宽级配土离心试验地基模型落雨法分层机制与数值模拟

落雨法因其在模型制备过程与自然条件下砂土沉积过程相似,因而成为土工离心试验地基模型常用的模型制备手段,但是有关落雨法研究主要集中于相对密实度控制,而对于分层现象关注较少,尤其宽级配土。针对宽级配土落雨法制备过程出现的分层现象,利用PFC3D数值模拟软件,探讨了落雨法制备过程分层现象的物理机制和出砂口落距、移动速度、宽度对分层现象的影响。结果表明:在真空介质中,粗细颗粒不出现分层现象;而在非真空介质中,粗、细颗粒出现了分层现象,原因为非真空环境下粗、细颗粒下落过程中产生了相对速度差,内在机制为粗、细颗粒半径不同受到平均表面流体阻力不同,从而造成不同粒径颗粒分离现象;随环境介质密度的增加,粗、细颗粒在下落过程中更易于发生分离,出砂口落距、移动速度和流量对分层现象具有一定程度影响。

宽级配珊瑚土落雨制模分层现象与控制方法

珊瑚土场地液化是港口工程和滨海设施及岛礁典型的地震灾害现象之一,而珊瑚土具有级配宽、细粒含量高和易破碎等特点。落雨法作为研究饱和模型场地与单元试验液化的重要制模手段,针对落雨法在制备珊瑚土地基模型时出现的分层问题,利用自主研制的大型落雨装置及高速摄像和PFC3D离散元模拟,分析细粒含量、流量大小、落距和出砂口移动速度等因素对分层现象的影响,揭示分层现象的产生机理,并建立相应控制方法。研究结果表明:相对于落距和出砂口移动速度,细粒含量和流量是影响颗粒分层的主要因素。随着细粒含量的增加,分层现象逐渐减弱;随着流量的增大,分层现象逐渐明显;当落距和出砂口移动速度达到一定范围时,分层现象不会再随之增大而出现明显变化。高速摄像分析表明,粗细颗粒在出砂口移动时会出现粗细颗粒的分离,二者之间有着明显的分离界限,其结果表明,分层现象是在重力、空气拖曳力以及出砂口侧向移动的综合作用下产生的。利用PFC3D离散元模拟落雨法制模的过程,模拟结果与试验结构及高速摄像分析结果高度契合,证明PFC3D数值模拟方法的可行性。结合流量、落距和出砂口移动速度等影响因素,提出一种可有效控制落雨法分层现象的方法,为制备大型宽级配珊瑚土模型提供指导依据。

高富水复合砂层盾构隧道渗透破坏原因分析

特殊的地层条件及水力条件是事故发生的关键因素。本文通过砂土流失模型试验,发现单一砂层、复合砂层的渗流破坏特征存在显著不同。单一砂层和“上粗下细”复合砂层的侵蚀空洞呈漏斗形,而“上细下粗”复合砂层的侵蚀空洞呈碗形。当渗流出口处于粗细交界面时,上细下粗的复合砂层,使大部分的水头损失消耗在上部的细砂层中。相同条件下,“上细下粗”复合砂层中的渗流破坏最为强烈。广东某地铁区间突发涌水涌砂导致地面坍塌。事发地为珠三角河网地带,盾构机处于由下层中粗砂和上粉细砂组合而成的复合砂层中,同时邻近河涌强供水,两种结合极易发生涌水涌砂,引发周围地层砂水快速流失,造成上覆土层的大面积塌陷。试验结果与现场现象相吻合,揭示了高富水复合砂层中容易导致事故的地层和水力方面原因及上述多种因素组合致灾的机理。在类似工程勘察设计阶段,需重视复合砂层的识别,并做好盾构的“密封”措施,防止渗流出口的出现。

夹砂层位置对膜孔灌氮肥自由入渗特性的影响

为了研究夹砂层位置对层状土膜孔灌氮肥自由入渗特性的影响,选用粉壤土和砂壤土,设置3个夹砂层位置进行膜孔灌自由入渗试验。结果表明,在夹砂层位置为距表层土5~10 cm,10~15 cm,15~20 cm的3种处理中,各处理的累积入渗量、湿润锋运移规律、湿润体内含水量、铵态氮和硝态氮分布规律均有所不同。夹砂层的位置越靠近表层,减渗效果越大,累积入渗量越小,水平方向湿润锋面运移距离越大;入渗过程可分为2个阶段,第1阶段是水分运动到土砂交界面之前,第2阶段是水分运动到土砂交界面后,利用Philip和Kostiakov入渗模型来描述累积入渗量与入渗历时之间的关系,模型拟合结果较好;层状土的土壤含水量分布具有不连续性,其铵态氮和硝态氮分布规律受夹砂层位置的影响较大。综上所述,夹砂层位置变化对膜孔灌氮肥自由入渗具有明显影响。

成层土中长桩竖向承载激发规律研究

针对成层土中长桩承载问题,结合试桩数据建立了成层土中长桩-土相互作用特性分析模型,基于分析模型研究了上砂下黏和上黏下砂中砂-黏占比对长桩竖向荷载-位移曲线的影响,分析了成层土中长桩侧阻和端阻承载分担比,揭示了达到极限承载力时成层土中桩基侧阻、端阻激发规律,即黏土层侧阻可完全激发、砂土层侧阻未完全激发,桩底端阻完全激发,为实际工程中长桩承载力计算选取合理参数提供依据。

高寒沙地不同植被修复措施下土壤水分对降雨响应机制

为探究高寒沙地不同植被修复措施下土壤水分对降雨响应机制,更好地发挥其水土保持作用,以青海共和盆地设置3 a的高立式网笼沙障、麦草方格沙障+花棒、麦草方格沙障+柠条、麦草方格沙障+沙蒿和麦草方格沙障+菊芋种植为研究对象。利用2900ET气象站和ECH 2 O,分别对研究区降雨量和各沙障类型下0~140 cm(10、20、40、60、80、100、120和140 cm)土壤含水量进行连续自动监测,选取3种不同等级降雨事件进行研究,分析其土壤水分响应情况和0~60 cm土壤水分补给特征。结果表明:1)2020年8月—2021年8月,研究区降雨主要集中在4—9月,以低频率小雨为主,<2 mm降雨事件占总降雨事件最高(38.98%),贡献率最小(6.12%),各沙障类型按月土壤总蓄水量变化划为缓慢积累期(1—4月)、消耗期(5—6月)、积累期(7—9月)和稳定期(10—12月)且均在8月达到峰值,其中高立式沙障土壤蓄水量最高(4万7563.54 mm),菊芋沙障最低(2万5564.09 mm),其各土层土壤蓄水量的增加量随着土壤深度增加呈现出“减小—增大—减小—增大”变化。2)降雨量<5 mm时,菊芋沙障0~10 cm、花棒沙障及沙蒿沙障0~20 cm土层水分产生波动;降雨量在5~18 mm时,高立式沙障0~10 cm,柠条沙障、沙蒿沙障及菊芋沙障0~20 cm,花棒沙障0~100 cm土层水分产生波动;降雨量>18 mm时,高立式沙障0~10 cm,柠条沙障、沙蒿沙障及菊芋沙障0~60 cm,花棒沙障0~140 cm土层土壤水分产生波动。综合该地区不同植被修图措施下土壤水分对降雨响应情况,建议在5—6月进行修复。

厚松散层底部土层抗渗透破坏突水溃砂研究

为了探究厚松散层底部土层抗渗透破坏特征,以兴隆庄煤矿巨厚松散层薄基岩下开采四采区浅部资源为工程背景,通过对上、下2组土样进行颗粒级配、微观测试、抗渗透试验、安全临界水头高度理论计算等综合分析,探究山西组3煤层上覆含水层发生突水溃砂的临界条件。研究发现:土样的颗粒级配及颜色变化差异较大,粒径小于0.075 mm的细粒土的质量分数,上组的不到30%,而下组的高达70%;上组土样以长石为主,长石质量分数超过90%,结构疏松,SiO_(2)质量分数高,属于典型的砂性土类;下组土样以高岭石为主,质量分数超过70%,结构致密,Al_(2)O_(3)质量分数高,属于典型的黏性土类;确定了不同裂缝宽度下临界水压及临界水力坡度量化取值,随着裂缝宽度不断增加,临界水压和临界水力坡度均呈现逐渐下降的趋势,当裂缝为20 mm时,均出现明显拐点;理论类比计算了安全临界水头高度,初步确定了研究区第四系底部含水层允许安全水头高度为54~70 m,通过与实际水头值对比,分析认为正常开采条件下该区域不会发生突水溃砂渗透破坏事故。

采石场粉尘和海砂混合物力学性能试验和数值研究

越南等发展中国家的道路基础设施建设需要大量天然砂。河砂日益紧缺,其供应量将持续下降。因此,建筑行业必须实施可持续发展战略,将废弃材料与各种可利用资源相结合,以有效应对这一严峻形势。本研究的目的是测试采石场粉尘和海砂混合物的力学性能,并评估其在高速公路路基层中的潜在应用。进行了一系列试验,包括材料的含水率、相对密度、休止角测试和三轴试验,以研究不同配比下混合物的组成。结合Plaxis土工试验中的校准进行了广泛的参数研究,得出了割线模量E_(50)和围压曲线。根据加州承载比CBR对公路路基层所用材料的评估结果,证明海砂和采石场粉尘混合物具有适当性能,可用于公路路基的建设。

砂土层占比对双U型地埋管换热器换热性能影响研究

以西安两处地源热泵项目为工程背景,基于恒热流线热源模型和斜率法,对双U型地埋管换热器(DUBTHE)开展现场岩土热响应试验(TRT),分析了砂土层占比、管径对DUBTHE换热性能的影响。结果表明:当砂层占比分别为16.71%,45.99%时,其岩土初始平均温度、综合导热系数分别为17.70℃,1.54 W/(m·K)和18.83℃,1.79 W/(m·K)|通过权重法计算的岩土综合导热系数是现场TRT测得的1.15~1.25倍;当砂层占比由16.71%增加到45.99%时,岩土初始平均温度和综合导热系数分别提高了6.38%和16.23%,并随着管径由25 mm增大到32 mm时,夏、冬季单位延米换热量分别提高了12.76%和35.61%|当砂层占比小于45%且地源热泵系统冷热负荷接近时,宜采用DN25 DUBTHE,当砂层占比大于45%且地源热泵系统热负荷大于冷负荷时,宜采用DN32 DUBTHE。

北京工人体育场密实砂卵石层水泥土复合管桩试验研究

以北京工人体育场改造复建项目作为工程背景,分析了水泥土复合管桩在密实砂卵石地层中的工作性态,并给出了水泥土复合管桩在砂卵石地层中的加载试验与数值模拟结果对比。采用FLAC3D软件模拟了水泥土复合管桩加载以及其与地层相互作用机理。结合试验与模拟结果,分析了水泥土复合管桩的破坏机理。结果表明,水泥土复合管桩在竖向荷载作用下的荷载-位移曲线模式是典型的摩擦桩工作模式,桩端阻力约占桩顶荷载的1/3;桩侧摩阻力荷载传递具有双层模式特点,即荷载由管桩先传递到管桩周围的水泥土桩,再由水泥土桩传递到桩间土中;水泥搅拌桩在砂卵石地层中可形成刚度大、强度高的水泥土外桩;管桩的压入有效提高了水泥土复合管桩的刚度,而水泥土外桩有效改善了桩土界面的摩擦接触效应,结合桩端砂卵石层,可有效提高水泥土复合管桩的承载力。

长江河漫滩软土地基真空联合堆载预压加固效果评价

结合长江河漫滩软土工程特性,通过分析真空联合堆载预压的加固过程,从现场监测数据、原位十字板剪切试验和室内土工试验3个角度,对南京北站迁建工程某施工区域进行了全面的加固效果分析。具体到监测数据方面,地表沉降及孔压数据均表明单真空预压至固结趋稳后再进行堆载可进一步提升土体加固效果;十字板剪切试验结果表明,加固效果随深度递减,与孔压随深度变化规律分析结论一致;室内土工试验数据说明土体物理力学性质在加固后有明显改善。综上所述,真空联合堆载预压对长江河漫滩软土地基加固效果良好,加固效率高,6个月工后固结度可达94.47%,土体强度显著提高。为验证结论的准确性,分别对孔压数据与十字板剪切试验数据、十字板剪切试验数据与室内土工试验数据进行了相互验证,验证结果显示数据较为可靠,加固效果评价的准确度较高。

北京工人体育场密实砂卵石层水泥土复合管桩设计与施工

水泥土复合管桩一般应用于软土地基或粉土地区,在砂卵石地区应用较罕见。以北京工人体育场改造复建工程为例,通过研究水泥土桩在密实砂卵石层的成桩工艺和预制管桩静力压桩工艺,重点介绍了水泥土复合管桩在密实砂卵石层的应用。根据现场实际情况,在密实砂卵石层旋喷形成直径较大、混合均匀、强度较高的水泥土外桩,水泥土外桩完成后,在桩内同心静力压桩植入预制芯桩,形成水泥土复合管桩,解决了密实砂卵石层中水泥土外桩难以成桩的难题。通过对抗拔承载力和桩头进行设计,设计出一种桩底抗拔装置,并提出桩头钢筋后锚固技术,有效提高了单桩抗拔承载力及施工效率。对水泥土复合管桩施工技术进行了质量、经济及环境效益分析。结果表明,密实砂卵石层水泥土复合管桩施工技术避免了桩基施工中混凝土供应不及时和后期桩头大量剔凿的问题,减少了材料消耗,节能环保。

地层参数和掘进参数对富水砂层盾构隧洞地表沉降的影响

针对现有盾构施工中地层材料参数测量计算不准确、不同掘进参数对地表沉降影响难以评价的问题,依托某富水砂层盾构施工的引水隧洞,通过三维数值模拟,设计地表沉降为指标的正交试验,分析了不同材料参数的敏感性;此外,依据实测沉降,反演了材料的力学参数,并计算不同开挖仓压力、同步注浆压力和推进速度等盾构掘进参数下的地表沉降曲线。结果表明,砂层内摩擦角对地表沉降影响较大,增加砂土内摩擦角和衬砌弹性模量会减小沉降;盾构掘进速度对地表沉降影响较大,增加掘进速度会增加最大沉降量和“沉降槽”宽度,增加开挖仓压力或增加同步注浆压力会减小最大沉降量和“沉降槽”宽度。

浅覆土全砂层机械顶管施工技术研究

浅覆土全砂层是一种特殊的地质结构,它在一定程度上改变了土体力学性质,对基坑工程安全稳定性产生较大影响。应用机械顶管施工技术,使浅覆土层中顶管得到有效控制,从而避免地层沉降和地表不均匀隆起等问题的发生。重点探讨了浅覆土全砂层机械顶管施工技术,分析其关键技术及质量控制措施,以期为浅覆土全砂层机械顶管施工技术的优化和改进提供可靠的理论和实践依据。

深基坑模型试验中相似土配比及其微观表征研究

相似地质模型试验是深基坑等岩土工程研究中的一种重要方法,但关于岩土体相似材料的选取、制备工艺及试验适用性等方面的研究仍存在着诸多不足。依托南通地铁1号线汽车东站某基坑工程,在了解该地区富水砂层地质条件的基础上,根据土质相似材料配制要求,选取粉细砂、重晶石粉、洗衣液、膨润土、水为原料,基于正交试验方法进行配比研究,测得不同配比条件下相似土的物理力学参数并对其开展敏感性因素分析。此外,从微观角度进一步分析了各因素对相似土性质的影响机理及其微观结构特征。结果表明:相似土密度受重晶石含量控制,呈正相关关系;黏聚力受含水率与洗骨比控制,呈负相关;内摩擦角与各因素皆呈负相关,受重晶石含量控制;压缩模量与除含水率外的3因素均呈负相关。试验中不同配比相似土的物理力学性质参数分布范围较广,可为类似模型试验中土质相似材料的配制提供参考。

层状土壤中砂层层位对潜水蒸发的影响

通过室内一维土柱实验,研究了夹砂层土体构型中砂层层位对潜水蒸发的影响,分析了其影响机理,进一步讨论了砂层位置和水分蒸发的定量关系。结果表明,砂层对于水分的蒸发既有促进也有抑制作用,在地下水埋深为50cm时,5cm厚的底砂层可使水分的蒸发强度增加10％-20％；砂层距水位的距离大于5cm时,砂层可抑制水分的蒸发,且当距离增加到35cm左右,其抑制率可达70％-80％；当砂层距水位的距离继续增大时,水分的蒸发强度基本保持不变。这主要是由砂层自身的导水率变化以及砂层与同剖面中其它土质导水率的相对大小发生变化而引起。累积蒸发量与砂层层位以及蒸发历时之间定量关系的建立为预测砂层对潜水蒸发的影响以及估算特定历时蒸发损失量最小的砂层层位提供了依据。

砂层在黄土中发生指流条件的试验研究

根据层状结构土壤在积水入渗过程中存在发生指流的现象,该文针对黄土地区"垆盖砂"的土壤条件,在室内以西安黄土为主体,对6种不同粒径的砂质双层结构土壤进行积水入渗试验,以观测研究发生指流的现象、机理与条件。研究表明:决定砂质双层结构能否发生指流现象的重要因素,一是入渗水流进入砂层后的稳渗率;二是表征砂层物理特性的饱和导水率;并以二者的比值做为判断发生指流现象的一个重要量化指标。根据试验分析,可将该比值<0.02作为砂层发生指流现象的临界值。该指标也表明,当进入砂层的稳渗率小于砂层饱和导水率1/50时,即可发生明显的指流现象。

蒸发条件下浅层地下水埋深夹砂层土壤水盐运移特性研究

针对西北地区土壤剖面多呈层状和春季强烈返盐土壤多处于裸露状态的特点,通过室内土柱实验,研究了浅层地下水埋深条件下夹砂层土壤中砂层的层位、厚度以及级配等因素对水盐迁移特性的影响.结果表明,砂层位于底层即层位为0时可加速水盐运动;层位为10 cm时可抑制其运动;层位为35 cm时砂层对潜水蒸发量和土壤表层返盐的抑制率可达70%～80%左右.砂层对水分和盐分的抑制率随蒸发历时的延长而减小,但层位为35 cm的砂层对盐分的抑制率随蒸发历时的延长而增加;同一历时砂层对水分的抑制率小于对盐分的抑制率.相同层位时,水盐的抑制率随砂层厚度的增加以及级配的变差而增大.该研究为层状土区盐碱地的改良以及灌溉和排水等措施的制定提供了参考.

基于水热耦合的青藏高原分布式水文模型——Ⅰ.“积雪-土壤-砂砾石层”连续体水热耦合模拟

青藏高原号称"亚洲水塔",是典型的高寒山区,其广泛存在的积雪、多年和季节冻土,影响了整个区域的水循环过程;青藏高原具有土层较薄、下伏砂砾石层较厚的特点,形成了特殊的"积雪-土壤-砂砾石层"水热介质结构。为深入研究青藏高原的水循环机理,本文选取尼洋河流域作为典型区,基于野外冻土水热耦合试验,结合青藏高原地质及气候特点,构建了包含12层"积雪-土壤-砂砾石层"连续体的青藏高原水热耦合模型,描述了完整的水热耦合模拟方程和参数计算方法。采用2016—2017年冻结融化期0~160 cm深度内的土壤和砂砾石层的温度、液态含水率和冻结深度的实测结果对模型进行了验证,各层温度模拟R~2均值为0.91,冻结融化期内液态含水率模拟R~2均值为0.52,土壤冻结深度模拟R~2值为0.76。结果表明该模型在青藏高原地区有较好的适用性,可反映该地区冻结融化过程中土壤和砂砾石层水分与温度的特殊变化规律。

夹砂层状土壤潜水蒸发特性及计算模型

针对西北地区农田土壤常见的砂土夹层土壤结构,通过室内土柱实验,研究了浅层地下水埋深条件下夹砂层状土壤的潜水蒸发特性。研究结果表明:砂层对水分蒸发既有促进也有抑制作用,相同厚度时潜水蒸发强度随砂层层位的升高以及级配的变差而降低。以砂层的相对层位和相对有效粒径作为砂层的量化指标,建立了适用于不同层位和质地夹砂层土壤稳定蒸发强度的修正模型,并对其进行了验证。该实验为定量研究夹砂层状土壤潜水蒸发提供了新思路。