Experimental and numerical investigation on alternatives to sandy gravel

The NATO agreement STANAG 4569 defines the protection levels for the occupants of logistic and light armored vehicle.The Allied Engineering Publication,AEP-55,Volume 2 document outlines the test conditions for underbelly improvised explosive device(IEDs),which must be buried in water-saturated sandy gravel.The use of sandy gravel has some drawbacks,for instance reproducibility,time consumption,and cost.This paper focuses on the investigation of four alternatives to sandy gravel,which could produce similar specific and cumulative impulses:a concrete pot filled with water,a concrete pot filled with quartz sand,a steel pot without filling and a concrete pot filled with glass spheres(diameter 200μm—300μm)and different water contents.The impulses are measured with a ring technology developed at the Fraunhofer EMI.A numerical soil model based on the work of Marrs,2014 and Fi serov a,2006 and considering the soil moisture was used to simulate the experiments with glass spheres at different water contents,showing much better agreement with the experiments than the classical Laine&Sandvik model,even for high saturation levels.These results can be used to create new test conditions at original scale that are more cost-effective,more reproducible and simpler to manage in comparison to the current tests carried out with STANAG sandy gravel.

Water shutoff model test in water-rich sandy stratum by phosphoric acid-water glass grout

The rheological behavior of phosphoric acid-water glass grout in different mixing ratios was studied. Grout made of water glass with Baume degree of 20° and 13.4% phosphoric acid by 1:1 volume ratio is found to be more effective in stopping water. Laboratory model test of water shutoff by grouting was conducted. Test results show that the diffusion length and water cutoff effect of the grout are significantly improved as the grout head is raised, due to the dilution of underground water, and it takes the grout longer than its gel time to cut off water.

Penetration grouting reinforcement of sandy gravel

To study the relationship between grouting effect and grouting factors, three factors （seven parameters） directionless pressure and small cycle grouting model experiment on sandy gravel was done, which was designed according to uniform design method. And regressing was applied to analysis of the test data. The two models test results indicate that when the diffusing radius of grout changes from 26 to 51 cm, the grouted sandy gravel compressing strength changes from 2.13 to 12.30 MPa; the relationship between diffusing radius（R） and water cement ratio（m）, permeability coefficient（k）, grouting pressure（p）, grouting time（t） is R=19.953m^0.121k^0.429p^0.412t^0.437; the relationship between compressing strength（P） and porosity（n）, water cement ratio, grouting pressure, grouting time is P =0.984n^0.517m6-1.488p^0.118t^0.031. So the porosity of sandy gravel, the permeability coefficient of sandy gravel, grouting pressure, grouting time, water cement ratio are main factors to influence the grouting effect. The grouting pressure is the main factor to influence grouting diffusing radius, and the water cement ratio is the main factor to influence grouted sandy gravel compressing strength.

Experimental study on piping in sandy gravel foundations considering effect of overlying clay

The influence of the overlying clay on the progression of piping in the sandy gravel foundation of water-retaining structures is often neglected. In order to study this influence, an experimental investigation was conducted on a laboratory-scale model. It was discovered that the critical hydraulic gradient and the area of the piping tunnel increase when the overlying clay thickens. With a thicker clay layer, erosion of the sandy gravel below the clay layer occurs later, but, once the erosion starts, the erosion rate is very high and the average velocity of water seeping through the cross-section of the sandy gravel increases rapidly due to the low deformability of the thick clay layer. Furthermore, it was found that the progression of piping is a complicated and iterative process involving erosion of fine particles, clogging of pores, and flushing of the clogged pores. Two types of erosion have been identified in the progression of piping: one causes the tunnel to advance upstream, and the other increases the depth of the tunnel. The results show that the overlying clay is an important factor when evaluating piping in sandy gravel foundations of water-retaining structures.

Experimental Research on Dynamic Shear Modular Ratio and Damping Ratio of Sandy Gravel Soil

The dynamic shear modulus ratio and damping ratio of sandy gravel are important parameters for the seismic response analysis of valley geomorphic sites,which have an important impact on the determination of design ground motion parameters. In this paper,the dynamic triaxial test of sandy gravels has been performed based on the project of the Shangluo Seismic Microzonation. Combined with the other results of sandy gravel,the recommended results of slightly dense,medium dense and dense sandy gravel were obtained. By building the typical site model,the influence of the dynamic shear modulus ratio and the damping ratio uncertainty on the seismic response of the site is studied. The results show that the uncertainty of the average of the dynamic shear modulus ratio and the damping ratio ± 1 times the standard deviation has little effect on the peak acceleration of the sandy gravel site,and the rationality of the grouping and statistical results is explained. Under different probability levels,the change in the shear modulus ratio and damping ratio leads to a significant difference in the high frequency response spectrum.The response spectrum of 0. 04-0. 1s ranges from about 20%,but it has little effect on the long period spectrum of more than 1. 0s. The study of dynamic shear modulus ratio and damping ratio of sandy gravel has the ability to improve the reliability of the designing ground motion parameters.

内河中游区大型沉管隧道建造关键新技术——以襄阳鱼梁洲隧道为例

为解决内河中游区沉管隧道建造面临的河床冲刷强、强透水地层深厚、防洪要求高等问题,依托襄阳鱼梁洲沉管隧道工程,通过工程调研、理论分析、物模试验、数值模拟、现场测试等手段,对内河沉管隧道建造关键技术进行创新及应用,首次形成如下创新成果:1)提出沉管隧道冲刷安全量化评价方法,给出沉管结构横向稳定性安全系数等5项评价指标及其评价标准体系,填补了沉管隧道防冲安全量化评价方法的空白;2)研发利用管周摩擦力抵抗止水带回弹力的摩擦止推型最终接头,解决常规陆域接头需设置大型圬工结构的问题;3)研发并量产可满足0.3 MPa外水压水密性、100年设计使用寿命的沉管接头外侧止水带国产化产品,其百年应力松弛衰减率仅25.5%,预测使用寿命144年,使中国实现沉管隧道全产业链技术的国产化;4)提出整体式管节不设后浇带全断面顺浇预制工法,实现沉管结构预制工效提高52%、结构接缝减少61%、浇筑裂缝减少60%;5)在内河沉管隧道中采用先铺卵石垫层基础,并研发出全浮式高精度先铺卵石基床整平船;6)研发应用沉管无焊接装配式端封门和柔性水袋压载水系统,可实现舾装设施的便捷循环使用和施工效率的提升。

富水砂卵石地层盆形冻结止水技术研究

为解决全断面砂卵石地层地下工程的地下水控制问题,提出盆形冻结止水技术。首先,采用三轴力学试验研究冻结砂卵石的压缩力学特性和蠕变力学特性;然后,采用大尺度物理模型试验和数值模拟方法研究盆形冻结的温度场扩展规律,并根据研究结果进一步提出盆形冻结积极冻结期的群孔布置技术和维护冻结期的精细化控制技术。结果表明:1)低围压(小于3 MPa)条件下,三轴抗压强度与围压呈正线性相关,然后围压继续增大时,强度基本不变;基于损伤理论建立冻结砂卵石全过程蠕变模型。2)荷载对冻胀率及融沉系数影响最大,细粒土质量分数次之,原状饱和砂卵石是不冻胀材料,并由此建立饱和砂卵石冻胀率及融沉系数三维预测模型。3)基于大型物理模型试验及数值模拟结果,盆形冻结可以在地下水渗流条件下形成完整的盆形结构,起到有效止水的效果。4)盆底冻结管在冻结过程中表现出与单管冻结迥异的“群孔效应”,根据试验结果提出包含冻结管间距、土体导热系数、渗流速度3因素的积极冻结期冻结管合理间距的确定与布置技术。5)为节约维护冻结期的能源,提出隔排切割冻结管、仅保留盆壁冻结管2种维护形式以对冻结区域进行精细化控制,经过分析,2种方式均可以有效满足盆形结构维护期的冷量供给,保持完整的盆形形态。

鄱阳湖地区级配不良偏细砂砾石料力学特性

基于大型三轴试验数据,研究了级配和相对密度D_(r)对鄱阳湖地区级配不良偏细砂砾石料强度和变形特性的影响。结果表明:随着小于5 mm粒径颗粒质量分数的增加,砂砾石料压实性能降低;随着大于5 mm粒径颗粒质量分数P_(5)和D_(r)的增大,强度指标、初始切线弹性模量与体积模量增大;本文研究范围内,随P_(5)和D_(r)的增大,强度指标c、φ、φ_(0)、Δφ线性增大,且P^(5)和D_(r)对强度指标的作用效应几乎不存在相互影响;随P 5和D_(r)的增大,邓肯E-B模型参数K、K_(b)增大,且P_(5)越高D_(r)对K、K_(b)的影响越显著,D_(r)越大时P_(5)对K、K_(b)的影响越强烈,存在相互影响效应;提出了考虑级配与D_(r)双重影响的强度指标和变形参数经验计算公式,该公式能高精度预测鄱阳湖地区级配不良偏细砂砾石覆盖层料的力学指标。

砂卵石地层盾构区间地表沉降影响因素聚类分析

为了掌握盾构掘进参数和地质条件对砂卵石地层盾构区间地表沉降的综合影响规律,依托成都地铁某盾构区间,结合团队前期地表沉降与掘进参数的关系,确定了总推力、刀盘转速、螺旋机转速、上覆土层厚度、地下水位、卵石层厚度6种聚类指标,利用K均值聚类算法对各参数指标的实际监测数据进行聚类,综合分析各个指标对地表沉降的影响。结果表明:1)根据K均值聚类结果把监测点即施工地段划分为3种地表沉降风险等级,监测点1—3为危险(Ⅰ级),监测点7—13、16—19、25—34为较危险(Ⅱ级),监测点4—6、14—15、20—24为安全(Ⅲ级)。2)根据聚类结果可知,在特定范围内掘进参数、地层构造与地表沉降之间具有正、负相关性关系。3)通过分析地层构造、掘进参数与地表沉降的关系,得出当上覆土层厚度较大、地下水位较小、卵石层厚度较大时,掘进参数控制范围为总推力29034.00~31181.95 kN,刀盘转速1.25~1.32 r/min,螺旋机转速6.13~6.98 r/min;当上覆土层厚度较小、地下水位较小、卵石层厚度较小时,掘进参数控制范围为总推力34419.89~36867.28 kN,刀盘转速1.44~1.45 r/min,螺旋机转速5.74~6.99 r/min。

羧甲基纤维素钠对红海榄幼苗生长和土壤养分的影响

为明确羧甲基纤维素钠(Sodium Carboxymethyl Cellulose,CMC)对沿海困难立地砂砾质土壤的改良作用,以红海榄(Rhizophora stylosa)胚轴为材料,通过室内潮汐模拟试验,研究不同CMC施用量(质量比为1.6%、2.4%、3.2%、4.0%和4.8%)对红橄榄幼苗生长和土壤养分的影响。结果表明,随CMC施用量增加,红海榄幼苗生长量和生物量整体呈先增后减的趋势,均在4.0%CMC处理下最大。与CK相比,不同CMC处理下红海榄幼苗的株高、地径和叶片数分别增加9.78%~38.54%、13.83%~54.31%和20.00%~36.67%;根、茎和叶生物量分别增加10.58%~64.72%、7.97%~36.76%和37.62%~117.99%;土壤有机质、全钾和速效钾含量分别显著增加625.22%~671.96%、147.62%~161.52%和55.56%~77.78%。CMC可促进红海榄幼苗生长,提高土壤养分,可作为沿海困难立地砂砾质土壤的改良剂,推荐CMC施用量为4.0%。

基于离心试验的单戗立堵水下抛填砂砾石相对密度研究

水下抛填散粒料常用于围堰、大坝等水利工程的建设,抛填体的相对密度直接决定了工程的变形和稳定性。以汉江某水电站大坝工程的单戗立堵水下抛填为原型条件,基于长科院CKY200大型岩土离心模型试验平台,研制了离心场中单戗立堵水下填筑试验装置,研究散粒料级配、抛填水深、上部堆载高度等影响因素下抛填体相对密度的分布规律。试验结果表明,水深12 m条件抛填平均相对密度约为0.27~0.36,抛填体上部再施加14.3 m上覆堆载后可增大至0.52~0.68,水下抛填密度受砂砾石颗粒级配影响较大,当级配良好时,水下抛填相对密度较大,可达到中密—密实状态,而级配不良时,为松散—中密状态;抛填深度越大,由于抛填料的压重而使得中下部相对密度增大;当抛填体上部施加竖向均布荷载作用时,抛填体尤其是较浅区域的相对密度显著提高。研究成果为充分利用当地散粒体材料进行水下抛填工程的设计和施工提供依据。

聚丙烯酰胺对砂砾质滩涂红海榄幼苗生长及土壤养分的影响

[目的]明确聚丙烯酰胺(PAM)对沿海困难立地砂砾质滩涂的改良作用。[方法]以红海榄胚轴为供试样本,通过室内潮汐模拟试验,研究不同PAM施用量(0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%,分别记为P_(1)、P_(2)、P_(3)、P_(4)、P_(5))与城市污泥发酵肥、复合生物菌剂混施对红树生长和土壤养分的影响。[结果]与CK相比,不同PAM施用量处理下红海榄幼苗树高、叶片数分别增加18.75%~48.82%、5.0%~55.0%,地径显著增加43.16%~71.43%;根系、茎部生物量分别增加16.41%~87.26%、14.91%~72.75%;叶片生物量显著增加64.36%~156.93%,根冠比显著降低15.62%~26.98%。施用PAM对土壤有机质、磷和钾的全量及速效养分影响较大,与CK相比,不同PAM施用量处理下土壤有机质、全磷、全钾分别显著增加623.47%~794.78%、114.49%~142.03%和145.90%~167.24%;速效磷、速效钾分别显著增加146.55%~268.12%、24.69%~61.74%。[结论]PAM与城市污泥发酵肥、复合生物菌剂混施可促进红海榄幼苗生长,保持土壤养分,可作为沿海困难立地砂砾质滩涂的土壤改良剂,推荐PAM施用量为0.75%。

水利行业土的工程分类探讨

我国水利行业现行的土的分类方法错综多样且复杂,使用统一的规范、标准对水利行业的土进行专门分类对指导施工实践、避免使用混乱有着重要的意义。疏理了不同水利工程类型标准中土的分类和现行《水闸设计规范》(SL 265—2016)中碎石土分类建议修正部分,简述了无明确专业术语的砂土砂砾石等分散在不同的标准中,详细述评了细粒土塑性指数分类的液限问题、三角坐标分类的黏粒含量低于6%的细分问题、塑性图分类的优缺点、黏性土少黏性土无专业术语规定及少黏性土黏粒含量上限不一的现象。阐明了水利行业土的工程分类的复杂性,提出目前水利行业土的工程分类标准修订建议。

砂石与秸秆覆盖对风沙土水分蒸发特性的影响

探究不同厚度的砂石和秸秆覆盖对辽西北风沙土土壤水分蒸发的影响机理,特别是在不同初始含水率下的影响,并探索抑制辽西北风沙地土壤水分蒸发的最佳模式,也为风沙区植被建设提供理论基础。首次以辽西北风沙土为研究对象,运用自行设计的蒸发桶进行为期20天的室内蒸发模拟试验,研究土壤蒸发量随蒸发时间的变化规律。结果表明,砂石与秸秆覆盖能够抑制土壤水分蒸发,随着初始含水率增大,砂石与秸秆覆盖厚度越厚,其保持土壤水分的效果就越强。

砂砾岩储层压裂地应力差影响探究

在水力压裂过程中,水平地应力差对裂缝扩展趋势影响最为显著,此外由于砂砾岩储层含有砾石,裂纹与砾石相互作用会对水力压裂施工产生影响。因此,本文利用泰森多边形对砾石随机分布进行表征,采用全局插入的有限元方法建立数值模型,对砂砾岩储层裂缝扩展进行分析。结果表明,压裂裂缝沿着最大水平主应力方向延伸,且延伸距离也呈增大趋势;井眼压裂液注入附近,水力裂缝将产生穿砾现象,相比绕砾将消耗更多能量;砾石对水力裂缝有吸附作用。

砂卵石土改良新型泡沫剂的开发与应用

砂卵石土具有内摩擦角大、流动性差、渗透系数大、黏聚力低等特点,为解决盾构在砂卵石地层施工时会引起出土困难、地下水喷涌等问题,通过表面活性剂复配试验,得到一种新型泡沫改良剂配方“m(AOS)∶m(APG0810)∶m(HPMC)∶m(氯化铵)=4∶6∶1∶5”,最优发泡浓度为3%~5%.基于石家庄城市轨道交通5号线一期工程的砂卵石地层,配置卵石含量50%、60%、70%的砂卵石土,加入自制泡沫剂和膨润土进行改良,发现随着2种改良剂注入率的增加,砂卵石土的坍落度逐渐增大,并得到了不同含石量砂卵石土满足盾构施工中“理想状态土体”要求的改良剂注入率,为砂卵石土的改良提供了依据.

渣土改良下盾构掘进富水砾砂地层响应研究

为解决土压平衡盾构在富水砾砂地层中掘进土舱保压难度较大的问题,需对盾构渣土进行改良,减小其渗透性,提升土舱保压效果。依托昆明地铁4号线小—火区间盾构隧道工程,采用数值模拟手段,结合现场监测数据,对渣土改良下盾构掘进富水砾砂地层响应特征进行研究。研究结果表明:1)随着改良渣土渗透性的降低,开挖面孔压逐渐增大,当土舱渣土渗透系数降至5×10^(-5)cm/s后,开挖面孔压接近原始孔压,表明改良渣土具有良好的止水性能;随着地下水位的升高,开挖面孔压逐渐增大,表明高水位对渣土止水效果的要求更高。2)小—火区间渣土渗透性较低,开挖面近似止水条件,盾构掘进过程中,开挖面附近会产生一定的超孔压,超孔压影响范围主要位于盾构前方1.5倍洞径,开挖面中心位移远小于失稳时的开挖面中心位移,开挖面稳定性较高。3)由于盾构渣土渗透性较低,盾构掘进会在周围形成较大的超孔压,同时渗透系数较小的渣土可以有效阻止开挖面前方地下水的自由渗流,提高开挖面的稳定性,减小地表沉降。4)随着地下水位的升高,地表沉降和地层超孔压有增大的趋势,维持开挖面所需支护应力迅速增加,水位高度对开挖面支护应力的影响十分明显。

河西走廊绿洲边缘降水对土壤水分特征的影响

【目的】探究干旱地区间断性和不可预知特征的降水对土壤水分特征的影响,为荒漠绿洲过渡区的生态建设和恢复提供理论依据。【方法】通过对河西走廊绿洲边缘的沙质荒漠和砾质荒漠土壤水分的长期观测,结合当地气象数据,分析降水对土壤水分特征的影响。【结果】研究区域沙质和砾质荒漠的土壤水分处于中等变异程度,沙质荒漠土壤含水量的最大值为6.61%、砾质荒漠土壤含水量的最大值为11.81%,与降水量的最大值均出现在7月,土壤水分同降水量存在正相关关系。荒漠绿洲区土壤水分在垂直空间上随着土层深度的增加,土壤水分变异系数减小,土壤水分变化由活跃逐渐趋于稳定。但降水沙质荒漠和砾质荒漠区土壤水分的影响存在显著差异,沙质荒漠土壤以自上而下的活塞式下渗为主,降水以逐层向下的方式入渗,下层土壤接受降水补给时具有滞后性。而砾质土壤各层对降水的反应迅速,能够通过大孔隙快速补给下层土壤,水分迅速入渗至深层土壤中。【结论】河西走廊绿洲边缘的土壤水分受土壤类型的影响,降水对其影响有差异,根据不同的土壤水分变化特征,科学开展生态建设和恢复,对绿洲边缘生态系统的可持续发展有重要意义。

砂砾土注浆结石体抗冲刷特性试验研究

砂砾土广泛分布于洪涝灾害多发区,而注浆是提高土体抗冲刷能力的一种常用方法,探明注浆对砂砾土抗冲刷特性的影响对于提高砂砾土路基的防洪性能有重要指导作用。通过自行设计的动水冲刷试验台进行砂砾土注浆结石体动水冲刷试验,以颗粒冲刷流失率作为注浆结石体抗冲刷性能的定量评价指标,研究砂砾土注浆结石体在不同动水流速、含水率、注浆量以及养护龄期下的冲刷特性变化规律,并采用灰色理论分析动水流速、含水率、注浆量以及养护龄期与砂砾土注浆结石体颗粒冲刷流失率之间关联度。结果表明,冲刷的动水流速越高,砂砾土注浆结石体的颗粒冲刷流失率越高;砂砾土处于低水流速环境中时,增大注浆量可有效降低砂砾土的颗粒冲刷流失率;当砂砾土处于高水流速环境时,通过提升注浆量并不能有效提高抗冲刷效果;砂砾土注浆结石体在处于最优含水率时抗冲刷能力最强;随着注浆量的提升,结石体抗冲刷能力不断增大,但增速逐渐降低,而留存结石体形态逐渐从不规则锥形体发展为椭球体,留存结石体的尺寸也在不断增大;随着养护龄期的增长,注浆结石体的抗冲刷能力有一定的提升,但增长速度逐渐降低趋于平缓;对砂砾土结石体冲刷流失率影响程度从大到小依次为动水流速、含水率、注浆量和养护龄期。

高细粒含量砂砾石料的渗透特性试验研究

开展了不良级配高细料含量覆盖层砂砾石料的渗透特性试验研究。结果表明:随相对密度和小于5 mm粒径颗粒含量的增加,渗透系数降低。渗透系数随相对密度的变化可用半对数公式描述,渗透系数随P<5含量的变化可用幂函数描述。通过归一化方法提出了渗透系数经验公式,可预测试验或文中建议范围内鄱阳湖覆盖层砂砾料的渗透系数。高细粒含量砂砾石料的渗透变形破坏方式主要为过渡型或流土型,随相对密度和P<5含量的提高,渗透变形破坏方式逐渐由过渡型趋向于流土型。