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岩体工程地质
红层软岩内部孔隙具有随机、多样化的分布特点,孔隙结构的变化是影响其宏观力学性能的关键所在。由SEM扫描电镜获取岩样不同饱水时间下的细观结构图像,根据盒维数法计算出孔隙的分形维数,发现随着饱水时间的加长,孔隙的分形维数呈现增大趋势。同时对孔隙的数量、大小进行统计分析,得出不同饱水时间下岩样内部孔隙的分布特征。基于多重分形理论,采用统计矩的方法对孔隙结构进行定量表征。结果表明,孔隙结构的分配函数与q阶次趋于线性关系,验证了该结构的自相似性与无标度性,由广义分形维数D(0)>D(1)>D(2)说明了孔隙具有多重分形特征,由多重分形谱参数分析了孔隙结构的不规则性与复杂程度,更好地表征孔隙大小各异的分布情况。结合孔隙结构的多重分形特征与岩样抗压强度,建立起孔隙结构变化与其力学性能的关联性,对研究红层软岩的损伤过程具有一定的指导意义。 红层软岩内部孔隙具有随机、多样化的分布特点,孔隙结构的变化是影响其宏观力学性能的关键所在。由SEM扫描电镜获取岩样不同饱水时间下的细观结构图像,根据盒维数法计算出孔隙的分形维数,发现随着饱水时间的加长,孔隙的分形维数呈现增大趋势。同时对孔隙的数量、大小进行统计分析,得出不同饱水时间下岩样内部孔隙的分布特征。基于多重分形理论,采用统计矩的方法对孔隙结构进行定量表征。结果表明,孔隙结构的分配函数与q阶次趋于线性关系,验证了该结构的自相似性与无标度性,由广义分形维数D(0)>D(1)>D(2)说明了孔隙具有多重分形特征,由多重分形谱参数分析了孔隙结构的不规则性与复杂程度,更好地表征孔隙大小各异的分布情况。结合孔隙结构的多重分形特征与岩样抗压强度,建立起孔隙结构变化与其力学性能的关联性,对研究红层软岩的损伤过程具有一定的指导意义。
裂隙率作为表征岩体裂隙特征的一项重要参数,有线裂隙率、面裂隙率、体裂隙率3种表征方法。目前常用测线法、统计窗法获取线、面裂隙率仅能从一维或二维反映裂隙发育情况,其方法还存在测量结果随机性、应用受出露条件所限等不足;现有体裂隙率测量方法也存在着实际应用性较差、成本高等问题,尚缺乏简便易操作的野外测量方法。为此本文提出了一种新的野外测量岩体体裂隙率的工作方法——球体法。由于构造、成岩裂隙发育的组系性、方向性,球体法根据各组裂隙产状从不同方向进行观测,通过多次测量统计岩体出露面上裂隙的发育特征,推断岩体内部裂隙的发育状况,其值能更好地反映局部区域岩体内部裂隙发育程度。此外,在测量时利用专利仪器可以得到沿裂隙面法线方向上隙宽以及隙间距数据真实值,测量条件对出露面平整情况要求不高,测量结果受露头平整性影响不大,具有更好的实用性。本文以安庆大龙山采石场研究区为例应用球体法,野外现场测量表明该方法可以在较为方便操作的基础上实现快速测量;研究区体裂隙率均值为2.286%,集中分布在1% ~4%,结合研究区实际情况以及误差分析结果,球体法可以很好地反映研究区各个测量点的裂隙发育程度。 裂隙率作为表征岩体裂隙特征的一项重要参数,有线裂隙率、面裂隙率、体裂隙率3种表征方法。目前常用测线法、统计窗法获取线、面裂隙率仅能从一维或二维反映裂隙发育情况,其方法还存在测量结果随机性、应用受出露条件所限等不足;现有体裂隙率测量方法也存在着实际应用性较差、成本高等问题,尚缺乏简便易操作的野外测量方法。为此本文提出了一种新的野外测量岩体体裂隙率的工作方法——球体法。由于构造、成岩裂隙发育的组系性、方向性,球体法根据各组裂隙产状从不同方向进行观测,通过多次测量统计岩体出露面上裂隙的发育特征,推断岩体内部裂隙的发育状况,其值能更好地反映局部区域岩体内部裂隙发育程度。此外,在测量时利用专利仪器可以得到沿裂隙面法线方向上隙宽以及隙间距数据真实值,测量条件对出露面平整情况要求不高,测量结果受露头平整性影响不大,具有更好的实用性。本文以安庆大龙山采石场研究区为例应用球体法,野外现场测量表明该方法可以在较为方便操作的基础上实现快速测量;研究区体裂隙率均值为2.286%,集中分布在1% ~4%,结合研究区实际情况以及误差分析结果,球体法可以很好地反映研究区各个测量点的裂隙发育程度。
青藏高原高寒地区岩体长期稳定性受冻融作用影响显著,有必要开展冻融岩石的时效性特征研究。为探讨砂岩在冻融循环作用下的蠕变劣化特性,基于不同冻融循环次数后石英砂岩及红砂岩单轴蠕变试验结果,深入分析了冻融循环对砂岩各蠕变阶段的影响特征。研究表明,在非屈服应力条件下,试样在衰减蠕变阶段的蠕变时长随着冻融循环次数的增加而明显减小,对应蠕变量及蠕变速率增大;在屈服应力条件下,试样进入加速蠕变阶段的应力阈值随着冻融循环次数的增加而逐渐降低,对应从稳定蠕变到加速破坏所经历的时间更短,破坏时累计的应变增量更大;在长期荷载作用下,试样的宏观破裂形态随循环次数的增加逐步由单一斜剪切破坏模式向共轭断面拉剪复合型破坏模式演化。根据试验结果,提出了具有冻融与长期受荷劣化特征的非定常性黏弹性系数损伤演化方程,将其引入西原模型构建了考虑冻融损伤的砂岩蠕变本构模型。利用冻融后红砂岩蠕变试验数据对模型进行了参数辨识与比较分析,验证了模型的正确性及适用性。通过对模型参数进行拟合分析,揭示了黏弹性冻融损伤系数随冻融循环次数的变化规律,表明了长期受荷损伤参数具有控制加速蠕变幅度的重要作用。研究结果对于高寒山区岩体长期稳定性评价具有一定意义。 青藏高原高寒地区岩体长期稳定性受冻融作用影响显著,有必要开展冻融岩石的时效性特征研究。为探讨砂岩在冻融循环作用下的蠕变劣化特性,基于不同冻融循环次数后石英砂岩及红砂岩单轴蠕变试验结果,深入分析了冻融循环对砂岩各蠕变阶段的影响特征。研究表明,在非屈服应力条件下,试样在衰减蠕变阶段的蠕变时长随着冻融循环次数的增加而明显减小,对应蠕变量及蠕变速率增大;在屈服应力条件下,试样进入加速蠕变阶段的应力阈值随着冻融循环次数的增加而逐渐降低,对应从稳定蠕变到加速破坏所经历的时间更短,破坏时累计的应变增量更大;在长期荷载作用下,试样的宏观破裂形态随循环次数的增加逐步由单一斜剪切破坏模式向共轭断面拉剪复合型破坏模式演化。根据试验结果,提出了具有冻融与长期受荷劣化特征的非定常性黏弹性系数损伤演化方程,将其引入西原模型构建了考虑冻融损伤的砂岩蠕变本构模型。利用冻融后红砂岩蠕变试验数据对模型进行了参数辨识与比较分析,验证了模型的正确性及适用性。通过对模型参数进行拟合分析,揭示了黏弹性冻融损伤系数随冻融循环次数的变化规律,表明了长期受荷损伤参数具有控制加速蠕变幅度的重要作用。研究结果对于高寒山区岩体长期稳定性评价具有一定意义。
准确评价花岗岩在不同含水率条件下的脆性特征对此类工程岩体稳定性评价具有重要的意义。总结国内外现有岩石脆性评价指标,着重对基于应力-应变曲线特征的指标适用性和准确性进行详细分析和讨论,结合单轴压缩条件下花岗岩脆性特征随含水率增加而逐渐降低的试验规律,指出目前常用的基于应力-应变曲线特征的指标难以全面准确反映不同含水率花岗岩脆性特征。基于此,综合考虑全过程应力-应变曲线及峰后破坏时间,应用峰值应变表征峰前脆性特征、峰后应力跌落速率及应变增长速率表征峰后脆性特征,由此提出一种能全面反映花岗岩变形破坏全过程的脆性评价新指标Bd。经试验证实,新指标Bd能够准确地反映出花岗岩在不同含水率条件下的脆性变化趋势,相比其他脆性评价指标具有一定优越性。研究成果对丰富和改进现有的岩石脆性评价指标具有一定的参考意义和价值。 准确评价花岗岩在不同含水率条件下的脆性特征对此类工程岩体稳定性评价具有重要的意义。总结国内外现有岩石脆性评价指标,着重对基于应力-应变曲线特征的指标适用性和准确性进行详细分析和讨论,结合单轴压缩条件下花岗岩脆性特征随含水率增加而逐渐降低的试验规律,指出目前常用的基于应力-应变曲线特征的指标难以全面准确反映不同含水率花岗岩脆性特征。基于此,综合考虑全过程应力-应变曲线及峰后破坏时间,应用峰值应变表征峰前脆性特征、峰后应力跌落速率及应变增长速率表征峰后脆性特征,由此提出一种能全面反映花岗岩变形破坏全过程的脆性评价新指标Bd。经试验证实,新指标Bd能够准确地反映出花岗岩在不同含水率条件下的脆性变化趋势,相比其他脆性评价指标具有一定优越性。研究成果对丰富和改进现有的岩石脆性评价指标具有一定的参考意义和价值。
土体工程地质
土石混合料剪切特性控制着高填方边坡的稳定性。土石混合料特殊的结构、物质及粒径组成等极其复杂,为探究土石混合料剪切特性影响因素及其规律,在室内试验基础上,基于PFC2D构建了颗粒离散元数值模型,分析了颗粒级配、初始孔隙率、块石尺寸及块石形状等因素对土石混合料剪切特性的影响。结果表明:土石混合料的剪应力-剪切位移曲线主要包括4个阶段:弹性变形、局部剪切、剪切破坏以及残余变形;块石形状、颗粒级配及初始孔隙率对土石混合料的破坏模式无明显影响,破坏模式均为应变软化型;当土石混合料的颗粒级配较差时,剪应力随剪切位移的增加出现较大波动,曲线出现明显“跳跃”现象;当含石量一定时,相同法向应力条件下,块石尺寸越大,土石混合料的抗剪强度越大,且随着法向应力的增大,不同块石尺寸的试验组之间抗剪强度差值也越大,块石尺寸对土石混合料抗剪强度的影响越明显。 土石混合料剪切特性控制着高填方边坡的稳定性。土石混合料特殊的结构、物质及粒径组成等极其复杂,为探究土石混合料剪切特性影响因素及其规律,在室内试验基础上,基于PFC2D构建了颗粒离散元数值模型,分析了颗粒级配、初始孔隙率、块石尺寸及块石形状等因素对土石混合料剪切特性的影响。结果表明:土石混合料的剪应力-剪切位移曲线主要包括4个阶段:弹性变形、局部剪切、剪切破坏以及残余变形;块石形状、颗粒级配及初始孔隙率对土石混合料的破坏模式无明显影响,破坏模式均为应变软化型;当土石混合料的颗粒级配较差时,剪应力随剪切位移的增加出现较大波动,曲线出现明显“跳跃”现象;当含石量一定时,相同法向应力条件下,块石尺寸越大,土石混合料的抗剪强度越大,且随着法向应力的增大,不同块石尺寸的试验组之间抗剪强度差值也越大,块石尺寸对土石混合料抗剪强度的影响越明显。
路基土在长期服役过程中性能会发生衰变,其中含水率及压实度是路基施工时的重要控制指标,因此,土体的含水率控制及压实质量是关系路基性能评价的关键因素。为了弥补现有检测方法的不足,基于四极电测量法研发了一种土体物理参数室内快速测试装置,通过改变含水率对不同压实度土样的电阻率、极化率变化进行了一系列室内试验,得到了其相关关系及变化趋势,分析了含水率、压实度对电参数的影响,提出了依据土含水率、压实度计算电阻率、极化率的计算公式,探讨了测试方法的可行性。结果表明:不同地区土的电阻率均随含水率、压实度增加而减小,极化率随含水率、压实度的增加而增大,不同压实度下,土的电阻率、极化率随含水率变化分别呈现相似指数、对数特征;对于天津王庆坨地区壤土,压实度在84.47% ~94.41%范围内,含水率从15%变化至20%时,电阻率下降为原来的1/3~1/2倍,极化率增大为原来的1.4~2.3倍,得到了室内拟合公式;实际工程中,电阻率法更适用于土体含水率检测,极化率法更适用于土体压实度检测;综合应用电阻率、极化率指标对于路基工程具有较好的勘探前景。研究成果将为路基土的工程性质检测及评价提供理论基础。 路基土在长期服役过程中性能会发生衰变,其中含水率及压实度是路基施工时的重要控制指标,因此,土体的含水率控制及压实质量是关系路基性能评价的关键因素。为了弥补现有检测方法的不足,基于四极电测量法研发了一种土体物理参数室内快速测试装置,通过改变含水率对不同压实度土样的电阻率、极化率变化进行了一系列室内试验,得到了其相关关系及变化趋势,分析了含水率、压实度对电参数的影响,提出了依据土含水率、压实度计算电阻率、极化率的计算公式,探讨了测试方法的可行性。结果表明:不同地区土的电阻率均随含水率、压实度增加而减小,极化率随含水率、压实度的增加而增大,不同压实度下,土的电阻率、极化率随含水率变化分别呈现相似指数、对数特征;对于天津王庆坨地区壤土,压实度在84.47% ~94.41%范围内,含水率从15%变化至20%时,电阻率下降为原来的1/3~1/2倍,极化率增大为原来的1.4~2.3倍,得到了室内拟合公式;实际工程中,电阻率法更适用于土体含水率检测,极化率法更适用于土体压实度检测;综合应用电阻率、极化率指标对于路基工程具有较好的勘探前景。研究成果将为路基土的工程性质检测及评价提供理论基础。
孔隙网络控制着土体渗流、排水固结与基质吸力等重要工程性质。本文介绍了多孔介质孔隙网络最大球建模基本原理与算法。以显微CT扫描振捣干法生成的南京粉砂试样为例,采用最大球算法建立了试样三维重构模型表征单元体(REV)的空间孔隙网络球棍模型,计算得到了样品REV尺度的孔隙网络参数,统计发现,孔隙半径、喉道半径、孔隙配位数、孔隙截面形状因子、喉道截面形状因子与喉道长度等孔隙参数均近似服从正态分布,孔隙体积近似服从衰减型指数分布。孔隙与喉道半径分别分布在100 μm与65 μm以内,两者数学期望分别为40.0 μm与18.0 μm;配位数分布在25以内,数学期望为5.1;孔隙与喉道截面形状因子分别分布在0.01~0.04与0.01~0.05的区间内,两者数学期望分别为0.019与0.033;喉道长度分布在100~800 μm以内,数学期望为292.22 μm。同时发现,样品中体积小于1.5×107 μm3的小孔隙数量超过90%。本方法可应用于土体细观孔隙结构的定量表征。 孔隙网络控制着土体渗流、排水固结与基质吸力等重要工程性质。本文介绍了多孔介质孔隙网络最大球建模基本原理与算法。以显微CT扫描振捣干法生成的南京粉砂试样为例,采用最大球算法建立了试样三维重构模型表征单元体(REV)的空间孔隙网络球棍模型,计算得到了样品REV尺度的孔隙网络参数,统计发现,孔隙半径、喉道半径、孔隙配位数、孔隙截面形状因子、喉道截面形状因子与喉道长度等孔隙参数均近似服从正态分布,孔隙体积近似服从衰减型指数分布。孔隙与喉道半径分别分布在100 μm与65 μm以内,两者数学期望分别为40.0 μm与18.0 μm;配位数分布在25以内,数学期望为5.1;孔隙与喉道截面形状因子分别分布在0.01~0.04与0.01~0.05的区间内,两者数学期望分别为0.019与0.033;喉道长度分布在100~800 μm以内,数学期望为292.22 μm。同时发现,样品中体积小于1.5×107 μm3的小孔隙数量超过90%。本方法可应用于土体细观孔隙结构的定量表征。
土水特征曲线基本参数(进气值、残余吸力值和反弯点的斜率等)在非饱和土的强度理论、渗流理论以及体变特性等方面都是非常重要的参数,常常通过传统画图法来确定,其精确度难以保证。以洛川标准剖面4层原状黄土为研究对象,基于VG模型提出单峰和双峰SWCC基本参数的确定方法;采用滤纸法测得SWCC数据点,基于VG模型进行最优化拟合,获取拟合参数,利用单峰和双峰SWCC数据点验证该方法的可行性;进行自然状态下的水分蒸发试验,根据质量含水率与蒸发时间的关系确定蒸发残余饱和度Srzf,依据Sr1Sr2(Sr1Sr2分别由确定残余状态的两种方法得到)与Srzf的相对误差值,比较了两种确定残余状态的方法。结果表明:对于单峰和双峰SWCC曲线,该方法都可以得到合理的基本参数并有效地确定其残余状态。 土水特征曲线基本参数(进气值、残余吸力值和反弯点的斜率等)在非饱和土的强度理论、渗流理论以及体变特性等方面都是非常重要的参数,常常通过传统画图法来确定,其精确度难以保证。以洛川标准剖面4层原状黄土为研究对象,基于VG模型提出单峰和双峰SWCC基本参数的确定方法;采用滤纸法测得SWCC数据点,基于VG模型进行最优化拟合,获取拟合参数,利用单峰和双峰SWCC数据点验证该方法的可行性;进行自然状态下的水分蒸发试验,根据质量含水率与蒸发时间的关系确定蒸发残余饱和度Srzf,依据Sr1Sr2(Sr1Sr2分别由确定残余状态的两种方法得到)与Srzf的相对误差值,比较了两种确定残余状态的方法。结果表明:对于单峰和双峰SWCC曲线,该方法都可以得到合理的基本参数并有效地确定其残余状态。
珊瑚砂作为一种特殊的生物碎屑沉积物,我国南海广泛分布,其具有多孔、非均质、非连续等工程特性,作为填岛的材料和工程建设的基础,吹填珊瑚砂的力学特性是珊瑚岛礁工程研究的关键科学问题。中国南海降雨量大,吹填珊瑚砂渗透性好,工程荷载高,含水性和高荷载对于吹填珊瑚砂剪切力学特性的影响非常显著。利用自主研制的土石混合体大型剪切力学试验机,采用中国南沙某岛礁吹填珊瑚砂,在级配和组分分析的基础上,研究不同密实度、含水量条件下高轴向荷载珊瑚砂的剪切力学特性,通过试验结果分析得出如下结论:(1)含水量增加导致吹填珊瑚砂抗剪强度减小,呈负相关关系;密实度增加引起抗剪强度增加,呈正相关关系;(2)含水量对吹填珊瑚砂内摩擦角影响显著,呈负相关关系,含水量大于10%,内摩擦角降低较小;密实度90%时,含水量大于5%,黏聚力降低较小;(3)密实度对吹填珊瑚砂的黏聚力影响规律不明显,密实度对内摩擦角影响较显著,当含水量大于5%时,随着密实度的增加内摩擦角显著增大;(4)在高荷载条件下,含水量和密实度对吹填珊瑚砂抗剪力学特性影响较为显著,含水量小、密实度大的吹填珊瑚砂抗剪特性最强,对于岛礁填岛工程设计及场地条件改性具有指导意义。 珊瑚砂作为一种特殊的生物碎屑沉积物,我国南海广泛分布,其具有多孔、非均质、非连续等工程特性,作为填岛的材料和工程建设的基础,吹填珊瑚砂的力学特性是珊瑚岛礁工程研究的关键科学问题。中国南海降雨量大,吹填珊瑚砂渗透性好,工程荷载高,含水性和高荷载对于吹填珊瑚砂剪切力学特性的影响非常显著。利用自主研制的土石混合体大型剪切力学试验机,采用中国南沙某岛礁吹填珊瑚砂,在级配和组分分析的基础上,研究不同密实度、含水量条件下高轴向荷载珊瑚砂的剪切力学特性,通过试验结果分析得出如下结论:(1)含水量增加导致吹填珊瑚砂抗剪强度减小,呈负相关关系;密实度增加引起抗剪强度增加,呈正相关关系;(2)含水量对吹填珊瑚砂内摩擦角影响显著,呈负相关关系,含水量大于10%,内摩擦角降低较小;密实度90%时,含水量大于5%,黏聚力降低较小;(3)密实度对吹填珊瑚砂的黏聚力影响规律不明显,密实度对内摩擦角影响较显著,当含水量大于5%时,随着密实度的增加内摩擦角显著增大;(4)在高荷载条件下,含水量和密实度对吹填珊瑚砂抗剪力学特性影响较为显著,含水量小、密实度大的吹填珊瑚砂抗剪特性最强,对于岛礁填岛工程设计及场地条件改性具有指导意义。
珊瑚颗粒形状不规则是其显著区别于陆源土的一大特征。为揭示珊瑚颗粒形状对钙质粗粒土压缩性能的影响,人工挑选出不同形状(块状、枝状、棒状、片状)的珊瑚颗粒,以块状颗粒为基础,与其他3种不同形状的粗颗粒任意一种混合,控制不同颗粒形状配比制成钙质粗粒土试样,完成室内压缩试验,对比分析试验前后珊瑚颗粒的圆度、长宽比、扁平度和凹凸度等形状参数,评价颗粒形状对压缩性能的影响。结果表明:(1)粒径为10~20 mm钙质粗粒土的压缩模量是4~5.5MPa,回弹系数为42~53;(2)随枝状、棒状或片状颗粒掺量的增加(0、10%、20%、30%),试样压缩模量呈小幅波状变化,回弹系数呈持续减小趋势;(3)各加载区间应力-应变曲线包括应力快速增长阶段、应力-应变同步增长阶段、应变增长阶段共3个阶段和1个稳定点;(4)随枝状颗粒掺量的增加,试样的长宽比和凹凸度逐渐增加,圆度和扁平度基本无变化;因颗粒破碎的影响,试验后试样的长宽比及扁平度有所增加,圆度及凹凸度则有所减小。选择钙质粗粒土地基时,应考虑其压缩性能,避免施工初期的快速加载。 珊瑚颗粒形状不规则是其显著区别于陆源土的一大特征。为揭示珊瑚颗粒形状对钙质粗粒土压缩性能的影响,人工挑选出不同形状(块状、枝状、棒状、片状)的珊瑚颗粒,以块状颗粒为基础,与其他3种不同形状的粗颗粒任意一种混合,控制不同颗粒形状配比制成钙质粗粒土试样,完成室内压缩试验,对比分析试验前后珊瑚颗粒的圆度、长宽比、扁平度和凹凸度等形状参数,评价颗粒形状对压缩性能的影响。结果表明:(1)粒径为10~20 mm钙质粗粒土的压缩模量是4~5.5MPa,回弹系数为42~53;(2)随枝状、棒状或片状颗粒掺量的增加(0、10%、20%、30%),试样压缩模量呈小幅波状变化,回弹系数呈持续减小趋势;(3)各加载区间应力-应变曲线包括应力快速增长阶段、应力-应变同步增长阶段、应变增长阶段共3个阶段和1个稳定点;(4)随枝状颗粒掺量的增加,试样的长宽比和凹凸度逐渐增加,圆度和扁平度基本无变化;因颗粒破碎的影响,试验后试样的长宽比及扁平度有所增加,圆度及凹凸度则有所减小。选择钙质粗粒土地基时,应考虑其压缩性能,避免施工初期的快速加载。
在常规应力水平下颗粒发生破碎是钙质砂有别于其他砂土的重要性质之一,且由于颗粒破碎的存在,使用传统的本构模型无法很好地模拟钙质砂的力学行为。因此本文以最为普及的本构模型之一——邓肯-张E-B模型为基础,对其进行颗粒破碎方面的修正以得到一个能用于钙质砂的本构模型。具体方法为:首先本文采用Hardin提出的相对破碎Br这一指标来度量颗粒破碎的大小。之后研究分析得出了颗粒破碎对邓肯-张模型参数(内摩擦角φ、割线模量E50及体积模量B)的影响规律。然后通过颗粒破碎与输入能量之间的关系将各状态下无法直接确定的相对破碎Br与可确定的应力-应变状态联系起来。最终得到了一个考虑颗粒破碎的钙质砂修正邓肯-张E-B模型。为验证模型的准确性及适用性,本文还使用该模型对4种不同粒径范围且试验围压不同的钙质砂的三轴排水行为进行了模拟。结果表明拟合效果较好,模型能适用于各种不同粒径范围的钙质砂,并且在颗粒破碎较大的情况下明显优于传统邓肯-张模型。 在常规应力水平下颗粒发生破碎是钙质砂有别于其他砂土的重要性质之一,且由于颗粒破碎的存在,使用传统的本构模型无法很好地模拟钙质砂的力学行为。因此本文以最为普及的本构模型之一——邓肯-张E-B模型为基础,对其进行颗粒破碎方面的修正以得到一个能用于钙质砂的本构模型。具体方法为:首先本文采用Hardin提出的相对破碎Br这一指标来度量颗粒破碎的大小。之后研究分析得出了颗粒破碎对邓肯-张模型参数(内摩擦角φ、割线模量E50及体积模量B)的影响规律。然后通过颗粒破碎与输入能量之间的关系将各状态下无法直接确定的相对破碎Br与可确定的应力-应变状态联系起来。最终得到了一个考虑颗粒破碎的钙质砂修正邓肯-张E-B模型。为验证模型的准确性及适用性,本文还使用该模型对4种不同粒径范围且试验围压不同的钙质砂的三轴排水行为进行了模拟。结果表明拟合效果较好,模型能适用于各种不同粒径范围的钙质砂,并且在颗粒破碎较大的情况下明显优于传统邓肯-张模型。
动弹模量与阻尼比是土动力学分析中的重要力学参数,考虑重载铁路荷载特征定量分析水泥改良膨胀土的动模量和阻尼比的较少。依托蒙西至华中地区铁路煤运通道(简称蒙-华铁路)工程为背景,采用南阳邓州市大山寨膨胀土,通过在不同频率、围压、固结比及动应力幅值下的持续振动三轴试验,研究了水泥掺量3%和5%水泥改良膨胀土的动弹模量及阻尼比,并与膨胀土素土进行对比分析。结果表明:水泥掺量3%和5%改良膨胀土的最大动弹模量约为膨胀土素土的3~4倍;在动弹模量-应变曲线中,动应变小于0.002时表现为陡降段,动弹模量随动应变增长降幅达70%,而动应变大于0.002时降幅较小,动弹模量随动应变增长趋于稳定;动弹模量随围压、频率、水泥掺量增加而增大,阻尼比随围压、固结比增加而减小;低应变水平下,固结比与动模量成正相关关系,高应变水平下,固结比与动弹模量成负相关关系。同时,对动弹模量及阻尼比进行了归一化分析,建立了估算动弹模量及阻尼比的经验公式。 动弹模量与阻尼比是土动力学分析中的重要力学参数,考虑重载铁路荷载特征定量分析水泥改良膨胀土的动模量和阻尼比的较少。依托蒙西至华中地区铁路煤运通道(简称蒙-华铁路)工程为背景,采用南阳邓州市大山寨膨胀土,通过在不同频率、围压、固结比及动应力幅值下的持续振动三轴试验,研究了水泥掺量3%和5%水泥改良膨胀土的动弹模量及阻尼比,并与膨胀土素土进行对比分析。结果表明:水泥掺量3%和5%改良膨胀土的最大动弹模量约为膨胀土素土的3~4倍;在动弹模量-应变曲线中,动应变小于0.002时表现为陡降段,动弹模量随动应变增长降幅达70%,而动应变大于0.002时降幅较小,动弹模量随动应变增长趋于稳定;动弹模量随围压、频率、水泥掺量增加而增大,阻尼比随围压、固结比增加而减小;低应变水平下,固结比与动模量成正相关关系,高应变水平下,固结比与动弹模量成负相关关系。同时,对动弹模量及阻尼比进行了归一化分析,建立了估算动弹模量及阻尼比的经验公式。
地质灾害
灌溉诱发的黄土滑坡大多数具有明显的突发性特征;斜坡破坏过程变形量小,历时短,具有较大的危险性。由于此类黄土滑坡加速变形阶段经历时间较短,GNSS系统和裂缝计等传统监测手段难以获取加速变形阶段系统完整的监测数据,更难以提前预警。针对这一难题,自主研发了自适应智能变频裂缝仪,它能够根据滑坡变形快慢自动调整采样频率。基于获取的黑方台多个突发型黄土滑坡的全过程变形-时间曲线,对这些变形曲线特征和规律进行分析研究,建立了针对性的黄土滑坡综合预警模型。将变形速率阈值和改进切线角作为滑坡预警的重要指标,建立了4级预警判据,通过自主研发的“地质灾害实时监测预警系统”实现滑坡的实时自动预警,并将预警信息与当地的群防群测信息平台对接,为防灾应急避让提供直接依据。2017年以来已先后6次对黑方台黄土滑坡实施成功预警,避免了重大人员伤亡,取得显著的防灾减灾效果。 灌溉诱发的黄土滑坡大多数具有明显的突发性特征;斜坡破坏过程变形量小,历时短,具有较大的危险性。由于此类黄土滑坡加速变形阶段经历时间较短,GNSS系统和裂缝计等传统监测手段难以获取加速变形阶段系统完整的监测数据,更难以提前预警。针对这一难题,自主研发了自适应智能变频裂缝仪,它能够根据滑坡变形快慢自动调整采样频率。基于获取的黑方台多个突发型黄土滑坡的全过程变形-时间曲线,对这些变形曲线特征和规律进行分析研究,建立了针对性的黄土滑坡综合预警模型。将变形速率阈值和改进切线角作为滑坡预警的重要指标,建立了4级预警判据,通过自主研发的“地质灾害实时监测预警系统”实现滑坡的实时自动预警,并将预警信息与当地的群防群测信息平台对接,为防灾应急避让提供直接依据。2017年以来已先后6次对黑方台黄土滑坡实施成功预警,避免了重大人员伤亡,取得显著的防灾减灾效果。
对临时边坡坡脚下挖和逐级浇筑砼挡墙支护的水利枢纽尾水渠工程而言,如何在雨季利用强降雨间隙高强度开挖基坑后浇筑回填即起支挡加固作用而不至引发大规模滑动破坏,是此类工程中优先考虑的问题。工程实践中采用信息化施工成功与否很大程度上依赖于滑坡变形过程及位移矢量关系分析及精细施工组织。本文以韩江高陂水利枢纽右岸边坡为例,在工程地质条件分析基础上,通过对尾水渠挡墙基坑开挖中边坡变形监测数据分析,得到多个监测点矢量时空变化关系,验证了边坡变形过程中的顺时针压扭式固结排水破坏机制。结合降水资料分析,得到边坡变形与降水和开挖的对应关系。结果表明,边坡日均位移速率v与日均降水量p之间的统计关系式为v=103.45ln(p)-82.821,非强降雨时段主要由坡脚开挖引发的平均位移速率可达200 mm ·d-1。上述破坏模式和监测分析结果为尾水库挡墙信息化施工提供了依据,从而为该工程在雨季达到施工安全提供了保证。 对临时边坡坡脚下挖和逐级浇筑砼挡墙支护的水利枢纽尾水渠工程而言,如何在雨季利用强降雨间隙高强度开挖基坑后浇筑回填即起支挡加固作用而不至引发大规模滑动破坏,是此类工程中优先考虑的问题。工程实践中采用信息化施工成功与否很大程度上依赖于滑坡变形过程及位移矢量关系分析及精细施工组织。本文以韩江高陂水利枢纽右岸边坡为例,在工程地质条件分析基础上,通过对尾水渠挡墙基坑开挖中边坡变形监测数据分析,得到多个监测点矢量时空变化关系,验证了边坡变形过程中的顺时针压扭式固结排水破坏机制。结合降水资料分析,得到边坡变形与降水和开挖的对应关系。结果表明,边坡日均位移速率v与日均降水量p之间的统计关系式为v=103.45ln(p)-82.821,非强降雨时段主要由坡脚开挖引发的平均位移速率可达200 mm ·d-1。上述破坏模式和监测分析结果为尾水库挡墙信息化施工提供了依据,从而为该工程在雨季达到施工安全提供了保证。
滑坡位移预测预报是滑坡防灾减灾的重要组成部分,提高滑坡位移预测的准确性与精确度是该项研究的重点与难点。本文在滑坡位移预测中考虑了监测样本的离群值,通过忽略、指定与修正离群值3种方式,研究滑坡位移预测样本离群值的最优处理方式。以三峡库区朱家店滑坡为例,基于ARIMA(pdq)模型,分别对累积位移与位移速率时间序列开展了预测研究。研究结果表明:修正离群值的预测结果介于忽略和指定离群值两者之间,更适用于存在监测离群值的滑坡位移预测;对于ARIMA模型,更适合采用位移速率进行预测预报;使用位移速率时间序列ARIMA(1,0,1)并修正离群值的预测结果为:2016年和2017年6月份滑坡前缘GP3“阶跃”位移分别为79.0mm和70.2mm,截止2017年8月,GP3累积位移将达1647.7mm。 滑坡位移预测预报是滑坡防灾减灾的重要组成部分,提高滑坡位移预测的准确性与精确度是该项研究的重点与难点。本文在滑坡位移预测中考虑了监测样本的离群值,通过忽略、指定与修正离群值3种方式,研究滑坡位移预测样本离群值的最优处理方式。以三峡库区朱家店滑坡为例,基于ARIMA(pdq)模型,分别对累积位移与位移速率时间序列开展了预测研究。研究结果表明:修正离群值的预测结果介于忽略和指定离群值两者之间,更适用于存在监测离群值的滑坡位移预测;对于ARIMA模型,更适合采用位移速率进行预测预报;使用位移速率时间序列ARIMA(1,0,1)并修正离群值的预测结果为:2016年和2017年6月份滑坡前缘GP3“阶跃”位移分别为79.0mm和70.2mm,截止2017年8月,GP3累积位移将达1647.7mm。
地质工程
内罗毕—马拉巴铁路工程是东非“北方走廊”的重要组成部分,是非洲内陆国家发展经济的主干线。铁路线路工程穿越的东非大裂谷,地质复杂、火山地貌、断裂带和拉张裂缝等不良地质极为发育,而东非大裂谷铁路工程建设的研究资料十分匮乏。为了研究穿越东非大裂谷的铁路线路,本文首先介绍了东非大裂谷地形、地貌、裂谷的发育机理、区域断裂分布,然后以铁路沿线经济控制点为主轴,制定了穿越东非大裂谷铁路线路3大通道。分别对线路3大通道穿越的地形、地貌比选,穿越的地层、断裂和地裂缝比选,穿越地震、火山发育比选以及穿越的不良地质灾害比选,最后比选各线路通道的投资以及优、缺点,最终推荐南线通道方案。该线路方案得到肯尼亚政府的肯定和采纳。目前内马铁路正试运营,实践表明内马铁路裂谷段选线是较为成功的,可为同类工程提供借鉴。 内罗毕—马拉巴铁路工程是东非“北方走廊”的重要组成部分,是非洲内陆国家发展经济的主干线。铁路线路工程穿越的东非大裂谷,地质复杂、火山地貌、断裂带和拉张裂缝等不良地质极为发育,而东非大裂谷铁路工程建设的研究资料十分匮乏。为了研究穿越东非大裂谷的铁路线路,本文首先介绍了东非大裂谷地形、地貌、裂谷的发育机理、区域断裂分布,然后以铁路沿线经济控制点为主轴,制定了穿越东非大裂谷铁路线路3大通道。分别对线路3大通道穿越的地形、地貌比选,穿越的地层、断裂和地裂缝比选,穿越地震、火山发育比选以及穿越的不良地质灾害比选,最后比选各线路通道的投资以及优、缺点,最终推荐南线通道方案。该线路方案得到肯尼亚政府的肯定和采纳。目前内马铁路正试运营,实践表明内马铁路裂谷段选线是较为成功的,可为同类工程提供借鉴。
本文以大西客运专线高速铁路正交跨越地裂缝带为研究对象,基于有限元数值方法建立了高速铁路地基-地裂缝-路堤动力计算模型,模拟分析了高速列车荷载作用下有、无地裂缝带天然地基上路基的动力响应差异特征及影响规律。计算结果表明:列车荷载作用下无地裂缝带场地,路基动位移、加速度和动应力响应基本平稳,没有明显差异现象;而地裂缝带场地路基动位移、路堤本体内加速度均表现为上盘增大、下盘减小,垂直于线路走向路基动位移、加速度幅值衰减下盘大于上盘,地裂缝对加速度影响的临界深度约为地表以下15m;地裂缝的存在引起其上盘路基出现动应力降低和下盘动应力增强现象,地裂缝场地沿深度方向路基动应力影响的临界深度为地表以下10m。上述研究结果可为我国地裂缝发育区高速铁路建设与防灾减灾提供科学依据。 本文以大西客运专线高速铁路正交跨越地裂缝带为研究对象,基于有限元数值方法建立了高速铁路地基-地裂缝-路堤动力计算模型,模拟分析了高速列车荷载作用下有、无地裂缝带天然地基上路基的动力响应差异特征及影响规律。计算结果表明:列车荷载作用下无地裂缝带场地,路基动位移、加速度和动应力响应基本平稳,没有明显差异现象;而地裂缝带场地路基动位移、路堤本体内加速度均表现为上盘增大、下盘减小,垂直于线路走向路基动位移、加速度幅值衰减下盘大于上盘,地裂缝对加速度影响的临界深度约为地表以下15m;地裂缝的存在引起其上盘路基出现动应力降低和下盘动应力增强现象,地裂缝场地沿深度方向路基动应力影响的临界深度为地表以下10m。上述研究结果可为我国地裂缝发育区高速铁路建设与防灾减灾提供科学依据。
工程地质信息
对2019年工程地质领域(涵盖地质学学科下属的工程地质和环境地球科学学科下属的工程地质环境与灾害)的基金申请情况、资助情况、研究队伍等进行了详细分析。工程地质领域的基金项目申请数量快速上升,主要是面上项目、青年科学基金和地区科学基金申请数量大幅上升。其他类型项目申请数量保持稳定。近10年的统计数据表明,同行评议专家对申请书的评议尺度保持稳定。面上项目申请者的年龄结构趋于年轻化,青年科学基金申请者的年龄结构比较合理。工程地质领域在多个不同的项目类型中都获得了资助,呈现出较强的竞争力。 对2019年工程地质领域(涵盖地质学学科下属的工程地质和环境地球科学学科下属的工程地质环境与灾害)的基金申请情况、资助情况、研究队伍等进行了详细分析。工程地质领域的基金项目申请数量快速上升,主要是面上项目、青年科学基金和地区科学基金申请数量大幅上升。其他类型项目申请数量保持稳定。近10年的统计数据表明,同行评议专家对申请书的评议尺度保持稳定。面上项目申请者的年龄结构趋于年轻化,青年科学基金申请者的年龄结构比较合理。工程地质领域在多个不同的项目类型中都获得了资助,呈现出较强的竞争力。
2019年10月18~20日,第二届国际海洋工程地质学术研讨会(ISMEG 2019)在中国大连成功召开。本次研讨会是在国际工程地质与环境协会(IAEG)架构下由海洋工程地质委员会(C34)主办,海岸与近海工程国家重点实验室(大连理工大学)承办的全球性海洋工程地质学术研讨会。研讨会以“海洋资源开发与海洋工程地质”为主题,针对海洋土工程性质、海洋地质灾害与工程防护、海洋工程地质原位勘测、监测与试验模拟、海洋资源开发水动力环境与作用、海床沉积物和天然气水合物开采、海洋工程结构基础、海流-结构-海床相互作用等7个专题设置了10个特邀报告、21个主题报告及71个学术报告。作为国内外海洋工程地质研究者交流、分享、合作、创新的平台,国际海洋工程地质学术研讨会二度在我国召开,是对我国海洋工程地质学科快速发展的肯定,同时也对我国海洋工程地质研究取得高水平成果和成果转化提出了更高要求。 2019年10月18~20日,第二届国际海洋工程地质学术研讨会(ISMEG 2019)在中国大连成功召开。本次研讨会是在国际工程地质与环境协会(IAEG)架构下由海洋工程地质委员会(C34)主办,海岸与近海工程国家重点实验室(大连理工大学)承办的全球性海洋工程地质学术研讨会。研讨会以“海洋资源开发与海洋工程地质”为主题,针对海洋土工程性质、海洋地质灾害与工程防护、海洋工程地质原位勘测、监测与试验模拟、海洋资源开发水动力环境与作用、海床沉积物和天然气水合物开采、海洋工程结构基础、海流-结构-海床相互作用等7个专题设置了10个特邀报告、21个主题报告及71个学术报告。作为国内外海洋工程地质研究者交流、分享、合作、创新的平台,国际海洋工程地质学术研讨会二度在我国召开,是对我国海洋工程地质学科快速发展的肯定,同时也对我国海洋工程地质研究取得高水平成果和成果转化提出了更高要求。
第六届地质(岩土)工程光电传感监测国际论坛于2017年11月3~5日在南京大学顺利召开。本届论坛主题为“基础设施监测技术前沿及应用”,共设置了35场特邀报告,来自近20个国家和地区的350余位代表参会。本届论坛显示,近几年来国内外地质和岩土工程光电传感监测领域的研究工作又取得了很多新进展:(1)光电感测解调技术不断成熟和完善,监测信噪比、空间分辨率等指标也突飞猛进;(2)国际上出现了一系列适用于地质与岩土工程监测的新型光电传感器,如聚合物光纤土工织物等;(3)光电传感器及其监测系统成为保障隧道、堤坝、核电站、桥梁等基础设施安全运营的有力工具,为这些设施的健康状态诊断和损伤识别提供了数据支撑;(4)光电传感监测技术在地质灾害监测预警中扮演了越来越重要的角色。未来的研究热点主要集中于3个方面:(1)高性价比的分布式光纤传感解调技术的研发;(2)匹配地质和岩土工程监测需求的新型光纤传感器及其布设工艺的研发;(3)基于人工智能的监测数据处理和灾害预警系统的开发。 第六届地质(岩土)工程光电传感监测国际论坛于2017年11月3~5日在南京大学顺利召开。本届论坛主题为“基础设施监测技术前沿及应用”,共设置了35场特邀报告,来自近20个国家和地区的350余位代表参会。本届论坛显示,近几年来国内外地质和岩土工程光电传感监测领域的研究工作又取得了很多新进展:(1)光电感测解调技术不断成熟和完善,监测信噪比、空间分辨率等指标也突飞猛进;(2)国际上出现了一系列适用于地质与岩土工程监测的新型光电传感器,如聚合物光纤土工织物等;(3)光电传感器及其监测系统成为保障隧道、堤坝、核电站、桥梁等基础设施安全运营的有力工具,为这些设施的健康状态诊断和损伤识别提供了数据支撑;(4)光电传感监测技术在地质灾害监测预警中扮演了越来越重要的角色。未来的研究热点主要集中于3个方面:(1)高性价比的分布式光纤传感解调技术的研发;(2)匹配地质和岩土工程监测需求的新型光纤传感器及其布设工艺的研发;(3)基于人工智能的监测数据处理和灾害预警系统的开发。

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