地下洞室地震动力响应的岩体结构控制效应

为了评价在层间错动带C2影响下白鹤滩地下洞室群尾调室在地震作用下的稳定性,针对其在试验中表现出来的明显的延性及法向荷载依赖性等特征,一种非线性的连续屈服(CY)模型被采用,用来描述层间错动带在静力以及地震动力作用下的复杂力学特性。在CY模型中,非连续面的变形特性采用幂函数形式表述,并且考虑了剪切破坏过程中强度的渐进性破坏。CY模型预测的C2错动带的力学行为与试验获取的结果相比较差异非常小,证明了CY模型在静力作用下的适用性。基于位移非连续假设的应力波透射理论被用来论证CY模型在动态作用下的适用性,同时将结果与线性结构面本构模型的结果进行了对比。比较结果表明,CY模型预测的规律与已有文献利用其他非线性模型得到的结论基本相同,并优于线性本构模型,理论结果在数值软件中得到了验证。3条地震波在经过特殊的反应谱匹配处理后,对白鹤滩地下洞室左岸1#尾调室进行了地震动力响应分析。分析结果表明,C2错动带在地震作用下对尾调室的变形及稳定性有明显的控制作用。地震作用下洞室整体运动趋势以刚体位移为主,岩体间相对变形为辅。相对变形中,错动带C2的相对变形占据了较大的成分。C2的相对变形以接触面上下盘的切向错动变形为主,主要发生部位为洞室顺C2走向的部位;结构面上、下盘法向变形为辅,主要发生在洞室顺C2倾向部位。通过超载法,获取了洞室的地震动力安全裕度。当超载系数从2增加到3时,C2的剪切变形、洞室的塑性区指标均剧烈增加,显示洞室的安全裕度大约在2～3之间,即洞室最大可抗拒峰值加速度为438g～657g的地震动作用。研究结论可供地下洞室的抗震设计与分析参考。

柔性侧限条件下软土的变形特性及固结模型

软黏土具有含水率高、压缩性强、泊松比大的物理特性。对于深厚软黏土地基而言,在竖向荷载的作用下很难保证侧向变形为0,适当考虑侧向变形的柔性约束条件可能更符合工程实际。因此,提出了柔性侧限条件下的竖向固结试验方法,对原状土样及重塑土样分别进行了不同侧向约束条件下的竖向固结对比试验,分析了侧限条件对软黏土沉降特征及变形参数的影响。试验成果表明,柔性侧限条件下土体的主固结变形量、次固结变形量均较K0侧限条件下的大,主固结完成时间较短,且等时曲线非线性化程度更高。基于试验成果及ε-lgp曲线,引入非达西渗流理论,对一维Terzaghi经典固结理论进行修正,建立了柔性侧限约束条件下的非线性控制方程,此计算模型参数通过柔性侧限固结试验获取,可计算一定侧向变形条件下土体的变形特性,通过对室内试验成果的模拟验证了模型的有效性。

K_0等比固结条件下软土的变形

软土的变形与长期变形是学术界和工程界共同关注的问题,会导致软弱土层的过大沉降和工后沉降。软土地基的固结状态更符合K0等比固结状态。基于土体的一维固结理论,针对广东汕头东部围海造地吹填地基进行了原状土样在K0等比固结条件下的固结与次固结特性研究,并与侧限压缩试验结果进行了对比。试验结果表明,K0等比固结条件下试样有明显的瞬时变形特征,并对之后的变形产生影响,与侧限压缩试验结果相比,压缩指数增大、压缩模量减小、次固结系数减小、主次固结时间的分界提前。

基于等时曲线的软黏土弹黏塑性模型

软黏土的变形与时间密切相关,包括固结效应与蠕变效应两部分,两者相互作用共同影响着土体的变形及长期变形。在Bjerrum等时曲线理论的基础上,推导了一个能描述软黏土变形时效特性的弹黏塑性本构模型,将此模型代替一维Terzaghi固结理论中的线弹性应力–应变关系,并进一步考虑非线性渗流的影响,实现了一维条件下蠕变–固结的非线性耦合作用。本模型中共有8个模型参数,物理意义明确,均可通过室内试验简单获取,利用Crank-Nicolson有限差分格式在一定的边界条件下可对控制方程进行求解。为验证此模型的有效性,对室内一维K0侧限固结试验及Leroueil和Kabbaj的等应变率试验成果进行了模拟,理论计算值与试验结果能够较好吻合。

软黏土变形时效性的试验及经验模型研究

对汕头东部入海口的吹填软土进行了一维次固结试验和三轴固结不排水蠕变试验,分析了这两种机制不同的蠕变特性。一维试验结果表明,软黏土的应力-应变关系呈现出明显的非线性特征,且当土体处于超固结状态时,其主固结和次固结变形相对于正常固结状态会变小,预压可以提高土体的结构屈服强度。在三轴固结不排水蠕变试验中,孔压会随时间一直发展,即有效应力不断减小。当偏应力较小时,土体的变形最终会趋于稳定,应变率也随时间一直减弱;而当荷载增加到临界值时,土体的变形会随时间快速发展,发生加速蠕变破坏。引入分数阶导数的概念,建立了含分数阶导数的Merchant模型,对两种试验数据分别进行拟合并给出了参数范围,结果表明:与经典的Merchant模型相比,分数阶导数Merchant模型能更好地描述软土的蠕变变形,而且模型简单、参数少,能很好地应用到实际工程中。

连续屈服节理模型对剪切地震波传播的影响

地震波在跨越岩体中节理时的透反射特性是岩石地下工程抗震分析问题中的重要基础,目前开展的研究工作中尚未有针对连续屈服(CY)非线性节理模型透反射特性的研究报导。在前人提出的非线性节理透反射系数时域递归法解答的基础上,将这一方法拓展至CY模型。并采用3DEC离散元软件,对比了CY模型的时域递归解与数值模拟结果的差异。在此基础上以时域递归解为手段,辅以离散元数值模拟,开展了CY模型的参数影响研究。最终比较了库仑(MC)模型与CY模型在正弦脉冲激励和真实地震动激励下表现的差异。结果表明:CY模型的时域递归解与3DEC数值模拟结果显示了良好的一致性,证明了时域递归解用以进行后续参数研究的合理性。法向应力、入射波幅值、节理初始刚度、节理间距等参数对CY模型具有显著影响。相比库仑模型,连续屈服模型可以更好地反映地震波穿越节理时发生的复杂力学现象,如切向刚度退化、抗剪强度劣化、法向应力依赖性、滞回现象等。研究成果可为岩石地下工程的抗震设计与分析工作提供一定参考。

基于科教融合理念的《土力学》课程教学改革

《土力学》为土木工程专业的核心课程,具有知识面宽泛、概念抽象、计算繁琐,理论性和实践性均强等特点。科教融合是深化课程教学改革和提高人才培养质量的重要途径。结合《土力学》课程特点和教学目标,通过优化土力学课程教学设计,构建多层次的土力学课程知识体系,更新教学内容,创新教学模式,搭建第二课堂平台,开展"全过程"实验模式下的探究式学习,多元成绩评价体系等改革措施,旨在为科教融合背景下《土力学》课程教学改革与创新提供新思路,有效提高学生的创新思维和创新能力。

吹填软土次固结特性的试验研究

对汕头东部吹填软黏土进行了大量的一维压缩试验,系统地分析了不同条件下次固结系数的变化情况。试验结果表明:次固结系数随着孔隙比的减小、固结时间的增长而减小;在允许一定侧向变形的情况下,次固结系数较侧限条件下会有所增长;预压作用能消除一部分工后沉降。次固结系数随着固结压力的增长而增加,但当荷载大于2.3倍pc时,次固结系数的增长速率极小,基本可以认为次固结系数不再受荷载影响。次固结系数与压缩指数呈较好的线性关系,比值为0.028~0.049,且随着约束、加载条件的不同,两者的发展趋势一致。

水泥固化淤泥废弃土作为填土材料的试验研究

现阶段的基坑工程会产生大量的废弃土,为实现固体废弃物的资源化,本文以淤泥废弃土作为研究对象,根据击实特性设置不同的击实度,基于无侧限抗压强度试验和水稳定性试验探讨淤泥废弃土经水泥固化后作为填土材料的可行性。结果表明,在淤泥废弃土中加入水泥后,最大干密度会降低,而最优含水质量分数则相反。水泥固化淤泥废弃土的强度会随着水泥质量分数和压实度的增加而增加。在水泥质量分数低于5%时,水泥固化淤泥废弃土的强度对压实度的降低和浸水条件均比较敏感,会出现明显下降。压实度的提高能明显改善水稳定性,但随着水泥质量分数和龄期的增加,压实度对水稳定性的改善效果会趋于平缓甚至减弱。

吹填区软土固结及次固结特性试验研究

对某吹填区软土进行了不同固结压力、固结时间、排水距离、初始孔隙比等的对比性固结试验,研究了软土的固结及次固结特性。试验结果表明:次固结系数与压缩指数呈较好的线性关系,压缩性指标与上覆固结压力密切相关;固结变形与先期固结压力有关,在超固结阶段呈线性变形、正常固结阶段呈黏塑性变形的特征;次固结系数随固结压力变化可分3个阶段,阶段Ⅱ(p_c<p<ηp_c)是产生次固结变形的主要阶段;此外η还与土质有关,淤泥质土η≈2.3,淤泥η≈3.5;在相同荷载条件下,次固结系数随固结时间的增长有所降低,随初始孔隙比增大而增大,而排水距离的影响则可以忽略不计。

厨余垃圾蛋壳与贝壳在MICP技术中的应用研究

微生物诱导碳酸钙(MICP)是一种环保可持续的地基改良技术,该技术中常常需要消耗大量化学分析级试剂,诸如尿素、钙盐等,对环境等造成一定的不良影响。该文从环保角度出发,基于废弃资源再利用理念,选取了蛋壳和贝壳2种再生钙源并以化学钙源硝酸钙作对照,通过渗透试验、干密度试验、无侧限抗压强度试验、电镜扫描(SEM)试验和X射线衍射(XRD)试验探讨了厨余垃圾作为钙源的可行性。结果表明:再生钙源应用于MICP技术固化砂土具有可行性;经再生钙源生蚝壳固化后的沙土试样干密度、碳酸钙含量和无侧限抗压强度均比硝酸钙固化后的试样低,而渗透系数则相反;使用再生钙源固化砂土试样中的表观孔隙率较使用硝酸钙的固化砂土试样高;XRD和SEM试验的结果显示再生钙源获取的碳酸钙晶体形态以球霰石为主,硝酸钙获取的碳酸钙晶体则呈现方解石和球霰石的团簇状态;再生钙源替代化学钙源应用于MICP有助于提升该技术的环保可持续性。

生蚝壳作为微生物固化砂土钙源的试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀(microbial induced calcium carbonate precipitation, MICP)是一种新兴的环保地基加固技术,使用该技术需消耗大量化学分析级试剂,如尿素、钙盐等,对环境等造成一定的不良影响。基于利用废弃资源的理念,选取厨余垃圾生蚝壳作为MICP固化砂土钙源,并与用硝酸钙、氯化钙作为钙源进行对比。通过无侧限抗压强度试验、渗透试验、碳酸钙质量分数测试、干密度试验和扫描电镜试验(SEM)等探讨该方法的可行性。试验结果表明,以生蚝壳为钙源的MICP固化砂柱的平均孔径最大,但其表观孔隙率最低,无侧限抗压强度、渗透系数、碳酸钙质量分数、干密度等物理力学指标均优于化学钙。SEM试验结果显示,不同钙源固化砂柱砂颗粒表面均有碳酸钙沉淀生成,生蚝壳钙源获得的碳酸钙沉淀晶体形态是表面比较粗糙,伴有微小孔隙的球体形态;硝酸钙获得的碳酸钙沉淀是介于球状和棱柱体之间的多棱角的簇状;氯化钙获得的碳酸钙沉淀呈现颗粒相互交错堆积的簇状。

Two-dimensional analyses of delamination buckling of symmetrically cross-ply rectangular laminates

The conventional approach to analysis the buckling of rectangular laminates containing an embedded delamination subjected to the in-plane loading is to simplify the laminate as a beam-plate from which the predicted buckling load decreases as the length of the laminate increases. Two-dimensional analyses are employed in this paper by extending the one-dimensional model to take into consideration of the influence of the delamination width on the buckling performance of the laminates. The laminate is simply supported containing a through width delamination. A new parameterβ defined as the ratio of delamination length to delamination width is introduced with an emphasis on the influence of the delamination size. It is found that （i） when the ratio β is greater than one snap-through buckling prevails, the buckling load is determined by the delamination size and depth only; （ii） as the ratio β continues to increase, the buckling load will approach to a constant value. Solutions are verified with the well established results and are found in good agreement with the latter.

基于PIV技术与分形理论的桩-土系统水平循环受荷模型试验研究

单桩基础作为涡轮风机常用的基础形式之一,常受周期性横向荷载的作用,这将导致桩-土系统动力响应的变化。通过改变土体相对密实度与粒径大小2个参量开展一系列室内模型试验,探究水平循环荷载作用下单桩基础的内力变化及累积变形特性,并利用PIV技术及分形理论分析桩周土体周期性的运动规律。试验结果表明:(1)循环荷载对于桩身弯矩的影响较为显著,随着循环次数的增大,桩身弯矩值随之减小,减小的幅度随土体相对密实度的增加而增大;同时,桩周土体粒径越小,桩身产生的弯矩相对较大。(2)桩基整体绕桩身一点做刚性转动,土体的相对密实度越高,桩身累积变形越小;砂-钢接触面的界面摩擦角受到土体粒径的影响,土体粒径越大,界面摩擦角越小,桩身的水平累积位移越大。(3)表层土体位移范围随土体相对密实度的增加而减小,而粒径大小对于土体位移场的影响较小;随着加载的进行,桩后土体位移影响范围增加,而桩前土体影响位移范围减小,桩周沿加载方向的部分土体会发生对流运动。(4)桩周土体位移场具有分形特征,分形维数值随着土体相对密实度的增加而减小,大小在1.18~1.42范围;分形维数与土体位移场面积之间呈现正比例线性关系,而与循环次数之间呈现指数函数关系;以此提出了拟合公式,与已有数据点的拟合结果较好。该研究结果可为探究水平循环荷载作用下桩-土系统的稳定性评估提供试验基础。

层状地基中水平受荷桩-土相互作用试验

为了深入研究侧向受荷桩的承载特性及抵抗变形的能力,结合实际工程中天然土体的成层特性,开展了侧向受荷桩的室内模型试验,研究了不同粒径土层厚度及相对密实度对桩土相互动态耦合作用的影响,并结合PIV图像技术,分析了桩周土体位移场的发展趋势,为水平受荷桩的设计提供了理论依据。试验结果表明:①土体刚度与较小粒径土层的厚度呈正相关关系,而较大粒径砂土层厚的增加则对整个桩土体系的刚度产生了弱化作用;②当桩顶位移相同时,随着较小粒径砂土层厚的增大以及相对密实度的提高,土抗力随之增大,在深度为5~6倍桩径范围内达到最大值,且相对密实度对土抗力的影响更大;③水平受荷桩的桩前和桩后砂土表面均形成了一个纺锤形的位移影响区域,且此区域与水平加载方向的最大夹角随土层条件和相对密实度的变化很小,其值均为45°左右;④在相同的桩顶荷载下,砂土相对密实度的增大约束了桩体的运动趋势,使得桩体的水平位移减小,例如,当桩顶荷载均为30 N,密实度为0.5时桩前砂土的最大位移影响范围比密实度为0.3时普遍减少了约1倍桩径的距离;⑤桩身弯矩值随着较小粒径土层厚度的增大而增大,最大弯矩约出现在0.15 m深度(5倍桩径)处;随着砂土相对密实度的提高,桩身弯矩也逐渐增大,最大弯矩所在的位置逐渐上移。

基于渗水力加荷对侧向受荷桩的试验研究

利用自主开发的渗水力试验装置开展渗水力加载模型试验,并研究原位应力场中侧向受荷桩与土体颗粒的相互作用。模型试验利用渗流场和重力场来模拟原位应力场,采用高分辨率照相机来拍摄试验过程中土体的变形照片,并进一步运用粒子图像测速技术来获得原位应力场中土体的位移,可视化研究侧向受荷桩在不同重力场条件下桩周土体的位移场分布规律和桩的力学特性。不同水力梯度(i=0,i=5和i=10)模型试验的成果表明,随着水力梯度的增加桩身位移逐渐减小,桩周土体位移和影响区域明显减小,桩的转动点位置向上移动,其主要原因是水力梯度增加了土体强度,增大了土–桩的相对刚度,加强了桩–土的相互作用。

钙源对微生物沉积碳酸钙固化砂土的试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀是一种环保的地基处理方法,通过微生物和钙盐作用形成碳酸钙沉淀加固土体。钙盐种类的不同对生物固化砂土的效果也不尽相同。选取氯化钙、硝酸钙、乙酸钙和乳酸钙4种钙盐,探究营养液中钙盐种类对微生物固化砂土效果的影响。基于渗透试验、干密度试验、吸水率试验、无侧限抗压强度试验和碳酸钙含量试验测定微生物固化砂土的物理力学指标,从宏观角度分析钙源对微生物固化效果的影响;结合电镜扫描测试,从微观角度分析了钙源对碳酸钙沉淀晶体形态的影响。试验结果表明：硝酸钙的固化效果最好,其次是乙酸钙、氯化钙和乳酸钙;乙酸钙为钙源固化后的砂柱强度达到2.884 MPa;固化后砂柱受压发生破坏主要源于固化薄弱区;无机钙源获取的碳酸钙沉淀颗粒要大于有机钙源。

碳源对微生物固化砂土效果影响的试验研究

微生物固化砂土需要营养液提供所需的固化环境。营养液成分的不同,其固化效果可能也有所区别。针对营养液中的重要组成部分——碳源,选取无机碳源（碳酸氢铵和碳酸氢钠）、有机碳源（无水乙酸钠和葡萄糖）共4种碳源进行对比研究。通过砂柱试验,测定4种碳源在不同浓度下的物理力学指标,获取每种碳源固化砂土的最优浓度;然后以4种碳源的各自最优浓度,进行不同脲酶活性下的烧杯试验和砂柱试验,测定烧杯试验的SEM和砂柱试验的物理力学指标。试验结果表明：碳酸氢钠、乙酸钠和葡萄糖进行固化砂土的最优浓度为0.03 mol/L,碳酸氢铵固化砂土的最优浓度为0.02 mol/L,有机碳源的固化效果比无机碳源好;不同碳源固化砂土的效果在低脲酶活性下差异性更大;微生物诱导碳酸钙沉淀中,脲酶活性高低是整个诱导固化过程的主导因素;不同碳源诱导产生的碳酸钙沉淀的形态不同。

纤维对微生物固化不同颗粒粒径砂土强度影响试验研究

针对颗粒粒径和纤维对微生物固化砂土性能的影响展开了研究,基于无侧限抗压强度试验和渗透系数、孔隙率、碳酸钙生成量的测定,从宏观角度分析颗粒粒径和纤维对微生物固化效果的影响;结合电镜扫描,从微观角度对其固化机制进行了初步探讨。结果表明：当颗粒粒径范围为0.25-0.5 mm时,微生物固化效果更好,强度更大;当颗粒粒径在0.25-0.5 mm范围内时,纤维对试样强度有增强作用,但在颗粒粒径范围为0.08-0.25 mm、0.5-1.0 mm、1.0-2.0 mm时,试样强度下降;碳酸钙在微生物固化过程中主要起填充和连接作用,连接作用与＂有效沉积钙＂的比例有着明显的关系,＂有效沉积钙＂比例越多,砂颗粒间的联系性越强,强度越高。纤维与颗粒间的孔隙共同影响着＂有效沉积钙＂的生成。