究

加筋作用取决于筋材间的交织作用、筋土间的摩擦作用,以及加筋材料自身的抗拉性能。利用扫描电镜观察天然和经高分子材料SH胶浸泡后麦秸秆的结构,发现麦秸秆孔隙中渗入了胶液,并在麦秸秆的内外表面形成了胶膜。通过拉伸实验,测试了无茎节和1茎节麦秸秆在天然、浸海水、浸胶及浸胶后再浸海水4种工况下的极限拉力和极限延伸率。结果表明,无茎节麦秸秆的极限拉力和极限延伸率均高于1茎节麦秸秆的;浸胶与天然麦秸秆、浸胶干燥后再浸海水与直接浸海水的麦秸秆相比,前者的极限拉力和极限延伸率均高于后者,说明SH胶浸泡麦秸秆,使其抗拉性能得到增强。

动荷载作用下冻结兰州黄土的动应变幅变化特征研究

采用分级循环正弦荷载模拟车辆振动,通过动三轴试验对冻土的动应变幅进行了研究.结果表明:对于频率为0.1Hz的前5级加载和频率≥0.5Hz的各级加载作用下的动应变幅,可以采用等价应变幅描述每一级动荷载作用下的动应变幅.存在一个临界频率(约为7Hz),当加载频率小于该临界频率时,等价应变幅变化复杂;当加载频率大于该临界频率时,等价应变幅随加载级数基本保持不变.当加载频率≥0.5Hz时,不同加载级数下等价应变幅随加载频率的增大而减小.围压对等价应变幅影响较小;当频率≤0.5Hz时,-0.5℃条件下的等价应变幅略大于-1.0℃条件下的等价应变幅;当频率>0.5Hz时,不同温度下的等价应变幅近似相等.

植被护坡中植物根和岩土相互作用的力学分析

植被护坡借助植物根系使边坡土体成为土与根的复合材料,从而明显提高边坡土体的抗剪强度,增大边坡的安全稳定性.但是,目前的相关研究仍然停留在定性地分析上.文中试图在定量分析根和岩土相互作用方面进行探索性的工作,通过对草本植物的根系包括木本植物的侧根系与岩土体相互作用的分析,建立摩擦型根-土力学作用模型,并实验验证模型的正确性;对锚固型根亦即木本植物主根-土的作用也建立相互作用的力学模型.两类力学模型的建立为定量地分析植物根系与土体的相互关系提供了重要的理论指导,具有一定应用价值.

黄土-泥岩接触面滑坡滑带土力学特征研究

滑带土是滑坡形成过程中形成的一层结构性较差的土体,是滑坡的重要组成部分。其物理力学性质、微观结构与滑坡的形成以及后期运动特征密切相关。黄土-泥岩接触面滑坡是按照滑坡地质成因划分的一种上层黄土、下层泥岩的具有"双层异质"结构的滑坡。此类滑坡由于在滑动中具有缓动低速的特点,往往早期不易被发现,发现时已造成了严重的危害。采用GDS三轴仪对天水地区花南村滑坡、半山村滑坡和咀头村滑坡三个黄土-泥岩接触面滑坡的滑带土力学性质进行研究,结合滑带土微观结构特征,分析黄土-泥岩接触面滑坡滑带土的力学变化特征及其变形内在机理。研究发现:滑带土中大量存在被黏土颗粒包裹的大颗粒,这些大颗粒在滑带土变形过程中经历错位、滑移等过程后,大颗粒进一步滑移受到黏土质限制,导致黄土-泥岩接触面滑坡滑带土在宏观上表现出应变硬化的典型特征。此外,剪切中孔隙水压力无法及时消散也是此类滑坡变形的重要特征之一。应变硬化造成滑带土在滑动中强度未出现残余值而导致滑坡处于持续运动中,能量的释放方式属于缓慢释放型。因此该类滑坡滑动具有缓动低速的特性。

非饱和土边坡抗剪强度的力学参数影响及灵敏度分析

运用非饱和土的双应力变量理论,采用强度折减法详细分析土体各参数对边坡安全系数的影响,并通过灵敏度分析各参数对安全系数的影响。工程算例结果表明:各参数的变化对边坡安全系数的影响基本呈线性规律,其中土体含水率对安全系数影响线最显著;含水率、黏聚力和内摩擦角是非饱和土边坡稳定性分析的重要物理力学参数,为降雨条件下非饱和土边坡加固设计参数选取提供了依据。

潮湿环境中稻草的防腐效果及极限拉伸性能

滨海盐渍土存在盐胀、溶陷和吸湿软化等问题,需对其进行处理。设想使用高分子材料SH胶防腐处理稻草,以防腐后的稻草加筋滨海盐渍土。为评价浸胶稻草的防腐效果及其力学性能,测试了天然和浸泡SH胶稻草的吸水率,及天然、浸水、浸胶及浸胶后再浸海水稻草的极限拉力和极限延伸率。结果表明:(1)浸胶稻草与天然稻草相比,吸水率最多可降低50%,证实防腐效果较好;(2)浸胶后,稻草的极限延伸率和极限拉力最大提高了26%和23%;(3)同是浸泡在海水中,浸胶后稻草较天然稻草,其极限延伸率和极限拉力的最大增长率为12%和11%;(4)浸胶稻草的SEM照片观察及能谱分析表明,SH胶包裹了纤维并进入到稻草的孔隙中,增强了纤维间的联结,提高了稻草的极限抗拉性能。SH胶防腐后的稻草作为加筋材料是可行的。

土遗址锚固土体-浆体(CGN+C)界面力学性能

为揭示土遗址锚固系统中第二交界面黏结破坏机制,采用自主研制的依托压力试验机的第二交界面力学性能试验装置及试样制作装置,以孔壁粗糙度及注浆体配合比为变化参数,设计了两组共30个土体-浆体(CGN+C)界面试样进行室内推出试验。结果表明:锚固系统土体-浆体的荷载-滑移关系曲线具有明显的峰值强度;研究用各类浆体30 cm锚固长度可提供0.08～0.26 MPa(光滑孔壁)与0.26～0.46 MPa(螺纹孔壁)的抗剪强度,螺纹界面使抗剪强度最大提高了4.21倍;随烧料礓石掺和比的增大,两组试样抗剪强度值呈现的规律基本相同;光滑界面的剪滑曲线特征主要呈应变强化型,螺纹界面曲线特征主要呈应变软化型;界面剪应力-位移关系模型与试验结果拟合度较好。研究结论为土遗址锚固系统内部力学过程研究奠定理论基础。

楠竹加筋复合锚杆管材力学性能试验研究

楠竹加筋复合锚杆是一种应用于土遗址加固工程的新型锚杆,为了解锚杆的工作机制,对其管材楠竹进行力学性能试验,研究竹材的抗压、抗拉、抗弯强度及其影响因素。结果表明:3a生楠竹块顺纹抗压强度达119MPa,比5a生楠竹大;同一根楠竹,取自基部和中部的竹块试样,顺纹抗压强度相当,均小于顶部试样;竹块顺纹、横纹、径向抗压强度分别为98,37和65MPa,强度差异是由加压方向和竹纤维生长方向之间的关系决定的;竹材的顺纹抗压、抗拉和抗弯强度均与竹材的含水率有关,含水率增大强度降低,当含水率达到一定值时,抗压强度趋于稳定;径高比为1∶1和1∶2的竹筒抗压强度试验以及竹条抗拉强度试验结果表明,竹节对竹筒和竹条的强度有一定的削弱作用。

干旱环境下土遗址夯补支顶加固变形机制室内试验研究

在自然力和人为活动影响下,地处干旱半干旱地区的长城、交河故城、北庭故城等土遗址,其墙体根部因掏蚀而大面积悬空,甚至造成局部区域坍塌。针对夯土遗址根部严重掏蚀问题,采用夯筑支顶加固措施既符合文物保护的基本原则,也遵循保存原材料与原工艺的要求,且加固效果显著。然而大体积夯筑支顶体在固结和失水干缩作用下,与原遗址墙体之间形成较大的裂隙,宽度达1~3 cm。如何控制和减小夯补体与原遗址体之间的收缩缝隙,成为实现大体积夯筑砌补加固的关键。基于固结理论和失水收缩特性,在室内制作不同密度和级配的试块进行固结试验,以及不同形状土样试验的失水收缩量的数据统计,对比分析不同密度、级配条件固结变形、干缩变形的特征,拟合基于传统夯筑工艺的夯补支顶体固结、干缩变形的阈值,初步摸索出了预控大体积垂直方向变形的经验式,为预判大体积夯筑支顶体沉降机制提供可靠的理论依据。

碎石桩传力特性的实验研究及其理论分析

应用自行设计制造的二维实验设备,通过杠杆砝码加压与测力环直接测量桩底压强相结合的方法,研究了不同长度碎石桩的传力方式和破坏模式.实验发现,直径和填料一定的碎石桩存在一个临界桩长(临界长径比),当桩长跨越临界值时,碎石桩内部以及与桩周土之间的传力方式要发生改变.桩长小于临界值时,随着桩顶荷载增加,桩底的承载贡献率增大,而桩周土的承载贡献率减小.与之相反,桩长大于临界值时,随着桩顶荷载增加,桩底的承载贡献率减小,而桩周土的承载贡献率增大.实验还发现短桩和长桩的不同传力方式决定了不同的破坏模式.随着桩顶荷载增加,短桩将发生桩底刺入破坏,而长桩将发生顶端鼓胀剪切破坏.借鉴Janssen的"粮仓效应"经典理论,建立了二维碎石桩的传力模型.该模型对长桩定性符合良好,但对短桩不适合.

干旱、半干旱地区干湿与盐渍复合过程遗址土强度响应实验研究

以20处土遗址的物理性质参数测试、易溶盐监测和气候环境研究的相关数据为基本依据,分别掺入不同含量Na2SO4和NaCl,并对经历干湿循环的遗址土重塑样进行强度实验,最后结合实验结果和定性分析对复合过程土遗址强度响应的规律与机理进行讨论。研究结果表明:遗址土的抗压、抗拉和抗剪强度对该复合过程产生明显的衰减性响应行为,试样的各种强度参数与掺入盐分的含量之间存在良好的相关关系,而且其回归方程服从指数法则。

楠竹加筋复合锚杆静力学性能试验研究

楠竹加筋复合锚杆是一种专门为土遗址加固而发明的新型锚杆,目前关于其力学性能研究尚不系统。本研究设计了单轴压缩试验、拉拔试验和三点弯曲试验,测试复合锚杆的静力学指标,分析锚杆的工作性能,为加固工程设计提供理论依据。压缩试验表明,径高比为1∶1和1∶2的复合锚杆试件的抗压强度分别是72.08MPa和43.48MPa,弹性模量分别是5.29GPa和5.25GPa。试件的压缩破坏形式是,带箍筋时发生散裂,不带箍筋时发生腰折破坏。拉拔试验表明,钢绞线受拉时复合锚杆内部界面上存在剪切应力峰,随着轴向荷载的逐渐增大,剪应力峰逐渐从邻近加载端向远离加载端的方向移动,平均最大剪切应力与锚杆长度呈指数关系。弯曲试验表明,复合锚杆试件弯曲过程中,内黏结剂与竹子界面剪切滑移变形大于钢绞线与内黏结剂界面的变形,过大的界面滑移和材料断裂是导致弯曲破坏的原因。研究认为,楠竹复合锚杆压缩强度较高,界面剪切强度较低,提高锚杆整体性能的措施包括增设端部锚定板、提高内黏结剂强度、提高钢绞线表面粗糙度等。建议锚杆吊装时宜多点捆绑,尽量保持直线状态,最大弯曲率不得超过2%。

不同干湿作用下斜坡表层千枚岩劣化实验研究

甘肃白龙江流域、四川嘉陵江流域和云南小江流域等地区干湿气候特征复杂,泥石流沟道中边坡表层千枚岩易受干湿作用影响,发生崩塌脱落,为该类区域泥石流提供了丰富的物源物质。通过对研究区气候条件进行调查,选取极干-极湿、常规干湿、日常干湿等3种对岩石破坏极为有利的干湿条件,以泥石流沟壁表层千枚岩为研究对象,对其进行上述3种干湿条件养护,对循环后岩样的宏观形态、质量、纵波波速进行测试,并结合单轴无侧限抗压实验以及与新生成分的矿物分析,阐述了千枚岩分别在不同干湿作用下的劣化响应行为与机理,揭示了斜坡表层千枚岩对极干-极湿条件的劣化响应行为优于其他干湿作用的规律,为该地区泥石流灾害的区划评价和防治提供有益的参考。

潮湿环境史前考古土遗址模拟探方长期稳定性评价

潮湿环境史前考古土遗址探方长期稳定研究对于考古发掘、信息提取和展示具有重要意义。选择与良渚遗址类似环境下的试验场地——浙江省科技考古与文物保护技术研究试验基地,开展模拟探方开挖,运用温湿度计、沉降计、位移计、孔隙水压力计等设备开展探方的长期稳定性监测。数据分析结果表明:保护棚有效阻止了大气降水入侵并适度控制微环境;探方坑体沉降和坑壁侧向水平位移均随着时间呈现非线性增长;总体上,沿深度方向水平位移呈降低趋势;孔隙水压力随时间呈现波动变化,反映出粘土排水固结及孔隙水压力消散的过程。研究结果揭示模拟考古探方稳定性的时空效应,模拟考古探方稳定性的劣化过程,需要必要的力学稳定性控制措施;同时,探方坑壁土体干缩开裂对于信息判读的影响需深入研究。

生石灰为掺料的土遗址裂隙注浆浆液结石体力学兼容性研究

裂隙注浆是目前土遗址裂隙加固领域的通用手段,浆液的膨胀性和结石体与遗址土体的力学兼容性成为注浆措施能否充分发挥封堵和黏结作用的关键。研究通过对9种不同配合比及水灰比的SH-(Ca O+F+C)浆液进行膨胀性与流动性测试,最终遴选出配合比CaO:F:C=3:2:5的3种不同水灰比浆液作为优选浆液,并通过对优选浆液连续间隔龄期结石体的强度测试确定了最佳养护龄期。而后通过热膨胀和不固结不排水三轴试验,得到了浆液结石体和遗址土体的线胀系数以及浆液结石体、浆液结石体-重塑遗址土和重塑遗址土3类试样的破坏模式、应力-应变关系曲线、抗剪强度参数与弹性模量。结果表明:浆液结石体和遗址土体的线胀系数数量级别相同,3组优选水灰比浆液结石体和重塑遗址土体力学行为一致,其中配合比为CaO:F:C=3:2:5、水灰比为0.50的浆液结石体与重塑遗址土力学兼容性最佳。