加载条件对土拱效应影响的Trapdoor模型试验研究

土拱效应是一种土中应力的重分布现象,它是由土与土中结构物间刚度的差异而引起的。目前关于循环荷载对于土拱效应影响的研究十分有限。使用铝棒相似土代替砂土作为填料,通过自制的模型试验装置进行了土体自重、表面静荷载及循环荷载作用下的平面应变Trapdoor模型试验,利用土拱率作为土拱效应强弱的衡量指标,对比研究了不同加载条件对土拱效应的影响,并将试验所得结果与前人的研究成果进行了对比验证。结果表明,静荷载与循环荷载均会削弱已有稳定"土拱",削弱程度随荷载幅值及频率的增大而增大,随荷载作用面积的增大而减小。相同荷载水平下,循环荷载对土拱效应的削弱较静荷载更强,两者间的差异随荷载幅值的增大而减小,随荷载频率的增大而增大,且峰值荷载下的差异小于零荷载下的差异。总体而言,Evans提出的土拱率计算公式能够较好地用于土体自重及静荷载作用下的Trapdoor试验中土拱率的预测,而对于循环荷载作用下的情况,还有待对计算公式进行进一步地改进。

砂土中能量桩单桩水平承载特性模型试验研究

为探究能量桩单桩水平承载特性,针对砂土中能量桩在水平荷载下的承载特性进行研究,基于模型试验,分析了水平荷载作用下能量桩在制冷和加热过程中的桩顶位移、桩前土压力以及桩身弯矩等的变化规律。研究结果表明:制冷会引起能量桩桩顶水平位移略微增大,增量为0.48%D(D为桩体直径),而加热会引起较大的桩顶水平位移,达到了2.38%D;制冷和加热在初始阶段会引起桩前土压力增大,初始增长阶段结束后,土压力变化较小,多为缓慢增长或基本不变。相较于初始土压力,制冷和加热结束时的土压力基本呈增长趋势,仅个别埋深处土压力减小。制冷过程中,埋深0%L~40%L(L为有效桩长)范围内的弯矩增大,埋深40%L~100%L位置处的弯矩变化较小;加热过程中,埋深0%L~60%L范围内的弯矩均有所增大,0%L~40%L位置处的弯矩增大最为明显。制冷和加热过程中均在20%L处产生了最大弯矩,最大弯矩的增加量分别为9.93%和10.32%。进一步基于圆孔扩张理论提出了弯矩计算的理论解,并与试验结果进行对比分析,理论计算值与实测值较为吻合。

地震液化离心机振动台模型试验与LEAP研究进展

离心机振动台模型试验是研究地震液化问题的重要手段,一方面可重现场地地震响应和揭示液化致灾规律,为发展工程设计方法提供依据;另一方面可以作为特定边值问题的标准模型试验数据,验证数值方法与土体本构模型及其参数选取的合理性。介绍了离心机振动台模型试验的试验原理,回顾了离心机振动台模型试验在地震液化领域的主要研究进展。围绕由中国、美国、日本和英国等国家高校与研究所联合开展的国际合作项目“液化试验与分析”(LEAP),重点介绍了若干为提高离心机振动台模型试验可重复性而发展的物理模拟新技术,包括离心机振动台的台面振动控制技术、模型土体弹性波速测试技术和基于图像分析的动态位移监测技术等。最后针对地震液化领域的若干工程和研究需求,探讨了离心机振动台模型试验领域的发展趋势。

黄土基坑斜直桩支护结构受力及变形特性模型试验研究

为深入探究斜直桩支护的工作机理及变形特性,通过模型试验对比斜直桩和传统支护在开挖和降雨阶段桩顶位移、桩身弯矩及坑外沉降变化规律。研究结果表明:斜直桩受力及变形均小于悬臂和双排直桩,其极限挖深更大,对周边环境影响更小,其中内斜直支护性能最优。部分直桩改为斜桩可使受力更合理,除了受到弯剪还有拉压,有效提高支护刚度。降雨阶段下支护结构受力及变形增幅较开挖更大,还会引发土体塌陷、坑内外土体表面开裂等破坏。研究结果可为斜直桩黄土基坑施工风险防控提供参考。

大盾构管片最不利上浮状态下三维形变特征模型试验方案设计

隧道施工期管片所受浆液浮力并非恒定,壁后浆液压力的不均匀分布会导致管片变形和隧道环的位错损伤。为减弱或避免因管片上浮造成的结构病害,通过自主设计研发一种考虑千斤顶水平推力、围岩压力以及同步注浆上浮力作用的管片三维加载模型试验系统,对大直径管片最不利上浮状态下的瞬时变形进行分析。试验装置由围压加载装置和非均布上浮力加载装置组成,可实现单点或多点同步加卸载;模型试验采用不同刚度弹簧模拟上浮期隧道与地层之间的相互作用;根据相似理论对管片模型和连接螺栓进行精细化设计和加工;根据实际工程中试验段的围压对模型围压初始值进行换算,并将动、静态上浮力相结合,提出更符合工程实际的盾构隧道横、纵向上浮力分析模型。结果表明:在拱底非均布上浮力的作用下,拱底竖向位移和收敛变形沿纵向均近似呈对数正态分布,其最大值均出现在脱出盾尾后第3环;各环管片的收敛变形与拱底竖向位移近似呈线性关系,斜率介于0.63~1.49之间;模型试验结果与实测数据相吻合。研究成果可为盾构隧道管片抗浮设计和施工提供一定的技术支持。

合理确定排涝泵站规模的感潮河道模型试验研究

合理确定泵站规模一直是感潮河道排涝工程设计中的关键问题。通过建立物理模型,在选定的水文边界条件和相应工程运行要求下,对某感潮水系两座涌口泵站规模进行试验研究。试验发现,受限于河涌过流能力,泵站规模存在临界值,超过该值后,即使再进一步增加泵站规模,水位也不会继续下降;泵站抽排对某位置水位的降低效应与泵站和该位置之间的距离密切相关,距离越近,水位降低越明显。基于上述认识,通过试验确定了满足水位管控要求的两座泵站规模的合理组合:距离相对较远的温涌泵站为80 m3/s,较近的金紫涌泵站为130 m~3/s。试验方法和主要成果可为工程方案比选及优化提供重要依据,对类似河涌整治工程也具有一定的借鉴意义。

黄土盾构下穿不同地下非连续管线的模型试验

针对城市盾构隧道施工下穿既有输气管线引起管线沉降与受力问题,以河南省某在建高速公路为工程背景,进行室内模型试验和有限元数值模拟.考虑不同非连续管线接头间距、接头刚度和管隧间距的影响,探讨管隧正交工况下,隧道开挖对非连续管线沉降、弯矩及管土接触应力的影响.研究结果表明:黄土盾构正交下穿管线存在沉降集中区,在该区范围内,管线接头与管段相对刚度比的大小对管线平均沉降增长速率影响较大,相对刚度比由1.30减小至0.21,非连续管线平均沉降增长速率增大1.5倍;相对刚度比相对大小对非连续管线沉降和弯矩起到决定性作用;通过定义非连续管线综合刚度比,揭示不同综合刚度比下非连续管线最大沉降变化规律和管线最大正负弯矩相对变化规律,其中综合刚度比与管线最大沉降服从3次多项式拟合函数,管线的最大正弯矩值随着最大负弯矩值的改变服从4次多项式拟合函数;管线的管土接触应力变化均呈现“双峰型”变化,管土接触峰值应力随着接头间距的增大而增大;数值模拟表明,管线最大沉降随着管隧间距增大而呈现折线型减小,该转折点出现在管隧间距与隧道开挖直径比为1处.

跨博-阿断裂隧道的抗错断性能模型试验

中国西部地区地质条件复杂,许多隧道工程在建设过程中会穿越不良地质区段,受到来自活动断层的错动威胁.为探究走滑断层作用下铰接隧道结构的应变响应规律及变形破坏机制,以天山胜利隧道工程为背景,利用光纤传感技术,通过室内缩尺模型试验,开展了走滑断层作用下分节段铰接隧道变形破坏研究.结果显示,隧道衬砌的变形主要发生在断层破碎带内部及边缘附近,隧道整体的破坏模式为拉压剪切组合破坏模式;沿隧道纵向,断层破碎带处隧道受力模式总体上为拱顶与拱底受拉,两侧既有受拉也有受压;沿截面环向,环向应变分布呈“W”形,存在两个拉应变峰值及两个压应变峰值,截面变形趋势为两侧受到水平挤压作用,迫使截面由马蹄形向椭圆形发展.研究结果揭示了走滑断层作用下铰接隧道的变形破坏形式以及衬砌变形规律,可为类似工程提供理论参考和技术支持.

洞桩法地铁车站边桩结构受力机制的模型试验设计

为了方便学生更形象地理解洞桩法地铁车站边桩结构的受力机制,该文以广州地区某洞桩法地铁车站工程为依托,设计了一种简化的洞桩法车站边桩结构模型试验。基于该试验方法,演示分析了边桩结构在洞桩法车站开挖过程中的施工力学行为规律,并对比研究了不同桩型布置参数下的桩后土压力、边桩结构的力学和变形规律。通过该试验,为学生展示了洞桩法边桩结构模型的设计、制作、试验具体操作及数据监测的全过程,从而让学生更好地掌握洞桩法车站边桩结构力学行为演变规律,以及采用不同边桩布置型式的力学行为差异。

二元堤基结构堤防管涌机理模型试验

为了科学解释二元堤基结构堤防管涌致灾机制并揭示其形成、演化过程和致溃规律,在考虑堤基强、弱透水层之间壤土过渡层作用的基础上,通过室内模型试验完整地模拟了二元堤基管涌从单个泡泉发展至管涌群并最终造成堤基塌陷溃决的全过程。试验结果表明:上部黏土及壤土层在渗流的顶托作用下向上隆起并在堤基内部产生层间水平渗漏通道,导致发生潜层砂沸,最终向上发展为表面砂沸的渗透破坏;二元堤基结构管涌发展可分为裂缝发展、潜层破坏、上覆层破坏、管涌通道上溯、堤基破坏和堤基溃决6个发展阶段;表面砂沸由潜层砂沸发展而来,潜层砂沸是由于土层内竖向坡降所引起的渗流力大于上部土体浮容重时造成的土层结构破坏所致,临界竖向坡降处于0.9~1之间;壤土层的存在会加快堤后自由边界区域管涌群的发展速度,但可以延缓管涌通道的上溯,对堤基具有保护作用。

陡倾结构金属矿山岩移规律的模型试验研究

陡倾地质结构金属矿床大部分形成于构造断裂带,崩落法开采会产生显著的岩层移动现象。以湖北黄石的金山店铁矿典型地质剖面为基础,构建地质结构模型。通过缩尺物理模型试验,研究陡倾地质结构对崩落法采矿岩层移动的影响规律。研究结果表明,受陡倾地质结构的影响,采空区岩层移动可分为缓慢增长、快速增长与地表塌陷破坏3个阶段,其中上盘岩移范围远大于下盘,上盘以倾倒变形破坏为主,下盘以剪切滑移破坏为主;采空区顶板岩层一方面不断崩落填充采空区控制岩移,另一方面形成冒落拱,以拱脚抵制上下盘陡倾岩层朝向采空区移动;当顶板崩落至地表后冒落拱的支撑作用消失,近采空区的上盘岩层发生倾倒折断塌陷,下盘岩层发生剪切滑移塌陷。

黄土地基中能量桩群桩承载变形性状模型试验

基于室内缩尺试验研究了含能量桩群桩在4次冷热循环过程中的桩身热力学特性及桩基承载变形特性变化规律,分析冷热循环对桩土温度、承台沉降、桩顶荷载及桩身摩阻力的影响。试验结果表明:冷热循环过程中能量桩较浅位置处桩身及桩侧土温度始终高于较深处,热循环过程中能量桩的传热效率高于冷循环过程。冷热循环会使承台顶面的工作荷载及群桩中各基桩的桩顶荷载发生往复变化,相应地引起承台发生往复倾斜,热循环引起的承台倾斜稍大于冷循环。热循环引起的能量桩桩身上部摩阻力为负,下部为正,冷循环时则相反。

含建筑桩基的顺层岩质边坡桩锚支护体系振动台模型试验研究

基于Bockinghamπ定理,对具有建筑桩基的顺层岩质边坡桩锚支护体系开展振动台模型试验,通过分析预应力锚索、建筑桩基的应变以及边坡坡顶加速度,研究支护体系的动力响应规律。结果表明,预应力锚索的应变在地震波加速度达到峰值时达到最大值,且上排锚索受力大于下排锚索,随着地震幅值的增大,最上排锚索锚固段率先发生滑移破坏失去锚固作用;建筑桩基应变最大值点位于滑动面以下一定深度,且远离边坡坡面的建筑桩基受力大于邻近边坡坡面的建筑桩基;坡顶各点峰值加速度随地震波幅值增大整体表现为线性增大,但在Wenchuan-Wolong波(0.55g)和Sin波(0.4g)工况时,各点峰值加速度相对有所下降,随着地震波幅值增大,各点峰值加速度放大系数在汶川波和正弦波作用下并非单调变化,而是表现为先减小后增大波动变化特点。

黄土盾构隧道开挖围岩扰动特性模型试验研究

为了探究不同含水率和埋深等工况下的黄土盾构隧道开挖对围岩的扰动作用特征,采用相似模型试验,首先通过三轴试验测定了不同含水率下原状黄土物理参数及强度指标,通过大量试配得到了不同含水率下与原状黄土强度指标参数相似的试验用土。其后,考虑盾构隧道盾尾间隙特征,开展不同含水率及埋深等组合工况下盾构开挖模拟试验,通过微型土压力传感器、百分表等监测元件以及数字图像技术等手段,分析了不同工况下地层变形、地表沉降和围岩应力的变化规律。研究发现:含水率较低时,围岩的自稳能力强;含水率越高,埋深越大,开挖对地层的扰动作用也越大;地表最大沉降值与含水率呈正相关,与埋深呈负相关;围岩剩余应力随含水率和埋深的增大而增大,但当含水率增大至一定值(26.6%)时,围岩剩余应力骤减;基于不同含水率下的围岩应力及变形发展规律,可将黄土含水率分为自稳、形变以及松动含水率,基于含水率和埋深引起的围岩松动情况,可将不同工况下的黄土盾构隧道围岩压力作用模式按照形变压力和松动压力计算,以更加适应黄土地层的特性。

某尾矿库排洪系统水工模型试验

为确保某尾矿水库的排洪系统可以安全、可靠地运行,构建了尾矿库排洪系统水工模型,模拟3个排水竖井在不同运行方式下的泄流,研究排洪系统典型建筑物排水井及排水隧洞模型段的过流能力,探讨各特征工况下排水井及排水隧洞内水流流态。结果表明,所选取的3个排水竖井,在设计标准的洪水泄洪时,下游泄洪隧洞内的水流均呈现无压流的流态;随着排水井工作水头的增加,泄流量超过设计标准,下游泄洪隧洞内水流呈现明满流交替的流态;当工作水头继续增加时,下游泄洪隧洞内水流呈有压状态。研究结论可为尾矿库或类似工程设计提供参考,并可为水库排洪系统的进一步优化设计及安全运行提供科学依据。

基于落石模型试验的棚洞垫层力学响应及优化设计

结合边坡落石灾害现状,基于落石模型试验,系统分析落石质量、下落高度、垫层厚度、加筋位置、加筋材料等因素对落石冲击力及其动态演化的影响,揭示落石冲击棚洞的动力响应规律,结合垫层自重与落石冲击作用双因素影响确定垫层最优厚度,并对垫层设计提出优化建议。结果表明:随着垫层厚度增加,棚洞所受落石冲击力呈非线性减小,减小幅度先大后小而后趋于稳定;在同一垫层厚度下,棚洞所受落石冲击力随落石高度和落石质量近似呈线性增大;当复合垫层设计为“5 cm河砂+聚苯乙烯泡沫(EPS)+10 cm河砂”时,落石中心处土压力峰值相较于纯河砂垫层降低约60%,缓冲耗能效果最佳;通过多元回归分析得到了落石冲击力计算公式,且计算结果与实验数据吻合良好。

UH模型超固结状态演化分析及离心模型试验验证

本构模型是土力学求解强度变形问题的关键。研究揭示了剑桥模型在超临界侧强度过高、超固结状态下无法应力三维化、应力应变关系发生突变等存在的问题,分析了UH模型建立的超固结状态耦合演化机制及在弹塑性理论框架下实现的超固结状态与正常固结状态计算理论的统一,并基于三轴试验预测证明了UH模型能更加合理地描述超固结状态下土的应力应变关系。通过开展载荷板离心模型试验以及数值模拟验证可以发现,相较于剑桥模型,UH模型计算的地基土荷载变形曲线、侧压力系数分布更加准确,其本质是单元的应力应变关系更加科学、合理。研究证明UH模型的应用能显著提高超固结状态土体强度变形计算的准确性和实用性,对复杂岩土工程问题的计算求解具有重要理论价值和实践意义。

表水侵蚀地裂缝物理模型试验研究

地表水入渗侵蚀是地裂缝出露地表的一个重要诱发因素。肯尼亚裂谷区因其特殊的构造环境背景,降雨侵蚀地裂缝极其发育。本文以东非肯尼亚裂谷地裂缝为原型,建立了降雨侵蚀条件下隐伏岩土体破裂扩展出露地表的地质模型,通过物理模型试验揭示了地裂缝发育过程中土体内部水力侵蚀破坏的演化规律。试验结果表明:(1)表水侵蚀地裂缝可将其破裂扩展过程分为3个阶段:均匀入渗阶段,侵蚀掏空阶段、塌陷致灾阶段。(2)隐伏岩土体破裂的影响区域是表水入渗的优势通道,该区域水力侵蚀强烈。(3)当侵蚀塌陷形成时,土体内部含水率和孔隙水压力出现同步的陡变。土体内部含水率的突变反映了裂隙的发育以及局部塌陷的形成,从而可以揭示土体内部侵蚀塌陷的进程。此次基于表水入渗的物理模型试验研究可为地裂缝的监测防控提供科学理论支撑。

基于模型试验的落石纵横向运动特征研究

为研究落石纵横向运动特征,开展室内落石模型试验,探讨了不同坡表覆盖、坡形、落石高度和质量对偏移比和水平运动距离的影响。结果表明:在混凝土光面、碎石、覆土坡面上,偏移比和水平运动距离依次逐渐减小;台阶状坡偏移比最大,缓坡-陡坡最小;圆柱状、近球形和方形落石在缓坡-陡坡上水平运动距离最大;除在坡顶(0cm)处外,偏移比随下落高度的增加而增大;除长条形,落石水平运动距离随下落高度的增加而增大;偏移比随落石质量减小而增大,但对水平运动距离影响不显著。

软土地层盾构掘进土体稳定性模型试验研究

针对软土地层盾构掘进周围土体稳定性问题,自主研制了TJ-TBM2015多功能微型隧道掘进试验平台,通过改变外壳直径以模拟地层损失,采用动力控制系统,微型隧道掘进机可以实现盾构隧道的连续动态机械开挖。基于试验平台进行了地表无超载、地表有局部超载和隧道临近穿越群桩基础3种工况的盾构隧道掘进试验,通过传感器监测不同工况掘进过程中地表沉降变形和隧道周围土体的应力变化,研究土体的稳定性特征,并进行横向对比分析。结果表明,隧道开挖引起的土体应力重分布主要发生在隧道中心1倍直径范围内;局部超载对土体稳定性影响有限,但超载会造成其所在位置附近地表沉降增大;群桩基础对地层起到了一定的加固和隔离作用。