生物胶改良黏土抗崩解特性试验研究

为研究生物胶对黏土抗崩解性的影响,采用黄原胶、瓜尔胶及黄原胶与瓜尔胶质量比为1∶1混合的复合胶对黏土进行改良,通过抗崩解试验,探究生物胶的含量和种类、压实度对改良黏土抗崩解特性的影响规律,并结合扫描电镜试验进一步分析了生物胶的改良机理。结果表明:生物胶通过增强土体颗粒之间黏聚力增强改良黏土的抗崩解特性,其崩解破坏过程可分为稳定前崩解阶段、稳定崩解阶段及稳定后崩解阶段;随着生物胶含量的增大,改良黏土稳定前崩解阶段延长,崩解速率减缓,崩解率降低;复合胶改良黏土抗崩解特性在质量分数大于1.0%后强于单一生物胶;随着压实度的提升,试样抗崩解特性明显改善。

循环张拉作用下新型多节泡土钉抗拔性能现场试验研究

新型多节泡土钉具有拉拔硬化特征,相比传统土钉,其在土质边坡中抗拔性能更优。为了探究实际工况条件下新型多节泡土钉的边坡加固性能,并与传统土钉进行比较,开展7组新型多节泡土钉及传统土钉现场循环张拉试验,研究注浆工艺、节泡间距及埋深对土钉抗拔力及其发挥速率的影响规律,进而探明了每一循环下土钉弹、塑性拉拔位移占比,并分析其内在机理。试验结果表明:循环张拉作用下,注浆工艺对土钉的抗拔力影响显著,采用改进式压密注浆工艺和直接压密注浆工艺的土钉抗拔力远远超出传统注浆工艺,且初期的拉拔硬化现象更明显。采用改进式压密注浆工艺的土钉抗拔力发挥速率最快,直接压密注浆工艺次之,传统注浆工艺最小。从总体趋势上看,新型多节泡土钉抗拔力发挥速率在降低,传统土钉抗拔力发挥速率在升高。采用改进式压密注浆工艺虽然不能提升土钉弹性拉拔位移的占比,却能显著提高极限抗拔力;节泡间距对多节泡土钉抗拔力和抗拔力发挥速率影响较小,主要受到土钉周围土体强度的影响;埋深影响多节泡土钉的极限抗拔力,埋深越大,极限抗拔力和初始抗拔力发挥速率越大,同时抗拔力发挥速率随拉拔位移递减的趋势也更加明显。研究成果对提高新型多节泡土钉加固性能和优化工程应用提供指导。

岩土离心模型试验软接触式微型土压计研制及性能评价

微型土压计是岩土离心模型试验的重要测量技术之一。为解决刚性土压计测量中拱效应、尺寸效应、厚径比等经典误差问题及提升频响速率和精度,尝试开发了一种全新软接触式微型土压计ESP-II,介绍了其技术创新和设计方法。以两种国际代表性土压计为参考,设计开展一系列离心模型试验,对其感应精度、速率和适用性进行评价。主要结论:①逐级加载离心加速度5g~50g试验下,各深度ESP-II和两种参考传感器测试结果与理论值的平均误差分别为5.16%,6.70%,4.85%,三者沿深度拟合K_(0)优度系数R^(2)均≥0.9893。②脉冲荷载试验中ESP-II最大响应时间约7.8 ms,略优于两种参考传感器,具有良好的频响速率。③不同幅值正弦、地震等动荷载试验下,3种传感器测得土压力均呈一致增量趋势,K_(0)约由0.43~0.45增至0.51~0.56,与既有规律认识吻合。④离心机下降卸荷过程中,ESP-II测得时程表现良好连续性和光滑性,反映软接触式设计有利于保障土体与传感器良好接触和稳定响应。研究成果,初步证明了软接触式土压计适应于静、动力离心试验需求,具有重要价值与应用前景。

砂砾土振动体变评价方法与离心机模型试验验证

2008汶川地震出现了砂砾土大范围液化致灾现象,现场震害调查表明砂砾土场地存在砾石效应影响,现有砂土场地的震后沉降评价方法不适用于砂砾土场地。对此,在“张-社本”振动体变评价方法的基础上进一步发展了考虑砾石含量的砂砾土振动体变评价方法,然后开展动三轴试验确定评价方法中的相关参数,最后开展3组典型砾石含量的砂砾土地基离心机振动台模型试验对评价方法的可靠性进行验证。试验结果表明,砾石含量越高,振动引起的场地沉降变形越小;砂砾土振动体变评价方法可以较为准确地预测新近沉积砂砾土场地的震后沉降,但对存在地震历史影响的砂砾土场地,本文提出的评价方法较为保守,建议进一步发展考虑地震历史效应的砂砾土振动体变评价方法。

盾构机始发井深基坑力学和变形特性离心模型试验研究

为探究盾构机始发井深基坑开挖过程中周边土体的应力、变形和土压力分布规律,通过对工程原型进行概化,在典型土层条件下,采用停机-开挖-支护的模拟方式开展了方形基坑和圆形基坑两种方案共2组离心模型试验,从地连墙的弯矩和其后土体的水平位移、基坑外侧土压力分布以及地表沉降等角度,对比分析了两种盾构机始发井深基坑开挖过程的工程特性。结果表明:地面沉降随基坑开挖深度增大逐渐增加,形成沉降槽状;地连墙土压力变化呈非线性,随着基坑开挖不断深入的,离地表较近处的土压力逐渐变大,而深处的土压力则逐渐减小;在第5步开挖时2组模型地下连续墙水平位移均达到最大值,圆形基坑是方形基坑的1.4倍,同时地连墙的弯矩也达到最大值,圆形基坑比方形基坑小320 kN·m。研究成果可为深埋隧道深基坑的优化设计和开挖提供指导。

黏土中筒型基础竖向承载影响深度研究

开展筒型基础在上黏下砂成层土中模型试验,提出“砂层下探法”确定竖向荷载影响深度。分析结果发现:均质黏土中,宽浅式筒型基础竖向承载影响深度约为筒端以下0.5倍筒径,随着长径比的增加,竖向承载影响深度缓慢增加;在强度随深度线性增长的黏土中,竖向承载影响深度与土体不均匀系数呈反比。

基于多轴强度准则的混凝土面板应力安全评价方法研究

混凝土面板作为面板堆石坝的关键防渗结构,其应力变形安全对保障工程安全运行至关重要。目前工程中普遍采用混凝土单轴标准强度评价面板应力安全,该方法忽略了面板应力状态对其强度的影响,会对面板破坏范围作出不合理的判断,因此,提出了基于多轴强度准则的混凝土面板应力安全评价方法,该方法通过确定混凝土强度调整系数及多轴强度应力水平指标评价面板应力安全。联合基于位移多点约束法的面板精细化计算方法及改进黏弹性方法全面考虑动位移和永久变形对面板动应力的影响,细致模拟地震过程中面板破坏发展过程。以强震区狭窄河谷上240 m级特高面板坝为例,对比分析了文中提出的多轴强度方法与当前单轴强度方法判断面板破坏范围的差异,结果表明:正常蓄水期,坝肩两侧面板位于“抗压强度削减区”、河床面板均位于“抗压强度增强区”,其中河床底部面板强度增加尤为明显,两种方法判断的面板受拉破坏区基本一致,但受压破坏区存在较大差异;遭遇地震情况下,多轴强度方法判断的面板受拉破坏区略小,而两种方法受压破坏区的位置和大小均存在显著差异。鉴于单轴强度方法无法考虑面板应力分布对其强度的影响,建议采用多轴强度准则指导特高面板坝混凝土面板设计和施工。

250 m级特高面板堆石坝混凝土面板顺坡向应力控制措施研究

面板应力变形控制是建设250 m级特高混凝土面板堆石坝的关键难题.大量工程实测案例和研究计算表明,特高面板坝压应力常处于较高水平,对于坝轴向应力来说,采用柔性缝降低压应力措施已被工程界普遍接受,然而,目前对于如何降低面板顺坡向压应力尚缺少有效的解决方法.本文以拟建的240 m级GS面板坝为研究对象,从特殊增模区布置、面板施工顺序、面板低高程柔性横缝、高压力区高强度混凝土材料等4个方面提出改善面板顺坡向应力的工程措施.文中通过三维有限元精细模拟方法分析了提出的顺坡向应力改善措施的效果,文中提出的措施可为250 m面板堆石坝面板应力控制提供借鉴.

库水升降作用下灰岩岸坡稳定性数值研究

基于现场调研与采样,采用室内力学试验测定灰岩力学参数与干湿循环下强度劣化规律;基于UDEC建立库岸边坡数值模型,研究了三峡库区反倾岸坡、顺层岸坡、近水平层状岸坡及含危岩体岸坡在库水升降作用下的失稳演化过程及消落带劣化深度与岩层厚度对岸坡稳定性的影响规律。结果表明:库水升降作用下岸坡的失稳过程可以分为裂隙萌生发育、裂隙发展贯通和坡体失稳破坏阶段;随着消落带劣化深度的增加,4种岸坡稳定性系数降低;随着岩层厚度的增加,4种岸坡的稳定性系数升高。近水平层状岸坡稳定性系数受以上2种因素影响最大,而随着干湿循环次数增加发生的变化最小;当劣化深度大于10 m以及岩层厚度大于5 m时,含危岩体岸坡稳定性系数随影响因素水平变化而产生的变化量较小。长远来看,受库水影响的4种典型岩质岸坡稳定性从大到小依次为反倾岸坡、近水平层状岸坡、顺层岸坡、含危岩体岸坡。

开挖面失稳导致地下结构变形破坏的离心模拟

城市密集地下工程结构群下进行地下空间开发遭遇复杂地质环境时,可能会导致隧道开挖面失稳从而对既有结构的安全造成巨大威胁。开展了三个离心模型试验,模拟均质粉土地基和有黏土夹层的粉土地基中多层既有地下结构,研发了模拟隧道开挖面失稳的试验技术,再现了施工扰动引发的土体破坏模式和既有结构变形破坏机理。试验表明,控制开挖面位移(0.48H,H为开挖面高度)或者开挖面附近存在黏土夹层时,其附近形成的土拱有效地控制破坏区域,显著降低既有隧道的变形和应变,最终竖向变形为0.3~0.35 m,最大拉应变为850微应变;如果开挖面位移增大至0.86H,均质粉土地基出现整体失稳,既有隧道的最终竖向变形0.48 m,最大拉应变达到1900微应变。

砂土中螺旋桩在斜拉荷载作用下的承载性能

为研究斜拉荷载倾斜角度和叶片埋深对螺旋桩极限承载力的影响,基于ABAQUS软件构建了砂土中螺旋桩的有限元模型,通过螺旋桩水平承载机理砂箱试验与竖向拉拔试验数据,对模型的准确性和可行性进行验证。设置4组不同叶片埋深的螺旋桩模型,分别施加不同角度的斜拉荷载,探讨了砂土地基中螺旋桩的承载性能与斜拉角度、叶片埋深的相关性。结果表明:砂土中螺旋桩的极限承载力随着斜拉角度的增大不断减小;当斜拉角度小于30°时,螺旋桩极限承载力与斜拉角度的关系曲线近似呈线性;螺旋桩极限承载力存在一个临界埋深比,当埋深比大于等于4时,承载力不随埋深比的增大而变化。推导了深埋状态下螺旋桩受斜拉荷载作用的极限承载力公式,经验证该公式能较好反映螺旋桩极限承载力随斜拉角度增大而逐渐下降的规律。

复杂环境下基于CPTU的深基坑土压力模型与工程应用

土压力计算是深基坑围护结构设计的重要组成部分,但现有土压力模型难以合理地考虑开挖扰动诱发土体工程性质演化影响。孔压静力触探(piezocone penetration test,CPTU)能够有效避免取样扰动,并快速提供连续的原位土测试参数(锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力)。基于CPTU原位测试和位移相关土压力模型,结合库仑土压力框架,综合考虑开挖诱发土体工程性质演化、邻近地下结构(受限空间)、土拱效应、地基土强度参数和土-结构界面摩擦角等影响因素,构建了复杂环境下深基坑土压力统一计算模型(主动状态至被动状态)。分别通过与室内1g模型试验和离心机试验结果对比,验证了所构建模型的准确性与合理性。进一步将所构建模型应用至太湖冲湖积相软土地区某邻近地铁车站的深基坑工程。现场分别在基坑开挖前后对围护结构的两侧(基坑内外)开展了CPTU原位测试,并监测得到了围护结构侧向变形与土压力变化。原位测试解译结果表明,基坑开挖显著地改变了周边土体状态参数,但对于有效内摩擦角的影响甚微。与现场所测土压力对比指出,基于CPTU的土压力模型能够较好地反映复杂环境下基坑土压力变化,成功实现了工程应用。

软黏土中含桩地下结构地震响应离心试验模拟

针对大空间含桩地下结构(如地下车行系统)在地震作用下的动力响应特性以及场地震陷、结构上浮等危害展开离心振动台试验。试验采用饱和软黏土作为地基土,设计了自由场、整体浅埋地下结构以及等效单元浅埋地下结构3种试验情况,利用层状剪切箱消除边界反射效应,在50g的离心加速度下开展水平地震试验。试验结果表明,不同结构在地震过程中会产生自振在特定的频率区段放大响应,在整体质量、静态浮力及转动惯量等效的前提下,整体结构相对单元结构形式能够降低地震作用下结构的自振效应,且整体结构具有更好地震后抗浮性能。

基于非极限土压力的基坑开挖引起隧道变形的计算方法

由于基坑开挖引起邻近隧道变形,继而影响地铁在隧道中的安全运行,因此如何准确预测邻近隧道变形是个值得研究的问题。根据非极限土压力计算方法,计算基坑开挖卸荷坑壁上的土压力,利用Mindlin求解公式,获得基坑开挖阶段旁侧隧道上的附加荷载,将隧道结构看作Winkler地基梁上的Euler梁,建立弹性地基梁微分方程,给出隧道水平位移变形的解析方法。基于该方法分析了基坑开挖引起邻近隧道的水平位移。研究结果表明:随着基坑开挖深度的增加,隧道水平位移相应增加;考虑非极限土压力计算得到的隧道水平位移结果与实测值较为接近,误差总体保持在20%以内;相较于传统隧道水平位移求解方法,笔者方法更加符合实际。

3D打印弯曲根系拉拔力学特性试验研究

天然根系具有不同弯曲形态,对根土相互作用特性影响极大。以往研究多将根系视为顺直,未充分考虑弯曲根系拉拔受力变形特征、破坏模式。利用3D打印技术制作弯曲根系,开展3种根径(2.0,3.5,5.0 mm)、5种弯曲度(1.00,1.05,1.10,1.15,1.20)的根系拉伸、拉拔试验,探索弯曲根系的拉拔力学特性。结果表明:根系拉伸特性受到弯曲结构和自身材料性质共同影响,根系最大拉伸力、拉伸变形刚度随弯曲度增加而减小,随直径增加而增大;根系峰值拉拔力随弯曲度增加呈先增大后减小,弯曲度1.15时最大,峰值拉拔位移呈类似变化趋势;弯曲根系齿肋挤压土体形成啮合作用,有助于增强根土相互作用;弯曲细根系的拉伸力和拉伸刚度低,更容易与土体协同变形承担拉拔荷载。弯曲根系受力变形与直根系差异极大,研究结果可为弯曲形态根系固土评价提供理论参考。

水下抛石电阻率特性试验研究

研究旨在利用电阻率技术解决水下抛石坝(隐蔽性工程)隐患探测和质量评价等关键问题。采用四电极法分析了水下抛石在不同供电电压和空隙率条件下的电阻率特性,并建立了电阻率与水下抛石空隙率的经验公式。结果表明:水下抛石电阻率随供电电压(10~60 V)升高呈先衰减后逐渐趋于稳定的变化特征,且供电电压高于30 V时电阻率衰减程度显著降低;水下抛石电阻率随空隙率的增加逐渐减小并趋于稳定(两者间的关系可用递减型幂函数表征),且不同供电电压下电阻率随空隙率的变化规律与此类似;分别选用幂函数、指数函数及对数函数拟合电阻率与空隙率关系,发现幂函数拟合误差最小,考虑供电电压影响最终建立了水下抛石电阻率与空隙率的经验公式;进一步通过水下抛石坝模型试验验证了经验公式的可靠性。该经验公式可有效描述水下抛石分布的密实程度,从而快速识别水下抛石坝内部隐患。

成都地区卵石地层深基坑开挖的土压力计算方法

[目的]现有土压力理论计算方法未考虑卵石地层孔隙度大、结构松散等离散性特点,计算结果与实际土压力有所偏差,需要研究适用于成都地区卵石地层的土压力计算方法。[方法]以成都轨道交通7号线为依托,分析卵石地层深基坑土压力与朗肯土压力理论值的差别,并建立深基坑开挖土压力计算方法。采用离散元数值模拟和数据统计分析,获取围护结构平动、围护结构绕墙顶转动和围护结构绕墙底转动三种基本变位模式下静止土压力、被动土压力和主动土压力的分布特征。与朗肯土压力理论计算结果进行比较,得到不同变位模式下三种土压力的修正系数,并建立深基坑土压力修正计算方法。进一步与现场实测数据比较,对比验证所提出的土压力计算方法。[结果及结论]主动土压力和被动土压力分布形式具有强烈的非线性,可采用双折线进行描述,交点分别位于埋深8 m和9 m处。静止土压力修正系数分布在0.91~0.96之间,在使用时不需要修正;主动土压力修正系数分布在0.33~0.78之间,被动土压力修正系数分布在0.52~0.91之间,在使用时应予以修正。所提出的卵石地层深基坑土压力计算结果与现场实测结果吻合较好,可为类似轨道交通工程提供参考。

以光亮面积百分比表征岩石结构面粗糙度

为简化抗剪强度计算过程,通过光亮面积百分比(BAP)计算结构面三维粗糙度。该方法以天然板岩结构面为研究对象,选取起伏差异较大的表面形貌区域,分别提取4组不同取样对象的点云数据,复现Surfer和Matlab计算结构面BAP值的粗糙度提取原方法。结果表明,取样手段不同,各向异性分析结果存在一定差异,且该方法获取的精度和实现效率均较低。针对不同软件应用该方法进行灰度分析时的差异性,提出了一种Matlab一体式的BAP优化分析方法;进一步对比Matlab中配置的Shaderel和Surfer 2种函数条件下的光源模拟结果,发现前者灰度图更清晰,计算该光源条件下的BAP值并结合公式量化评价三维粗糙度JRC^(3D)值,对比分析4种试样形状下JRC3D和θ_(max)^(*)/(C+1)值的各向异性统计特征,验证该方法的适用性,对边坡稳定性评估具有重要意义。

车辆载荷作用下桩后黏性土主动土压力分析

针对现有设计规范进行桩后主动土压力计算时未考虑车辆载荷的动力效应对支护结构影响的问题,在平面滑裂面假定的基础上,结合拟动力学分析方法,考虑车辆动载荷作用下桩后土体受惯性力的影响,推导出车辆载荷作用下主动土压力的计算式,将主动土压力分为动土压力分量和静土压力分量。分析土体容重、桩-土外摩擦角对主动土压力的影响,以及水平振动加速度系数、内摩擦角、行车速度、车桩间距对动土压力的影响,对比分析不同黏聚力情况下的主动土压力分布规律。研究结果表明:桩后动土压力呈非线性分布;在车辆载荷作用下,一个振动周期内桩后主动土压力随滑动面倾角的增大和时间的持续先增大后减小;动土压力幅值随车桩间距的增大而减小,振动周期随车速的增大而增大。

基于水流牵引力的河道岸坡稳定性分析

基于极限平衡理论,结合水平条分法,将Bishop法的竖直条间力关系转换到水平土条上,推导出水流牵引力作用下均质岸坡稳定安全系数的理论计算公式,将其结果与ABAQUS有限元软件的强度折减法模拟的计算结果进行对比分析。结合工程实际,分析水流牵引力对不同坡比河流岸坡的稳定性影响规律。结果表明,理论计算公式与软件模拟的结果基本吻合,误差不超过2.1%。河流中水流牵引力会增大岸坡土体的下滑力矩,降低河流岸坡土体稳定安全系数;当岸坡土体遭受降雨、坡脚土体劣化作用等多因素作用下而处于临界稳定状态时,水流牵引力可能成为滑坡启动的关键因素;在河流岸坡失稳滑动时,水流牵引力将导致滑体向河道方向滑移更远距离,加重滑坡对河流航道安全的危害;坡度越陡,岸坡稳定安全系数受水流牵引力的影响越大。在进行高陡河流岸坡稳定性分析时,水流牵引力是与强降雨、泥石流等因素同样重要且不可忽视的导致岸坡灾变失稳的外部荷载作用。