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岩土力学
静止土压力系数(K0)是岩土工程中计算侧向土压力的关键参数,原状和重塑黄土的K0系数在固结过程中的发展规律明显区别于黏土或砂土。为研究围压和初始孔隙比对原状和重塑黄土的K0系数的影响,采用加装高精度局部径向位移计(LVDT)的应力路径三轴仪开展了K0固结试验研究,结果表明:(1)重塑黄土的K0系数受初始孔隙比(e0)的影响较为明显,当试样的初始孔隙比减小(从0.775变为0.503),其K0系数的最大降幅为55%;然而原状黄土的K0系数受有效围压(σ3)的影响较为明显,比如在σ3 < 350kPa时,K0系数为0.77~0.85,在σ3>350kPa时,K0系数为0.46~0.51;(2)在固结过程中,原状黄土试样和重塑黄土试样的K0系数均发生陡降,具体表现为重塑黄土密样(e0<0.6)的陡降发生在固结的起始阶段,重塑黄土松样(e0 ≈ 0.77)的陡降发生在有效围压接近100kPa,而原状黄土试样的陡降发生在有效围压为350kPa附近;(3)在相同的有效围压和密度条件下,原状黄土的K0系数大于重塑黄土。采用核磁共振技术(NMR)获取了重塑和原状黄土的孔隙分布,并辅以试样的超孔隙水压力、排水体积等数据进行了讨论,发现结构性是造成黄土K0系数差异的主要原因。 静止土压力系数(K0)是岩土工程中计算侧向土压力的关键参数,原状和重塑黄土的K0系数在固结过程中的发展规律明显区别于黏土或砂土。为研究围压和初始孔隙比对原状和重塑黄土的K0系数的影响,采用加装高精度局部径向位移计(LVDT)的应力路径三轴仪开展了K0固结试验研究,结果表明:(1)重塑黄土的K0系数受初始孔隙比(e0)的影响较为明显,当试样的初始孔隙比减小(从0.775变为0.503),其K0系数的最大降幅为55%;然而原状黄土的K0系数受有效围压(σ3)的影响较为明显,比如在σ3 < 350kPa时,K0系数为0.77~0.85,在σ3>350kPa时,K0系数为0.46~0.51;(2)在固结过程中,原状黄土试样和重塑黄土试样的K0系数均发生陡降,具体表现为重塑黄土密样(e0<0.6)的陡降发生在固结的起始阶段,重塑黄土松样(e0 ≈ 0.77)的陡降发生在有效围压接近100kPa,而原状黄土试样的陡降发生在有效围压为350kPa附近;(3)在相同的有效围压和密度条件下,原状黄土的K0系数大于重塑黄土。采用核磁共振技术(NMR)获取了重塑和原状黄土的孔隙分布,并辅以试样的超孔隙水压力、排水体积等数据进行了讨论,发现结构性是造成黄土K0系数差异的主要原因。
探究黄土高填方边坡浅表层水分间的复杂关系是防治坡体浅层水土灾害的基础,本文以延安安塞某黄土高填方体为对象,开展了现场原位长时序监测,并通过交叉小波与小波相干分析方法,研究了坡面效应影响下黄土高填方边坡浅表层水分间的相关关系。结果表明:小波分析方法可用于半定量化研究黄土高填方边坡内外部水分间的相关关系,其优势是可在时域和频域上清晰表现两个时间序列的相关性与变化细节;降雨和边坡浅层土壤水之间存在两个主要的共振时间尺度0.06~1.78d和3.56~28.47d,在两时间尺度段内降雨与浅层土壤水的相关性呈增强趋势,即两者的相关性强弱存在明显时间尺度依赖;土壤水间的相关性强弱和交换转化剧烈程度可用显著相干面积百分比(PASC)表示,边坡不同位置PASC的平均值大小为坡顶(36.39%)<上坡段(37.6%)<中坡段(39.17%),坡面提高了垂向土壤水间的交换转化程度;边坡坡面效应的存在不利于降雨向土壤水的转化,但增强了浅表层垂向土壤水间的交换转化。 探究黄土高填方边坡浅表层水分间的复杂关系是防治坡体浅层水土灾害的基础,本文以延安安塞某黄土高填方体为对象,开展了现场原位长时序监测,并通过交叉小波与小波相干分析方法,研究了坡面效应影响下黄土高填方边坡浅表层水分间的相关关系。结果表明:小波分析方法可用于半定量化研究黄土高填方边坡内外部水分间的相关关系,其优势是可在时域和频域上清晰表现两个时间序列的相关性与变化细节;降雨和边坡浅层土壤水之间存在两个主要的共振时间尺度0.06~1.78d和3.56~28.47d,在两时间尺度段内降雨与浅层土壤水的相关性呈增强趋势,即两者的相关性强弱存在明显时间尺度依赖;土壤水间的相关性强弱和交换转化剧烈程度可用显著相干面积百分比(PASC)表示,边坡不同位置PASC的平均值大小为坡顶(36.39%)<上坡段(37.6%)<中坡段(39.17%),坡面提高了垂向土壤水间的交换转化程度;边坡坡面效应的存在不利于降雨向土壤水的转化,但增强了浅表层垂向土壤水间的交换转化。
膨润土易吸收空气中水分形成结合水。以高庙子膨润土为实验对象,研究了土样在不同烘干温度、烘干时间、环境相对湿度、土厚、表面积下的吸湿规律。研究结果表明:110℃烘干条件下,烘干8h,土样质量可达到稳定;增加接触面积,不会增加其吸湿率;吸湿量与初始烘干温度以及环境相对湿度正相关。土样吸湿存在深度效应,越下层的土样吸湿能力越弱。4mm深度以下土层对空气中水分子的吸附能力很弱,吸湿主要集中在上层。Peleg模型拟合吸湿过程较好。20g膨润土在110℃烘干,再置于相对湿度55%和82%环境下吸湿,2min时强结合水的吸收基本完成,受环境相对湿度的影响较小,吸湿平衡时自由水、弱结合水以及强结合水的含量分别为7.873%、0.749%、1.316%和9.408%、1.128%、1.412%,结合水膜厚度分别为5.56Å和7.71Å。 膨润土易吸收空气中水分形成结合水。以高庙子膨润土为实验对象,研究了土样在不同烘干温度、烘干时间、环境相对湿度、土厚、表面积下的吸湿规律。研究结果表明:110℃烘干条件下,烘干8h,土样质量可达到稳定;增加接触面积,不会增加其吸湿率;吸湿量与初始烘干温度以及环境相对湿度正相关。土样吸湿存在深度效应,越下层的土样吸湿能力越弱。4mm深度以下土层对空气中水分子的吸附能力很弱,吸湿主要集中在上层。Peleg模型拟合吸湿过程较好。20g膨润土在110℃烘干,再置于相对湿度55%和82%环境下吸湿,2min时强结合水的吸收基本完成,受环境相对湿度的影响较小,吸湿平衡时自由水、弱结合水以及强结合水的含量分别为7.873%、0.749%、1.316%和9.408%、1.128%、1.412%,结合水膜厚度分别为5.56Å和7.71Å。
在天然地质体中寻求绿色胶凝材料是“双碳”背景下的研究热点,凝灰岩石粉作为机制砂生产过程中的固体废弃物,其与骨料复合体系的强度与收缩性能研究鲜有报道。本文制备了碱激发石粉浆、石粉-砂浆和石粉-砂-碎石浆3组样品,经过60℃养护后,测试了其抗压强度、劈裂抗拉强度和收缩率等工作性能。结果显示,由于骨料形成的薄弱界面与热膨胀率的差异,碱激发石粉抗压强度(12.7MPa)大于石粉-骨料复合材料强度(4.4~7.0MPa),压缩模量呈现相同的变化规律。凝灰岩骨料由于与石粉成分相同,表面的溶解和聚合反应使骨料复合材料强度更高。随着砂、碎石的加入,试样收缩率减小,最小收缩率为0.4%。由于疏水、减弱胶结强度和阻止表面反应,荷叶疏水剂与熟桐油降低了碱激发石粉、石粉粗骨料体系的强度。具有保水效果的SRA减缩剂对强度的影响最小。对于碱激发石粉试样,荷叶疏水剂、熟桐油和SRA减缩剂对收缩的抑制作用不明显。对于石粉-砂试样,SRA的减缩效果最优(0.9%)。对于石粉-砂-碎石试样,未添加外加剂的试样收缩率更低,说明石粉与骨料复合体系的收缩率主要受骨架作用影响。最终,通过交叉试验比选出碱激发石粉、石粉-砂和石粉-砂-碎石3种材料的最优配比。 在天然地质体中寻求绿色胶凝材料是“双碳”背景下的研究热点,凝灰岩石粉作为机制砂生产过程中的固体废弃物,其与骨料复合体系的强度与收缩性能研究鲜有报道。本文制备了碱激发石粉浆、石粉-砂浆和石粉-砂-碎石浆3组样品,经过60℃养护后,测试了其抗压强度、劈裂抗拉强度和收缩率等工作性能。结果显示,由于骨料形成的薄弱界面与热膨胀率的差异,碱激发石粉抗压强度(12.7MPa)大于石粉-骨料复合材料强度(4.4~7.0MPa),压缩模量呈现相同的变化规律。凝灰岩骨料由于与石粉成分相同,表面的溶解和聚合反应使骨料复合材料强度更高。随着砂、碎石的加入,试样收缩率减小,最小收缩率为0.4%。由于疏水、减弱胶结强度和阻止表面反应,荷叶疏水剂与熟桐油降低了碱激发石粉、石粉粗骨料体系的强度。具有保水效果的SRA减缩剂对强度的影响最小。对于碱激发石粉试样,荷叶疏水剂、熟桐油和SRA减缩剂对收缩的抑制作用不明显。对于石粉-砂试样,SRA的减缩效果最优(0.9%)。对于石粉-砂-碎石试样,未添加外加剂的试样收缩率更低,说明石粉与骨料复合体系的收缩率主要受骨架作用影响。最终,通过交叉试验比选出碱激发石粉、石粉-砂和石粉-砂-碎石3种材料的最优配比。
推进天然气水合物资源开采是我国能源战略的重要任务。层状赋存形态的含水合物沉积物在目标开采储层中普遍存在,水合物开采引起的沉积物层扰动会直接诱发剪切变形影响储层的稳定性,严重制约水合物资源的安全开采。现有水合物沉积物的本构表征主要基于空间均匀分布、各向同性的材料特征假设,缺少考虑水合物沉积物的强非线性力学特性受层状赋存形态影响的本构表征方法,无法准确预测目标开采储层的应力-应变规律。本文采用均匀化理论,基于每层沉积物的弹塑性刚度矩阵构建层状形态代表体积单元的宏细观控制方程,建立了层状赋存含水合物沉积物的本构表征方法。代表体积单元内每层的沉积物模型参数可基于均质含水合物沉积物试样的三轴试验标定获取。通过将层状本构模型预测和层状沉积物三轴试验以及数值试验的应力-应变关系对比验证,本研究提出的层状本构模型可准确描述原位储层中层状赋存含水合沉积物的力学行为。 推进天然气水合物资源开采是我国能源战略的重要任务。层状赋存形态的含水合物沉积物在目标开采储层中普遍存在,水合物开采引起的沉积物层扰动会直接诱发剪切变形影响储层的稳定性,严重制约水合物资源的安全开采。现有水合物沉积物的本构表征主要基于空间均匀分布、各向同性的材料特征假设,缺少考虑水合物沉积物的强非线性力学特性受层状赋存形态影响的本构表征方法,无法准确预测目标开采储层的应力-应变规律。本文采用均匀化理论,基于每层沉积物的弹塑性刚度矩阵构建层状形态代表体积单元的宏细观控制方程,建立了层状赋存含水合物沉积物的本构表征方法。代表体积单元内每层的沉积物模型参数可基于均质含水合物沉积物试样的三轴试验标定获取。通过将层状本构模型预测和层状沉积物三轴试验以及数值试验的应力-应变关系对比验证,本研究提出的层状本构模型可准确描述原位储层中层状赋存含水合沉积物的力学行为。
岩石内部存在的裂隙、孔洞等天然损伤对岩石的力学性能和破坏过程有重要影响,依据细胞自动机理论结合CT无损识别技术实现了含天然裂隙岩石在劈裂条件下裂纹扩展和贯通全过程及其力学性能变化规律的研究。从裂隙砂岩的真实细观结构出发,构建了天然裂隙岩石的数值计算模型,运用CASRock数值计算软件完成了含不同裂隙倾角的砂岩劈裂破坏的数值试验,分析了裂隙倾角对砂岩的力学特性、裂纹扩展过程及能量演化的影响规律。研究表明:(1)天然裂隙砂岩的抗拉强度与裂隙倾角密切相关,随着裂隙倾角的增加,其抗拉强度呈现先减小后增加的趋势;(2)裂隙起裂于天然裂隙尖端,当裂隙倾角0°≤θ<48°时,岩样的破坏是由错开型裂纹引起,裂纹沿着与天然裂隙近垂直方向扩展;当裂隙倾角48°≤θ<94°时,岩样的破坏是由张开型裂纹引起,裂纹沿着与天然裂隙近平行方向扩展;(3)劈裂过程中裂纹尖端应力场存在拉应力区和压应力区,拉应力造成翼裂纹由天然裂隙尖端沿加载端方向萌生扩展,而压应力则引发次生裂纹沿天然裂隙方向扩展;(4)含天然裂隙砂岩劈裂破坏过程能量演化可划分为4个阶段,随裂隙倾角的增大,峰值点处的总能量密度、弹性能密度先缓慢减少再迅速增加,但对岩样耗散能影响不大。 岩石内部存在的裂隙、孔洞等天然损伤对岩石的力学性能和破坏过程有重要影响,依据细胞自动机理论结合CT无损识别技术实现了含天然裂隙岩石在劈裂条件下裂纹扩展和贯通全过程及其力学性能变化规律的研究。从裂隙砂岩的真实细观结构出发,构建了天然裂隙岩石的数值计算模型,运用CASRock数值计算软件完成了含不同裂隙倾角的砂岩劈裂破坏的数值试验,分析了裂隙倾角对砂岩的力学特性、裂纹扩展过程及能量演化的影响规律。研究表明:(1)天然裂隙砂岩的抗拉强度与裂隙倾角密切相关,随着裂隙倾角的增加,其抗拉强度呈现先减小后增加的趋势;(2)裂隙起裂于天然裂隙尖端,当裂隙倾角0°≤θ<48°时,岩样的破坏是由错开型裂纹引起,裂纹沿着与天然裂隙近垂直方向扩展;当裂隙倾角48°≤θ<94°时,岩样的破坏是由张开型裂纹引起,裂纹沿着与天然裂隙近平行方向扩展;(3)劈裂过程中裂纹尖端应力场存在拉应力区和压应力区,拉应力造成翼裂纹由天然裂隙尖端沿加载端方向萌生扩展,而压应力则引发次生裂纹沿天然裂隙方向扩展;(4)含天然裂隙砂岩劈裂破坏过程能量演化可划分为4个阶段,随裂隙倾角的增大,峰值点处的总能量密度、弹性能密度先缓慢减少再迅速增加,但对岩样耗散能影响不大。
我国高寒山地区广泛发育连片冰碛土堆积边坡,因其普遍具有级配宽、分选差、孔隙率大等特点,在复杂构造地貌条件和冻融条件影响下,往往会发生剧烈的水-热-质交换而产生富冰滞水润滑效应,进而诱发冰碛土界面型滑坡灾害。冰碛土界面型滑坡对该区域工程建设具有重大的潜在风险,而系统掌握高寒山地区冰碛土水热迁移及聚冰冻胀孕灾机制是实现该类地质灾害科学防控的基础性工作。据此,首先研究了冰碛土的粒度组成和结构特征,明确了冰碛土存在典型的“二粒组”的组构特征;而后,围绕冻融作用下冰碛土水热迁移及聚冰冻胀规律研究现状予以深入剖析,厘清了冰碛土的多相多场迁移机制及聚冰冻胀特性;最后,围绕冰碛土边坡孕灾演化过程开展研究,阐明了内部富冰带成因及滞水促滑失稳机制。研究表明:(1)冰碛土的典型组构特征为其水-热-质多相多场迁移提供了前提条件,也是诱发局部化聚冰冻胀的重要因素;(2)冰碛土因剧烈水热迁移产生的定向化界面聚冰现象,而界面效应是诱发边坡失稳的“源生地”,探究冰碛土边坡失稳问题应重点关注富冰带发育特征及其促滑失稳机制;(3)高寒山地区冰碛土边坡的孕灾机制主要受两种模式控制:①混态水-热迁移聚冰效应;②富冰带界面的滞水润滑效应。该综述研究以期为高寒山地区冰碛土边坡多相多场孕灾机制提供基础性参考。 我国高寒山地区广泛发育连片冰碛土堆积边坡,因其普遍具有级配宽、分选差、孔隙率大等特点,在复杂构造地貌条件和冻融条件影响下,往往会发生剧烈的水-热-质交换而产生富冰滞水润滑效应,进而诱发冰碛土界面型滑坡灾害。冰碛土界面型滑坡对该区域工程建设具有重大的潜在风险,而系统掌握高寒山地区冰碛土水热迁移及聚冰冻胀孕灾机制是实现该类地质灾害科学防控的基础性工作。据此,首先研究了冰碛土的粒度组成和结构特征,明确了冰碛土存在典型的“二粒组”的组构特征;而后,围绕冻融作用下冰碛土水热迁移及聚冰冻胀规律研究现状予以深入剖析,厘清了冰碛土的多相多场迁移机制及聚冰冻胀特性;最后,围绕冰碛土边坡孕灾演化过程开展研究,阐明了内部富冰带成因及滞水促滑失稳机制。研究表明:(1)冰碛土的典型组构特征为其水-热-质多相多场迁移提供了前提条件,也是诱发局部化聚冰冻胀的重要因素;(2)冰碛土因剧烈水热迁移产生的定向化界面聚冰现象,而界面效应是诱发边坡失稳的“源生地”,探究冰碛土边坡失稳问题应重点关注富冰带发育特征及其促滑失稳机制;(3)高寒山地区冰碛土边坡的孕灾机制主要受两种模式控制:①混态水-热迁移聚冰效应;②富冰带界面的滞水润滑效应。该综述研究以期为高寒山地区冰碛土边坡多相多场孕灾机制提供基础性参考。
为研究贵阳红黏土在循环荷载作用下的损伤特性,揭示抗剪强度参数随加卸载过程的损伤演化规律,通过应力-应变控制式三轴剪切渗透仪中的应力路径试验模块,对ω=29%、32%、35%以及38% 4种含水率的贵阳红黏土在σ3=100 kPa、200 kPa和300 kPa围压下开展固结不排水剪循环加卸载试验。研究结果表明:卸载过程中土样表现出变形增强性,卸载后轴向应变增量越大,松弛时间越长,回弹变形量越大;综合考虑含水率与围压条件的影响,建立贵阳红黏土剪切过程中弹性变形演化的数学关系式,并与试验结果进行对比验证,拟合度达95%以上;采用等效塑性剪切应变作为塑性内变量,对贵阳红黏土剪切全过程强度损伤特性进行研究,发现其胶结强度不断损失,而摩擦强度不断增加;且随着含水率的增加,内摩擦角的变化范围为21.8°~16.1°,黏聚力的变化范围为83.7~57.5 kPa。研究成果可为路基压实及考虑加卸载工况的土坡稳定性评价提供理论指导。 为研究贵阳红黏土在循环荷载作用下的损伤特性,揭示抗剪强度参数随加卸载过程的损伤演化规律,通过应力-应变控制式三轴剪切渗透仪中的应力路径试验模块,对ω=29%、32%、35%以及38% 4种含水率的贵阳红黏土在σ3=100 kPa、200 kPa和300 kPa围压下开展固结不排水剪循环加卸载试验。研究结果表明:卸载过程中土样表现出变形增强性,卸载后轴向应变增量越大,松弛时间越长,回弹变形量越大;综合考虑含水率与围压条件的影响,建立贵阳红黏土剪切过程中弹性变形演化的数学关系式,并与试验结果进行对比验证,拟合度达95%以上;采用等效塑性剪切应变作为塑性内变量,对贵阳红黏土剪切全过程强度损伤特性进行研究,发现其胶结强度不断损失,而摩擦强度不断增加;且随着含水率的增加,内摩擦角的变化范围为21.8°~16.1°,黏聚力的变化范围为83.7~57.5 kPa。研究成果可为路基压实及考虑加卸载工况的土坡稳定性评价提供理论指导。
春融时寒区冻融界面的产生会使得冻土的强度发生衰变,这会对边坡的稳定性产生影响。为了研究冻融条件下细粒土冻融界面的强度变化规律,本文开展了不同冻结温度(-12 ℃、-7 ℃、-2 ℃)、环境温度(-5 ℃、-2 ℃、1 ℃)以及含水率(9%、16%、23%)下的低温直剪试验。探讨了各因素对于冻融界面强度的影响。同时利用灰色相关理论,分析了各因素与剪切强度之间的相关性。试验结果表明:冻融面处抗剪强度随着环境温度和冻结温度的升高而降低。试件强度的变化主要与黏聚力的变化相关,内摩擦角变化较小。冻融界面强度的发展主要与未冻水含量(或含冰量的)密切相关。各因素按显著性排序依次为:含水率>冻结温度>环境温度。考虑温度对于强度的影响时,不能忽略地温(冻结温度)的作用。 春融时寒区冻融界面的产生会使得冻土的强度发生衰变,这会对边坡的稳定性产生影响。为了研究冻融条件下细粒土冻融界面的强度变化规律,本文开展了不同冻结温度(-12 ℃、-7 ℃、-2 ℃)、环境温度(-5 ℃、-2 ℃、1 ℃)以及含水率(9%、16%、23%)下的低温直剪试验。探讨了各因素对于冻融界面强度的影响。同时利用灰色相关理论,分析了各因素与剪切强度之间的相关性。试验结果表明:冻融面处抗剪强度随着环境温度和冻结温度的升高而降低。试件强度的变化主要与黏聚力的变化相关,内摩擦角变化较小。冻融界面强度的发展主要与未冻水含量(或含冰量的)密切相关。各因素按显著性排序依次为:含水率>冻结温度>环境温度。考虑温度对于强度的影响时,不能忽略地温(冻结温度)的作用。
颗粒材料在循环荷载作用下呈现循环硬化行为,然而关于循环硬化行为的宏-微观相对应的机理解释的研究却不多见。本文通过3D-DEM实施了循环三轴数值模拟试验,研究了不同级配下颗粒材料在循环荷载下的循环硬化行为,并分析了(轴向)平均模量和由滑动接触造成的能量耗散的演化趋势。结果表明随着循环荷载的进行,平均模量逐渐增加并趋于渐进值。每个循环内的能量耗散随着循环数的增加不会一直衰减,存在一个阈值。不同颗粒级配下平均模量的增加指数和能量耗散衰减指数的大小相近(约为0.6),表明在描述循环荷载硬化行为时,无论是使用变形模量还是归一化能量耗散在结果上是一致的,即微观尺度上滑动接触引起的能量耗散映射出宏观尺度上平均模量的变化。颗粒平均粒径越大的颗粒体系,其平均模量越大,而且越早完成能量耗散过程,但不同的颗粒级配下对应的能量耗散阈值差异较小,基本上维持在一个常数(约为0.15)。 颗粒材料在循环荷载作用下呈现循环硬化行为,然而关于循环硬化行为的宏-微观相对应的机理解释的研究却不多见。本文通过3D-DEM实施了循环三轴数值模拟试验,研究了不同级配下颗粒材料在循环荷载下的循环硬化行为,并分析了(轴向)平均模量和由滑动接触造成的能量耗散的演化趋势。结果表明随着循环荷载的进行,平均模量逐渐增加并趋于渐进值。每个循环内的能量耗散随着循环数的增加不会一直衰减,存在一个阈值。不同颗粒级配下平均模量的增加指数和能量耗散衰减指数的大小相近(约为0.6),表明在描述循环荷载硬化行为时,无论是使用变形模量还是归一化能量耗散在结果上是一致的,即微观尺度上滑动接触引起的能量耗散映射出宏观尺度上平均模量的变化。颗粒平均粒径越大的颗粒体系,其平均模量越大,而且越早完成能量耗散过程,但不同的颗粒级配下对应的能量耗散阈值差异较小,基本上维持在一个常数(约为0.15)。
本文选取了5种具有毛细导水特性的布料进行了水中的排水试验、土中的排水试验、毛细上升试验以及核磁共振试验,对其排水性能和孔隙结构进行系统研究。旨在揭示其毛细吸水排水性能的机制,为寻找或生产出能够应用到我国一些含水率较高的非饱和土地区的土工材料做参考。结果表明,毛细导水材料在非饱和土中具有良好的排水效果,能够一定程度上提高非饱和土的排水速率。毛细导水材料在水中的排水试验表明,各材料的排水效果受毛细上升距离和空气相对湿度的影响。此外,通过对比不同种类的毛细导水材料在土中和水中排水性能的强弱,发现试验布料的排水性能大致可以分为两类:COOLPASS、COOLMAX和普通网布的排水性能最好,而SHCOOL和COOLPLUS的性能稍弱。通过核磁共振试验测得COOLPASS、COOLMAX和普通网布的孔隙大小约为53.4 μm,SHCOOL和COOLPLUS的孔隙大小约为37.8 μm。布料吸排水的强弱与其孔径大小及孔隙分布特征有关,综合考虑毛细导水材料毛细吸水和蒸发排水的两个过程,发现孔径较大且孔隙分布特征表现为稀疏的普通网布材料在非饱和土中的排水效果最佳,相同条件下比未设置毛细导水布料的土样含水率多降低了2.19%。在毛细上升高度试验中,COOLMAX的毛细上升高度最大,表明毛细导水材料的吸水能力与其孔隙分布特征有关,孔隙分布越密集,其吸水能力越强。 本文选取了5种具有毛细导水特性的布料进行了水中的排水试验、土中的排水试验、毛细上升试验以及核磁共振试验,对其排水性能和孔隙结构进行系统研究。旨在揭示其毛细吸水排水性能的机制,为寻找或生产出能够应用到我国一些含水率较高的非饱和土地区的土工材料做参考。结果表明,毛细导水材料在非饱和土中具有良好的排水效果,能够一定程度上提高非饱和土的排水速率。毛细导水材料在水中的排水试验表明,各材料的排水效果受毛细上升距离和空气相对湿度的影响。此外,通过对比不同种类的毛细导水材料在土中和水中排水性能的强弱,发现试验布料的排水性能大致可以分为两类:COOLPASS、COOLMAX和普通网布的排水性能最好,而SHCOOL和COOLPLUS的性能稍弱。通过核磁共振试验测得COOLPASS、COOLMAX和普通网布的孔隙大小约为53.4 μm,SHCOOL和COOLPLUS的孔隙大小约为37.8 μm。布料吸排水的强弱与其孔径大小及孔隙分布特征有关,综合考虑毛细导水材料毛细吸水和蒸发排水的两个过程,发现孔径较大且孔隙分布特征表现为稀疏的普通网布材料在非饱和土中的排水效果最佳,相同条件下比未设置毛细导水布料的土样含水率多降低了2.19%。在毛细上升高度试验中,COOLMAX的毛细上升高度最大,表明毛细导水材料的吸水能力与其孔隙分布特征有关,孔隙分布越密集,其吸水能力越强。
地质灾害
2022年9月5日四川甘孜泸定县发生6.8级地震,诱发了大量地质灾害,造成房屋损毁和多处道路阻断,并导致了严重的人员伤亡。快速预测地震诱发地质灾害空间分布对震后应急救援至关重要。为此,成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室利用已建立的地震诱发滑坡近实时预测模型,在震后2 h内,快速预测了地震诱发滑坡空间分布概率。同时,利用震后重点区域的无人机影像和国产高分六号影像,对地震诱发滑坡进行了智能识别和人工解译及现场调查复核,共解译滑坡3633处,总面积13.78 km2。研究发现本次泸定地震诱发滑坡,较2008年汶川和2017年九寨沟地震滑坡,规模相对较小。本次地震诱发滑坡主要分布于鲜水河断裂带和大渡河两侧,呈带状分布,在磨西镇、得妥镇及王岗坪彝族藏族乡等Ⅸ度烈度区相对集中。对控制滑坡空间分布的地形地貌、地质和地震3类因素9个因子进行分析,发现其主要分布在坡度35°~55°、高程1000~1800 m范围内;受断层控制强烈,主要分布在距断层1 km范围内;在花岗岩中最为发育。上述研究成果获得的地震诱发滑坡及受损道路和房屋分布情况,为震后应急救援提供了重要支撑。 2022年9月5日四川甘孜泸定县发生6.8级地震,诱发了大量地质灾害,造成房屋损毁和多处道路阻断,并导致了严重的人员伤亡。快速预测地震诱发地质灾害空间分布对震后应急救援至关重要。为此,成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室利用已建立的地震诱发滑坡近实时预测模型,在震后2 h内,快速预测了地震诱发滑坡空间分布概率。同时,利用震后重点区域的无人机影像和国产高分六号影像,对地震诱发滑坡进行了智能识别和人工解译及现场调查复核,共解译滑坡3633处,总面积13.78 km2。研究发现本次泸定地震诱发滑坡,较2008年汶川和2017年九寨沟地震滑坡,规模相对较小。本次地震诱发滑坡主要分布于鲜水河断裂带和大渡河两侧,呈带状分布,在磨西镇、得妥镇及王岗坪彝族藏族乡等Ⅸ度烈度区相对集中。对控制滑坡空间分布的地形地貌、地质和地震3类因素9个因子进行分析,发现其主要分布在坡度35°~55°、高程1000~1800 m范围内;受断层控制强烈,主要分布在距断层1 km范围内;在花岗岩中最为发育。上述研究成果获得的地震诱发滑坡及受损道路和房屋分布情况,为震后应急救援提供了重要支撑。
从实测数据中分析滑坡灾害的成因机理,对于准确识别潜在危险区与及时制定防治措施十分重要。由于现场监测数据的数量庞大、来源多样,常规的数据处理方法难以从海量监测数据中提取出有用的信息,进而对滑坡变形演化趋势作出正确评价和预测。本文基于经典数据挖掘方法中的两步聚类法与关联规则分析,提出了滑坡变形行为的关联分析挖掘技术,并以长江三峡库区新铺滑坡为例,对库水位波动及降雨影响下的特大滑坡位移速率进行了关联分析。结果表明:该滑坡的变形受库水位高程水平、库水位波动速率与降雨强度等因素的多重影响,水位下降、强降雨与滑坡变形密切相关;滑坡不同空间位置处的变形影响因素存在差异,由坡脚至坡顶,库水位波动的影响水平依次降低,降雨强度的影响水平逐渐增强。本文提出的数据挖掘方法可定量分析滑坡变形的控制因素,并通过与实测数据的对比验证了相关规则的可靠性,这对于海量监测数据条件下滑坡灾害的成因分析有重要意义。 从实测数据中分析滑坡灾害的成因机理,对于准确识别潜在危险区与及时制定防治措施十分重要。由于现场监测数据的数量庞大、来源多样,常规的数据处理方法难以从海量监测数据中提取出有用的信息,进而对滑坡变形演化趋势作出正确评价和预测。本文基于经典数据挖掘方法中的两步聚类法与关联规则分析,提出了滑坡变形行为的关联分析挖掘技术,并以长江三峡库区新铺滑坡为例,对库水位波动及降雨影响下的特大滑坡位移速率进行了关联分析。结果表明:该滑坡的变形受库水位高程水平、库水位波动速率与降雨强度等因素的多重影响,水位下降、强降雨与滑坡变形密切相关;滑坡不同空间位置处的变形影响因素存在差异,由坡脚至坡顶,库水位波动的影响水平依次降低,降雨强度的影响水平逐渐增强。本文提出的数据挖掘方法可定量分析滑坡变形的控制因素,并通过与实测数据的对比验证了相关规则的可靠性,这对于海量监测数据条件下滑坡灾害的成因分析有重要意义。
中国黄土高原滑坡灾害频发,且大多与降雨有关,而节理构造是导致黄土滑坡发生的重要因素之一。为进一步揭示节理对黄土滑坡的影响作用,本文以节理为研究切入点,基于实地考察,开展了预设节理工况下降雨诱发滑坡的大型物理模型试验。通过实时监测模型边坡内部土体含水率和孔隙水压力等指标参数随降雨过程的阶段性变化,分析了边坡内部节理裂隙的扩张与演化趋势,以及坡体位移和形变特征,对比揭示了节理的存在对于诱发滑坡的潜在机制及坡体响应规律。试验结果表明:节理对雨水在坡体内部的入渗具有明显的加速和促进作用,预设节理侧的边坡相对于不含节理侧,其土体含水率增速更快、增幅更大且影响范围更广;位于模型边坡中部的节理裂隙的张开度最大,含节理侧坡体的裂隙张开度约为不含节理侧的2倍,滑坡发生时,含节理侧的孔隙水压力的上升幅度相对较大;土体含水率对降雨的敏感度和变化幅度与埋深成反比,坡体浅表部含水率的响应较快且波动较大,而深部则相反。研究结果可为进一步厘清黄土滑坡的成因及破坏机理提供试验依据和理论参考。 中国黄土高原滑坡灾害频发,且大多与降雨有关,而节理构造是导致黄土滑坡发生的重要因素之一。为进一步揭示节理对黄土滑坡的影响作用,本文以节理为研究切入点,基于实地考察,开展了预设节理工况下降雨诱发滑坡的大型物理模型试验。通过实时监测模型边坡内部土体含水率和孔隙水压力等指标参数随降雨过程的阶段性变化,分析了边坡内部节理裂隙的扩张与演化趋势,以及坡体位移和形变特征,对比揭示了节理的存在对于诱发滑坡的潜在机制及坡体响应规律。试验结果表明:节理对雨水在坡体内部的入渗具有明显的加速和促进作用,预设节理侧的边坡相对于不含节理侧,其土体含水率增速更快、增幅更大且影响范围更广;位于模型边坡中部的节理裂隙的张开度最大,含节理侧坡体的裂隙张开度约为不含节理侧的2倍,滑坡发生时,含节理侧的孔隙水压力的上升幅度相对较大;土体含水率对降雨的敏感度和变化幅度与埋深成反比,坡体浅表部含水率的响应较快且波动较大,而深部则相反。研究结果可为进一步厘清黄土滑坡的成因及破坏机理提供试验依据和理论参考。
土石混合体是物理力学性质较为复杂的地质材料,因此该类斜坡的稳定性评价是工程地质领域的重要课题。为提高斜坡稳定性预测的能力,本文将粒子群算法和果蝇优化算法相互耦合,形成融合算法,并结合机器学习模型,使用决定系数、均方误差和平均绝对误差3个评价指标,构建并评价土石混合体斜坡稳定性的预测模型,最终采用基于融合算法的梯度提升决策树模型对输入参数进行了重要性分析。结果表明:(1)相比于粒子群和果蝇优化算法,融合算法能够有效优化机器学习模型的参数,从而较为明显地提升模型预测精度。(2)基于融合算法的梯度提升决策树模型预测精度最高,达到93.33%,明显优于融合算法下的决策树模型和Stacking模型。(3)影响土石混合体斜坡稳定性的结构因素,其重要性从高到低分别为基覆面倾角、含石率、总体坡角、坡高。 土石混合体是物理力学性质较为复杂的地质材料,因此该类斜坡的稳定性评价是工程地质领域的重要课题。为提高斜坡稳定性预测的能力,本文将粒子群算法和果蝇优化算法相互耦合,形成融合算法,并结合机器学习模型,使用决定系数、均方误差和平均绝对误差3个评价指标,构建并评价土石混合体斜坡稳定性的预测模型,最终采用基于融合算法的梯度提升决策树模型对输入参数进行了重要性分析。结果表明:(1)相比于粒子群和果蝇优化算法,融合算法能够有效优化机器学习模型的参数,从而较为明显地提升模型预测精度。(2)基于融合算法的梯度提升决策树模型预测精度最高,达到93.33%,明显优于融合算法下的决策树模型和Stacking模型。(3)影响土石混合体斜坡稳定性的结构因素,其重要性从高到低分别为基覆面倾角、含石率、总体坡角、坡高。
本文以地质灾害多发的新疆玛纳斯河流域作为研究区,在剖析了信息量模型、逻辑回归模型在地质灾害易发性评价中各自的优势与局限性的基础上,探索了信息量-逻辑回归耦合模型的科学性与优势;基于该区域地质环境与最新地质灾害数据,选取地形起伏度、坡度、坡向、土地利用类型、地层岩性、地形湿度指数(TWI)、河流、断层、高程9个影响因素作为评价因子,以全区355处地质灾害点为样本数据,在进行评价因子分析的基础上,通过ArcGIS平台对玛纳斯河流域进行了地质灾害易发性评价。评价结果表明,地质灾害高易发区主要分布于流域南部中低山丘陵地区,高易发区与较高易发区的面积分别为1760 km2、2200 km2,占研究区总面积7.98%、9.97%。经检验评价精度高达91.3%,该研究可为当地地质灾害防治与国土空间规划提供重要参考。 本文以地质灾害多发的新疆玛纳斯河流域作为研究区,在剖析了信息量模型、逻辑回归模型在地质灾害易发性评价中各自的优势与局限性的基础上,探索了信息量-逻辑回归耦合模型的科学性与优势;基于该区域地质环境与最新地质灾害数据,选取地形起伏度、坡度、坡向、土地利用类型、地层岩性、地形湿度指数(TWI)、河流、断层、高程9个影响因素作为评价因子,以全区355处地质灾害点为样本数据,在进行评价因子分析的基础上,通过ArcGIS平台对玛纳斯河流域进行了地质灾害易发性评价。评价结果表明,地质灾害高易发区主要分布于流域南部中低山丘陵地区,高易发区与较高易发区的面积分别为1760 km2、2200 km2,占研究区总面积7.98%、9.97%。经检验评价精度高达91.3%,该研究可为当地地质灾害防治与国土空间规划提供重要参考。
众所周知,库水位变化和降雨复合动力往往是水库型滑坡的变形和破坏主因。本文在系统分析水库型边坡位移、库水位及降雨变化规律基础上,提出与确定了降雨与库水动力转换系数k的计算方法,并通过转换系数k将降雨动力与库水动力这两种不同的水动力增载效应进行了有机耦合叠加,建立了复合水动力增载参数的计算方法。并将复合水动力变化量及其位移变化量作为动力增载及其响应参数,建立了水库型滑坡复合水动力增载位移响应比物理预测参数与模型。同时,运用该模型对白水河滑坡复合水动力作用下的稳定性演化规律进行了系统分析与评价,结果表明该滑坡复合水动力增载位移响应比的变化规律与其稳定性动态演化规律相吻合,表明复合水动力增载位移响应比参数是一种水库型滑坡有效的物理评价参数,可运用该物理评价参数与预测模型对该类滑坡稳定性进行分析与评价。 众所周知,库水位变化和降雨复合动力往往是水库型滑坡的变形和破坏主因。本文在系统分析水库型边坡位移、库水位及降雨变化规律基础上,提出与确定了降雨与库水动力转换系数k的计算方法,并通过转换系数k将降雨动力与库水动力这两种不同的水动力增载效应进行了有机耦合叠加,建立了复合水动力增载参数的计算方法。并将复合水动力变化量及其位移变化量作为动力增载及其响应参数,建立了水库型滑坡复合水动力增载位移响应比物理预测参数与模型。同时,运用该模型对白水河滑坡复合水动力作用下的稳定性演化规律进行了系统分析与评价,结果表明该滑坡复合水动力增载位移响应比的变化规律与其稳定性动态演化规律相吻合,表明复合水动力增载位移响应比参数是一种水库型滑坡有效的物理评价参数,可运用该物理评价参数与预测模型对该类滑坡稳定性进行分析与评价。
滑坡形态要素及发育特征研究是古(老)滑坡野外调查和遥感影像识别以及复杂艰险山区基础设施选线(址)工程地质研究的重要内容。青藏高原东缘地质环境条件复杂,在内外动力地质作用下该区域发育有大量古(老)滑坡体。本文以位于青藏高原东缘毛垭坝盆地的大型老滑坡——乱石包滑坡为例,以滑坡塘形态要素为研究对象,综合利用无人机摄影测量技术、水文地质调查、自然电位地球物理勘探以及渗流数值模拟等研究方法,探明了乱石包滑坡塘形态要素几何特征和渗流发育特征并揭示了其成因和演化机制。研究结果表明乱石包滑坡发生后在滑坡后缘平台和主滑壁处形成低洼地形,地下水沿该处发育的理塘—德巫断裂产生泉水出露,地下水持续补给最终形成体积约为5505 m3的大型滑坡塘,最大水深位于滑坡塘西侧,深度约为2 m。滑坡运动过程中在滑坡后缘平台下部形成次级滑壁,在上部滑坡塘高水头长期作用下,物质结构松散破碎的滑坡后缘平台西侧坡体内形成内部渗流并在陡峭的次级滑壁中部产生泉水出露,进而在下部滑坡洼地处形成体积约为35 m3的小型滑坡塘。长期渗流作用下,堆积体内部存在渗流潜蚀风险,建议后期针对次级滑壁上泉水出露点的渗流潜蚀速率开展长期观测研究,为乱石包滑坡塘演化研究提供重要依据。 滑坡形态要素及发育特征研究是古(老)滑坡野外调查和遥感影像识别以及复杂艰险山区基础设施选线(址)工程地质研究的重要内容。青藏高原东缘地质环境条件复杂,在内外动力地质作用下该区域发育有大量古(老)滑坡体。本文以位于青藏高原东缘毛垭坝盆地的大型老滑坡——乱石包滑坡为例,以滑坡塘形态要素为研究对象,综合利用无人机摄影测量技术、水文地质调查、自然电位地球物理勘探以及渗流数值模拟等研究方法,探明了乱石包滑坡塘形态要素几何特征和渗流发育特征并揭示了其成因和演化机制。研究结果表明乱石包滑坡发生后在滑坡后缘平台和主滑壁处形成低洼地形,地下水沿该处发育的理塘—德巫断裂产生泉水出露,地下水持续补给最终形成体积约为5505 m3的大型滑坡塘,最大水深位于滑坡塘西侧,深度约为2 m。滑坡运动过程中在滑坡后缘平台下部形成次级滑壁,在上部滑坡塘高水头长期作用下,物质结构松散破碎的滑坡后缘平台西侧坡体内形成内部渗流并在陡峭的次级滑壁中部产生泉水出露,进而在下部滑坡洼地处形成体积约为35 m3的小型滑坡塘。长期渗流作用下,堆积体内部存在渗流潜蚀风险,建议后期针对次级滑壁上泉水出露点的渗流潜蚀速率开展长期观测研究,为乱石包滑坡塘演化研究提供重要依据。
山西壶关太行山大峡谷景区为中国最美十大峡谷之一,但景区落石灾害频发,严重威胁景区安全运营。本文基于高精度地形信息与岩土体强度特性,采用坡度角分布方法开展区域尺度潜在落石源区识别,并引入岩体破坏敏感性指标定量描述潜在落石源区失稳概率。然后,利用经验模型Flow-R模拟落石运动扩散过程,获取落石的传播概率与能量分布情况。最后,提出落石危险性双因子评价模型实现落石危险性定量评估。获得主要结论如下:(1)研究区内潜在落石源区面积为25.7 km2(35.7%),主要以条带状分布于峡谷两侧陡壁。其中岩体破坏高敏感性区为3.3 km2。(2)研究区落石高危险区面积达3.22 km2,主要威胁景区内游客集散地与交通线路,尤其在S327荫林线红豆峡入口处落石危险性最高。(3)野外调查验证结果表明了应用坡度角分布方法识别潜在落石源区的高效性与准确性,提出的双因子评价模型可为峡谷区落石危险性评估提供快速解决方案。本文提出的“区域落石源区识别-源区失稳概率分析-落石危险性评估”的一整套技术方案能够为类似的高山峡谷区落石灾害早期识别及风险防控提供技术参考。 山西壶关太行山大峡谷景区为中国最美十大峡谷之一,但景区落石灾害频发,严重威胁景区安全运营。本文基于高精度地形信息与岩土体强度特性,采用坡度角分布方法开展区域尺度潜在落石源区识别,并引入岩体破坏敏感性指标定量描述潜在落石源区失稳概率。然后,利用经验模型Flow-R模拟落石运动扩散过程,获取落石的传播概率与能量分布情况。最后,提出落石危险性双因子评价模型实现落石危险性定量评估。获得主要结论如下:(1)研究区内潜在落石源区面积为25.7 km2(35.7%),主要以条带状分布于峡谷两侧陡壁。其中岩体破坏高敏感性区为3.3 km2。(2)研究区落石高危险区面积达3.22 km2,主要威胁景区内游客集散地与交通线路,尤其在S327荫林线红豆峡入口处落石危险性最高。(3)野外调查验证结果表明了应用坡度角分布方法识别潜在落石源区的高效性与准确性,提出的双因子评价模型可为峡谷区落石危险性评估提供快速解决方案。本文提出的“区域落石源区识别-源区失稳概率分析-落石危险性评估”的一整套技术方案能够为类似的高山峡谷区落石灾害早期识别及风险防控提供技术参考。
红层软岩透水性弱、亲水性强,受含水量和水热(温度和降雨)变化影响极易发生软化崩解,给红层软岩地区工程建设和地质环境带来挑战。为研究不同含水量和多种水热试验工况下红层软岩的崩解特征和微观机理,以川西金堂县和中江县两处开挖红层软岩边坡工程为依托,利用自制降雨装置和温控设备,开展不同梯度初始含水量红层软岩在多种水热试验工况下的循环崩解试验。从红层软岩宏观形貌演变、微观结构及矿物组成、崩解系数、R值(崩解质量损失率)和崩解后颗粒分析5个方面对红层软岩崩解情况进行了研究,试验结果表明:红层软岩宏观形貌演变特征与微观结构变化及矿物差异存在一定的对应关系;黏土矿物的含量是红层软岩发生崩解的主要内因且与崩解呈正相关关系;崩解程度与初始含水量及水热效应联系密切;两处红层软岩R最小/大值差距明显,分别为0.22%、0.05%和1.63%、2.17%;粒径分布对红层软岩的崩解程度具有较好的评价作用,崩解越强烈,大颗粒越少,小颗粒越多,小颗粒更集中于0.075~0.5 mm之间。崩解系数、R值和最终粒径分布曲线可以很好地结合起来对红层软岩的崩解进行量化分析,并与微观结构及矿物差异相联系解释红层软岩的崩解演变特征。研究成果可为金堂、中江及其他红层软岩地区的工程建设和地质评价提供一定参考。 红层软岩透水性弱、亲水性强,受含水量和水热(温度和降雨)变化影响极易发生软化崩解,给红层软岩地区工程建设和地质环境带来挑战。为研究不同含水量和多种水热试验工况下红层软岩的崩解特征和微观机理,以川西金堂县和中江县两处开挖红层软岩边坡工程为依托,利用自制降雨装置和温控设备,开展不同梯度初始含水量红层软岩在多种水热试验工况下的循环崩解试验。从红层软岩宏观形貌演变、微观结构及矿物组成、崩解系数、R值(崩解质量损失率)和崩解后颗粒分析5个方面对红层软岩崩解情况进行了研究,试验结果表明:红层软岩宏观形貌演变特征与微观结构变化及矿物差异存在一定的对应关系;黏土矿物的含量是红层软岩发生崩解的主要内因且与崩解呈正相关关系;崩解程度与初始含水量及水热效应联系密切;两处红层软岩R最小/大值差距明显,分别为0.22%、0.05%和1.63%、2.17%;粒径分布对红层软岩的崩解程度具有较好的评价作用,崩解越强烈,大颗粒越少,小颗粒越多,小颗粒更集中于0.075~0.5 mm之间。崩解系数、R值和最终粒径分布曲线可以很好地结合起来对红层软岩的崩解进行量化分析,并与微观结构及矿物差异相联系解释红层软岩的崩解演变特征。研究成果可为金堂、中江及其他红层软岩地区的工程建设和地质评价提供一定参考。
库区滑坡失稳每年不同程度影响区内人民生活和生产安全,滑坡位移精准预测对于灾害风险预警及防灾减灾十分重要。常规的位移预测方法未充分考虑降雨、库水位波动等诱发因素对滑坡变形的时滞效应,无法精确识别滞后天数及各因素的影响程度,制约了预测精度的提高。本文以三峡库区新铺滑坡为例,根据2021年度的位移监测与水文气象数据集,利用皮尔逊相关系数法定量描述了山坡尺度上降雨、库水位波动对滑坡变形的时滞效应,结合BP神经网络建立了一种考虑时滞效应的滑坡位移预测模型。分析结果表明:在山坡尺度上,库水位波动对地表变形的时滞效应明显,滞后时间呈现出从近岸向远岸逐渐增加的规律;降雨量对地表变形的时滞效应较弱,在山坡尺度上呈现相关度不高、滞后天数较短的规律;与未考虑时滞因素的模型相比,本研究中的滑坡位移预测模型拟合优度提升了55.77%,均方根误差降低了31.60%,模型预测精度显著提高。研究成果一定程度上揭示了特大型库区滑坡的变形机理,并为同类滑坡的位移精准预测提供了参考依据。 库区滑坡失稳每年不同程度影响区内人民生活和生产安全,滑坡位移精准预测对于灾害风险预警及防灾减灾十分重要。常规的位移预测方法未充分考虑降雨、库水位波动等诱发因素对滑坡变形的时滞效应,无法精确识别滞后天数及各因素的影响程度,制约了预测精度的提高。本文以三峡库区新铺滑坡为例,根据2021年度的位移监测与水文气象数据集,利用皮尔逊相关系数法定量描述了山坡尺度上降雨、库水位波动对滑坡变形的时滞效应,结合BP神经网络建立了一种考虑时滞效应的滑坡位移预测模型。分析结果表明:在山坡尺度上,库水位波动对地表变形的时滞效应明显,滞后时间呈现出从近岸向远岸逐渐增加的规律;降雨量对地表变形的时滞效应较弱,在山坡尺度上呈现相关度不高、滞后天数较短的规律;与未考虑时滞因素的模型相比,本研究中的滑坡位移预测模型拟合优度提升了55.77%,均方根误差降低了31.60%,模型预测精度显著提高。研究成果一定程度上揭示了特大型库区滑坡的变形机理,并为同类滑坡的位移精准预测提供了参考依据。
地质工程
锚索-抗滑桩组合结构是高大边坡加固的主要措施。加固设计时,传统的安全系数不能考虑地震波频谱特性的影响。为了准确的评价边坡的稳定性,开展性能设计方法的研究。基于极限分析法,推导了抗滑桩位移公式。在易损性的框架下对比了远、近场地震波的差异。结果表明:(1)将结构非线性模型引入到Newmark法可以实现抗滑力的实时更新。指数模型的评估结果更保守。(2)考虑到地震荷载存在较大的离散性,基于性能的设计方法更具合理性。易损性曲线可以用来定量分析边坡的失稳概率。(3)边坡的破坏状态与地震强度和地震动类型有关。当地震强度较低时,失效模式以轻微损坏和中等损坏为主。随地震强度增大,边坡更易发生严重破坏。近场脉冲地震具有能量大、冲击强的特点,更容易造成边坡的失稳。 锚索-抗滑桩组合结构是高大边坡加固的主要措施。加固设计时,传统的安全系数不能考虑地震波频谱特性的影响。为了准确的评价边坡的稳定性,开展性能设计方法的研究。基于极限分析法,推导了抗滑桩位移公式。在易损性的框架下对比了远、近场地震波的差异。结果表明:(1)将结构非线性模型引入到Newmark法可以实现抗滑力的实时更新。指数模型的评估结果更保守。(2)考虑到地震荷载存在较大的离散性,基于性能的设计方法更具合理性。易损性曲线可以用来定量分析边坡的失稳概率。(3)边坡的破坏状态与地震强度和地震动类型有关。当地震强度较低时,失效模式以轻微损坏和中等损坏为主。随地震强度增大,边坡更易发生严重破坏。近场脉冲地震具有能量大、冲击强的特点,更容易造成边坡的失稳。
城市地质环境,作为城市可持续发展的重要载体,能够为人类的生产生活提供必要的土地、矿产等资源;然而另一方面,仍存在一系列的不良地质现象,例如地面沉降、滑坡等,严重威胁着城市的健康与安全。在此基础上,需要一种全新的评价方法用于城市日常管理,明确城市各区域当前的具体状态,据此提出了城市地质环境健康度的基本概念。对其评价需要综合运用地质学的理论与实践方法,从城市建设与管理、居民生活与安全的角度出发,在对地质环境做出全面且系统的调查与分析的基础上,给出定量的评价,确定城市不同区域的健康等级。在本文中,主要工作是完整构建出城市地质环境健康度的理论体系,明确城市地质环境健康度的概念、解释其内涵与外延、分析其影响因素、建立相应的评价体系,并给出该评价体系的使用方法,具体以上海市为例,运用建立的体系评价上海各区域的地质环境健康度等级。 城市地质环境,作为城市可持续发展的重要载体,能够为人类的生产生活提供必要的土地、矿产等资源;然而另一方面,仍存在一系列的不良地质现象,例如地面沉降、滑坡等,严重威胁着城市的健康与安全。在此基础上,需要一种全新的评价方法用于城市日常管理,明确城市各区域当前的具体状态,据此提出了城市地质环境健康度的基本概念。对其评价需要综合运用地质学的理论与实践方法,从城市建设与管理、居民生活与安全的角度出发,在对地质环境做出全面且系统的调查与分析的基础上,给出定量的评价,确定城市不同区域的健康等级。在本文中,主要工作是完整构建出城市地质环境健康度的理论体系,明确城市地质环境健康度的概念、解释其内涵与外延、分析其影响因素、建立相应的评价体系,并给出该评价体系的使用方法,具体以上海市为例,运用建立的体系评价上海各区域的地质环境健康度等级。
厚度大且为强-弱-强渗透性组合的覆盖层在我国西南河流中分布较广。为研究此类夹层型水文地质结构覆盖层中坝基渗流场的特征及其影响因素,利用Visual MODFLOW模拟了给定覆盖层厚度下强弱渗透性层组的不同渗透性比值、不同厚度比值,和变覆盖层厚度下不同弱透水层厚度这两种类型16种工况下的渗流场,通过监测坝基渗流场中弱透水层顶底板的水头差和水力坡度,研究弱透水层渗透性和厚度对渗流场的影响。结果表明:强-弱-强夹层型水文地质结构的坝基平面渗流场受上层强透水覆盖层性质控制;给定覆盖层厚度工况中,弱透水层顶底板的水头差与强弱透水层渗透性比值相关,两者先表现出正相关的关系,当强弱透水层渗透性比值大于500时,弱透水层顶底板的水头差变化不再明显;变覆盖层厚度工况中,弱透水层顶底板的水头差也呈现出先增大后趋于稳定的趋势,转折点发生在弱透水层厚度20m的工况条件下;变覆盖层厚度工况中水力坡度则有着随着弱透水层厚度增大而变小的规律。综上所述,在夹层型水文地质结构中,弱透水层厚度与渗透性对渗流场起控制作用。研究结果可为深厚覆盖层河谷区的水电水利工程坝基水害防治提供依据。 厚度大且为强-弱-强渗透性组合的覆盖层在我国西南河流中分布较广。为研究此类夹层型水文地质结构覆盖层中坝基渗流场的特征及其影响因素,利用Visual MODFLOW模拟了给定覆盖层厚度下强弱渗透性层组的不同渗透性比值、不同厚度比值,和变覆盖层厚度下不同弱透水层厚度这两种类型16种工况下的渗流场,通过监测坝基渗流场中弱透水层顶底板的水头差和水力坡度,研究弱透水层渗透性和厚度对渗流场的影响。结果表明:强-弱-强夹层型水文地质结构的坝基平面渗流场受上层强透水覆盖层性质控制;给定覆盖层厚度工况中,弱透水层顶底板的水头差与强弱透水层渗透性比值相关,两者先表现出正相关的关系,当强弱透水层渗透性比值大于500时,弱透水层顶底板的水头差变化不再明显;变覆盖层厚度工况中,弱透水层顶底板的水头差也呈现出先增大后趋于稳定的趋势,转折点发生在弱透水层厚度20m的工况条件下;变覆盖层厚度工况中水力坡度则有着随着弱透水层厚度增大而变小的规律。综上所述,在夹层型水文地质结构中,弱透水层厚度与渗透性对渗流场起控制作用。研究结果可为深厚覆盖层河谷区的水电水利工程坝基水害防治提供依据。
煤层采动覆岩沉降提前于地表,可作为地表稳定性的预警指标。针对煤层开采引起的覆岩沉降预测问题,采用分布式光纤感测技术,通过制作大柳塔煤矿采动覆岩相似材料试验模型,研究了煤层开采引起的覆岩变形特征,基于灰色理论和Knothe时间函数,建立了基于实测应变的采动覆岩沉降预测模型,探讨了预测精度,并取得了如下研究成果:有关分布式光纤感测技术的覆岩应变分布,准确反映了垮落带和导水裂缝带的发育特征,基于GM(1,1)模型和新陈代谢模型的覆岩沉降预测精度较好但限于短期预测;当相对残差最大值与相对残差和均取最小值时,Knothe时间函数中获得较为准确的参数c值和τ值并提高了预测精度,建立了大柳塔煤层覆岩动态沉降预测模型的表达式,其预测模型适用于覆岩沉降的前期阶段和后期阶段。 煤层采动覆岩沉降提前于地表,可作为地表稳定性的预警指标。针对煤层开采引起的覆岩沉降预测问题,采用分布式光纤感测技术,通过制作大柳塔煤矿采动覆岩相似材料试验模型,研究了煤层开采引起的覆岩变形特征,基于灰色理论和Knothe时间函数,建立了基于实测应变的采动覆岩沉降预测模型,探讨了预测精度,并取得了如下研究成果:有关分布式光纤感测技术的覆岩应变分布,准确反映了垮落带和导水裂缝带的发育特征,基于GM(1,1)模型和新陈代谢模型的覆岩沉降预测精度较好但限于短期预测;当相对残差最大值与相对残差和均取最小值时,Knothe时间函数中获得较为准确的参数c值和τ值并提高了预测精度,建立了大柳塔煤层覆岩动态沉降预测模型的表达式,其预测模型适用于覆岩沉降的前期阶段和后期阶段。
岩体结构特征的准确表征对边坡稳定性评价具有重要影响。由于高陡边坡岩体结构的人工编录工作开展困难,结构几何信息往往获取不全面,导致边坡数值模型构建往往不理想。以江西德兴银山铜矿露天边坡为工程背景,采用无人机与运动恢复结构法(SfM)获取边坡岩体点云模型。基于点云数据建立结构面识别和解译算法,自动获取结构面产状、迹长、间距等几何信息。对比人工测量结果,无人机测量与结构面识别能够获取更符合实际的坡面与岩体结构模型。采用非均匀有理B样条(NURBS)曲面重构和“Rhino-Griddle-3DEC”联合建模方法,结合岩体结构统计模型构建离散裂隙网络DFN能够快速建立三维离散元数值模型,从而获得更好的数值模拟计算结果,满足岩质高边坡稳定性评价的需要。 岩体结构特征的准确表征对边坡稳定性评价具有重要影响。由于高陡边坡岩体结构的人工编录工作开展困难,结构几何信息往往获取不全面,导致边坡数值模型构建往往不理想。以江西德兴银山铜矿露天边坡为工程背景,采用无人机与运动恢复结构法(SfM)获取边坡岩体点云模型。基于点云数据建立结构面识别和解译算法,自动获取结构面产状、迹长、间距等几何信息。对比人工测量结果,无人机测量与结构面识别能够获取更符合实际的坡面与岩体结构模型。采用非均匀有理B样条(NURBS)曲面重构和“Rhino-Griddle-3DEC”联合建模方法,结合岩体结构统计模型构建离散裂隙网络DFN能够快速建立三维离散元数值模型,从而获得更好的数值模拟计算结果,满足岩质高边坡稳定性评价的需要。
卵砾石地层被掘削时,其主要破坏模式并非一般的宏观整体剪切破坏,而是刀具切入卵砾石间的缝隙,将卵砾石颗粒剥离出原始地层,该过程较为契合颗粒离散元的物理力学假设。为确定掘削工况下的颗粒材料最优细观参数,对不同的颗粒接触法向刚度、接触刚度比、粒间摩擦系数、颗粒形状、颗粒尺寸等的颗粒材料开展了截割三维仿真试验,并分析研究了不同细观参数对掘削效果的影响。计算结果显示:颗粒接触法向刚度、接触刚度比的多种细观参数组合可以对应同一个宏观弹性模量值,接触刚度比大的细观参数组合的抗掘削能力更大。颗粒形状、粒间摩擦系数的多种细观参数组合可以对应同一个内摩擦角值,形状复杂的颗粒材料具有更大的抗掘削能力。在宏观参数相同的情况下,平均粒径更大的颗粒材料抗掘削能力更大。因此,利用颗粒离散元模拟掘削卵砾石地层问题时,除需保证虚拟颗粒材料的宏观整体剪切破坏响应与真实材料基本一致外,还需根据材料的抗掘削能力进一步标定细观参数,以获得更贴近实际情况的模拟效果。文章提出的方法可以为其他颗粒离散元掘削工况数值模拟中的参数标定提供参照依据。 卵砾石地层被掘削时,其主要破坏模式并非一般的宏观整体剪切破坏,而是刀具切入卵砾石间的缝隙,将卵砾石颗粒剥离出原始地层,该过程较为契合颗粒离散元的物理力学假设。为确定掘削工况下的颗粒材料最优细观参数,对不同的颗粒接触法向刚度、接触刚度比、粒间摩擦系数、颗粒形状、颗粒尺寸等的颗粒材料开展了截割三维仿真试验,并分析研究了不同细观参数对掘削效果的影响。计算结果显示:颗粒接触法向刚度、接触刚度比的多种细观参数组合可以对应同一个宏观弹性模量值,接触刚度比大的细观参数组合的抗掘削能力更大。颗粒形状、粒间摩擦系数的多种细观参数组合可以对应同一个内摩擦角值,形状复杂的颗粒材料具有更大的抗掘削能力。在宏观参数相同的情况下,平均粒径更大的颗粒材料抗掘削能力更大。因此,利用颗粒离散元模拟掘削卵砾石地层问题时,除需保证虚拟颗粒材料的宏观整体剪切破坏响应与真实材料基本一致外,还需根据材料的抗掘削能力进一步标定细观参数,以获得更贴近实际情况的模拟效果。文章提出的方法可以为其他颗粒离散元掘削工况数值模拟中的参数标定提供参照依据。
大埋深、高地应力隧洞围岩变形问题是制约TBM隧洞安全及高效施工的关键性因素之一。隧洞埋深大、地应力高、岩石强度高、工程条件复杂,在施工过程中因开挖卸载,围岩变形随时间及应力集中程度不同表现出不同的破裂变形形式,引发拱顶沉降、拱底隆起,严重威胁施工人员及机械设备安全。本文选取引汉济渭工程秦岭隧洞岭北段K45+534.70~K45+701.92区间,分析了围岩破裂形式、隧洞拱肩及拱顶变形特征,探讨了高地应力条件下围岩破裂变形过程,揭示了围岩破裂变形规律及内在机制,提出了高地应力硬岩隧洞围岩破裂变形支护措施。结果表明:大埋深、高地应力围岩在切向应力作用下发生以劈裂为主的张剪破坏,表现为岩爆及静态脆性破坏(片帮、溃屈、板裂)两大类。隧洞围岩破裂变形分为急剧变形、快速变形及缓慢变形3个阶段,前两个阶段可达总变形量的60% ~80%;隧洞拱顶变形随应力条件不同可能出现二次甚至三次加速变形,初次加速主要原因为张开裂隙、岩板剪胀及部分岩板挠屈弯折,发生速度快、持续时间短;二次加速主要由岩板挠屈弯折及岩块碎胀引起,变形速度小但持续时间长。针对高地应力隧洞围岩破裂变形特征,提出了包括吸能锚杆、钢筋挂网、钢纤维混凝土等在内的围岩支护措施,为相似工程TBM隧洞安全高效施工提供了工程经验与理论依据。 大埋深、高地应力隧洞围岩变形问题是制约TBM隧洞安全及高效施工的关键性因素之一。隧洞埋深大、地应力高、岩石强度高、工程条件复杂,在施工过程中因开挖卸载,围岩变形随时间及应力集中程度不同表现出不同的破裂变形形式,引发拱顶沉降、拱底隆起,严重威胁施工人员及机械设备安全。本文选取引汉济渭工程秦岭隧洞岭北段K45+534.70~K45+701.92区间,分析了围岩破裂形式、隧洞拱肩及拱顶变形特征,探讨了高地应力条件下围岩破裂变形过程,揭示了围岩破裂变形规律及内在机制,提出了高地应力硬岩隧洞围岩破裂变形支护措施。结果表明:大埋深、高地应力围岩在切向应力作用下发生以劈裂为主的张剪破坏,表现为岩爆及静态脆性破坏(片帮、溃屈、板裂)两大类。隧洞围岩破裂变形分为急剧变形、快速变形及缓慢变形3个阶段,前两个阶段可达总变形量的60% ~80%;隧洞拱顶变形随应力条件不同可能出现二次甚至三次加速变形,初次加速主要原因为张开裂隙、岩板剪胀及部分岩板挠屈弯折,发生速度快、持续时间短;二次加速主要由岩板挠屈弯折及岩块碎胀引起,变形速度小但持续时间长。针对高地应力隧洞围岩破裂变形特征,提出了包括吸能锚杆、钢筋挂网、钢纤维混凝土等在内的围岩支护措施,为相似工程TBM隧洞安全高效施工提供了工程经验与理论依据。
评估地质条件以及开挖风险是地下空间设计和施工中的重要阶段之一。在选择合适的开挖方法和支护系统时,识别和估计岩体的变形潜在趋势非常重要。在本研究中,对萍莲高速莲花隧道中的岩体变形潜在趋势进行了研究。首先介绍了莲花隧道的工程地质环境、隧道围岩工程特性、岩体质量评价以及现场实测的隧道变形情况,然后运用经验法和半经验-半理论法预测莲花隧道变形趋势,并将预测结果与实际变形监测情况进行对比。结果表明,莲花隧道的大变形主要受松散破碎、遇水膨胀的软弱围岩和丰富的地下与地表水以及断层破碎带与构造活动的影响。对于莲花隧道而言,现行大变形预测方法普遍存在一定问题:经验法主要依据岩体质量分级结果进行变形趋势预测,具有一定的主观性,其预测结果与实际变形情况存在一定偏差;半经验-半理论方法中运用围岩强度与应力关系进行预测效果较好,但基于围岩强度应力比的Jethwa法、Hoek法与ISRM法预测结果偏保守,且针对无变形段的预测效果较差。综上所述,在工程勘察与设计阶段,应客观、细致地进行围岩质量分级、地应力量测、地下水与地质构造勘探等工作,结合经验法、半经验-半理论方法对大变形趋势和变形量值进行预测,综合研判隧洞沿线变形趋势,为大变形支护结构设计、施工措施提供充分可靠的依据。 评估地质条件以及开挖风险是地下空间设计和施工中的重要阶段之一。在选择合适的开挖方法和支护系统时,识别和估计岩体的变形潜在趋势非常重要。在本研究中,对萍莲高速莲花隧道中的岩体变形潜在趋势进行了研究。首先介绍了莲花隧道的工程地质环境、隧道围岩工程特性、岩体质量评价以及现场实测的隧道变形情况,然后运用经验法和半经验-半理论法预测莲花隧道变形趋势,并将预测结果与实际变形监测情况进行对比。结果表明,莲花隧道的大变形主要受松散破碎、遇水膨胀的软弱围岩和丰富的地下与地表水以及断层破碎带与构造活动的影响。对于莲花隧道而言,现行大变形预测方法普遍存在一定问题:经验法主要依据岩体质量分级结果进行变形趋势预测,具有一定的主观性,其预测结果与实际变形情况存在一定偏差;半经验-半理论方法中运用围岩强度与应力关系进行预测效果较好,但基于围岩强度应力比的Jethwa法、Hoek法与ISRM法预测结果偏保守,且针对无变形段的预测效果较差。综上所述,在工程勘察与设计阶段,应客观、细致地进行围岩质量分级、地应力量测、地下水与地质构造勘探等工作,结合经验法、半经验-半理论方法对大变形趋势和变形量值进行预测,综合研判隧洞沿线变形趋势,为大变形支护结构设计、施工措施提供充分可靠的依据。
大断面矩形顶管上跨既有地铁隧道施工过程中,由于近距离开挖出土卸荷,导致既有地铁隧道产生上浮变形,危及地铁运营安全。本文以北京市通州区畅和西路(兆善大街—潞阳大街)综合管廊矩形顶管工程为背景,采用FLAC3D有限差分软件建立了大断面矩形顶管上跨既有地铁隧道的三维数值模型,研究了双线矩形顶管上跨施工引起地铁隧道上浮的变形规律以及采用不同抗浮配重对既有地铁隧道的变形影响,并将模拟结果与现场监测数据进行对比,验证了数值模型的准确性。研究结果表明:双线顶管上跨施工引起地铁隧道的上浮变形大于单线顶管引起的上浮变形,且最大上浮变形均位于顶管隧道轴线处;施加与开挖损失土体近似重量的配重,可改变地铁隧道原有水平变形规律,导致先穿越的地铁隧道整体向始发井方向移动,后穿越的地铁隧道整体向接收井方向移动。随抗浮配重的增加,地铁隧道上浮位移减小,所受拉应力减小,且施加开挖损失土体重量50%的抗浮配重,可以将地铁上浮变形控制在1.4 mm以内;研究成果为该工程地铁隧道抗浮设计提供了参考依据。 大断面矩形顶管上跨既有地铁隧道施工过程中,由于近距离开挖出土卸荷,导致既有地铁隧道产生上浮变形,危及地铁运营安全。本文以北京市通州区畅和西路(兆善大街—潞阳大街)综合管廊矩形顶管工程为背景,采用FLAC3D有限差分软件建立了大断面矩形顶管上跨既有地铁隧道的三维数值模型,研究了双线矩形顶管上跨施工引起地铁隧道上浮的变形规律以及采用不同抗浮配重对既有地铁隧道的变形影响,并将模拟结果与现场监测数据进行对比,验证了数值模型的准确性。研究结果表明:双线顶管上跨施工引起地铁隧道的上浮变形大于单线顶管引起的上浮变形,且最大上浮变形均位于顶管隧道轴线处;施加与开挖损失土体近似重量的配重,可改变地铁隧道原有水平变形规律,导致先穿越的地铁隧道整体向始发井方向移动,后穿越的地铁隧道整体向接收井方向移动。随抗浮配重的增加,地铁隧道上浮位移减小,所受拉应力减小,且施加开挖损失土体重量50%的抗浮配重,可以将地铁上浮变形控制在1.4 mm以内;研究成果为该工程地铁隧道抗浮设计提供了参考依据。
我国具有十分发达的水系,防洪减灾形势依旧严峻,需要不断提高堤防安全监控水平。堤防渗流场是影响堤防安全的关键因素,因此开展渗流场特征识别是保障堤防安全的重要前提。为弥补常规渗流场监测技术的不足,本文基于主动加热光纤热响应测试(Actively Heated Fiber Optics Based Thermal Response Test,ATRT),以“长江第一崩”扬中指南村崩岸场地为例,开展了单孔热响应测试研究,初步探索了堤防渗流场精细化评价方法。结果表明:(1)ATRT得到的高时空分辨率(时间采样间隔30 s,空间采样间隔0.41 m)光缆温度响应数据,可以用于识别不同地层中的地下水流速差异;(2)研究场地内埋深较浅的粉细砂层和埋深较深的砾砂层中的地下水渗流具有不同的演变规律;(3)指南村崩岸场地内地下水渗流场与地表水具有一定的联系,地下水流速整体表现出“近岸大,离岸小”的特点,这是指南村崩岸灾害的潜在诱因之一。研究结果初步验证了ATRT在评价堤防渗流场特征的可行性。该方法基于单个钻孔即可获得高时空分辨率的地下水渗流场分布特征,在堤防渗流场评价中具有较强的应用潜力。 我国具有十分发达的水系,防洪减灾形势依旧严峻,需要不断提高堤防安全监控水平。堤防渗流场是影响堤防安全的关键因素,因此开展渗流场特征识别是保障堤防安全的重要前提。为弥补常规渗流场监测技术的不足,本文基于主动加热光纤热响应测试(Actively Heated Fiber Optics Based Thermal Response Test,ATRT),以“长江第一崩”扬中指南村崩岸场地为例,开展了单孔热响应测试研究,初步探索了堤防渗流场精细化评价方法。结果表明:(1)ATRT得到的高时空分辨率(时间采样间隔30 s,空间采样间隔0.41 m)光缆温度响应数据,可以用于识别不同地层中的地下水流速差异;(2)研究场地内埋深较浅的粉细砂层和埋深较深的砾砂层中的地下水渗流具有不同的演变规律;(3)指南村崩岸场地内地下水渗流场与地表水具有一定的联系,地下水流速整体表现出“近岸大,离岸小”的特点,这是指南村崩岸灾害的潜在诱因之一。研究结果初步验证了ATRT在评价堤防渗流场特征的可行性。该方法基于单个钻孔即可获得高时空分辨率的地下水渗流场分布特征,在堤防渗流场评价中具有较强的应用潜力。
岩土工程
富含生物成因气体地层盾构隧道施工风险高,气体极易通过开挖舱、泥浆管、盾尾间隙和管片节间渗入盾构和隧道内部,引发燃爆事故威胁施工安全。为了密封阻隔生物成因气体的泄漏通道,克泥效被用于填充中盾和洞壁之间的开挖间隙。本研究针对盾构掘进过程中生物成因气体的密封阻隔问题,提出了一种克泥效密封阻隔生物成因气体试验装置与方法,研究了克泥效注入厚度与气体击穿时间的相关关系,揭示了生物成因气体在克泥效中的渗透扩散机制,并依托苏通GIL综合管廊工程验证了克泥效密封阻隔生物成因气体的作用效果。研究结果表明:气体击穿时间随克泥效注入厚度的增加近似线性增长;当克泥效注入厚度为30 mm时,平均击穿时间为51.5 min,超过单环管片拼装所需最长时间50 min,满足苏通GIL综合管廊工程施工需求。现场气体监测结果表明,相较于注入克泥效填充开挖间隙之前,注入克泥效后CH4和CO浓度均在允许范围内,克泥效有效阻隔了生物成因气体进入盾构隧道内部。相关研究结果可为类似工程地质条件下生物成因气体防治提供理论依据和技术支撑。 富含生物成因气体地层盾构隧道施工风险高,气体极易通过开挖舱、泥浆管、盾尾间隙和管片节间渗入盾构和隧道内部,引发燃爆事故威胁施工安全。为了密封阻隔生物成因气体的泄漏通道,克泥效被用于填充中盾和洞壁之间的开挖间隙。本研究针对盾构掘进过程中生物成因气体的密封阻隔问题,提出了一种克泥效密封阻隔生物成因气体试验装置与方法,研究了克泥效注入厚度与气体击穿时间的相关关系,揭示了生物成因气体在克泥效中的渗透扩散机制,并依托苏通GIL综合管廊工程验证了克泥效密封阻隔生物成因气体的作用效果。研究结果表明:气体击穿时间随克泥效注入厚度的增加近似线性增长;当克泥效注入厚度为30 mm时,平均击穿时间为51.5 min,超过单环管片拼装所需最长时间50 min,满足苏通GIL综合管廊工程施工需求。现场气体监测结果表明,相较于注入克泥效填充开挖间隙之前,注入克泥效后CH4和CO浓度均在允许范围内,克泥效有效阻隔了生物成因气体进入盾构隧道内部。相关研究结果可为类似工程地质条件下生物成因气体防治提供理论依据和技术支撑。
植物已被广泛用于改善岩土设施的服役性能。然而,植物生长对填埋场多层覆盖系统防渗性能的影响尚不清楚。本研究通过在深圳下坪固体废弃物填埋场开展为期两年的现场试验,并利用数值模拟进行对比与参数化分析,旨在量化湿润气候下植物生长对土体水力性质以及三层覆盖系统防渗功能的影响。经研究发现,土体饱和渗透系数(ks)随根长密度(RLD)的增加呈线性下降。相比裸露土,植草土ks、入渗量和入渗速率分别降低55%,18%和35%。这导致在现场监测期间植草覆盖系统中维持的吸力明显高于裸露覆盖系统,数值分析与实测结果相一致。然而,百年一遇降雨后两覆盖系统内吸力分布无显著差异。在两年的现场监测中,相比裸露覆盖系统,草类减少累积渗漏量达21%。通过裸露与植草覆盖系统的年均渗漏量均满足美国环保局建议的每年30 mm的设计要求,证明了没有土工膜的三层覆盖系统在湿润气候下的良好防渗性能。 植物已被广泛用于改善岩土设施的服役性能。然而,植物生长对填埋场多层覆盖系统防渗性能的影响尚不清楚。本研究通过在深圳下坪固体废弃物填埋场开展为期两年的现场试验,并利用数值模拟进行对比与参数化分析,旨在量化湿润气候下植物生长对土体水力性质以及三层覆盖系统防渗功能的影响。经研究发现,土体饱和渗透系数(ks)随根长密度(RLD)的增加呈线性下降。相比裸露土,植草土ks、入渗量和入渗速率分别降低55%,18%和35%。这导致在现场监测期间植草覆盖系统中维持的吸力明显高于裸露覆盖系统,数值分析与实测结果相一致。然而,百年一遇降雨后两覆盖系统内吸力分布无显著差异。在两年的现场监测中,相比裸露覆盖系统,草类减少累积渗漏量达21%。通过裸露与植草覆盖系统的年均渗漏量均满足美国环保局建议的每年30 mm的设计要求,证明了没有土工膜的三层覆盖系统在湿润气候下的良好防渗性能。
土钉支护是边坡治理、基坑开挖的一种经济、便捷的支护型式,在设计中一般只考虑土钉轴向受力,而忽略土钉的抗剪、抗弯效应。为了探究工程实践中土钉支护黏土质边坡的横向抗剪效应边坡稳定性的贡献,本文根据极限平衡法,推导了考虑土钉横向抗剪效应的边坡稳定性计算公式,并系统研究了该作用对边坡安全系数大小以及潜在滑移面位置所产生的影响规律。研究结果显示,土钉抗剪效应对提高边坡稳定性有着很大的影响。当抗剪效应因子从0增大0.3时,边坡安全系数随着土钉倾角有着先增大后减小的规律,土钉的最优倾角也相应增大。在土钉长度和倾角不变的情况下,考虑土钉抗剪效应使得边坡的安全系数计算值有所提高,同时推测出的边坡滑移面后移。在抗剪效应因子从0增至0.5的过程中,安全系数可以提高两到三成。本研究的结论为在工程中更合理应用土钉支护技术提供了参考依据。 土钉支护是边坡治理、基坑开挖的一种经济、便捷的支护型式,在设计中一般只考虑土钉轴向受力,而忽略土钉的抗剪、抗弯效应。为了探究工程实践中土钉支护黏土质边坡的横向抗剪效应边坡稳定性的贡献,本文根据极限平衡法,推导了考虑土钉横向抗剪效应的边坡稳定性计算公式,并系统研究了该作用对边坡安全系数大小以及潜在滑移面位置所产生的影响规律。研究结果显示,土钉抗剪效应对提高边坡稳定性有着很大的影响。当抗剪效应因子从0增大0.3时,边坡安全系数随着土钉倾角有着先增大后减小的规律,土钉的最优倾角也相应增大。在土钉长度和倾角不变的情况下,考虑土钉抗剪效应使得边坡的安全系数计算值有所提高,同时推测出的边坡滑移面后移。在抗剪效应因子从0增至0.5的过程中,安全系数可以提高两到三成。本研究的结论为在工程中更合理应用土钉支护技术提供了参考依据。
吸力筒基础具有承载能力高、工艺简单、施工方便等优势,越来越广泛地应用于海上风电基础设计中。目前,吸力筒基础抗压承载计算方法尚没有统一的标准。为了降低海上风电基础设计成本,本文基于现有的API规范和地基承载力理论,总结3种不同吸力筒抗压承载模式,并提出“筒盖+筒壁外侧摩阻力”承载模式;根据工程案例和有限元软件PLAXIS验证其合理性,得出“筒壁端+筒壁内外侧摩阻力”承载模式和本文提出的“筒盖+筒壁外侧摩阻力”承载模式的计算结果符合DNV-OS-J101规范标准;按照本文提出的吸力筒抗压承载模式设计吸力筒尺寸,最大可降低13%的设计基础材料成本,有利于为海上风电吸力筒基础设计提供参考依据。 吸力筒基础具有承载能力高、工艺简单、施工方便等优势,越来越广泛地应用于海上风电基础设计中。目前,吸力筒基础抗压承载计算方法尚没有统一的标准。为了降低海上风电基础设计成本,本文基于现有的API规范和地基承载力理论,总结3种不同吸力筒抗压承载模式,并提出“筒盖+筒壁外侧摩阻力”承载模式;根据工程案例和有限元软件PLAXIS验证其合理性,得出“筒壁端+筒壁内外侧摩阻力”承载模式和本文提出的“筒盖+筒壁外侧摩阻力”承载模式的计算结果符合DNV-OS-J101规范标准;按照本文提出的吸力筒抗压承载模式设计吸力筒尺寸,最大可降低13%的设计基础材料成本,有利于为海上风电吸力筒基础设计提供参考依据。

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