北疆地区砾石土岸坡冲刷破坏大比尺模型试验及其破坏机理研究

以北疆地区广泛存在的砾石土重建岸坡,开展砾石土岸坡冲刷破坏大比尺模型试验研究。引入新型观测方法——三维激光扫描技术,对岸坡冲刷破坏全过程进行观测,并详细分析获取的扫描数据。联合三维激光扫描和现场传统测量成果,依据不同阶段的破坏特征,将岸坡破坏划分为3个阶段,即冲刷破坏阶段、局部失稳阶段和整体失稳阶段,确定北疆地区砾石土岸坡的冲刷变形失稳过程与破坏模式。基于砾石土岸坡大比尺模型试验成果,推导建立砾石土岸坡稳定性计算公式和局部失稳破坏高度预测公式,并建立砾石土岸坡冲刷破坏阶段和局部失稳阶段的有机联系,以深入揭示砾石土岸坡失稳破坏机理。

土石坝坝基覆盖层动力特性参数试验研究

采用室内动力特性试验和现场剪切波速测试,对某水电站土石坝坝基各土层最大剪切模量进行了分析。其中现场剪切波速测试分别采用了单孔法和跨孔法,共获得4组剪切模量随深度变化的曲线,分析表明,4组曲线的变化规律一致,即随深度的增加,土体越密实,剪切模量总体趋势变大;数据的波动性也反应了土性差异对剪切模量的影响。文中还分土层分析了室内试验中的固结比取值、密度取值以及波速测试中土的不均匀性对波速测试和室内试验结果的影响,认为密度取值、土的不均匀性为主要影响因素,固结比为次要因素,试样制备中的密度取值越接近实际土层,所得到的室内试验值与现场测试值就越接近。

压剪作用下压实黏土断裂破坏机理及断裂准则

土体既有裂缝的开裂问题通常被认为是拉剪应力导致,而实际工程中压实黏土多处于压剪应力状态,为探究压剪作用下压实黏土中既有裂缝的起裂机理,对压剪闭合裂缝应力场和断裂准则进行了理论分析,开展了含中心裂缝压实黏土单轴压缩试验,研究了裂缝倾角、裂缝长度及裂缝形态对压剪断裂性状的影响,揭示了压实黏土中闭合裂缝压剪张拉断裂机理,充分验证了闭合裂缝压剪张拉断裂准则在压实黏土中的适用性。根据试验结果与理论预测曲线对比分析,本文压实黏土的临界尺寸rc为2mm左右,明显小于常用经验公式估算值12mm,讨论了rc经验估算公式存在的问题。此外,尝试性地引入T应力,建立了非闭合裂缝的压剪–张拉断裂准则,解释了闭合裂缝和非闭合裂缝的差异化起裂行为,并说明了其局限性及其产生原因。

非饱和含砂细粒土的气体渗透特性研究

为了探讨非饱和含砂细粒土的气体渗透规律,制备不同含水率和干密度试样进行气体渗透试验,并基于多孔介质渗流理论分析进气压力、孔隙比和饱和度等对气体渗透率的影响规律,总结了非饱和土中渗透率的经验公式。试验结果表明,随着进气压力的增加,土样气体渗透率测试值逐渐趋于稳定值;含水率较高时,进气压力对土样气体渗透率的影响程度较大;含水率较低时,土样气体渗透率随进气压力增加而变化幅值较小。气体渗透率随土样含水率的增加(或饱和度的增加)呈减小趋势;当含水率低于最优含水率时,气体渗透率变化较小,但当含水率大于最优含水率后,气体渗透率急剧降低;在最优含水率两侧,土样微观结构的差异(絮凝结构和分散结构)是导致气体渗透率发生突变的主要原因;气隙比可有效表征土体孔隙比与饱和度对气体渗透率的影响规律,气体渗透率与气隙比呈良好的幂函数关系,并采用已有文献中试验数据验证了经验公式的合理性。

粗粒料接触面模型及其在土石坝工程中的应用

在土石坝工程中越来越重视岸坡与坝料之间的接触特性,将土体本构模型中使用较多的双曲线型硬化规律运用至接触面模型,提出了一个简洁的接触面本构模型,推导了接触面模型刚度矩阵表达式。通过对4组试验的预测结果与试验结果的对比,表明该模型可以较好地预测粗粒料的界面剪切试验。将提出的接触面模型嵌入有限元程序,应用于如美心墙坝河谷与坝料的接触分析。三维有限元计算结果表明:坝体两侧岸坡的剪切位移变化规律都是中间部分剪切滑移量较大,岸坡边缘部分相对较小,陡坡一侧最大滑移量大于较缓一侧。这些均符合粗粒料滑移的基本规律,可为岸坡-坝料接触特性研究以及土石坝工程计算提供参考。

考虑坝体-地基接触效应的特高心墙堆石坝结构安全性研究

传统的土石坝结构计算分析中通常忽略坝体与基岩之间的摩擦滑动变形,这与实际情况不符,坝体地基接触摩擦效应对于修建在狭窄陡峻河谷区的特高坝表现尤为明显。采用三维有限元方法对修建在狭窄河谷区特高心墙堆石坝结构安全性进行了研究,研究中考虑了坝体地基摩擦接触效应,模拟了水库蓄水、坝料湿化、流变等多因素共同作用下坝体结构力学行为以及坝体地基接触位移演化过程。基于倾度法对坝体运行过程中可能的裂缝扩展区域进行了预测。研究得出:对于狭窄河谷上特高土石坝,坝体与地基的相对滑移较大,计算中应予以考虑。研究结论可为峡谷区特高心墙堆石坝设计提供技术依据。

施氏假单胞菌应用于IPS技术的可行性试验研究

为探究利用施氏假单胞菌代谢产物——氮气加固可液化砂土的可行性,对该菌反硝化作用的条件与砂样中产气效能进行了研究,分析了不同碳源对NO_3^--N与NO-2-N还原率的影响以及温度和初始p H值对其最终饱和度、平均产气速率、初始停滞期的影响,并确定了最优碳源、适用温度和初始p H值区间.试验结果表明,柠檬酸钠为最优碳源,该菌在21 h时对NO_3^--N还原率达到100%,NO-2-N存在先累积后还原的过程,并伴有0.82 mmol/L残留浓度.该菌在4~30℃下均可产气.随温度升高,平均产气速率大幅增加,砂样最终饱和度略有降低.恒温20℃且初始p H值为5~9时,该菌可在砂样中顺利产气.中性及碱性环境下砂样的最终饱和度基本一致,酸性环境下砂样的最终饱和度随初始p H值的减小而降低,细菌在砂样中的平均产气速率随初始p H值的下降而减小.与已有微生物气法相比,将该菌应用于IPS技术中具有平均产气速率快、初始停滞期短、工艺简单等优点.

超固结比影响下饱和黏土力学特性试验研究

利用合肥地铁站基坑黏土进行了5种超固结比（OCR）下的原状和重塑饱和土快剪试验，分析了原状土和重塑土在不同OCR下的剪切性状、抗剪强度及强度指标黏聚力（c）和内摩擦角（φ）的变化规律。结果显示：不同OCR原状土多为应变硬化性状，重塑土超固结时多为应变软化、欠固结多呈应变硬化性状；同竖向应力时，重塑土峰值抗剪强度随OCR增加而增大；同OCR时，重塑土峰值抗剪强度随竖向应力增大而增大；同前期固结应力（Pc）和OCR时，原状土峰值抗剪强度较重塑土大；重塑土按同OCR求抗剪强度指标时，OCR增大c减小、妒增大；重塑土按同Pc求抗剪强度指标时，Pc增加c先增大后减小、妒增大；原状土抗剪强度破坏曲线在Pc值处呈明显向下弯折性状。

混凝土单轴加载动力性能试验研究

为了探究混凝土单轴加载动力性能,设置了三种不同强度等级的混凝土和四种加载应变率,用液压伺服试验机和材料直剪仪对混凝土开展单轴受压、单轴劈拉和剪切进行试验研究,得到了不同加载工况下混凝土的破坏形态和强度特征值,并分析了加载应变率对混凝土受压、劈拉和剪切力学性能的影响。结果表明,加载应变率对混凝土受压、劈拉和剪切加载方式均具有明显影响;随着加载应变率的提高,混凝土剪切破坏形态由静力加载应变率剪切破坏断面不平整和平行于剪切方向裂缝较为不规整,发展至动力加载应变率混凝土剪切破坏断面较为平整和平行于剪切方向破坏裂缝逐步平直;混凝土剪切强度随着加载应变率的提高逐步增大,受加载应变率影响剪切强度提高幅度低于劈拉加载方式,高于受压加载方式;同时,从定量和破坏机理角度分析了加载应变率对混凝土力学性能影响。

竖向荷载作用下非饱和土土-水特征研究

总结了竖向应力作用对非饱和土土-水特征曲线影响的部分研究现状。试验得出合肥地区某工地土体基本物理性质指标,并利用FGJ-20型非饱和土固结仪对该土样进行了控制竖向荷载与控制气压力的压缩试验。基于试验结果,对竖向荷载作用下非饱和土土-水特征进行了分析研究。结果表明:竖向荷载不同导致土-水特征曲线产生差异;竖向荷载对土-水特征曲线的影响随着吸力的增大逐渐减弱;Fredlund-Xing三参数模型中参数a,m均随着竖向荷载的增大而逐渐增大,n值则逐渐减小;竖向荷载对土体含水率的影响程度与土体吸力大小有关,实际分析过程中需考虑吸力范围的影响;在吸力不变时,土体含水率的变化量随着竖向荷载的增大呈先增后减的趋势。

无限长土坡速度场或位移场函数分析研究

利用速度场或位移场的近似函数解析土坡的渐进变形。首先提出了双折线和三折线的速度场函数,并与现场实测的速度场分布图做了比较,很好地拟合了剪切层和随动层的速度场分布,进一步地考虑到坡土并不是严格意义上的刚性体而是变形体,因此利用?z厚土层的牛顿运动方程,结合Bingham模型,直接求解出速度场的时空分布函数v(z,t),并与现场土坡的实测资料对比。最后,对上述两种分析方法进行了简单评述。

普通混凝土剪切力学性能尺寸效应试验研究

为探究普通混凝土剪切力学性能尺寸效应,设计3种不同剪切截面尺寸混凝土试件,应用剪切试验机对混凝土进行剪切试验研究,得到不同加载工况试件破坏形态和剪切荷载-位移曲线,通过剪切荷载-位移曲线提取剪切破坏荷载和剪切破坏位移(剪切破坏荷载对应的位移值),研究混凝土剪切力学性能尺寸效应,同时引用文献尺寸效应对普通混凝土受压和受拉力学性能影响试验数据对比分析,主要得到以下结论:随着剪切截面尺寸增大,平行和垂直于剪切方向混凝土平面微裂缝逐步减少,剪切断面混凝土碎渣逐步增多;混凝土剪切荷载-位移曲线发展趋势与单轴劈拉加载方式基本类似,曲线不受尺寸效应影响;混凝土剪切强度随着剪切截面尺寸提高而逐步降低,剪切峰值应变值(剪切破坏位移对应应变值)变化较小。同时从尺寸效应律角度定量分析尺寸效应对混凝土剪切强度影响;与混凝土单轴受压和单轴受拉尺寸效应数据对比,剪切受力方式受尺寸效应影响更为明显。

裂隙膨胀土边坡模型降雨变形破坏过程数值分析

为研究多裂隙膨胀土边坡在降雨浸水作用下变形及滑动破坏特征,对裂隙膨胀土边坡在降雨浸水条件下滑坡的离心模型试验进行计算对比分析;并利用放大裂隙侧向水压力法近似模拟膨胀力的作用,分析探讨在不同降雨历时和降雨强度下,不同的膨胀土边坡裂隙的分布位置和深度、膨胀力的大小等对边坡的变形破坏过程及稳定安全系数变化的影响规律。结果表明:膨胀土边坡的破坏由坡脚开始,随着降雨历时的增加逐渐向坡顶发展,最终表现出坡脚膨胀隆起、坡顶塌陷的破坏特征。同时,膨胀力是分析膨胀土边坡稳定性问题不可忽略的因素,不考虑膨胀力时往往会高估膨胀土边坡的稳定性;膨胀土边坡的安全系数受降雨强度、降雨历时影响较大;坡中存在裂隙的膨胀土边坡比坡顶存在裂隙的膨胀土边坡更危险。

植物根系倾角对土体抗剪强度影响试验研究

植物是天然的工程师,拥有防止浅层滑坡和地表侵蚀的潜能,并具备低投入、低养护、绿色环保和生态平衡等优点。植被护坡技术在西南地区浅层滑坡的预防及治理中有着广泛的应用前景,因此深入了解植被护坡机理具有重要的工程意义。影响植被护坡效应的因素有很多,根-土体系的协同作用机制是当前研究的重点。由于根系的分布模式及倾角不同,根-土体系的强度和变形会有较大差异,因此采用人工根系(草根和灌木根)制备试样并设定根系与剪切面的夹角α值为变量,对比不同试样的强度和变形差异。通过直剪试验研究草本根系倾角对土体抗剪强度的影响,通过三轴剪切试验研究灌木根系倾角对土体抗剪强度的影响。试验结果表明:含根系土样的峰值强度及残余强度均明显高于素土,具有τ_(p素土)<τ_(p90°)<τ_(p45°)<τ_(p135°)的规律;直剪试验中在α值等于135°时土样抗剪强度最高且表现出应变硬化,其余含根系试样应变软化特征均得到不同程度的抑制;三轴试验中当α值为135°时根系对土体抗剪强度的提高最为明显,其残余强度也最大,其余含根系试样抗剪强度也有不同程度提高。恰当的植物根系倾角能够加强根-土体系的协同作用,从而提高土体抗剪强度。同时由于根-土体系表现出延性破坏的特征,从而保证了土坡安全。研究结果可应用于生态护坡实践。

波动水力条件下土体内侵蚀特性的透明土试验研究

在渗流作用下土中细粒随着水流在粗粒骨架间运移的现象被称为内侵蚀。以往对于内侵蚀的研究主要集中在恒定的水力梯度下,缺乏对于波动水力条件下内侵蚀发展特征和细观机制的认识。设计了透明土渗流试验装置,开展了恒定和波动水力条件下不同内部稳定性土体的渗流试验,以探究波动水力条件下内侵蚀的发展特征。宏观试验现象表明,对于内部稳定性较差型土,当水力梯度达到临界水力梯度后,波动水力条件下的渗透系数比恒定水力条件下呈现出更快的增长趋势,说明水力波动会加剧细颗粒的迁移和流失。为了进一步揭示波动水力条件加剧土体内侵蚀发展过程的细观机制,利用一种基于平面激光扫描的二维截面图像开发的土体细观组构三维重建方法,建立了粗粒骨架、内部孔隙通道和细颗粒的三维可视化数字模型。通过观察细粒在孔隙通道中的分布情况,发现恒定水力条件下,细粒在运移至狭窄的孔隙喉道处时会发生堵塞堆积现象;而波动水力条件下的水流扰动会破坏这种暂稳态的堵塞堆积结构,继而重启细颗粒的迁移过程。

新国家地震动参数区划图下某面板堆石坝抗震稳定研究

新版国家地震动参数区划图调整了部分地区动参数,导致某水库可能出现已建大坝设计设防烈度低于现行规范的情况,故此,本文采用拟静力法对某水库面板堆石坝的抗震稳定性进行分析,计算各类工况下的安全系数。研究表明:在新动参数下,该面板堆石坝安全系统仍能满足现行规范要求。

双向地震作用下崩塌堆积体边坡动力模糊可靠性分析

考虑崩塌堆积体边坡岩土体参数随机性和模糊性,以及地震力双向性,建立一种边坡地震动力模糊可靠度计算方法,针对竖向地震力对崩塌堆积体边坡稳定可靠性的影响进行进一步研究。首先,选用动力有限元时程分析法计算出双向地震工况下崩塌堆积体边坡的响应特征,并运用模糊理论对强度参数进行模糊性处理;然后,根据Mohr-Coulumb强度准则构建边坡安全系数与可靠度的时程计算模型;最后,采用边坡地震可靠性评价新方法,通过MATLAB编写相应程序,实现计算和分析结果的快速输出。案例结果表明:新方法计算结果更加合理,对工程而言也更加安全;竖向地震作用均对崩塌堆积体边坡整体可靠性存在影响,但影响程度需根据工程实际情况进行分析。在算例工况下,竖向地震对崩塌堆积体边坡的可靠性影响很小,仅使得可靠度降低3.55%,因此,可仅考虑水平地震的影响。

PCC桩复合地基离心模型制备及桩土接触模拟

针对现有刚性桩复合地基离心模型试验技术的诸多局限性,综合考虑模型在材料、几何及桩土接触上的相似,首次设计了PCC桩复合地基离心模型试验并探讨了模型制备方法。配合专用切削、取土及回填试验器材,可以整齐高效地实现削土刮平、引孔取土、压桩就位和桩内回填操作,将常重力场下模型制备引起的扰动最小化,优化PCC桩复合地基离心模型制作过程。设计并开展反映本次离心模型中桩土摩擦接触特性的直剪试验,结果表明,离心模型中的桩帽与路堤砂、粗糙化的模型桩与软土层及下卧层的接触面摩尔-库伦摩擦角取值均在合理范围内,能够较好地代表PCC桩的桩-土接触特性。

堰塞坝溃坝数学模型研究与应用

针对堰塞坝坝体土石料的宽级配特性,引入与水流方向垂直的附加作用力来考虑粗颗粒对细颗粒的阻拦、遮蔽作用以及细颗粒对粗颗粒的包围、填实作用,提出了一个可模拟堰塞坝漫顶溃决过程溃口发展规律与流量过程的数值模型和相应的计算方法,利用该模型对唐家山堰塞坝泄流过程进行了模拟,得出的泄流槽发展规律与洪水流量过程与实测资料接近,验证了该模型和计算方法的合理性。进一步,利用笔者建议的数学模型及数值计算方法,比较分析了唐家山堰塞坝除险过程中泄流槽断面型式对堰塞坝泄流过程的影响,发现堰塞湖在采用泄流槽引流除险时,泄流槽深度与断面型式对其泄流过程具有重要影响,增加泄流槽深度,可明显提高泄流效率,但堰塞湖下游将承受更大的风险。对于同样深度的梯形泄流槽,如果将槽底部断面减小,形成复合梯形泄流槽,不仅可减少开挖工作量,而且没有明显降低泄流效率,同时后者的泄流过程更为平缓,最大洪峰流量减小,出现的时间滞后,堰塞湖下游承受的风险也将降低。

不同级配粗颗粒材料动力特性试验研究

级配是粗颗粒材料最基本特征,根据大量试验结果和长期积累的试验经验,总结出了试验级配缩制的具体原则,并基于粗颗粒材料中小于等于5 mm粒径含量变化,分析了级配优劣对其充填关系的影响,级配越优,粗颗粒材料的充填关系越好,粗颗粒材料能达到较大的干密度,反之则越差,粗颗粒材料也难以获得较大的干密度。级配的优劣对堆石料动力特性的影响在低围压状态下并不明显,随着围压的升高,级配优的堆石料动力特性指标明显变优;砂砾料由于颗粒浑圆度较好,级配的优劣对其动力特性的影响逐渐减弱。针对上述级配对粗颗粒材料动力特性的影响规律,对于高土石坝来说有必要采用级配优的粗颗粒材料作为坝体的填筑料,通过其在高应力条件下力学性能的优势来控制坝体整体变形和提高其抗震性能。