考虑地层蠕变效应的桥梁桩基施工对邻近运营地铁隧道的影响

为研究桥梁桩基施工引起地层蠕变效应对邻近地铁隧道安全运营的影响,采用卸荷条件下黏土蠕变特性试验确定了隧道周围土体的蠕变模型,通过数值仿真FLAC^(3D)与现场监测相结合的方法,分析了桩基开挖期间地铁隧道的竖向位移、水平位移和应力分布状态。结果表明:广义Kelvin本构模型能够较为准确地描述黏土体开挖卸荷时的蠕变效应;桩基开挖后,邻近地铁隧道衬砌位移不断增大,随后进入稳定状态;随着桩基开挖数量的增加,地铁隧道竖向位移和水平位移总体表现为下沉和向外收敛趋势;桩-隧最小净距越小,桩基施工对隧道影响越大,采用隧道双侧布桩的施工方式,能够有效降低桩基开挖时隧道拱腰的累计水平位移,有利于地铁隧道的安全稳定运营。

不同重力场下月基承载特性离散元数值分析

采用离散单元法(DEM)模拟不同重力场下的承载特性试验,分析高、低重力场对月基承载特性和月基破坏模式的影响。研究结果表明:当重力场小于1g时,随重力场增大,月基中受扰动范围和应力增大;当重力场大于1g时,随重力场增大,月基中初始应力增大,但受扰动范围减小,表现出承载力和地基弹性模量随重力场增加呈现非线性增长趋势,即归一化承载力系数(q_(u)^(n_(g))/q_(u)^(1g))和月基弹性模量系数(E_(0)^(n_(g))/E_(0)^(1g))与重力场系数n_(g)关系可采用以1g为界的“二折线”进行拟合;承载质量归一化系数则随重力场系数增大而减小,即低重力环境下月基承载质量更大;采用离心机模拟高重力环境来预测低重力环境下月基承载力特性不能正确反映低重力场时月基内受扰动范围的演化规律,将使月基的承载特性偏大。

灌注桩桩—土界面粗糙度及强度理论研究

文章开发了可模拟实际灌注桩成型过程的混凝土浆液-土固化成型装置,开展不同灌注桩深度处混凝土浆液-土固化成型试验,探究浆液自重应力对灌注桩表面粗糙度的影响规律,进而提出考虑粗糙度特征的桩—土界面强度理论。结果表明:随着混凝土浆液自重应力增加,混凝土浆液对桩周土体的挤压、劈裂作用更为显著,使得桩—土界面粗糙度随深度增加而近似线性增长的规律;而后引入界面剪切系数i来表征桩—土界面粗糙度对界面间发生桩—土相对滑移破坏或土自身剪切破坏的影响,与已有试验结果对比表明,考虑粗糙度的强度理论可以较好地预测不同粗糙度下桩—土界面极限强度;最后探讨了理想粗糙面情况下界面剪切系数i与剖面长度比、凹槽形状的数学关系。

高内摩擦角土体承载力特性形状效应分析

通过引入考虑抗扭转和弯转的微观接触模型来模拟高内摩擦角的土体材料(如月壤、碎石),并以应力加载法进行正方形、圆形和条形基础的静载荷试验三维离散元模拟,分析不同基础形状对地基承载力、基底应力分布和地基破坏模式等影响规律,并将模拟结果与已有经验公式对比验证。结果表明:条形基础下的地基承载力和基底反力系数最大,圆形基础下最小;条形基础下地基呈现整体剪切破坏模式,而方形和圆形基础下地基呈现局部剪切破坏模式;基底应力由内而外呈现抛物线-马鞍-倒抛物线形变化,与刚性基础-土体相互作用理论一致;基于沉降控制法确定的圆形和方形基础形状系数分别为0.67和0.76,与太沙基理论解和Debeer公式相近(均小于1),与Meyerhof公式和Lyamin等公式相反(均大于1)。模拟结果可为高内摩擦角土体的形状系数修正提供参考。

持续浸泡下硬黏土强度劣化试验研究

引江济淮工程岸坡广泛分布的硬黏土,经历河水持续浸泡后,会对岸坡稳定造成重大影响。为了探究硬黏土在持续浸泡下的强度劣化机制,以引江济淮合肥段岸坡硬黏土为研究对象,设计持续浸泡试验,结合三轴压缩试验、矿物成分分析试验、微观结构试验和浸泡液离子含量试验,研究持续浸泡下硬黏土的强度劣化机制。结果表明:持续浸泡下硬黏土强度会发生劣化,30d内劣化明显,30d后劣化减弱且趋于平缓;硬黏土中的方解石质量分数随浸泡时长的增加,呈指数降低趋势,浸泡液中Ca2+质量体积分数呈对数增加趋势;随浸泡时长的增加,试样表面微孔隙数量增多,尺寸增大,30d内增加速度较快,30d后增加速度减缓趋于平稳。硬黏土持续浸泡后强度劣化是由亲水性黏土矿物吸水膨胀和土体内部充当“骨架”的方解石发生溶蚀共同导致的。

火星探测器着陆试验场地研造

火星距地球遥远,通信延迟约为20min,且表面地形复杂,遍布岩石及斜坡等障碍物,探测器着陆需自主完成一系列动作,不可控因素多,难度大。为确保火星探测器安全着陆,采用“材料学+地貌学+岩土力学”多学科交叉的方法来模拟火星地表重要特性,在此基础上为保证场地建设及使用经济合理、保护环境和试验工况的快速布置等需求,采用“区域组合+移固组合”的方法对试验场地进行研究并建造。随后分别对该着陆试验场地貌区和着陆区进行激光、微波特性和承载力特性相关测试。测试结果表明:试验场整体布局合理,各区域可拆卸设备质轻易搬运,便于快速进行不同试验工况设置;地貌区激光和微波反射及散射特性与着陆区的基本物理力学特性等相关测试结果与真实火星表面目标值吻合程度较好;本试验场地已为“天问一号”相关避障和着陆测试提供服务,助力“天问一号”成功登陆火星乌托邦平原预选着陆区。

基于相似理论的岩石地基材料制作及模型基础抗拔试验

为探究岩石地基中挖孔基础的承载力特征和地基破坏模式,以重晶石粉、铁粉和石英砂为骨料,水和石膏为胶结剂,黏土为增塑剂配置岩石相似材料,应用正交设计方法,以胶结物/骨料质量比(因素A)、胶结物含水率(因素B)、骨料细颗粒(铁粉+重晶石粉)占比(因素C)、细颗粒骨料铁粉占比(因素D)为4个因素,共16组材料配比方案,开展相关试验测定了各组材料的密度、黏聚力、内摩擦角、抗压强度、弹性模量等参数指标,并研究了相似材料物理力学参数与影响因素之间的变化规律;而后选取3种代表性相似材料开展了岩石挖孔基础抗拔承载特性的室内模型试验。结果表明:(1)对于相似材料密度,因素C影响最大;对于试样黏聚力和抗压强度,因素B影响最大;对于内摩擦角,因素C影响最大;对于弹性模量,因素A和因素B影响最大;(2)地基岩体破坏面呈现为沿着一定角度的开口向地面延伸的线性破坏面,且该破坏角随材料内摩擦角增大而减小,在规范中假定的45°附近变化;(3)依据抗拔承载力计算得到的相似材料等代极限剪切强度随单轴抗压强度增大而增大,约为单轴抗压强的0.027。

一个深海能源土弹塑性本构模型

天然气水合物赋存在低温高压环境中,会在土颗粒间形成胶结从而增大深海能源土抗剪强度。基于损伤力学理论,将结构性砂土本构模型推广应用于深海能源土分析中,模拟计算了三轴固结排水剪切试验,再根据应力-应变曲线关系定量反演初始屈服系数与水合物饱和度之间的函数关系,并修正了原有的结构性砂土破损规律,建立了深海能源土弹塑性本构模型。另外,根据该模型模拟了另外一组深海能源土三轴剪切试验和等向固结压缩试验。计算结果表明:新建立的深海能源土本构模型可以有效模拟深海能源土剪切强度随水合物饱和度之间的增长关系;随着水合物饱和度的增加,三轴压缩试验中深海能源土峰值强度及割线模量(E_(50))逐渐增加,等向固结压缩试验中屈服强度增加,与试验结果有较好的一致性,表明了该模型的合理性。

月壤水平开挖推剪阻力影响因素离散元数值分析

通过引入考虑范德华力和抗转动作用的月壤微观接触模型,采用离散单元法模拟月壤水平推剪试验(简化的土-开挖设备间相互作用模型),对月壤推剪破坏机制进行研究,分析了推剪深度、倾角和速率的影响,为真实月面环境下开挖提供参考。结果表明:推剪过程中推剪阻力首先随推剪位移增加至峰值,而后下降并趋于稳定;随推剪位移的进一步发展,推墙前方土体堆积,推剪阻力缓慢回升,推墙前土体受扰动区范围逐渐增大;当推剪面竖直时,随着推剪深度增加,推剪阻力和能量消耗增大,前方受扰动土体范围增大,破坏面为直平面;相同推剪深度下,推剪倾角越大,推剪阻力和能量消耗越小,前方扰动土体范围越小,破坏面为直平面;推剪速率越大,推剪阻力和能量消耗增大,前方扰动土体范围越大。由于月面开挖时推剪反力由机械与月面摩擦提供,考虑到开挖机械重量受空间运输能力限制,建议采用对推力(机械重量)要求低的浅层、倾斜、慢速开挖,适用于月面早期建设活动。

TJ-1模拟月壤承载特性物理模型试验研究

借助现代土力学试验技术研究月壤工程特性,是解决月球上岩土工程问题的一个可行方法.室内载荷物理模型试验是研究土体承载特性的重要方法.本研究自行设计加工了一套可以实现加载速率控制的加载装置,采用试验材料为Tongji-1(简称TJ-1)模拟月壤,对4种不同尺寸的圆盘载荷板进行加载速率控制条件下的载荷模型试验,同时测定了基底土压力分布.试验结果表明:在相同载荷板条件下,TJ-1模拟月壤的地基极限承载力和变形模量随加载速率的增加而增加;在相同加载速率条件下,TJ-1模拟月壤的地基极限承载力和变形模量随载荷板尺寸增加而增加;加载时基底中心土压力最大.

不同重力下月壤水平推剪阻力离散元数值分析

月面环境下重力场仅为地面环境下的1/6,研究重力场对于开挖阻力的影响,对优化设计月面环境下开挖设备具有重要意义。采用离散单元法模拟不同深度不同重力场下的月壤水平推剪试验(简化的土–开挖机械间相互作用模型),分析了重力场对开挖试验中推剪阻力、能量消耗和破坏面的影响,最后建立推剪阻力与重力场的关系。结果表明:相同推剪深度下,随重力场增大推剪阻力和能量消耗均增加,推剪前方受扰动土体范围减小;随推剪深度增加,推剪阻力增加。

月壤水平推剪试验的离散元数值分析

在未来的探月计划中,将进行月球基地的建设和月球资源的开发等活动,这些活动均涉及月壤开挖/开采问题,因此有必要研究月壤与设备间的相互作用。将月壤-设备相互作用简化为平板水平推剪过程,采用离散单元法模拟这一过程。考虑到月壤的颗粒形态及月球表面特殊的环境,将粒间抗转动作用和范德华力引入月壤微观接触模型,通过双轴压缩试验得到数值试样的强度指标。分别考虑月面环境、不考虑范德华力的月面环境、地面环境,对比分析了重力场和范德华力对水平推剪阻力、破坏面和能量消耗的影响。结果表明:随重力场增大,水平推剪阻力和能量消耗增加但不与重力场成正比,破坏面由圆弧面变为平直面;范德华力对水平推剪阻力和能量消耗影响很小,但使破坏面延伸范围更大。

净砂与胶结砂土Trapdoor试验离散元数值模拟

Trapdoor试验是一种广泛应用于隧道工程中的研究方法,可以对隧道开挖等引起的结构上应力分布变化进行分析。利用净砂与胶结砂土Trapdoor试验离散元模拟研究土体破坏形态、自由门上土压力分布、颗粒位移以及颗粒转动情况。结果表明:净砂和胶结砂土破坏形态相似,从自由门中心向两侧可以划分为破坏区、剪切带以及影响区域;破坏区内颗粒位移较大,剪切带内颗粒转动明显;与净砂相比,胶结砂土破坏土体表面形成裂缝,由于胶结的存在使得剪切带较窄,土体破坏范围和自由门上土压力都较小。

模拟月壤微观结构形态的定量化研究新方法

针对土体的微观结构测试设备价格较高、操作相对复杂以及传统的微观结构测试主要针对单一粒组进行的缺陷,以同济一号(简称TJ-1)模拟月壤为例,介绍了一种可测定由不同粒组组成的砂样微观结构参数(如长短轴比例、粗糙度)的新方法.通过电镜扫描获取TJ-1模拟月壤不同粒组颗粒的高倍清晰照片,利用AutoCAD和MATLAB软件获取各粒组的微观结构参数.采用离散元数值试验,近似确定TJ-1模拟月壤中各粒组颗粒所受接触力占所有颗粒接触力的权重,并与各粒组形态参数的平均值相结合,采用加权平均,最终获取TJ-1模拟月壤形态参数的代表值.

三种环境下月壤削坡试验离散元分析

在未来的探月计划中的基地建设和资源开采等活动,不可避免地涉及月壤快速削坡过程.然而,月面环境与地球环境相差很大,比如低重力、高真空等,故而从地面环境得到的有关快速削坡的认知不可直接运用到月面环境.因此,有必要研究月面特殊环境对月壤快速削坡试验的影响.本文将颗粒间的抗转动作用和范德华力引入月壤微观接触模型,并植入到颗粒流软件(particle flow code,PFC)中进行3种环境下(月面环境、不考虑范德华力月面环境、地面环境)月壤快速削坡试验模拟,对比分析了重力场和范德华力对快速削坡试验中流滑距离、坡后沉降及最终倾角的影响.结果表明:相对于地面环境,月面环境下得到的流滑距离和坡后沉降都偏小而最终倾角偏大,表明月面环境边坡更趋于稳定而不易发生滑坡;进一步分析表明,月面环境对快速削坡实验的影响主要是由月面环境下低重力场引起的,而高真空和高温差引起的范德华力的影响可以忽略不计.

不同坡角下月壤滑坡机理的离散元分析

月球表面存在不少的高陡边坡,其坡度一般都大于30°,月海区可达48.9°,月陆区甚至可达55.7°,这些高陡的边坡会严重影响未来月球资源开采等活动的安全。通过引入考虑范德华力和抗转动作用的月壤微观接触模型,采用离散单元法模拟了不同坡角下的月壤滑坡试验,对滑坡过程、滑坡机理及常见的工程灾害指标进行分析。结果表明:坡后体积一定,流滑距离会随着初始坡角的增大而增大;最终倾角几乎不受初始坡角的影响;滑坡过程中,当切坡倾角低于60°时,滑坡过程呈现流动状态,高于60°时,滑坡过程呈现类崩塌状态;滑体的最大速度随初始坡角的增大呈现抛物线式增长。

基于有限体积法的三维CFD-DEM耦合方法

本文基于有限单元法对流体控制方程进行离散,并与离散单元法进行三维流固耦合计算。首先,针对多孔介质土体选取合适的控制方程,包括流体运动方程、颗粒运动方程及流固相互作用方程。然后将编译的计算流体力学程序引入离散单元法中进行耦合计算。最后,针对单颗粒沉降进行了数值模拟,结果表明:颗粒在刚开始下落时,速度增加较快,然后增加速率逐渐变缓并趋于稳定;随着颗粒的不断下降,其所受拖拽力随着时间先迅速增加,然后逐渐与浮重力一致;颗粒下降速度稳定后,水压(扣除静水压力)在颗粒附近呈蝶翼状分布,且颗粒上方为负压,下方为正压;颗粒下方水流向两侧外流,而上方水流向颗粒上方汇聚。以上研究结果表明此次编译的计算流体力学程序能够很好地和离散单元法进行耦合,并可用于研究多孔介质流固耦合问题。

干湿循环作用下老黏土抗剪强度劣化试验研究

为了探究干湿循环作用下老黏土抗剪强度的劣化机制,以引江济淮工程江淮沟通段广泛分布的老黏土为研究对象,开展了0~12次干湿循环试验并记录其开裂过程,利用数字图像处理软件半定量分析老黏土试样表面二维可视裂隙率变化;而后系统开展三轴压缩试验、SEM测试试验,从微细观结构角度揭示了干湿循环作用下老黏土抗剪强度的劣化机制。结果显示:试样的黏聚力在前4次干湿循环内显著下降,随后趋于稳定,而内摩擦角则呈现无规律波动趋势;干湿循环过程中试样表面的裂隙从四周向中间发展,裂隙的数量及宽度逐渐增加;干湿循环作用会使得试样表面的孔隙数量逐渐增加,结构从致密变得松散。结果表明,干湿循环作用下老黏土宏观强度的下降是其内部黏土矿物水化作用的结果,黏土矿物周期性胀缩产生的不均匀应力会反复作用于土体的微细观结构,造成试样内部的裂隙不断扩展和贯通,是试样黏聚力下降的根本原因。

TJ-1模拟月壤开挖实验研究

为降低月球开发成本,需要设计合理的开挖设备与方案,对TJ-1模拟月壤进行了不同开挖深度和推板宽度的室内开挖实验,研究各项开挖参数对开挖阻力的复合影响,为未来的真实月壤开挖提供参考。结果表明:开挖阻力随着推板的前进迅速增大,而后趋于稳定直到开挖活动停止。开挖阻力随深度的增加而增大,可以用二次多项式F=aH2+bH很好地拟合,拟合公式中的a和b随着推板宽度的增加呈线性增长关系。