基于生物酶的固土技术在香港的应用研究

传统加固土体的方法主要是通过在土中加入一定量的高性能掺合剂使之成为一种强度较高的复合土体,但这种方法需要较长的养护时间,且不经济。利用一种新型实用的生物酶固化技术,针对香港地区3种常见的海洋黏土、完全风化花岗岩和完全风化凝灰岩,开展了土体加固试验研究。试验结果表明,生物酶对海洋土的加固效果最好,强度增加最高可达20%,而生物酶对完全风化花岗岩的加固效果则不太理想,抗剪强度指标只有少许改变。此外,海洋土和完全风化凝灰岩的压缩性因为生物酶的作用反而有所增强。最后,从微观上分析了生物酶固土作用的本质,指出固土效果主要缘自于生物酶分子与土中的黏土矿物分子发生相互作用产生的胶结作用。

基于信息熵和集对理论的堤防工程安全评价

针对堤防工程为防洪体系的重要组成部分,将信息熵与模糊集对分析理论相耦合,构建了基于熵权的模糊集对分析安全评价模型,以广东省北江大堤为例,计算了各评价指标的熵权,并集对分析了样本各指标的同一、差异、对立,根据计算的联系度按集对分析评价原则安全评价了各样本,为堤防工程安全评价提供了新途径。

岩石高压三轴试验机的液压加载系统关键技术研究

为模拟岩体地应力与环境水等赋存条件,需开发一套能模拟多种溶液环境的岩石高压三轴试验机。设计了一套同时驱动四压力室的高压液压系统,并对该试验系统的增压方法、连接结构密封、溶液隔离等关键技术进行研究。设计了一级增压结构,为系统提供超高围压;提出T型-斜面密封圈结构设计,增强结构连接处静态密封性能;并设计安装管道隔离膜,将压力室赋存溶液与增压缸相隔离。最后提出采用同等控制结构增强系统同步性能以及使用自适应Fuzzy-PID控制算法增强系统稳定性,并通过MATLAB/Sim-Hydraulic液压仿真模块对所设计的液压加载系统进行仿真模拟,分别分析了自适应Fuzzy-PID算法下同等控制与主从控制液压缸的响应速度,并对比了PID控制和自适应Fuzzy-PID控制下系统的抗干扰性能。研究为类似岩石高压三轴试验机液压加载系统设计提供了参考。

红层软岩模型试验相似材料的配比试验研究

相似模型试验是研究红层软岩工程性质的重要手段之一,其试验结果的可靠性依赖于相似材料的正确选择与合理配比。针对红层软岩遇水极易软化的特性,在传统相似材料配比基础上添加生石灰,采用正交设计方法开展了相似材料配比试验,以骨料中铁粉与钡粉质量比例、铁粉与钡粉总质量中铁粉的质量比例、石膏质量、生石灰质量为4个因素,每个因素设置了5个取值水平,共制作25组、610个试样。每组试样均测试了其软化系数、密度、无侧限单轴抗压强度、抗拉强度及黏聚力与内摩擦角等物理力学参数,并研究了这些参数随上述4个因素取值水平的不同而变化的规律。最后,基于上述结果,配制了3种典型的软岩相似材料,并分别开展了真实软岩材料的饱水软化平行对比试验。研究结果表明:(1)根据配比方案所配相似材料物理力学参数可基本满足软岩相似模型试验的要求;(2)相似材料物理力学参数变化规律明显,便于通过调节其配比模拟不同软岩材料;(3)三组对比试验中相似材料饱水软化系数与真实软岩具有较高吻合度。

软岩饱水试验与软化临界现象研究

针对华南地区广为分布的"红层"软岩遇水软化问题,选择粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等典型软岩为研究对象,在软岩饱水软化试验的基础上,采用"自组织临界性"理论深入分析了软化试验中的临界现象,结合软岩物理力学性质、微观结构以及水溶液离子浓度变化的试验结果,得出:在饱水3个月和6个月时,对应于所研究软岩软化的临界时间点,其物理、力学性质与水溶液离子浓度的变化在前3个月内变化幅度较大,3个月后较为平缓,并可能出现波动,6个月后开始趋于稳定;而其微观结构变化满足1～3个月变化较小,3～6个月自行调整而趋于有序,6个月之后结构类型完全改变。在此基础上,分析了软岩系统自组织临界现象中最显著的两个特征:自组织性和临界特性,并从系统演化的角度探讨了饱水软岩系统中一种具有一定稳定性的非平衡自组织有序结构的产生过程,给出了水作用下软岩工程特性变异达到稳定的临界时刻。

水岩耦合变形破坏过程及机理研究进展

坝址水力劈裂、煤矿和隧道突水以及水力压裂工程都是岩体损伤演化积累诱发破坏(灾变)的过程,然而能否正确认识和评价这些过程取决于人们对水岩耦合变形破坏过程和机理的研究程度.阐述了岩石渗流--变形--破坏特性及机理研究的进程,侧重于物理实验成果.综述了水岩耦合变形破坏过程分析模型和数值计算,特别是有限单元法处理裂纹的思路,并介绍了作者课题组近年来所取得的一些代表性成果.给出了当前理论(数值)研究中所面临的几个具体问题和挑战,并对今后研究工作进行了力所能及的展望.

交叉隧道盾构施工与邻近不同位置建筑物的相互影响研究

交叉隧道盾构施工及其与周围环境的相互影响已成为地下工程研究中的前沿课题之一。城市地铁隧道掘进会引起邻近建筑物的变形,甚至造成灾害。随着城市交叉隧道邻近建筑物施工的现象明显增多,如何确保上部建筑物与隧道结构的安全成为施工中的难题。采用三维有限元方法,对邻近不同位置建筑物工况下的新建隧道盾构下穿既有隧道施工进行了模拟和分析。研究表明,忽略邻近建筑物的存在将低估交叉隧道盾构下穿施工的影响;建筑物与交叉隧道盾构之间的相互影响存在一定范围,当新建隧道轴线与建筑物中心线的水平距离与隧道外径之比L/D=0~2时,交叉隧道盾构施工对建筑物的影响较大,特别是当L/D=1.5时,建筑物处于危险状态;L/D=0~3时,建筑物的存在会增大新、旧隧道的内力和变形,在该区域以外对隧道影响较小。研究成果对交叉隧道的安全施工有一定的指导意义。

外荷载作用下软土压缩模量的动态演化规律研究

在软土地基的压缩性评价和变形计算中,压缩模量是一个重要的土性参数,目前一般是通过室内侧限压缩试验曲线得到,通常是一个常数。实际上,压缩模量在地基固结过程中会随着土体固结度的增加而逐渐增大,因此,探讨外荷载作用下软土压缩模量的变化规律显得十分必要。以珠江三角洲地区某高速公路代表性软土地基为研究对象,采集天然状态和超载预压后两种状态的淤泥质土样,分别开展不同压力条件下的室内固结试验,通过分析比较两种状态土样的试验数据,得出了两种状态下淤泥质土压缩模量随压力变化的定量关系和压缩模量随压力及时间演化的规律。在此基础上,结合天然状态和超载预压后的淤泥质土样在室内再压缩前后的微观结构图像,分析了两种状态下淤泥质土压缩模量随压力和时间演化的机理。从而为软土变形计算的参数合理取值提供了有用的参考,且对软基堆载预压过程中控制加荷速率和分级荷载的大小具有重要的现实意义。

颗粒摩擦对颗粒材料剪切行为影响的试验研究

通过对一种类似于土的颗粒材料——玻璃珠开展一系列室内直剪试验,研究颗粒间摩擦对颗粒材料剪切行为的影响.试验一共考虑了4种不同的摩擦情况:干燥状态、用水浸润状态、完全淹没在水中和用油浸润状态.分析试验结果发现,与干燥状态试样相比,用油浸润能明显降低试样的剪胀性和抗剪强度,而用水浸润和淹没在水中的方法没有产生显著的影响.此外,通过在剪胀关系式中引入可变剪胀系数来考虑颗粒摩擦对颗粒材料剪胀性的影响,并从颗粒滑动与滚动的细观机理上初步解释了颗粒滑动摩擦角对临界状态摩擦角的影响规律.

隧道变形失稳过程的非线性动力学分析与破坏判据研究

隧道变形失稳过程与破坏判据研究是地下工程的热点与难点之一。运用协同学与混沌动力学,分析了隧道变形失稳过程的非线性动力学演化特征,并将其划分为平衡、非平衡线性、非平衡非线性等3个演化阶段;从系统分析的角度,研究了整个隧道系统的涨落关联机制,建立了隧道变形失稳的动力学演化模型。在此基础上,分别给出了大数据量(≥3000)与小数据量(<3000)条件下稳定性演化过程的动力学判别准则。结合隧道变形失稳的阶段性特征,建立了其破坏的混沌动力学判据。将以上研究应用于广州地铁某立体交叉隧道的稳定性分析中,验证了该动力学演化模型与判据的合理可靠性,对隧道稳定性状态的判别具有一定指导意义。

高速公路边坡CF网防护抗冲刷室内模型试验研究

基于韶赣高速公路边坡工程实际,设计制作生态边坡防护室内抗冲刷试验模型,进行包括高羊茅、狗牙根、蟛蜞菊等3个物种;1:0.75,1:1和1:1.15等3个不同边坡坡度,CF(椰纤维)网、三维网、三维网+CF网、复合网、复合网+CF网、土工格室、土工格室+CF网等7种不同生态边坡防护形式,40,80,120L/(104s·m2)等3个不同降雨强度,植物生长2和5个月等2个不同生长时期在内的共计378组冲刷量测试试验。试验结果表明:相同条件下CF网抗冲刷效果比土工格室、复合网和三维网均明显要好,特别对于高羊茅和狗牙根生长初期(2个月)且边坡坡度大于1:1时、蟛蜞菊生长初期(2个月)与后期(5个月)等情况,单独采用CF网或采用CF网与其他防护措施相结合的防护形式可有效降低暴雨对边坡的冲刷。

松砂不稳定行为的数值模拟研究

针对松散砂土的不稳定行为和静态液化现象,开展了一系列的双轴剪切试验离散元数值模拟,从宏细观的角度研究了松砂不稳定行为的各种影响因素及其发生机理。通过数值模拟发现,砂土的不稳定行为不仅与初始孔隙比有关,而且与土体结构的各向异性和围压有关。当加载方向与由颗粒接触法向所表征的结构各向异性主方向不共轴时,不稳定行为的发生会同时伴随着各向异性主方向的旋转。两个方向的角度差愈大,不稳定行为愈容易发生,颗粒的细观运动和细观结构重组现象也愈剧烈。不稳定状态点处的剪切荷载主要由颗粒间法向接触力承担,切向接触力仅起次要作用。

基于重整化群方法的红层软岩损伤破坏逾渗阈值研究

逾渗现象广泛存在于大自然中,当物体中起决定性作用的关键变量变化至某一阈值时,其状态发生突变,此时关键变量的临界值称为逾渗阈值。岩石在水的作用下的损伤破坏过程中存在着逾渗现象,可通过重整化群的方法来研究。本文针对华南地区广泛分布的红层软岩,探讨了其在损伤过程中的逾渗现象与破坏的本质关联。通过对典型红层软岩的微观结构分析,概化出红层软岩的骨架构件和胶结物构件,建立红层软岩的重整化群模型的基本单元,将基本单元进行组合,建立出红层软岩的重整化群模型。根据重整化变换规则,推导计算出其逾渗阈值。研究表明:当红层软岩在荷载条件下的破坏临近逾渗阈值时,其内部结构发生大量破坏,软岩内部从无序损伤突变为有序损伤,继之损伤破坏加剧,由稳定破坏向非稳定破坏突变,最终导致其失稳破坏。研究对揭示红层软岩损伤破坏机理具有重要意义。

隧道变形失稳的能量演化模型与破坏判据研究

隧道变形失稳过程与破坏判据研究是地下工程的热点与难点之一。运用耗散结构理论,分析了隧道变形失稳的能量耗散过程与演化特征;结合热力学基本定律,研究了整个隧道系统的能量耗散机制,建立了隧道变形失稳的能量演化模型。在此基础上,分别给出了大数据量(≥3000)与小数据量(<3000)条件下稳定性演化过程的能量判别准则;根据隧道系统变形失稳演化各阶段特征,提出了其失稳破坏的能量判据。将研究成果应用于广州地铁某立体交叉隧道的稳定性分析,验证了该能量演化模型与判据的合理可靠性,其结果对隧道稳定性状态的判别具有一定指导意义。

高填土对隧道与道路复合结构稳定性的影响研究

结合深港西部通道工程,以隧道与道路复合结构为研究对象,考虑填海区复杂地质条件与道路复合结构的不对称性,针对深基坑高填土对道路复合结构稳定性影响问题,采用非线性有限元法,模拟了地基土、隧道结构、PHC群桩、市政道路、高回填土等,分析了高填土对道路复合结构沉降、水平位移、总位移、有效应力等的影响,得到了道路复合结构稳定性控制的关键因素,给出了高填土稳定性影响控制的建议。研究表明:高填土对市政道路稳定性的影响要大于对下埋隧道结构的影响,为该类工程的设计与施工提供了依据和参考。

压力隧洞钢筋混凝土衬砌开裂数值模拟研究

立足于直接求解压力隧洞设计所关注的衬砌裂缝条数和裂缝宽度,同时考虑混凝土衬砌的开裂、钢筋的作用、钢筋与混凝土间的粘结滑移以及围岩的作用,建立了压力隧洞钢筋混凝土衬砌开裂的数值模型,并编制了相应的计算程序。采用该计算程序对压力隧洞钢筋混凝土衬砌开裂问题进行数值模拟研究,分析了钢筋量、围岩条件对裂缝条数和裂缝宽度的影响,并着重与现行规范进行对比分析。结果表明,所建模型能反映压力隧洞钢筋混凝土衬砌作为地下结构的受力特性;围岩条件对裂缝条数和宽度均有明显影响;压力隧洞钢筋混凝土衬砌限裂的关键在于改善围岩条件,不宜盲目加大钢筋量。该研究结果对压力隧洞工程实践具有一定的指导价值。

岩溶表层带水生动物研究进展

本文旨在介绍岩溶表层带水生生态研究中微小甲壳类生物的最新研究进展,相关研究国内还少有涉及。岩溶表层带不仅仅是岩溶地下含水层的一个重要组成,而且是岩溶发育的活跃地带,同时也是大量地下生物生存的栖息地。目前,岩溶表层带内甲壳类主要采自洞穴滴水,残留的滴水水洼以及裂隙中的水体。这些甲壳类主要是桡足类,也有其他甲壳类,如端足目和介形虫,它们主要为暗层生物(stygobiont),也包括一些陆生物种。以斯洛文尼亚为例,在所调查的洞穴中平均每个洞穴有近9个暗层桡足类物种,为了适应表层带特殊的地质环境,这些物种在形体上存在适当的进化。表层带的众多地质因子如顶板厚度、栖息地的连通性、及栖息地的大小等,以及水文因子包括水文动态特征、水化学特征等,都对这些物种的组成与分布有较大的影响。虽然岩溶表层带及其水生动物的独特性和重要性已逐步得到了许多地质学家和生物学家的认可,但还有很多问题有待进一步的解答,譬如邻近群落间差异性,以及桡足类对非饱和带水流指示作用等。

坝坡失稳的突变分析与判据研究

针对坝坡失稳是一个由土体连续变形到坝坡突然滑动的复杂的非线性动力学过程,应用突变理论建立了考虑坝体材料应变软化效应和水致弱化效应的尖点突变模型,运用非平衡相变理论解释了坝坡失稳的非平衡相变过程。通过对突变模型进行平衡分析获得了坝坡失稳的力学判据,在此基础上通过对失稳判据的分析,获得了坝坡失稳的临界位移,可为土坝稳定分析和安全评价提供新的思路。

含细粒砂土反常剪切行为的数值模拟研究

针对含细颗粒砂土的反常剪切行为,开展了双轴剪切试验的数值模拟,从宏细观角度分析了其反常剪切行为发生的内在机制。数值模拟结果表明,增加围压能提高含细颗粒砂土的抗剪切液化能力,该反常行为的根本原因在于围压上升使得粗细颗粒更有效地参与了力链传递,增加了颗粒间的接触,增强了土体的密实度。细颗粒在土骨架中的移动对砂土的液化起着至关重要的作用,而粗颗粒仅起次要作用。研究表明,细颗粒在剪切过程中会持续从有效土骨架中移出成为无效颗粒,而部分粗颗粒也因失去细颗粒的支撑作用会脱离土骨架,直至试样最终液化。细颗粒一般参与土骨架中的弱力链,而粗颗粒则一般参与强力链,导致细颗粒较粗颗粒更容易在土骨架中移动。

生态酯类材料砂土改良及工程护坡应用

为提高砂土边坡的稳定性并实现生态护坡,采用生态酯类材料--纳米水性黏合剂对砂土进行改良,通过凝胶渗透色谱法和热重法分别对纳米水性黏合剂的相对分子质量及分布、热稳定性等进行了测试与分析;通过设计并开展不同纳米水性黏合剂掺入量条件下砂土的无侧限抗压强度试验和直接剪切试验,研究了砂土的强度改良效果与规律;通过崩解试验和边坡冲刷模型试验,研究了砂土的遇水稳定性和坡面抗冲刷能力的改良效果与规律,并进一步分析了砂土改良及生态护坡机制。结果表明,纳米水性黏合剂能提高砂土的强度、水稳定性及坡面抗冲刷能力。随黏合剂掺入量的增加,砂土的无侧限抗压强度和黏聚力增大,黏聚力的增加幅度可达46%~77%,而内摩擦角变化较小;砂土的崩解系数和峰值崩解速率减小,最大崩解速率出现的时间越发滞后;坡面冲刷率降低约68%~86%。边坡防护工程实际应用效果表明,纳米水性黏合剂的固土效果好,作用时间长,促进植被生长,实现了边坡的长效生态防护。