卢氏膨胀岩在干湿循环作用下的胀缩特性研究

为研究卢氏膨胀岩的胀缩特性,开展了干湿循环作用下膨胀岩的胀缩特性试验研究,并在膨胀岩经历干湿循环后利用扫描电子显微镜(SEM)和氮吸附试验(NA),从微观的角度分析了膨胀岩吸水膨胀失水收缩的现象,并解释了胀缩特性改变的原因。研究结果表明:卢氏膨胀岩膨胀率随干湿循环次数增加而增大,绝对膨胀率增加25%;收缩曲线出现明显的"收缩拐点",一般在收缩总时间的20%时出现,这时膨胀岩失水状态由自由水的散失转变为结合水的散失;在膨胀岩第1次胀缩过程中出现裂缝,裂缝为贯通状;在之后的胀缩过程中出现的裂缝较浅且随干湿循环次数的增加裂缝发育逐渐稳定;在干湿循环次数达到6~8次后,卢氏膨胀岩胀缩率达到稳定值,绝对膨胀率稳定在17%,绝对收缩率稳定在9%;微观方面随干湿循环次数的增加,膨胀岩的微观结构中黏土颗粒聚集形态由紧密状态转变为松散状态。此外,试样的孔隙特征随干湿循环次数的增加表现出孔隙总体积逐渐增大、孔径逐渐减小、比表面积逐渐增大的规律。

竹城公路高液限土与红粘土路用性能的试验研究

通过详尽的室内试验,揭示了竹城公路高液限土与红粘土特殊的路用特性。针对其特点,采用石灰进行高液限土的改性试验,研究其物理力学性质和强度变化规律。研究结果表明,经石灰改性处理的高液限土,液限与塑性指数均降低,膨胀性显著减弱,CBR大幅提升,可用作高等级公路的路基填料。另外探讨了《公路路基设计规范》中关于高液限土与红粘土规定得不够严密的相关内容,为合理有效地利用高液限土与红粘土和补充或修订相应的技术规范做了必要的工作。

基于IFC标准的三维地质模型扩展研究

岩土工程信息化迫切需要加强大数据集成共享和多专业协同合作,BIM技术在工程建设领域的成功经验给我们以启示,可将BIM技术应用于岩土工程信息化建设,但是当前存在的主要问题是地质模型与BIM模型数据标准不统一。为了解决这个问题,提出了地质模型采用BIM数据标准IFC的思路。采用IFC实体扩展及属性集扩展模式,建立了面向三维地质模型的扩展模型IFC-3DGeoMdl。利用已有的IFC对象类型,派生相应的地质物理实体以及地质空间结构实体,给出地质物理实体的空间表达形式;利用IFC中已有的关系类,定义地质物理实体与空间结构实体的关系;进而,基于IFC中的属性表达方式,实现了地质对象的地层信息与物理力学参数等属性的扩展;最后,给出了创建该模型的具体实现过程,并利用实例验证了该模型的实际应用效果。结果表明,采用该模型,可有效实现岩土工程地质模型与BIM结构模型的集成,从而为深化岩土工程的结构设计、施工等提供有效的地质模型信息。

考虑循环围压与振动频率影响的饱和软黏土动力特性试验研究

利用GDS变围压动三轴试验系统对宁波重塑饱和软黏土进行了一系列变围压不排水循环加载试验,重点研究了循环轴向偏应力和循环围压耦合作用下饱和软黏土不排水动力特性,分析了循环围压、振动频率对轴向累积应变及孔压的影响。研究结果表明:不排水条件下,循环轴向偏应力和循环围压耦合作用对试样的累积塑性应变发展具有一定的限制作用,轴向累积应变随应力路径斜率η及振动频率f的增大而减小。不同应力路径斜率、振动频率影响下,应变率随加载时间的变化规律一致,应力路径斜率η对应变率-时间关系影响较为明显,随着应力路径斜率η的增大,应变率减小,而不同振动频率条件下的应变率-时间关系曲线几近重合。最大孔压随循环围压的增加而增大,而随振动频率的增加而减小。在上述试验结果基础上,建立了呈线性关系的应变率与加载时间关系表达式。

挡墙水平变位诱发地表沉降的显式解析解

将基坑看作平面应变边值问题,借助挡墙刚性平移诱发地表沉降的基本解析解,利用微积分思想,推导得到挡墙刚性变位和柔性变位下的地表沉降显式解析解。其中,在挡墙刚性平移影响范围无穷大时,显示解析解与基本解析解形式一致。通过与挡墙刚性平移解析解和绕墙趾转动、绕墙顶转动、三角形变位、抛物线柔性变位模式等几种已有的积分形式解析解作对比,验证了显式解析解的正确性。将显式解析解应用于实际工程,通过与实测数据对比分析,对解析解的适用范围进行了探讨。当围护结构水平位移较小时,显式解析解可较好地预测墙后地表沉降;当围护结构水平位移较大时,由显式解析解计算得到的墙后地表沉降归一化曲线可偏安全地估计墙后地表沉降,说明了该显式解析解的工程实用性。

隧道地表沉降预测的黏弹模型

在隧道开挖及运行过程中,不可避免地会对岩土体产生扰动,引起隧道地表产生沉降,对于隧道地表沉降分析,目前尚无成熟的基于力学理论的解析模型。针对该问题,将水平隧道地表沉降问题近似为半无限空间内水平圆柱形孔洞受力收缩导致的边界位移问题,并通过求解弹性无限域内的轴对称平面应变问题,运用叠加原理推导得到含水平圆柱形孔洞的半无限空间地表沉降的弹性积分形式解析解。然后运用对应原理,将体积变形视为弹性,畸变视为Maxwell黏弹性,对地表沉降弹性积分形式解析解进行拉普拉斯变换,得到时空域上的地表沉降的黏弹性积分形式解析解,从而建立隧道地表沉降的黏弹模型。模型揭示隧道地表沉降槽宽度系数为0.6,与多地区沉降监测数据吻合良好,为隧道地表沉降预测提供了一套新的基于力学理论的方法。

深部地层长岩心侵蚀渗流装置研发与试验研究

针对深部岩土工程中的重大渗流迁移问题,中国科学院武汉岩土力学研究所自主研发了超长岩心侵蚀渗流试验装置(1500mm),其目的在于揭示各类流体在深部地层中的渗流机制。借助岩心侵蚀渗流试验装置,开展饱和卤水和气体在岩心(灰白色砂岩)中的渗流模拟研究,并建立渗流速度与渗透范围和压力梯度之间的通用数学模型。研究结果表明:在相同的温度(50℃)和应力边界(16 MPa)条件下,气体渗流速度极快,通过1000 mm的试样仅需12 s左右的时间,而卤水则需要大于1000 s,两者相差2个数量级。卤水和气体的渗流符合Darcy定律,数据拟合方程与理论公式极其吻合,相关性高达99.8%。卤水和气体的渗透范围与时间满足幂函数关系,表现为前期快速增长,后期平缓过渡并逐渐趋于稳定。而气驱卤水的渗透范围与时间并没确切的函数关系,它可近似为卤水和气体渗流的组合情况。此外,经卤水渗流后重结晶试样的渗透率和孔隙率普遍低于未结晶试样,这意味着盐晶体对多孔岩心具有一定的填充和密实作用。研究内容证实了长岩心侵蚀渗流试验装置可行性与实用性,为深部地层渗流提供了一种研究方法和思路,有助于揭示新的科学问题和解决实际工程难题。

分散土分散性影响因素及其判别方法初探

分散土遇水分散的特性是造成分散土地区堤坝、渠道边坡、道路边坡被冲蚀和管涌破坏等的重要原因,开展土体分散性判别工作是分散土地区进行工程建设的重要前提。首先通过针孔试验、碎块试验等对分散土进行判别,随后基于扫描电镜、X衍射等试验,研究分散土的分散机制及微观结构,分析土体分散的主次要影响因素。针对标准吸湿含水率与土体矿物成分蒙脱石含量具有较强线性关系的情况,大数据总结典型分散性黏土的蒙脱石含量与pH值分布特点,提出基于标准吸湿含水率+p H值测试的土体分散性的综合判别法,并给出相应的判别指标及判别程序,最后采用工程实例进行了验证。结果表明:具有一定的蒙脱石含量以及较高的p H值赋存环境是土体具备分散性的物质基础和环境保障;若土体中的蒙脱石含量≥10%且pH≥8.5,则可判断为分散土;不在此区间的土料仍需采用土的分散性判别方法及野外调查结果来综合判断土的分散性。

基于合理拱轴线的偏压隧道最优断面研究

偏压隧道是工程中常见的一种隧道形式,隧道的断面形状会影响到衬砌结构受力性能和围岩的稳定性。针对偏压隧道的断面形状优化设计,基于衬砌合理拱轴线,开展偏压隧道最优断面形状的研究。根据偏压隧道的工程特点,建立初始断面形状为圆形的偏压隧道有限元模型,计算得到隧道衬砌的弯矩、轴力和偏心距。进一步,以偏心距最小作为目标函数,通过反复调整衬砌轴线的位置,使衬砌轴线逐渐逼近合理拱轴线,从而获得偏压隧道的最优断面。在此基础上,对比研究偏压隧道优化前后衬砌的力学性能和隧道围岩的应力分布情况。结果表明,这种最优断面形状的偏压隧道极大改善衬砌结构受力状况,衬砌主要承受轴向压力作用,能够充分发挥混凝土材料的抗压性能,而且隧道围岩的应力分布均匀,避免了隧道围岩的应力集中。

考虑空间变异性的盾构隧道地层力学响应敏感性分析

针对土体变形参数(弹性模量E、泊松比μ)、强度参数(黏聚力c、内摩擦角φ)对盾构隧道施工地层力学响应的敏感性问题,以土体参数的空间变异性为切入点,结合随机场理论、有限差分法和MonteCarlo策略,采用考虑参数空间变异性的敏感性综合评价分析方法,开展地层力学响应的参数敏感性随机分析。研究结果表明:地层力学响应对内摩擦角的空间变异性最为敏感,其次是弹性模量,然后是黏聚力,最不敏感的是泊松比;不同变异水平条件下,各参数变异性的敏感程度存在差异,参数变异水平越高,其敏感性越强;3种参数变异水平下,泊松比均为不敏感因素,随机分析中可不考虑其空间变异性对地层力学响应的影响,黏聚力在变异性较小时也为不敏感因素。

人工造土造地——大宗固废大规模处置利用与石漠化治理技术

将煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏等大宗固废的处置利用与石漠化的治理这两个需求相结合,提出了一种人工造土造地的新技术路径,即以煤矸石、粉煤灰以及脱硫石膏等大宗固废为主要原料人工造土,然后覆于石漠化地表实现人工造地,有望在相关地区大规模实现大宗固废的处置利用与石漠化的有效治理,甚至构建一种循环经济模式。阐述了该技术的基本原理和实施环节,论证了技术的可行性,分析了技术的适用条件、效益与经济性,提出了值得注意的关键问题,给出了技术落地实施和推广的一些原则和建议。

基于随机场理论的基坑开挖地表及围护墙变形分析

针对基坑开挖引起地表及墙体变形方面的问题,以小应变模型为出发点,采用随机场理论和数值计算相结合的方法,研究土体刚度参数空间变异性对黏土基坑墙后地表沉降和围护墙侧移变形规律的影响。利用协方差矩阵分解法建立参数各向同性随机场模型,结合Monte-Carlo策略,分析黏土刚度的波动距离和变异系数对地表及墙体变形的影响规律。研究结果表明:黏土刚度空间变异性对基坑开挖引起的变形规律有着重要的影响;当波动距离与基坑开挖尺寸接近时,地表沉降结果和最大变形比值最为离散,而围护墙侧移结果则没有出现类似的现象;低刚度占优效应使地表最大沉降均值和围护墙最大侧移均值在随机分析(与确定性结果相比)中呈现出不同的规律。借助概率统计的方法,研究地表沉降和围护墙侧移变形超出监测控制值的可能性,可以为基坑开挖引起最大变形的安全预警提供参考。