弱渗透性土中地下结构承受水压规律试验研究

为合理评估地下结构在使用寿命周期内的抗浮性能,设计一种多功能模型试验系统,模拟不同水力梯度作用下重塑黄土和粉质黏土中孔隙水压力的传递过程,开展竖向渗流条件和侧向渗流条件下两种土体介质中地下结构承受水压变化规律试验;基于修正K-C(Kozeny-Carman)渗流理论提出用于描述弱渗透性土体介质中孔压竖向传递的数学模型。研究结果表明:在相同水力梯度作用下粉质黏土中同一测点的孔压值较重塑黄土中小,且趋于稳定所需时间较长;当两种土体介质中发生竖向渗流或侧向渗流时,地下结构承受的水压均比理论静水压力小;所提出的数学模型能够较好地描述重塑黄土和粉质黏土介质中孔压的传递过程;在实际工程中,应考虑结构自身对地下渗流场的影响和特殊土体介质对孔隙水渗流的影响,从而实现更合理的抗浮设计。

微波加热岩石与混凝土的研究进展与工程应用

微波加热固体是新型的绿色、高效加热技术,具有即时性、整体性、选择性以及低能耗低污染等优点,微波辅助岩石和混凝土的破碎技术是国内外研究的热点方向。针对微波加热岩石和混凝土的机理和加热特点,国内外学者开展了一系列理论分析、模型模拟以及试验研究。该文系统总结了该领域理论、模拟以及试验的研究进展,在论述微波加热特点、材料对微波加热响应以及加热影响因素的基础上,阐述了微波加热岩石和混凝土的内在机制,讨论了微波加热在岩石强度劣化、辅助岩石破碎、岩石钻孔、混凝土骨料回收以及微波辅助选矿等工程领域的研究现状与应用前景,探讨了相关领域的研究重点以及未来的研究方向,以期为推动工程中微波加热技术的应用和发展提供借鉴与参考。

改进GM-BP神经网络模型的高层建筑沉降预测

伴随高层建筑的大量兴建,在建设施工过程中,定期观测高层建筑的沉降,分析其未来的沉降变化规律以及趋势,对确保建筑物安全以及人民生命财产安全具有重要意义。为科学预测建筑物在施工中的沉降,在结合等维新息GM(1,1)模型和BP模型优点的基础上,建立改进GM-BP组合模型,通过挖掘和更新原始数据序列的内部信息,提高预测精度。实例应用表明:改进GM-BP组合模型的精度高于单一模型,预测精度明显提高,可为采取相应预防或处理措施提供科学依据。

陕西泾阳某黄土滑坡土的分散性试验研究

分散性土一直为岩土工程中的重要研究问题之一,在工程上容易引起管涌、路基失稳等破坏.目前判别土的分散性试验主要有双比重计试验、针孔试验、碎块试验、孔隙水可溶性阳离子试验和交换性钠离子百分比试验等5种,但判别标准和结果各不相同,无法明确判定土的分散性.有学者提出通过赋予各试验方法所得结果不同权重的方法进行综合判别,该方法得到了广泛应用和推广.作为公认的多种鉴别方法中最为直接可靠的针孔试验,由其得出的结果比较有说服力.因此,需要进行一系列的针孔试验,判断陕西泾阳某滑坡土的分散性,以期望提供治理滑坡灾害方面的建议.

深部硬脆性岩石分数阶蠕变损伤模型研究

硬脆性岩石与软弱岩石一样会发生蠕变破坏,因此研究其蠕变特性对围岩的稳定性具有重要意义。假设黏滞系数与初始弹性模量的幂次方成正比,以此表征岩石初始的软硬和致密状态对其蠕变行为的影响,提出一种改进的分数阶非线性黏滞体,以描述衰减和稳定蠕变阶段的黏弹性特征;根据连续损伤力学理论,引入损伤因子,建立了考虑时效损伤的分数阶非线性损伤黏塑性体,以描述加速蠕变阶段的力学行为。将胡克体、改进分数阶非线性黏滞体和分数阶非线性损伤黏塑性体串联,建立一个硬脆性岩石非线性蠕变损伤模型,并验证其合理性,试验曲线与模型理论曲线吻合良好,说明该模型能较好描述硬脆性岩石蠕变全过程。对模型参数进行敏感性分析,讨论其对蠕变行为的影响,结果表明相关参数对准确描述硬脆性岩石的蠕变特征有重要作用。

间歇式运行模式下黄土地基中能量桩热-力特性模型试验

能量桩是将传统桩基与地源热泵相结合的一种建筑节能新技术。为研究黄土地层中能量桩热交换效率及承载变形特性,了解黄土饱和状态对能量桩热交换效率、桩土温度、桩土沉降及桩身轴力、摩阻力的影响规律,开展间歇式运行模式下黄土处于天然湿密状态及饱和状态的能量桩模型试验。试验采用的黄土为人工配制黄土,模型桩为内置单U形换热管的现浇钢筋混凝土桩。试验结果表明:黄土中能量桩具有较高的热交换效率,黄土饱和时能量桩的热交换效率大于黄土处于天然湿密状态,随着无量纲直径D/L的增大,能量桩的热交换效率增加。不论黄土处于天然湿密状态还是饱和状态,桩顶沉降呈现出棘轮形式并随冷热循环次数增加逐渐增大。热循环、冷循环对能量桩的承载力影响不同,经过每一个完整的冷热循环后,桩的承载力均降低了。该文还建立了计算能量桩热交换效率的新公式,该公式考虑了桩身侧表面积及循环液与初始地温差的影响。

基于三维隔震的穿越地裂缝地铁车站地震反应控制研究

穿越地裂缝地铁车站易发生严重地震破坏。文章基于地震动作用下地裂缝场地双向变形特征和结构破坏机理,探究穿越地裂缝地铁车站中柱三维隔震的适用性。考虑土与结构相互作用,建立穿越地裂缝地铁车站三维隔震结构数值模型。采用动力时程分析法,以无隔震与水平隔震结构为对比工况,研究穿越地裂缝地铁车站的三维隔震效果,并进一步揭示隔震机理。结果表明:单一的中柱水平隔震难以满足结构的地震反应控制需求;三维隔震支座不仅显著降低了中柱的地震反应,而且有效削弱了地震动作用下地裂缝上、下盘相对沉降对支座隔震效果和中柱抗震能力的不利影响,从而维持较高的减震水平;三维隔震后,车站结构侧墙内力增大而层间位移角的变化与其埋深、地震动强度与频谱特性等因素有关,车站结构顶、底板内力和变形均增大;车站结构抗震薄弱构件由中柱转变为顶板,而中柱和侧墙等竖向承载构件不发生严重地震破坏,避免结构倒塌。研究以期为地裂缝场地地下框架结构的灾变控制提供参考依据。

上软下硬地层大直径盾构施工Peck沉降公式修正

为合理预测大直径泥水盾构隧道施工引起的地表沉降,本文对现场实测数据进行回归分析,深入探讨了Peck公式在预测大直径泥水盾构施工引起的地表沉降方面的适应性,并在此基础上引入地表最大沉降修正系数α与沉降槽宽度修正系数β,对Peck公式进行了必要的调整与修正。结果表明:线性回归后大直径泥水盾构在上软下硬复合地层中掘进沉降实测值与Peck公式沉降预测值之间有较大差异;α取值分布在0.1~0.5范围内,β取值分布在0.5~1.0范围内时可以较好反映大直径泥水盾构在上软下硬地层中施工引起的地表沉降变形;对比分析小直径和大直径盾构隧道沉降槽修正系数可知,沉降槽修正系数的变化范围随开挖横截面面积的增大、开挖面土层性质差异的增大而增加。研究成果可扩大Peck公式的应用范围,为大直径盾构隧道设计和施工提供参考。

融雪剂对沥青分子平衡稳定性和黏附性影响的动力学模拟

为研究融雪剂溶液对沥青分子结构平衡稳定性和黏附性的影响,采用分子动力学构建各融雪剂溶液在沥青分子内部扩散的模型和沥青-溶液-集料氧化物界面模型,计算得到模拟体系的自由体积分数,以此来表征融雪剂溶液的侵入对沥青分子结构平衡稳定性的影响,并利用相对浓度分布和黏附能表征融雪剂对沥青黏附性的影响。结果表明:分子动力学模拟建立的12种四组分沥青分子模型温度和能量符合平衡条件;融雪剂溶液会降低沥青分子结构的平衡稳定性。采用在无溶液和有溶液状态下黏附能的比值ER来表征融雪剂对沥青-集料黏附性的影响,其中NaCl影响最为显著,其次为各醋酸盐,NaNO_(2)的影响较弱。融雪剂溶液的侵入会削弱集料表面沥青质和胶质的高浓度分布,使饱和酚更易聚集在集料表面较远端,对集料表面芳香酚分布的影响则较小。

融雪剂离子在沥青中的渗透行为分析

为研究融雪剂离子在沥青中的渗透扩散行为,采用A_(3) N(由醋酸盐、NaNO_(2)和尿素配制而成)、Ca(CH_(3)COO)_(2)、Mg(CH_(3)COO)_(2)、KCH_(3)COO、NaCl和NaNO_(2)共6种融雪剂对沥青进行渗透实验,通过三大指标的变化分析融雪剂对沥青稠度、塑性和高温稳定性的影响。利用离子色谱仪检测融雪剂溶液中离子浓度的变化,分析融雪剂阳、阴离子的渗透扩散规律。基于各浸泡周期融雪剂阳、阴离子浓度的变化,运用Fick定律分析各融雪剂离子在沥青中的渗透扩散行为。结果表明:经融雪剂浸泡后,基质沥青和SBS改性沥青的稠度和塑性增大,且NaCl对稠度和塑性的影响最大,而醋酸盐和A 3 N使沥青的高温稳定性降低,NaNO_(2)和NaCl会提高沥青的高温稳定性;融雪剂离子在基质沥青中的渗透性强于SBS改性沥青,阳、阴离子扩散强度最大分别为KCH_(3)COO中的K^(+)和Mg(CH_(3)COO)_(2)中CH_(3)COO^(-),经过5周期的渗透,基质沥青和SBS改性沥青上方融雪剂溶液中K^(+)浓度降幅分别为27.59%和16.89%,CH_(3)COO^(-)的浓度降幅分别为35.16%和19.38%;Fick定律扩散模型可较好描述沥青对各离子吸附量的变化,其中阳离子吸附量的非线性拟合优度高于阴离子,更易被量化分析。

高黏疏水抑冰雾封层材料设计和性能评价

为解决南方秋冬季道路被动抑冰滞后和效率低等问题,研发了主动型高黏疏水抑冰雾封层材料。通过正交理论设计、层次模型分析法进行综合性能评价,确定了增黏剂、疏水剂的最佳用量,采用多性能试验评价了路用性能和抑冰性能,确定了抑冰剂的最佳用量。研究结果表明:相比于乳化沥青基材,综合设计得到的最佳掺量高黏疏水雾封层材料的黏聚性和疏水性分别提升了55.7%、144.3%。抑冰剂掺量为9%~12%时,雾封层材料储存稳定性较好,最佳洒布量为0.06 g/cm^(2)时,固化性能和抗滑性能明显提升,达到最佳平衡状态。抑冰剂掺量与电导率呈显著线性相关,多次浸水循环后,高黏疏水抑冰雾封层材料具有缓释持久性。最佳抑冰剂掺量为9%时,雾封层材料抗凝冰效果达到最佳。

倾斜煤系地层大断面客专隧道大变形原因分析及处置

针对沪昆铁路刘家庄隧道穿越煤系地层施工中发生的大变形现象,基于理论分析、数值模拟和现场监测方法,分析隧道发生大变形的原因,推导并验证了产生大变形的起始位置,得到了掌子面上方煤层单元体沿倾斜面方向的应力状态与隧道进入含倾斜煤系地层水平距离之间的变化规律,对倾斜煤层单元体与初期支护结构的应力与变形进行了分析。结果表明:掌子面上方煤体单元应力状态变化随掌子面进入倾斜煤层下方水平距离的增加,围岩经历挤压、压剪和剪切滑移3个变形阶段。围岩大变形与初期支护结构破坏均发生在剪切滑移阶段的初期,应在压剪变形阶段结合现场监测数据对掌子面进行喷射混凝土封闭、注浆加固掌子面上方松散煤层和加强初期支护结构刚度等措施以预防隧道产生大变形。

高温作用下非饱和黄土裂隙演化及其定量分析

黄土地区采用热减湿工法加固基坑边坡具有潜在应用价值,科学评价高温减湿黄土的裂隙演化是验证该加固工法可行性的关键环节。利用自制试验装置,进行了不同初始干密度和初始含水率的非饱和黄土在50~200℃温度水平下的裂隙演化试验,观察了土样含水率和表层裂隙变化,通过试验图像处理定量分析了裂隙率r、裂隙总长L、分形维数D、裂隙平均宽度W等裂隙指标随温度的变化规律。分析结果显示:随着温度水平提高,r、L、D均有所提高,W变化不明显;初始干密度的提高使r、L、D明显减小,使W明显提高;初始含水率的升高使r、L、D、W显著提高。高温作用显著改变土体的起裂模式,100℃临界温度作用下土体的起始裂隙快速出现,这可能与高压水蒸气的不均匀挤压有关。高温极大加快裂隙演化进程,但超过100℃后,继续升温对裂隙演化的加速幅度不大。从断裂力学的角度分析了高温作用下黄土裂隙开裂和扩展的力学机制,揭示了高温黄土裂隙演化机制。基于基质吸力对裂隙演化的重要影响,建立了考虑高温的基质吸力公式,在一定程度上揭示了高温对基质吸力的显著影响。

基于微胶囊技术的自愈碳酸盐沉淀材料修复强酸环境下的含铅废水研究

铅(Pb)金属的积累会对周围环境造成严重威胁,并对肝脏和肾脏造成损害。在过去的几年里,微生物诱导碳酸盐沉淀(microbial-induced carbonate precipitation,简称MICP)技术由于其较好的可操作性已被广泛应用于污染场地复原再利用。然而,极端环境(比如强酸条件)会导致碳酸盐沉淀的降解,增加Pb^(2+)迁移扩散和二次环境污染风险。将基于微胶囊技术的自愈碳酸盐沉淀材料应用于含铅废水修复,其研究结果表明,在孢子萌发阶段微胶囊不仅防止了孢子受到恶劣pH条件的威胁,而且为孢子的生长和繁殖提供了肌苷和酵母提取物等营养来源,还为它们的附着提供了额外的位点,进而实现了细菌孢子与Pb^(2+)的成核,最终达到90%以上的修复效率。从扫描电子显微镜(scanning electron microscope,简称SEM)、扫描电子显微镜与能谱仪(scanning electron microscope with energy dispersive X-ray spectroscopy,简称SEM-EDS)和X射线衍射(X-ray diffraction,简称XRD)等细观测试中识别了白铅矿和方解石矿物,而在傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectrum,简称FTIR)测试中证实胞外聚合物(extracellular polymeric substance,简称EPS)的存在,这些细观测试结果证实了细菌孢子和矿化产物共同参与了Pb^(2+)的修复。

微生物诱导碳酸盐沉淀修复铜污染黄土的试验研究

利用微生物诱导碳酸盐沉淀修复重金属污染场地是一种具有较大潜力和应用前景的修复技术。然而,由于在生物矿化应用于西北地区污染场地时黄土中富含的碳酸盐、各种矿物以及周围环境酸碱度(pH值)对重金属赋存形态影响甚剧,其中的内在影响机制仍有待更进一步的探究。通过一维土柱试验考虑不同Cu(II)浓度(500、2000 mg/kg和4000 mg/kg)来制备污染黄土试件,后通过注入不同体积(50m L和100m L)的细菌胶结液对其进行修复,以Tessier顺序提取、土壤pH值测量和X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)分析不同深度土样的修复效率。结果表明,注入细菌胶结液可将可交换态的Cu转变为生物毒性更低的赋存形态(比如碳酸盐结合态Cu),然而当Cu(II)浓度较低(500 mg/kg)时,未见类似的Cu赋存形态转变。因为土柱不同深度土样Cu赋存形态的转化与周围环境pH值紧密相关,且pH值与注入细菌胶结液的体积呈正比关系,碱性环境进一步促进了Cu和黄土中矿物的配位吸附,但是当碱性环境进一步提高时,修复效率因铜氨络合物的生成而显著降低。这些发现强调了将微生物诱导碳酸盐沉淀(microbially induced carbonate precipitation,MICP)技术应用于铜污染场地复原治理的潜力。

基于矿物溶解理论的砂岩化学损伤动态模型

酸腐蚀环境下岩石物理力学性质的劣化本质上由岩石矿物的溶解引发的孔隙微裂隙的扩展贯通所致。为研究酸性环境下砂岩矿物的溶解特性,选择pH=1、3的盐酸溶液为腐蚀环境,借助X射线衍射试验鉴定砂岩矿物成分及含量,测试不同浸泡周期下溶液的pH值、阳离子浓度、岩样的质量及其纵波波速,并通过矿物溶解理论与化学动力学原理,建立反映整个腐蚀过程的砂岩化学损伤动态模型。研究结果表明:酸性环境下砂岩的损伤主要由长石和方解石的溶解所致,矿物溶解反应分为界面吸附、界面交换、解吸附三个步骤,且步骤最慢者对整个反应起控制作用。矿物溶解速率与H+浓度的n次幂成正比,且0<n≤1,其数值与矿物自身特性和溶液pH值有关。酸-岩反应具有较强的时间依赖性,其速率随腐蚀时间的延长逐渐减小而后趋于稳定,且溶液pH值越小,腐蚀时间越长,砂岩劣化越严重。pH=1、3的盐酸溶液作用下,通过化学损伤模型得到的砂岩孔隙度与通过纵波波速得到的孔隙度随腐蚀时间的变化规律具有较好的一致性,验证了模型的有效性与合理性。研究结果可为酸化学环境下岩体工程的安全性评估与灾害防治提供理论参考。

不同工作荷载下能量桩热-力耦合特性模型试验

本文通过黄土地基中能量桩在3种不同荷载工况下的温度循环荷载试验,以及在此基础上进行的能量桩竖向承载特性试验,对比分析了冷热循环过程中热交换效率、桩顶竖向荷载、桩土沉降、桩身轴力、桩侧摩阻力及桩端反力等变化规律。试验结果表明:桩顶竖向荷载随温度循环次数的增加而逐渐减小,桩顶沉降呈现出收敛特性;热循环时桩身受压,冷循环时受压区范围与工作荷载和冷循环次数成正比;桩顶工作荷载较小时,冷热循环对侧摩阻力的影响更大,冷循环时的侧摩阻力更大;工作荷载的大小是桩-土相对位移的控制因素;温度位移零点的位置与荷载大小无关,以此点为界冷热循环对侧摩阻力及桩-土相对位移有不同影响。

黄土黏附特性评价-室内试验和微观响应机制研究

隧道在黏土地层中开挖经常会发生堵塞,以往的工程证明黄土作为一种低塑性的黏性材料容易黏附刀盘后形成堵塞,造成盾构机向前推进,严重者导致大幅增加工期。为探究西北黄土地区盾构隧道施工的黏附机理,通过搅拌黏附试验和流动度试验,研究以砂、高岭土、膨润土为添加剂对粉土的黏附性、流动性和稠度的影响。此外采用微观原子力显微镜测试探究不同黏性材料的形貌和黏附特性,得到不同黏性材料的微观高度曲线和土样表面与金属探针的黏附力曲线,从而建立以宏观试验参数特征与微观试验的定量关系。结果表明:粉土高差最大(22nm),在土壤黏附的内在影响机制中分子间作用力占据主导地位。高差极小(小于3nm)的高岭土和膨润土则创造了水膜产生初始条件,对于这些细颗粒则由水膜张力主导黏附行为。砂对低塑性粉土有很好的降黏效果,添加砂会显著降低黏附特性,增加流动性。粉土中加入高岭石和膨润土有不同的减黏效果,由于水分难以侵入高岭石的细观结构,降低了黏附特性,然而膨润土的掺入增加了混合土的液塑性极限,增大了水膜厚度,也导致黏附特性降低。稠度指数曲线表明粉土占比更多的低稠度混合土难以结块卡住刀盘但容易黏附于刀盘上,而膨润土占比更多的混合土不仅在高稠度容易引起黏附问题,在低稠度更容易吸水团聚后黏附刀盘,影响刀盘掘进效率。

压实黄土的气体突破压力及渗透性试验研究

生活垃圾中有机物降解会产生大量的垃圾填埋气体,如CO_(2)、CH_(4)。填埋气体在不能有效收集和排放的情况下,可能会导致填埋场覆盖层的失效或是发生气爆事故。为探究填埋覆盖层气体的突破压力与排放,采用逐步加压法对不同干密度、饱和度和围压条件下的压实黄土进行气体突破压力试验,通过压汞(MIP)试验对气体突破压力进行预测。结果表明:压实黄土在饱和状态下,气压较低时的气体排出速率很小可以忽略不计,当气压达到阈值时,气体排出速率急剧增加;气体突破压力随干密度和围压的增大而增大,与围压相比干密度对其影响更为显著。另一方面,压实黄土的气体突破压力与固有渗透率在对数坐标下具有较好的线性关系;MIP试验表明,可采用汞饱和度与入汞压力曲线出现拐点时的入汞压力对气体突破压力值进行预测。研究结果为西北黄土地区垃圾填埋场覆盖系统的优化设计提供有益见解。

用BBM模型模拟非饱和重塑黄土的变形强度特性

对非饱和土BBM模型进行分析、研究、验证,并做进一步的修正,从而使模型更符合非饱和黄土的基质吸力的变化规律。对文献中等b等σ3且b=0应力路径下的BBM模型的迭代计算方法进行修正,进而给出等b等p且b=0时的BBM模型的迭代计算方法。基于非饱和黄土的控制吸力真三轴试验下的相关试验结果,求得BBM模型的相关模型参数,并利用相应的计算方法对等b等p且b=0路径下的非饱和黄土试验结果进行预测。考虑对于非饱和黄土,相关模型参数随基质吸力的非线性变化关系,采用一个双曲线函数关系式对BBM模型进行修正,并对修正后的模型进行验证,结果显示修正后模型整体预测结果理想,尤其是对于低吸力低净平均应力下的预测结果较原始模型更为理想。