土木工程话土木

Civil Engineering这个学科在中国以两种天然材料土和木命名,称为土木工程,可见华夏文明与这两种材料间的密切关系。中国古代的殿堂庙宇基本都是木结构建筑,这与其他古文明主要以石料建造大型建筑物不同。该文从地理、历史、经济与文明属性对此进行分析,指出华夏文明的特殊性。土为人类提供了栖息、载体、武器、工具和材料,也是人类衣食之源。中国自古至今主要用土治水,所谓“水来土掩”;黄土高原自古至今窑洞都是当地居民重要的居所。几千年来,中国先民在不同的地域创建不同型式的木结构住房,雄伟壮丽的名楼殿宇代表了中国古代木结构工程的高超技艺。在治水过程中,中国古人因地制宜地将土与木相结合,创造了形式多样的加筋土。文章分析土的特殊性与多样性,指出岩土工程仍然需要依靠丰富的经验和成熟的案例进行工程决策。

基于拉拔试验的加筋土界面摩擦特性

加筋土具有良好的工程性能,被广泛应用于加固路基和边坡支挡等领域,筋土界面摩擦强度对支挡结构的整体性和稳定性具有重要影响.为研究不同加筋土的界面摩擦特性,自制拉拔装置,对黏土-土工格栅、黏土-碳纤维布、黏土-土工格室和碎石土-土工格室等4种加筋土进行拉拔试验.研究结果表明,4种加筋土中,土工格室与碎石土的界面摩擦强度最高,构成的加筋体承受变形的能力最强;黏土-碳纤维布构成的加筋体界面摩擦强度最低,但具有筋土间相互作用发挥较快、允许变形小的特点;不同加筋体的允许变形差别较大,在实际工程中应充分考虑.提出了一种考虑土工格室加强区的无黏性土-土工格室界面最大摩阻力计算理论模型,研究结果可为加筋土工程筋材选取提供参考.

非饱和土与特殊土工程疑难问题的实践和认识学术研讨会(一号通知)

非饱和土与特殊土工程疑难问题的实践和认识学术研讨将于2024年10月11—14日在敦煌举行。主办单位:中国土木工程学会土力学及岩土工程分会兰州理工大学。承办单位:兰州理工大学土木工程学院,西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室。

不同母质发育水稻土N_(2)O消耗潜力及环境影响因素

土壤是N_(2)O的源和汇,在淹水和厌氧条件下具有消耗N_(2)O的能力。稻田土壤长期处于淹水状态,为N_(2)O的消耗提供了有利的环境,从而减少了N_(2)O排放。目前,有关稻田土壤N_(2)O排放的相关研究已有很多,但关于稻田表层土壤N_(2)O的消耗能力及其与环境因素之间的关系研究较少。研究采集了第四纪红壤母质发育的壤土、湖积物砂土发育的砂质壤土、冲积土发育的粉砂质黏壤土3类土壤的各3个表层(0~5 cm)水稻土,风干后将其回填至具有5 cm深土柱的培养装置内,在土柱底部添加N_(2)O和添加氦气(He,对照)两个处理,于28℃下恒温淹水厌氧培养96 h。培养期间监测各土壤N_(2)O、N_(2)的动态变化,以及培养前后土壤养分的变化,量化N_(2)O消耗量和N2增量,以期揭示稻田表层土壤N_(2)O的消耗能力及其与环境因素之间的关系。结果表明,土壤剖面积累的N_(2)O有95.01%~99.92%被稻田表层土壤吸收,其中被还原为N2的N_(2)O量占总消耗量的64.50%~83.64%,表明淹水厌氧状态下,不同的水稻土均具有很强的N_(2)O吸收和消耗能力。研究还发现,3类土壤N_(2)O的消耗存在一定差异,其中影响砂质壤土N_(2)O消耗的主要环境因子为土壤砂粒含量,且两者之间存在显著的线性相关关系(R^(2)=0.964,P=0.000);土壤黏粒、粉砂粒、pH是粉砂质黏壤土N_(2)O消耗的主要环境影响因素,其中土壤黏粒与其消耗量呈显著线性相关(P<0.05);土壤速效钾和铵态氮增加量是影响壤土N_(2)O消耗的主要环境因子,其消耗量与速效钾之间在0.01水平上显著正相关。这些结果表明,土壤可溶性有机碳、土壤质地、土壤速效钾等是影响稻田土壤N_(2)O消耗的重要环境因子,且不同土壤N_(2)O消耗的环境影响因子存在差异,这将为调节土壤N_(2)O排放提供重要参考。

龙口市酸化土壤改良方法与效果

经过长期耕作,土壤的理化性状会发生一定程度的变化。近年来,烟台部分地块土壤酸化越发突出,特别是在果园中表现得比较明显。龙口市土壤多由酸性母岩风化发育而成,也有极少部分由基性岩或钙质岩风化物发育而成,棕壤面积大、分布广,是龙口市的主要土壤类型,其次为潮土、褐土、砂姜黑土。龙口种植业土壤主要以中性至微酸性为主。根据测土数据显示,产量高的果园和部分耕地存在土壤酸化问题,通过2020-2022年耕地保护和质量提升项目建设,龙口市开展了耕园地的酸化土壤改良,取得了一定的效果,现介绍如下,以供生产实际中作为参考。

高速铁路土工格栅加筋膨胀土边坡作用机制

土工格栅加筋处治是解决膨胀土边坡问题的关键技术。为深入研究格栅与膨胀土相互作用机制,依托南宁铁路改柳南线工程,开展加筋设计及格栅抗拔稳定性计算。将考虑膨胀土侧向膨胀影响及格栅反包约束作用的设计方案应用于实际工程中,并通过预埋设的监测元件,对自然降雨−蒸发气候下加筋边坡的含水率、应力、位移及格栅应变的变化特征进行长期监测。研究结果表明:在考虑侧向膨胀及格栅约束的影响下,土工格栅的抗拔稳定安全系数仍满足规范要求。基于监测数据发现,受大气环境影响,体积含水率的波动幅度由浅至深逐渐减弱;格栅应变变化趋势与土体应力变化趋势基本一致,随季节性干湿气候呈“波浪”式变化;靠近坡面土体受大气干湿循环的影响更为显著,对降雨入渗敏感,其土工格栅应变变化迅速,峰值出现时间早;格栅应变峰值远小于格栅允许拉应变,且边坡累积水平位移量较小,表明加筋边坡滑移破坏风险较低;在降雨过程中,格栅对边坡土体施加弹性约束,允许坡面发生一定程度的膨胀,释放坡体因增湿产生的膨胀势,从而避免边坡因侧向应力增大形成渐进式滑坡,体现了土工格栅加筋膨胀土边坡“以柔治胀”的作用机制。研究成果可为高速铁路膨胀土边坡的土工格栅加筋设计与施工提供理论和技术支撑。

基于土壤肥力恢复力模型的河曲露天煤矿复垦治理效果评价

以河曲旧县露天煤矿排土场为研究对象,采用模糊层次分析法(FAHP)和专家评分理论法建立了露天煤矿排土场土壤肥力综合评价模型,获得土壤结构稳定性、土壤保水能力、土壤保肥能力及土壤生物活性4项准则和25个因素,利用YAAHP计算软件确定了排土场土壤肥力恢复力各影响因素的权重。结果表明,评价体系准则层中土壤保肥能力权重最大(0.5477),其次分别是土壤保水能力(0.1980)、土壤生物活性(0.1408)和土壤结构稳定性(0.1135),因素层有机质F1权重最高(0.1162);根据现场抽样,已复垦区的土壤质量水平要高于未复垦区的土壤质量水平,整体来看土壤质量水平均处于中等偏下和较差水平,土壤恢复力的主要因素是土壤保肥能力,特别是土壤有机质含量。土壤肥力恢复力模型为提高排土场土壤质量、加快土壤重构、促进土壤生态系统恢复提供治理思路。

适用于植物生长的透明土制备及其性能试验

植物根系可以增强土体的抗剪强度,预防浅层滑坡。以熔融石英砂、正十二烷为主要成分的透明土技术为可视化观察植物根系提供技术支撑,但是植被难以在其中生长,无法克服根土耦合和观测的难题。该研究改进透明土配制工艺,提出既能模拟土壤力学性能又能适应植被生长的透明土方案。以侧柏根系为例,通过直剪试验分析含液率和含根率对根土复合体抗剪强度的影响,并以透明素土为对照。进一步采用粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术分析透明素土及根土复合体边坡模型在坡顶加载工况下的宏细观力学特征。研究表明:1)改进透明土能适应植被生长并观测根系形态,并能模拟根土复合体的力学性能,当含液率≥20%时,具有良好透明度,能观测植物根系形态。2)随着含液率的增加,透明土黏聚力下降,当含液率从0升至25.8%时,透明土的黏聚力下降了64.09%。当含根率从0增至0.6%时,黏聚力增加了127.50%。根系的加入,增加了透明土的黏聚力,但随含根率的增大,对黏聚力增益效果逐步减弱。3)根系的存在极大减小了边坡在坡顶荷载作用下的微观形变,有效预防潜在滑坡的发生。研究成果可为根系固土研究提供材料制备工艺和思路。

不同时间添加蚯蚓对矸石覆土生理生态的影响

为探究不同时间添加蚯蚓对矸石覆土中香根草(Vetiveria zizanioides)生理生态的影响,采用土柱试验,设置两种覆土厚度[30 cm(M)、50 cm(N)],每组覆土分别设4个处理组:单独种植香根草(CK)、接种蚯蚓20 d后添加香根草(A)、同时接种蚯蚓和添加香根草(B)、添加香根草20 d后接种蚯蚓(C)处理,分析覆土理化性质及香根草生理生态指标变化特征。结果显示:与CK相比,A、B和C处理均能使覆土pH显著降低趋向中性(P<0.05),提升覆土电导率(EC)、有机质(OM)、全氮(TN)和全磷(TP)含量。与CK相比,不同时间接种蚯蚓均能增加香根草发芽率、总重和叶绿素a含量,其中B处理光合色素(叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素)含量、A处理叶绿素b含量和C处理根系总长较CK均显著提高(P<0.05)。与CK相比,B处理降低香根草可溶性蛋白和脯氨酸含量效果较强,30和50 cm厚度覆土下B处理香根草可溶性蛋白较CK分别降低9.34%和4.69%(P<0.05),50 cm厚度覆土下脯氨酸含量较CK降低了5.55%(P<0.05),而A处理能显著提高香根草丙二醛含量。同一覆土厚度下,A处理仅在30 cm条件下显著降低香根草过氧化氢酶活性;B、C处理香根草超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性较CK相比均无显著差异(P>0.05)。冗余分析和相关性分析表明:A、C处理中覆土OM、TN是影响香根草生理生态特性主要环境因子,而B处理中覆土OM、TP是影响香根草生理生态特性的主要环境因子。研究结果可为蚯蚓-香根草联合应用于复垦土壤修复提供理论依据。

滨海黏质盐渍土饱和泥浆与不同土水比土壤浸提液电导率的响应关系分析

为统一和精准判定耐盐作物种植地块的土壤盐渍化程度,并针对饱和泥浆制备时饱和点的不确定性及其电导率测定的不稳定性等问题,本试验采用室内化验与统计分析方法,系统研究饱和泥浆与饱和土壤溶液两者间含水量和电导率的响应关系,以及饱和泥浆电导率、全盐含量与土水比1∶0.5、1∶1、1∶2.5、1∶3.5、1∶5土壤浸提液电导率与全盐含量的响应和换算关系。结果表明:在滨海黏质盐渍土区,利用计算田间土壤孔隙度得到的饱和土壤溶液含水量、电导率不能直接代替饱和泥浆含水量、电导率,尽管二者的响应关系达到极显著水平;饱和泥浆电导率、全盐含量分别与土水比1∶1和1∶0.5土壤浸提液的数值差异最小,且与土水比1∶0.5~1∶5间各处理土壤浸提液的相应指标均呈极显著的响应关系;饱和泥浆电导率与土水比1∶5土壤浸提液的电导率、饱和泥浆全盐含量与土水比1∶1土壤浸提液全盐含量相关性最高,可分别用最佳拟合线性模型进行换算,模型分别为ECe(mS/cm)=5.406EC1∶5-0.284 4,TSe(g/kg)=0.836 4TS1∶1-0.135 9。

考虑土拱效应的多层土体墙后主动土压力模式研究

土拱效应已经被广泛证明存在于岩土工程中,然而关于土拱效应的土压力研究目前常局限于单层土体,对于多层土体墙后主动土压力的分布规律尚不清楚。基于土拱效应理论,提出了多层土体挡土墙后非线性主动土压力求解公式,并通过两种典型地层研究了土体内摩擦角和墙土摩擦角对主动土压力分布规律的影响。结果表明:所提出的计算公式能够很好地描述多层土体墙后主动土压力分布规律,计算结果与数值模拟结果基本一致;当上、下土层参数一致时,该公式可以退化成单一土层土压力计算模型;当墙土摩擦角充分发挥时,上层土体墙后土压力受土体内摩擦角影响明显,而当墙土摩擦角部分发挥时,下层土体墙后土压力受墙土摩擦角影响更大。

含泥量对砂类硫酸盐渍土工程特性的影响分析

为了明确含泥量对砂类硫酸盐渍土的盐胀和力学特性的影响,人工配制了不同细粒土含量的砂类硫酸盐渍土,在1%和3%(质量分数,下同)含盐量单向冻结盐胀试验的基础上,选取了细粒土含量为5%、15%、30%和40%的砂样进行常温、低温三轴剪切试验。研究结果表明:此试验条件下,不同级配砂类硫酸盐渍土的冻结温度为-0.7~-0.1℃,当砂样孔隙溶液浓度在冻结温度之上达到饱和时,降温过程中会首先生成盐结晶;1%含盐量条件下,高细粒土含量(≥30%)砂样的起胀温度在4~9℃之内,而低细粒土含量砂样的起胀温度在0℃附近,3%含盐量砂样的起胀温度为20~23℃;试验含水率和细粒土含量通过影响土体中自由水的含量对盐冻胀产生显著影响。在力学特性方面,随着细粒土掺量的增加,砂类硫酸盐渍土的抗剪强度表现出先增大后减小的趋势,细粒土由增强摩擦转变为颗粒间的“润滑”作用;此外,冻结后砂土转变为承载能力更强的“土-盐-冰骨架结构”,抗剪强度大幅提高,并呈现出明显的脆性破坏特征,由于冻结砂土受相对温度的影响,随着含盐量的增加,破坏应力呈先减小后增大的趋势。

环境化学条件对软土电渗排水影响的试验研究

电渗排水在软土地基加固方面具有较大的应用前景。为研究土体环境化学条件对软黏土电渗排水过程的影响,开展了一系列室内试验,从电渗系数、排水量、排水速率、含水率分布等方面进行了对比分析,深入探讨土体pH值和盐度对电渗排水过程的影响机理。试验结果表明:土体pH值对土体的电渗系数和zeta电位均有明显影响,电渗系数随着pH值的升高而升高,通过测量zeta电位可以准确获取电渗系数;随着土体初始pH值的升高,电渗排水试验后阳极附近土体的含水率逐渐降低,阴极附近土体的含水率逐渐升高;在对较酸性土体的电渗试验中则出现了阴极附近土体排水固结较快的现象,对土体的整体排水过程产生不利影响;随着土体盐度的升高,电渗系数和电渗总排水量降低,能耗增大。低盐度、偏碱性的环境有利于提高电渗加固效果。

不同植物对河西盐渍土的改良效果

为明确不同植物对盐渍土的改良效果,本研究对比分析了种植白茎盐生草(Halogeton arachnoideus Moq.)、盐地碱蓬[Suaeda salsa(L.)Pall.]、碱茅草[Puccinellia distans(Jacq.)Parl.]、苜蓿(Medicago sativa L.)、毛叶苕子(Vicia villosa Roth)、箭筈豌豆(Vicia sativa L.)、甜高粱(Sorghum bicolor cv.Dochn)、大麦(Hordeum vulgare L.)和燕麦(Avena sativa L.)9种耐盐植物对河西盐渍土理化性质的影响。结果表明,与裸地相比,9种植物使耕层土壤容重降低9.15%~21.87%,总孔隙度及非毛管孔隙度分别提升3.58~9.85和6.27~13.37个百分点,其中盐地碱蓬对容重的降幅最大,而甜高粱对孔隙度的提升效果最好。9种植物收获后土壤的含盐量及钠吸附比分别较裸地降低0.45~0.52个百分点和80.99%~90.56%,其中毛叶苕子对土壤盐碱程度的降低效果最好,其全盐、电导率、钠吸附比及pH值分别较裸地降低0.52个百分点、26.84%、84.50%及0.35个单位。各供试植物收获后,耕层土壤的碱解氮含量较裸地增加3.43%~151.90%,速效磷和速效钾含量无显著变化或降低。综上,种植耐盐植物改善了耕层土壤的通透性能,降低了其盐渍化程度;供试植物对盐渍土的改良效果表现为白茎盐生草>苜蓿>盐地碱蓬>大麦>毛叶苕子>甜高粱>燕麦>箭筈豌豆>碱茅草。本研究结果为盐渍土的植物改良及合理开发利用提供了理论依据。

高摩阻超静定土工格栅在粗粒土夹层中的剪胀作用研究

在加筋土工程中,采用异型格栅和设置粗粒土夹层可以有效增强筋土相互作用。然而粗粒土夹层厚度的确定方法仍有待进一步研究。基于一种带有凸起节点结构的高摩阻超静定土工格栅(high resistance hyperstatic geogrids,简称HRHG)与砾石的直剪试验结果,建立了剪切硬化筋土界面的剪胀本构模型,并进一步研究了筋土剪胀应力在土体内引起附加应力的分布规律。通过开展不同法向压力(30、50、80 kPa)下的直剪试验,研究了不同粗粒土夹层厚度(60、100、140、180 mm)对筋土相互作用的影响,并与筋土界面剪胀应力的分布规律进行了对比分析。结果表明,筋土界面剪胀本构模型可以有效计算剪缩位移和剪胀位移,且最终剪胀位移随法向压力增加而减小。由界面剪胀应力引起的粗粒土中附加应力随着与筋土界面距离的增加而降低,但是剪胀范围逐步增大。粗粒土夹层厚度的增加可以有效提高界面剪切强度,但存在最优夹层厚度使界面剪切强度的增幅迅速降低。最优夹层厚度随着法向压力的增加而减小。通过对比分析最优夹层厚度与剪胀应力比之间的关系,提出了基于筋土界面剪胀本构模型的确定最优夹层厚度的半经验公式,可为HRHG在工程中的设计或应用提供参考。

考虑土体有限宽度的邻近建筑基坑土压力计算方法

基于极限平衡法建立土体受力平衡方程,得到有限宽度土体土压力理论解答,然后研究了土体宽高比、土体黏聚力、土体内摩擦角、墙土摩擦角等因素对土压力的影响规律,最后通过分析影响土体破坏夹角的关键因素得到墙后土压力简化计算公式。结果表明,在土体有限宽度条件下,同等高度处土楔体前后受力基本相同,土体内摩擦角对土压力的影响较大,土体黏聚力和墙土摩擦角对土压力的影响不大。土体破坏夹角大致在朗肯与库伦计算角度之间变化,墙土摩擦角、土体内摩擦角对滑裂面夹角及有限土压力计算范围均有显著影响。

刚性挡土墙后轻量土静止土压力特性模型试验研究

为了研究轻量土对挡土结构物的减压机理,通过开展大比尺刚性挡土墙模型试验,采用重物堆载的方式在填土表面施加均布荷载,分析重塑黄土和轻量土作为墙后填土时的静止土压力分布规律。结果表明:轻量土在养护阶段的静止土压力随着时间增长而逐渐增大,但增幅逐渐降低。重塑黄土和轻量土的静止土压力随着填土深度增加近似线性增大,并且静止土压力随着加载而逐渐增大,其中重塑黄土的增幅明显偏大。对比重塑黄土和轻量土的静止土压力,发现轻量土具有明显的减压作用,且填土表面均布荷载越大,轻量土的减压效果越好。重塑黄土和轻量土的静止土压力系数均不是常数,其中重塑黄土静止土压力系数为0.34~0.78,轻量土静止土压力系数为0.22~0.55。当填土表面作用均布荷载时,传统理论在计算重塑黄土静止土压力方面适用性较高,但轻量土计算误差较大。结合模型试验以及传统理论,提出了适用于轻量土的静止土压力修正公式,对比发现其相对误差总体上介于1.01%~23.13%。通过模型试验和理论计算揭示了轻量土的静止土压力特性,对于完善轻量土土压力理论具有重要意义。

基坑中软土的水平抗力系数几种确定方法探讨

该文围绕基坑中软土的的水平抗力系数的确定方法开展了探讨,分析了基坑规程中土的水平反力系数的比例系数m值的来源,分析了水平抗力系数确定的理论,罗列了现行规范中软土的水平抗力系数的经验值,最后通过案例分析,将3种土的水平抗力系数的计算方法(m值、k值和c值)的计算结果与实测进行了比较,发现按目前基坑规程公式计算的软土的水平反力系数的比例系数m值偏小的现象。

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。

上海城市绿地景观改造区域表土剥离和再利用

于2021年,基于上海植物园北区改扩建工程,对改造区域内绿地0—20、20—40、40—60、60—100 cm土壤进行取样,测定土壤pH、EC、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾,以及土壤容重、孔隙度和微生物多样性等土壤肥力关键指标。研究结果表明,0—60 cm土壤pH和容重超过《绿化种植土》标准要求,60—100 cm土壤仅有效磷和速效钾达到标准要求。利用主成分分析法对各土壤综合肥力进行评价,结果表明随着土层深度的增加土壤综合肥力呈降低趋势。综合结果表明,0—60 cm土壤可直接一体剥离用作绿化种植土,60—100 cm土壤可用作地形营建的底土。研究结果可为城市绿地景观改造区域可剥离表土分类评价和再利用提供参考。