固–液相变含水率区间松散土石体中细粒组分抗剪特性试验

松散土石体在泥水作用下易引发地质灾害,其中细粒组分在高含水率下的抗剪性能骤然劣化是触发相变失稳的重要因素之一。基于环剪试验,对三峡库区某滑坡松散土石体试样设计试验方案,研究细组构由软塑~流塑发展的固-液相变全过程抗剪特性演化规律。结果表明:松散土石体试样为粗细组分二元特征较强的级配不良土体介质,其中,细粒组分在原状干密度条件下的饱和含水率为23.6%,液塑限分别为27.2和18.1,据此选定含水率23.6%~29.0%范围中的5个取值制定试验方案,可完整覆盖细粒组分的软塑~流塑相变;含水率为25.0%、26.0%和27.0%时,试样处软塑状态,在低法向压力下均可顺利开展环剪试验;其中,含水率25.0%试样恰进入软塑态,较含水率23.6%试样的峰值和残余内摩擦角分别降低23.5%和18.6%,峰值和残余黏聚力均降低超过80%。含水率为28.0%和29.0%时,试样已处于流塑状态,仅在无法向压力时可顺利开展环剪试验,且抗剪强度极低,其物理意义贴近于高黏稠泥浆的黏滞性;根据试样的黏聚力c在进入软塑状态时基本丧失,而内摩擦角φ表现为在软塑区间随含水率增加而逐步降低,进而触及液限骤然丧失的特性分析,c和φ劣化过程异步;经单元体受力模式和概化分析认为,相变前软塑状态试样静止侧压力系数K0的激增缓解了φ值的大幅骤降。

三峡库区黄土坡临江滑坡体水岩(土)相互作用机理

水岩(土)相互作用与滑坡地质灾害的形成密切相关。选取仍处于变形阶段的三峡库区黄土坡临江滑坡体为研究对象,以从滑坡不同部位采集的8类滑坡不良地质体(包括滑带土、软弱层、软岩等)为研究样本,追踪测试各样本的矿物类型及含量、化学组分及颗粒级配等指标。经分析,各类不良地质体之间具有明显的同源性特征,在水岩(土)相互作用下,主要滑坡不良地质体的成因及转化过程得以清晰呈现。随后,另取主滑带附近垂直方向上的岩土体样本为例,结合试验数据,深入分析并直观展现了水岩(土)相互作用对岩土体微观结构和力学性能弱化的影响。本研究深入探讨了黄土坡临江滑坡体中的水岩(土)相互作用机理,研究成果对于了解相似滑坡灾害的形成过程和有针对性制定滑坡防治方案具有重要参考价值。

荆江大堤下伏饱和粉细砂动力特性试验研究

针对荆江大堤江陵段下伏地层广泛分布的饱和粉细砂,参照原位试验成果重塑粉细砂试样,按估算的固结应力比（Kc约为1.6）对试样动剪模量、阻尼比及总应力动强度进行测试,结果表明：（1）试样应力-应变骨干曲线与Hardin-Drnevich双曲线模型假设高度吻合,Hardin公式可很好地拟合动模量/阻尼比与动应变的关系。在研究试样密实度范围内,最大动模量随围压和密实度的增加而增加,但围压对动模量的敏感性更高,且相同围压下动剪模量比与动应变关系曲线近乎重合。围压增大或密实度升高均会引起阻尼比的降低,1%应变对应的阻尼比分布在0.150.21之间;（2）偏压状态下以累积轴向应变5%作为液化判别标准进行抗液化强度试验,随特征振次及测试围压的增大,液化动剪应力比相应减小,试样振动孔压比最高仅能达到0.80.9;（3）由总应力法求取的动内摩擦角与黏聚力均随设定特征振次的增加而下降,且内聚力并非约等于0,表明动力作用下该试样具有一定的黏滞性。

国家自然科学基金-雅砻江联合基金重点项目“特高土心墙堆石坝筑坝材料工程特性与坝体变形和渗流安全控制”工作组赴两河口水电站现场调研

2018年6月26-28日，由水利部岩土力学与工程重点实验室牵头承担的国家自然科学基金-雅砻江联合基金重点项目“特高土心墙堆石坝筑坝材料工程特性与坝体变形和渗流安全控制”工作组赴四川甘孜州雅砻江两河口水电站开展现场调研，就项目科研试验的全面展开及后续现场工作各方配合协调与雅砻江流域水电开发有限公司两河口建设管理局进行了深入交流与沟通。

围井反滤在江西省圩堤堤基管涌抢险中的应用及若干认识

围井反滤技术是针对堤基管涌险情抢护的一种常用且被证明有效的方法。总结了围井反滤滤层保土排水的作用机理,在滤层交界面处形成的自滤层是阻止颗粒流失、保留渗水通道的关键。滤层须满足层间系数要求,且有足够的厚度,这是自滤层形成的必要条件。分析了该技术结构特征及研究现状,认为应根据圩堤典型险情特点对围井结构进行有针对性的设计;宽级配滤料选择须进行试验和实践,以检验其适用性。针对在应用中存在的滤料分离问题,抢险时应注意质量控制,并加强抢险效果的动态监测。结合了2020年在江西省鄱阳湖圩堤和湖北省长江干堤堤防抢险实践,总结了针对管涌险情的围井反滤技术应用目标、达成条件及特殊环境下的应用设计。

碎石桩复合地基抗剪特性物理模型试验与数值模拟

碎石桩法在软基处理中应用广泛,目前对该型复合地基抗剪特性定量研究较少,不能很好支撑实际工程需求。以物理模型试验和数值试验为主要手段,研究了碎石桩复合地基抗剪机制,得到以下结论:①以实际的碎石桩置换率19.6%为参照,对复合地基分别开展了无包裹常规碎石桩和透水橡皮膜包裹碎石桩的不固结剪切,以及无包裹碎石桩固结剪切单剪物理模型试验。3种方案复合地基反馈的抗剪能力较天然软基均提升显著,但前2种方案抗剪强度参数差异不大,而固结剪切方案较前两者有更进一步提升,表明桩周软土对散体状碎石桩的柔性约束能使其呈现整体均匀式剪切特征,碎石桩对软基渗透性能的显著改善是复合地基抗剪强化的关键。②将碎石桩置换率由19.6%提升至24.5%开展一组不固结剪切对比试验,与置换率19.6%的固结剪切状态相比,两者强度差异不大,表明在较低置换率区间,从发挥该类型复合地基抗剪强度的角度来看,促进地基固结更为经济有效。③以不同排水固结状态桩间土抗剪强度参数为主控因素,开展复合地基剪切数值模型试验,分析认为物理模型试验中桩间土反馈的抗剪强度较相应排水固结路径均有所提高,验证了碎石桩能显著改善软基渗透性的判断,进一步分析揭示了复合地基剪切变形及剪应力传递规律。

软土地基堤防稳定性离心模型试验研究

为探究软土地基堤防的稳定性及变形机理,以某软土地基堤防工程作为原型,提出了排水板+堆载预压排水固结处理优化方案,开展了3级堆载工况的2组堤防离心模型试验,从软基顶部沉降、孔隙水压力变化、地基强度变化等角度,对比分析了未处理与优化后软土地基堤防的稳定性。结果表明:处理后地基在3级堆载工况加载时均表现出更小的工后沉降,土压力在超重力场下快速稳定,孔隙水压力消散速度更快,塑料排水板+堆载预压地基处理方法能够提高软土地基固结效率及稳定性。研究成果可为软土地基的堤防断面设计和地基处理优化设计提供指导。

单剪与常规三轴条件下土石混合体强度特性差异

开展土石混合体的大型叠环式单剪试验与大型三轴试验,根据颗粒材料及砂土的单剪试验规律分析单剪试样应力状态,探讨两种试验条件下土石混合体的强度特性差异。结果表明:①对应相同小主应力,试样在单剪过程中的大主应力率水平更低、变化范围更小,主应力比峰值更低,对应极限应力摩尔圆更小;②单剪条件下的割线剪切模量各向异性,其中水平向割线剪切模量在剪切过程中恒低于三轴条件下的割线剪切模量,但差值随主应力轴与主应变轴间的非共轴度减小而减小;③对于采用试料,单剪条件下的摩尔-库仑抗剪强度指标值显著低于三轴条件下的值,其中内摩擦角低约9.5%。初步研究认为,单剪过程中的主应力轴旋转以及非共轴性是造成土石混合体2种试验强度特性差异的重要原因。

CFG桩复合地基新型嵌入式褥垫层桩-土应力比改善特性

CFG桩复合地基具有较好的环保效益,近年来在软基处理中推广迅速。鉴于天然地基自身较差的工程特性,加之CFG桩施工扰动易引发表层土持力性能进一步弱化,受荷状态下刚性的CFG桩与桩间土易形成过大的桩-土应力比,褥垫层结构破坏风险增大,不利于复合地基协同受力。研究提出对截桩面下约50 cm厚剧烈影响区土层采用压实碎石换填,再铺设水泥土垫层而形成新型嵌入式褥垫层结构,以改善CFG桩复合地基持力性能,得到以下结论:①基于单桩复合地基现场载荷试验对比分析,采用嵌入式褥垫层测得的桩-土应力比显著低于常规平铺褥垫层,极限载荷下桩-土应力比较常规褥垫层的22.9降至13.8,降幅约40%,且全过程桩-土应力比曲线波动相对平缓,尤其是达到极限承载力后无陡降,有利于地基安全受荷;②采用数值试验手段模拟CFG群桩复合地基竖向受荷特性,嵌入式褥垫层对桩间土压缩层起到了显著的综合强化作用,既有效减小了桩向褥垫层的相对刺入,也使得褥垫层的变形形态更均匀平整,局部刺入和翘起得到有效缓解,避免了桩-土应力比过大对褥垫层结构的破坏;③嵌入式褥垫层条件下不同部位CFG桩的水平变形状态更优,顶部较强的约束将CFG桩受力模式由接近“悬臂式”变为接近“简支式”,对复合地基边桩和角桩的变形受力状态改善显著。

基于CT扫描和仿真试验研究黄土坡滑坡原状滑带土力学参数

采集大量巴东黄土坡滑坡原状滑带土样本,采用CT扫描获取原状滑带土内部颗粒分布,并初步判断样本属土–石混合体。挑选典型CT扫描图像并经过栅格化处理,对原状滑带土进行三轴数值试验,其中滑带土细组构(粒径小于2 mm)部分采用直剪试验获取其力学参数,粗粒碎石(粒径大于2 mm)部分参照滑床母岩的力学参数,根据仿真计算结果分析原状样本破坏机制,并对比土–石混合体与纯土(细组构)力学参数的区别。研究结果表明:与纯土剪切强度相比,原状滑带土内摩擦角提高不明显,而黏聚力却能提高80%以上。据分析,土–石混合体中含石量仅为30%左右,不会改变细组构作为骨架的实际情况,但变形过程中,碎石运动速率较细组构慢,在较大法向应力作用下对细组构产生有效阻力,从而在碎石与土界面处提供类似于挡土墙与填土界面的主动土压力外摩擦角,在莫尔圆中,该作用反映在土–石混合体系黏聚力的显著提高上,通过分析滑带中采集到的大块石表面力学痕迹找到相关依据。该研究方法可为获取真实有效的滑带土剪切强度参数提供一条新思路。

基于三维形态空间分析和仿真试验的岩体结构面剪切强度参数研究

获取结构面可靠的强度指标是研究岩体强度的重要基础。因不同结构面样本的巨大差异,以及剪切测试难以重复进行的实际情况,直接通过试验获取剪切参数通常难度较大且结果不理想。以具有定向变形特征的岩体剪切结构面为研究对象,探索性提出采用结构面剪切测试-结构面表面形态三维空间分析-数值仿真试验相结合方法,获取真实可靠的结构面强度参数。该方法优势表现为:岩体结构面摩擦角的2个组成部分即基本摩擦角和爬坡角完全分离,且能考虑结构面形态三维特性及剪切变形方向特征;同时,力学测试和数值试验结合,克服了单纯依靠剪切测试无法重复的重大难题。

极限蓄水位下洞坪水库大沟湾滑坡稳定性预测

滑坡灾害具有很强的空间变异性和随机性,应作非线性动态系统考虑。利用传递系数法,反演出极限蓄水位时大沟湾滑坡在不同安全系数下临界状态的剪切强度参数关系,对试验得到的剪切强度参数进行分析,结合工程地质类比法,由统计方法得到滑带土剪切强度参数的分布规律,并生成随机剪切参数。假设Mohr-Coulomb准则在滑坡体自重应力范围内服从线性分布,由试验参数在σ-τ坐标内的分布曲线,结合天然状况下滑坡体正应力范围得到c-φ包络多边形,由此考虑剪切参数相关性,筛选出有效的随机剪切参数。通过Monte Carlo模拟,统计有效样本与反演得到的不同安全系数条件下极限平衡c-φ关系曲线的位置分布关系,得到不同安全系数滑坡的破坏概率。对极限蓄水位条件洞坪水库大沟湾滑坡稳定状况进行预测,结果表明,滑坡届时处于极高风险状态,稳定性很差。结合蓄水过程中两次对滑坡体实地考察得到的滑坡体变形特征表明,研究结果吻合。

围堤填筑对深厚软土地基既有群桩基础的影响研究

以某围堤穿越深厚软土区大桥群桩基础为工程实例,采用三维有限元数值计算手段,分析工程实施过程中附加荷载施加对既有桩基工作环境影响。研究结果表明:(1)大面积堆载对桩基产生不利影响,并显著受控于桩-土摩擦系数,鉴于工程中取值较困难,通过对比数值计算桩周负摩擦力与原位试验地基土侧摩阻力标准值,确定本工程桩-土摩擦系数在0.2~0.3;(2)填筑会对邻近桩基产生负摩擦力,进而增加基桩轴力,但不引起桩身破坏;(3)对称而均匀的填筑可最大程度降低桩基不均匀沉降及附加荷载向地基深部水平向的扩散,基桩弯矩影响可控;(4)群桩中各基桩空间分布不同,附加荷载引起同一承台下基桩-土变形协调存在差异,对桥桩安全监测应具有针对性。该研究成果可有效克服规范法的一些局限,对于指导实际工程方案的制定以及工程施工过程中合理布置监测措施有一定参考价值。

水平受荷大尺寸钢管桩离心数值试验研究

基于水平受荷钢管桩离心物理试验成果,以3维有限差分方法为技术手段开展离心数值试验,深入揭示桩-土相互作用关系。研究表明:水平受荷下钢管桩侧向变形显著受控于土层弹性模量。从桩顶变形、桩身挠度及弯矩分布等方面对比离心物理模型试验与离心数值试验成果,根据各级水平荷载条件下两者吻合程度确定参数优化方案;在此基础上提取水平受荷条件下钢管桩不同埋深截面区间的荷载-位移(p-y)关系,进而系统研究不同层位地基土所提供的水平抗力及其分布规律。物理试验和数值试验相结合可有效克服物理试验中监测数据有限、监测工具布设困难等缺点;该研究方法在获取水平受荷桩p-y曲线方面具有普遍适用性,可供实际工程中桩基水平承载力设计参考。

基于大型真三轴试验的粗粒料强度特性研究

基于长江科学院自主研制的大型微摩阻土工真三轴仪,对某土石坝粗粒料开展不同中主应力系数(等b)条件下的真三轴试验,探讨三向应力条件下粗粒料强度变化特征。研究表明:(1)中主应力对粗粒料强度影响显著,强度随b值增加而增加,特别是b值在0~0.25区间内,相较于常规三轴试验其强度指标显著增长;(2)经与几种经典强度准则对比,拉德–邓肯强度准则能相对较好地反映粗粒料在三向应力状态下强度演化趋势;(3)通过一组平面应变试验认为,不同围压下当偏应力接近峰值时,b值基本稳定在0.17~0.19,实际工程在试验条件有限的情况下,平面应变试验成果可用于粗略估算粗粒料在复杂三向应力状态下的强度。研究成果可为合理确定粗粒料复杂应力状态下强度参数及精细化研究粗粒料强度准则提供参考。

地震作用下三峡库区典型堆积层滑坡变形特性研究

选取三峡水库区地震频发的兴山县一典型厚层堆积型滑坡为研究对象,以实测库水位波动与地震发生时间点关系为基础,并参照V度地震烈度,采用静力-渗流-动力多场耦合3D数值模拟方法,对滑坡变形机理进行研究。结果表明:(1)地震作用与库水位波动密切相关,不利的渗流条件和地震动荷载作用相互叠加,渗流场-动力场耦合作用共同导致滑坡体发生变形;(2)堆积层滑坡体结构相对均质,无显著不良地质单元,除堆积体临空面附近外,其对地震波几乎无放大效应;(3)V度地震烈度条件下,连续地震对堆积层滑坡变形量的影响有限且收敛,但仍有必要对滑坡体变形进行长期监测。

振冲桩法碎石原料与实际成桩体抗剪强度差异试验研究

振冲桩法通过碎石等透水性材料对软弱地基进行置换挤密而形成复合地基,以往对该复合地基抗剪强度关注相对较少。由于碎石桩和桩周软土存在挤密和置换作用,碎石原料与振冲形成的实际桩体不论颗粒组成还是变形受力特性都存在差异,基于工程现场对成桩体的检测和取样,在室内开展土工试验,分析碎石原料与实际成桩体在物理力学参数方面的差异,试验表明:①实际成桩体中的细颗粒含量显著高于碎石原料,其主要来源于振冲施工过程中桩周软土的混(挤)入;②成桩体最大干密度高于碎石原料,与碎石原料级配不良及细颗粒混入有直接关系;③以现场实测压实度备样分别对碎石原料和两种桩间距成桩体开展大型三轴试验,成桩体整体强度较碎石原料降低约10%,考虑其在应力变形特性上的差异,若以5%应变对应偏应力求取强度参数,成桩体较碎石料强度减小超过20%,桩周土混入对桩体抗剪强度及应力变形特性均有较显著的劣化影响。结合初步研究结论,提出了复合地基强度设计参数的修正建议。

深厚软基区海堤填筑下穿对既有桥梁桩基的影响

以某深厚软土区海堤填筑下穿含匝道高速公路桥的复杂工程为研究案例,通过精细化3维有限差分数值模拟,分析采用工程加固措施后,大面积填筑对既有端承型桥梁桩基的影响程度及机理。研究表明:1)通过CAD+CAE动态设计优化,选定了钻孔灌注桩+框架梁+高压旋喷的加固方案,框架结构具有较好的整体刚度和协同受力特性,高压旋喷在上部软土层形成硬壳,可减小固结变形量。2)附加荷载在框架梁中充分形成压力拱,可显著降低对桥梁横向的挤压,有效控制两侧匝道下桩基的附加水平位移,在沿桥向将大面积堆载转化为灌注桩和框架梁内力,避免桩基产生过大附加弯矩;经计算,工后桩顶水平位移最大值4.38 mm,基桩最大压应力增量小于0.9 MPa,均能较好地满足控制要求。3)钻孔灌注桩+框架梁整体结构的有效性还体现在其可对桥桩产生类似套管的隔离保护,配合分层对称填筑工艺,可降低桥桩-桩周土相对变形,对控制基桩轴力增量作用显著。综上可知:精细化数值模拟可有效克服相关行业规范在评价复杂桩-土相互作用时的局限性,为研究工程方案的适用性及效果评价提供必要的技术支撑。

不同中主应力条件下粗粒土应力变形特性试验研究

采用长江科学院大型真三轴仪,对粗粒土进行了一系列不同中主应力系数条件下的真三轴试验和平面应变试验,研究了中主应力对粗粒土的应力变形的影响规律。试验结果表明,中主应力比b一定时,应力–应变关系曲线的斜率和峰值强度随着固结压力的增大而增加,在低围压条件下,体变关系曲线在加载过程中表现为先剪缩后剪胀的特性,而在高围压下,整个加载过程中表现剪缩的特性;固结压力一定时,随着b值的增大,应力在峰值后的软化现象愈加明显,体变全过程曲线表现出剪胀特征对应的固结压力越来越低,小主应变–大主应变关系曲线的斜率绝对值增大。研究成果可为进一步研究粗粒土的本构模型奠定基础。

洞坪库区瞿家湾滑坡群地质演化分析及数值模拟

在详细分析洞坪库区瞿家湾滑坡群地质构造和区域地质构造的前提下,结合地层产状、水文气象等因素分析瞿家湾滑坡群区内在演化过程中难以形成大规模岩质滑坡。若根据河谷下切的方向推测,中间河左岸形成三级阶地的3次构造运动活跃期很可能引发右岸基岩的大规模崩塌。分析崩塌物的特征和河流的宽度,大规模的崩塌物是有可能被搬运到河流左岸、上覆于左岸阶地的,并从实地考察拍摄的照片和对基岩力学参数的分析找到依据。结合工程地质学和地质学方法分析选取滑坡演化过程中的5个重要阶段,考虑滑坡群处于背斜轴部的特殊性、地貌学上河谷顺应构造软弱带切割的特点以及根据岩土体试验参数试算的结果,确定出5个重要阶段滑坡群区域的剖面形态并绘制地质剖面。利用FLAC3D建立地质力学模型并进行全过程动态数值模拟。计算结果证实了右岸大规模崩塌物可能堆积到左岸的推断,同时也很好地解释了两岸堆积物厚度悬殊及高程差别悬殊的疑问。