纳米材料在土体改性方面的研究进展

随着纳米技术的发展和多学科的交叉应用,纳米材料作为一种新型添加剂应用于土体改良。为深入认识纳米材料对土体性质产生的影响以及作用机理,提高对纳米技术与岩土工程之间关系的理解,对不同类型纳米材料在土体改性方面的研究现状、有效性、适用性进行回顾与总结。重点讨论了纳米硅溶胶、纳米二氧化硅、纳米黏土矿物、纳米氧化铝等纳米材料对土体改性的影响,结合宏观力学性质以及微观结构变化解释纳米颗粒与土颗粒之间的相互作用机制。纳米粉末状颗粒通过提高抗压强度、降低水力传导系数加固土体;利用纳米硅溶胶、膨润土悬浮液、硅酸镁锂的可渗透性和触变性缓解土体液化。尽管相关试验研究表明添加少量纳米材料可引起土体性质的显著改善,但是大部分研究仍局限于室内试验,需要进一步探索易于现场施工、成本低、环境友好的新方法和新技术。

冻土多物理场耦合作用理论与模型研究现状

冻害是多种因素综合作用结果,开展冻土多物理场耦合研究对解决冻害问题具有重要意义。通过归纳冻土多物理场耦合理论,指出毛细理论和冻结缘理论均忽略各向异性冰应力,冻结缘是否存在以及冰透镜体生长机制仍有争议。讨论水热盐力耦合关系,认为应进一步研究力对温度的影响及冻土压融问题。归纳常见未冻水含量模型,指出基于未冻水含量与温度关系的预测模型形式简单,但质量未冻水含量难以直接测量;三参数模型和五参数模型考虑土壤物理性质影响,但参数较多。总结和评价冻土多物理场耦合模型,认为一些经验表达式无法体现参数动态变化的特点,模型边界条件设置与实际情况不符。基于研究现状及存在问题,今后应探索更准确描述参数变化的数学表达式,将气候条件纳入模型考虑范围,设置更接近实际情况的边界条件,同时,加强冻土受力变形行为本构模型研究。

盾构隧道病害分析及上方架空轻质回填研究

研究目的:紧邻地铁盾构隧道的抗拔锚杆高压注浆易诱发严重的隧道病害,包括管片环错台、椭圆度超限、开裂、接缝及螺栓孔渗漏水等,影响地铁正常运营及结构安全。本文基于实际工程案例中基坑施工历程、隧道病害现状、监测数据,借助数值模拟手段,分析隧道上浮及病害成因,并提出一种隧道上方架空轻质回填的方案,为类似工程提供借鉴。研究结论:(1)基坑地下室大面积抗拔锚杆高压注浆是造成隧道发生上浮的主要原因,地下水位上升引起的隧道上方土层重度减小及强风化粉砂质泥岩的软化、膨胀,降低了隧道上方土层的抵抗作用;(2)隧道纵向不均匀上浮和注浆引起的隧道侧方压力增大,导致隧道发生环径向错台、椭圆度变形超限,过大的“竖鸭蛋”变形是隧道管片侧墙开裂、接缝及螺栓孔渗漏水的直接原因;(3)针对隧道开裂、渗漏水及椭圆度变形,提出相应的病害处理措施;(4)提出“架空结构+轻质EPS板”的回填方案、相应的施工工序及EPS板施工要点,实测结果表明该地铁保护方案将隧道沉降控制在9. 1 mm;(5)本研究成果可供类似盾构隧道上方堆载工程参考。

降雨条件下边坡体积含水率变化规律研究

持续降雨是边坡发生失稳破坏的主要诱因之一,基于饱和—非饱和渗流理论,对梅州市大埔县某边坡的渗流场进行模拟,研究在不同降雨工况下该边坡土体体积含水率的时空变化规律。研究结果表明:相同条件下,降雨强度越大(降雨历时越长),边坡表层土体体积含水率变化越大;降雨强度60 mm/d历时1 d的暴雨对边坡表层土体体积含水率的增幅作用存在着一定的滞后性,其余工况未表现出滞后现象;降雨强度为120mm/d和300 mm/d的两种工况各研究点任意时段体积含水率较为接近;当降雨强度达到60 mm/d以上时,边坡内部体积含水率空间变化主要受降雨历时影响,降雨历时越长,降雨入渗深度和体积含水率变化越大。

循环荷载下花岗岩动力响应及本构模型

利用真三轴试验机,对尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的花岗岩试样进行了循环荷载下的试验研究,探究非破坏状态下不同围压、动载频率、动应力幅以及循环周次下花岗岩动弹性模量以及动阻尼比的变化规律,并将所得数据进行对比分析。试验结果表明:花岗岩动弹性模量随围压线性增长,动阻尼比随围压线性递减,动弹性模量增幅逐渐变大;花岗岩动弹性模量随动载频率指数增长,动阻尼比随动载频率幂函数增长,在20 Hz的动载频率下岩石内部活动较为剧烈,动载频率对岩石的影响程度较大;动弹性模量随动应力幅二次函数增长,动阻尼比随动应力幅幂函数减小,动阻尼比变化受到岩性影响;改进邓肯-张模型很好地反映了花岗岩在不同作用下岩石动态本构关系。该试验得到的模型可为后续动力特性的反演提供参考。

硬脆性岩石多尺度损伤蠕变模型及长期强度研究

从损伤累积角度,考虑在应力溶蚀作用下微裂纹的亚临界扩展,在硬脆性岩石多尺度摩擦损伤耦合力学模型的基础上,探究细观时效损伤的演化规律。在摩擦准则中引入时效损伤变量,构建合适的时效损伤演化准则,进而推导宏观非弹性应变和细观损伤之间的定量关系,建立可完整反映硬脆性岩石蠕变曲线三阶段特征的多尺度损伤蠕变本构模型。以裂纹损伤应力作为反映硬脆性岩石长期强度的指标,结合摩擦损伤耦合分析和细观时效损伤演化规律研究,获得硬脆性岩石长期强度的解析表达式和模型参数的跨尺度标定方法。运用提出的多尺度损伤蠕变模型模拟向家坝砂岩的三轴压缩蠕变试验,验证模型的准确性和有效性。研究结果表明:提出的蠕变模型不仅完整地描述了不同应力水平下硬脆性岩石各阶段的蠕变特征,而且充分考虑了应变历史对时效损伤的影响。此外,长期强度的解析表达式也为蠕变试验荷载的分级提供理论依据。

吸力锚基础在黏土中的贯入特性

【目的】研究带有局部加劲肋的吸力锚基础在黏土中的贯入特性。【方法】利用大变形有限元中的耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法,研究土体硬化软化效应、加劲肋的尺寸以及土体的参数对吸力锚贯入土体失效机理的影响。【结果】对大量数值仿真结果进行统计,获得在海洋地基中吸力锚基础沉桩时的土体流动特性,在加劲肋进入土体之后,加劲肋底部受挤压的土体绕过加劲肋垂直向上流到表面。随着贯入深度增加,加劲肋上方的土体的开始回流进空腔内(Hr),底部土体也绕过加劲肋发生旋转回流。当上部土体完全回流后,在回流的土体表面到原来的地表之间形成一定高度的空腔(Hc)。【结论】定量化评估了局部加劲肋对锚基础贯入时的土体流动机制的影响,得到加劲肋上部土体旋转回流高度和完全回流时形成的空腔高度的计算公式,据此能够准确了解其贯入机理。

平板锚基础在砂土地基中抗拔承载力

准确预测砂土中平板锚的抗拔承载力,对海上浮动可再生能源装置的锚泊稳定性评估具有重要意义,为此,基于二维有限元技术,采用修正Mohr-Coulomb(MMC)本构模拟中密-密砂的应变软化行为,并利用开发的用户子程序,研究条形平板锚基础在砂土地基中的抗拔承载力。通过与有关理论解及其他离心机试验结果的对比分析,验证有限元模型的可靠性。一系列参数分析表明,平板锚的埋置深度对抗拔承载力有较大影响,与H/B=1相比,H/B=10处承载力系数高273%;砂土相对密度越大,抗拔承载力越大;致密砂(D_(r)=100%)和松砂(D_(r)<33%)相比,承载力系数提高25%;平板锚的摩擦因数对抗拔承载力系数几乎没有影响。根据数值模拟的结果,对平板锚基础在中密及密砂地基中不同深度处的抗拔承载力系数公式进行校正,为平板锚基础在中密砂以及密砂地基中的应用提供了理论依据。

海洋软黏土大直径沉桩贯入挤土效应

【目的】研究海上沉桩贯入软土地基诱发的挤土效应。【方法】利用有限元大变形RITSS程序,通过大量的参数分析,对海洋地基桩基础贯入引起的挤土效应、土体破坏机理、周围土体的水平和隆起位移,以及挤土效应的影响范围展开系统研究。【结果】将数值模型与锥形桩(圆锥贯入仪)经典理论解进行比对,获得了较好的一致性。对大量数值仿真结果进行统计,获得在海洋地基中沉桩时土体的径向位移和垂直隆起高度的定量化描述,桩周土在1~3倍圆桩半径范围内最大水平位移为0.26R。【结论】提出关于水平位移和隆起高度的计算公式,能够预测沉桩对临近土体扰动的影响范围,能较为准确地评估多桩系统中沉桩对临近桩基础的影响。

不同土压力模式下土钉受力特征探讨

土钉支护体系作为一种经济、有效的支护方式而得到广泛的应用。但关于土钉力计算的理论依然相对缺乏,远远落后于工程实践,严重制约了土钉技术的发展。基于杨光华提出的土钉力简化计算方法[1],以4种不同的土压力模式为背景进行简化,并对比分析不同土压力模式下的土钉力分布,结果表明:采用根据侧壁主动土压力与总土钉力相等并考虑施工过程的影响和增量法的土钉力简化计算方法简便,且采用三角形土压力分布模式与梯形土压力分布模式(二)较采用其他两种土压力分布模式简化计算得到的结果与监测结果更接近。

水平循环荷载作用下海上风电桩累积变形研究综述

综述了水平循环荷载作用下海上风力发电桩基础累积变形的特征及现状,总结了国内外针对海上桩基累积变形的三种常用试验方法:基于p-y曲线的修正法、基于试验的经验拟合法与数值分析方法,并且分析了各类方法的优势与值得商榷的地方,探索实际环境的众多因素对理论的影响,指出该领域的发展趋势是模型统一化、不饱和状态、桩-土等多因素耦合作用下的风电桩累积变形研究,进而利用风电桩的累积变形理论来完善海洋能源工程的设计施工。

沥青公路抗高温相变改性沥青的性能研究

针对沥青路面的高温病害问题,研究了沥青路面抗高温相变微胶囊及改性沥青的性能.利用DSC、TG、FTIR、SEM和激光粒度的分析手段,研究了相变微胶囊的储热特征等性能;进而利用三大指标、RTFOT、DSR的试验分析手段,研究了相变改性沥青的高温特性等性能.通过相变微胶囊性能测试得到了相变微胶囊的相变温度和相变潜热、失重曲线、红外光谱图、扫描电镜图,颗粒分布;相变改性沥青的性能试验得到了随微胶囊掺量变化的三大指标、老化指标、高温流变指标.实验结果表明,相变微胶囊拥有良好的储热性能,其热稳定性、化学稳定性良好,颗粒粒径均匀,包裹性好,综合使用性能良好.高速剪切制备的相变改性沥青随微胶囊掺量的增加,抗高温性能明显提升,且在控制掺量的基础上,针入度、延度、老化指标都满足要求,适用于沥青公路路面.

寒区隧道应力和位移弹塑性统一解及对比分析

选择合理的屈服准则分析寒区隧道弹塑性解能为寒区隧道稳定性分析提供理论基础。为此,结合Mohr-Coulomb准则(即M-C准则)和外接圆Drucker-Prager准则(即D-P准则)分析得到考虑中间主应力效应的统一强度准则,建立寒区隧道弹塑性力学计算模型,基于线性非关联准则推导得出考虑围岩不均匀冻胀特性的寒区隧道应力场及位移场的弹塑性统一解,并对所得统一解答式进行算例及参数分析。研究表明:采用M-C准则计算偏于保守,而利用外接圆D-P准则计算偏于危险,考虑中间主应力效应能充分发挥围岩承载潜能,有效缩小塑性半径,缓解衬砌冻胀变形;统一强度理论参数b保持常数时,初始地应力、衬砌强度、不均匀冻胀系数及围岩体积冻胀率等参数的变化对寒区隧道应力及塑性半径变化影响显著。该研究成果可丰富寒区隧道工程设计理论。

基于神经网络算法的滚刀磨损量预测方法

为了给盾构施工开仓换刀提供参考,将滚刀磨损简化为多元非线性拟合问题,构建了数据分析框架,综合考虑机械、地质、管理3大类因素,对滚刀磨损量进行预测。以广州地铁18号线番禺广场站到南村万博站区间盾构区间为工程背景,选取共14种参数,结合公式获得标定后数据共2386条,包含34把正面滚刀,共81次滚刀磨损量。通过SMBO方法和LM算法改进BPNN算法训练过程,充分发挥神经网络优势,所得模型对83.3%的测试样本的预测值决定系数(R^(2))高于0.86,相比标定样本时参考的公式,准确度有较大提高,表明该方法所训练模型对滚刀磨损量的发展趋势预测更加准确。

垂直扩容垃圾挡坝稳定性离心机试验与数值仿真

垃圾填埋场的稳定性事关填埋场工程安全,为此,采用离心机试验和数值仿真模拟研究垂直扩容垃圾填埋场挡土土坝的稳定性.利用离心机试验检验陡峭垃圾挡坝在纯素填土材料填筑和加筋填土两种工况下的稳定性,验证其设计的合理性.通过与离心机试验获得的位移进行比对验证数值模型的可靠性,而后通过数值仿真扩展离心机试验结果,研究施工阶段和运营阶段,考虑加筋填土坝在施工运营阶段不同工况下的坝体安全系数和潜在滑移面的位置和形状,并对坝体填料渗透性、加固措施、坝体填料强度、筋材刚度和布置形式等影响因素进行对比分析.研究结果显示:对于垂直扩容垃圾挡坝扩容工程,加筋挡土坝的采用能有效提高由于场地限制的陡峭挡土坝的稳定性,使其达到设计要求.

冻融模型相似性分析及试验验证

为提高冻融模型与原型的相似程度,提出冻结指数相似比和实验室修正系数的概念及计算方法。以哈尔滨地区黄土为试验材料,将该地区2010–2012年3年日平均气温进行线性简化,基于含相变热传导的微分方程基础上,采用相似理论,在几何、温度和时间比尺约束下对密度为1.60 g/cm^3、含水率为20%的试样进行冻融循环模型试验,确定实验室修正系数K值为1.13,得到冻结指数相似比CI为1:102.5。对冻融阶段温控历时进行优化,进行冻融循环模型试验。通过对比可知,优化后模型的最大冻深值为21.33 cm,与模型预定值20 cm相差仅6.5%;优化后冻融模型弥补了太阳辐射对冻深的影响,一个冻融周期由108.14 h减少为84.53 h。以实验室修正系数K和冻结指数相似比CI优化冻融过程的各温控阶段历时合理,显著提高了冻融模型的最大冻深和冻融过程在几何比尺和时间比尺上的相似度。

大型溶洞群深基坑爆破对邻近京广铁路的影响

为了研究城市大型覆盖型溶洞群基坑爆破对施工安全的影响,以广州一邻近京广铁路的深基坑爆破工程为例,结合特殊岩溶地质条件,采用现场爆破振动测试和监测方法,分析爆破对邻近京广铁路和支护结构的影响。结果表明:建立了同一场地不同区域的峰值振速衰减经验公式,其中场地系数K、衰减指数α会随传播介质硬度的降低而增大;爆心距及传播介质的软硬程度对竖向主振频率的衰减有所影响,因松软岩土体较少传递高频脉冲,故随爆心距的增加,主振频率逐渐降低,且主频的分布趋向集中;通过理论计算,得到爆破最大单段药量及飞石飞散距离;提出了相对应的岩溶处理方案及减振设计方案,并通过现场监测及理论计算印证其可行性,为岩溶场地类似基坑爆破开挖工程提供参考。

软基路堤拓宽对原路堤桩体受力特性的影响

[目的]交通量日趋饱和与建设用地日益紧张促使道路需要进行拓宽改建,为了进一步研究路堤拓宽时的稳定性,对软基路堤拓宽时原路堤下桩体受力特性的变化进行分析。[方法]采用Abaqus对离心机模型验证后,分别建立拓宽路堤与原路堤有限元三维数值模型进行对比分析,研究拓宽路堤自重、不同拓宽路堤土体参数对原路堤下不同位置桩体的受力和变形性状以及破坏模式的影响。[结果]数值仿真结果表明:路堤下各桩对抗滑的贡献不同,接近坡脚的桩主要受弯剪作用,远离坡脚的桩主要受轴力作用;拓宽路堤土体自重使得原路堤下桩体所受弯矩及剪力减小,所受轴力增大,越靠近拓宽路堤的桩受影响越大,原路堤下桩体的位移增大,其中靠近原坡脚处的竖向位移增量最大,横向位移增量最大处位于原路堤中部;拓宽路堤土体重度能显著影响原路堤的竖向位移,而其变形模量和强度参数对原路堤的竖向位移影响不明显;路堤拓宽后在荷载作用下,原路堤下桩体的受力特性较拓宽前会发生改变,潜在破坏模式由弯剪区、压弯区和受压区三个分区变为压弯区和受压区。[结论]所建模型能较好验证离心机试验结果,研究结果能对路堤拓宽的稳定性分析提供指导。