工程地质学报
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2018年 26卷 5期
刊出日期 2018-10-25

地质灾害与斜坡稳定问题
岩土体工程地质
新型地质工程与重大工程实践
地质灾害与斜坡稳定问题
1113 李同录, 习羽, 侯晓坤
水致黄土深层滑坡灾变机理
在黄土地区,雨后观测和人工降雨试验均表明地表水在黄土中的入渗深度有限,并不影响黄土深部的含水率。因此水分入渗是否直接造成斜坡深层滑移颇受争议。本文通过黄土地区自然降雨条件下的现场观测,发现地表水在黄土中的入渗沿垂直剖面可以划分为3个带:即活动带,稳定带和饱和带。活动带受大气降雨和蒸发的影响,为瞬态流,向下则转化为稳定流;稳定带含水率不变,但仍有稳定的水分运移至地下水位。地下水以下降泉的形式排泄。在入渗和排泄条件长期不变的情况下,地下水位可维持动态平衡。若地表入渗量加大,如灌溉或管道漏水等,稳定带含水率升高,并伴随地下水位抬升,以达到新的平衡,此水文动态转化过程会诱发滑坡。以延炼滑坡为例,分析了长期地表水间歇性滴渗条件下,边坡的水力动态变化过程,及其对边坡稳定性的影响。观测及分析结果表明,黄土深层滑坡主要与地表水入渗导致的地下水位抬升有关,由于其过程缓慢,容易被忽视而致灾。
2018 Vol. 26 (5): 1113-1120 [摘要] ( 37 ) [HTML 1KB] [PDF 3141KB] ( 48 )
1121 刘艳辉, 张振兴, 苏永超
地质灾害承灾载体脆弱性评价方法研究
中国地质灾害严重,地质灾害承灾载体的脆弱性直接决定着灾害造成损失的严重程度,开展脆弱性定量评价方法研究具有重要意义。(1)本文构建了地质灾害承灾载体脆弱性评价指标体系,包括4个一级指标和19个二级指标。一级指标包括生命类、物质类、生态环境类和社会经济类指标。(2)以青川县为例,分别采用TOPSIS模型和加权求和模型,分别以乡镇单元和行政村单元为最小单元,开展了地质灾害承灾载体脆弱性评价,将青川县承灾载体脆弱性分为高、较高、中等、较低和低5个脆弱性等级。(3)两种模型评价结果对比显示,总体一致性较好,73%的区域脆弱性结果完全一致,27%的区域存在一个等级的差别;高、低脆弱性等级区两种模型结果一致,吻合度100%;较高和中等脆弱性等级区两种模型结果吻合度分别为86%和73%;较低脆弱性区两种模型结果吻合度略差,为54%。(4)两种单元评价结果对比显示,在总体规律上保持了较好的一致性。半数以上的乡镇单元与行政村单元脆弱性等级完全相同或总体一致;以行政村为评价单元的评价结果明显更加精细,原因在于不同行政村的各类指标值具有明显的差异性,而乡镇单元消除了各个行政村之间的差异。
2018 Vol. 26 (5): 1121-1130 [摘要] ( 32 ) [HTML 1KB] [PDF 4407KB] ( 17 )
1131 慕焕东, 邓亚虹, 李荣建
干湿循环对地裂缝带黄土抗剪强度影响研究
为研究长期干湿循环作用对地裂缝带及其附近黄土强度的影响,以西安地裂缝场地典型黄土试样为研究对象,通过室内试验方法(主要为直接剪切实验),研究地裂缝带黄土试样在干湿循环作用下不同含水率的抗剪强度参数及其强度衰减特性,提出了地裂缝带黄土衰减强度的求取方法,研究表明:(1)干湿循环作用下,地裂缝带黄土抗剪强度随着干湿循环次数及含水率的增加而逐渐减小,1次干湿循环或大于18%含水率对抗剪强度参数影响明显;(2)1次干湿循环作用其强度衰减最为明显,随着干湿循环次数的增加而增加且增幅逐渐下降;(3)1次干湿循环作用下其强度随含水率衰减最为明显,随着含水率的增加其逐渐减小,且在12%以下含水率时其强度衰减较高,大于12%含水率时强度衰减较小。
2018 Vol. 26 (5): 1131-1138 [摘要] ( 29 ) [HTML 1KB] [PDF 4398KB] ( 35 )
1139 王颖, 庄建琦, 李威, 赵勇, 贾艳军
地震作用下黄土斜坡失稳及运动过程的离散元模拟
在山区,地震诱发滑坡造成的人员伤亡往往占到地震总伤亡人数的一半以上,尤其是在黄土地区,由于地震造成的黄土滑坡具有运动距离远等特征,其灾难性更严重。针对地震诱发黄土斜坡的失稳峰值加速度、临界位移和运动距离等问题,本文利用离散元(PFC)方法,通过对室内三轴实验的应力-应变曲线进行标定和高精度航拍三维地形数据进行转化,以宁夏海口村黄土斜坡为研究对象,开展三维地震作用下斜坡失稳破坏和运动过程的数值模拟研究。通过监测不同位置在地震作用下的应力分量,计算监测点的pq值并与室内三轴实验所得到p-q破坏线进行比较,获得斜坡破坏过程中的应力路径。结合颗粒的监测位移,获得斜坡失稳破坏的临界位移,得出该黄土斜坡失稳峰值加速度为0.135 g,临界位移为50 cm。同时根据不同地面环境条件,预测了在不同摩擦系数下斜坡失稳后的危害范围,为黄土地区边坡工程的抗震设计及防震减灾工作提供一种新的可视化方法。
2018 Vol. 26 (5): 1139-1154 [摘要] ( 25 ) [HTML 1KB] [PDF 12196KB] ( 38 )
1155 白志华, 李万州, 李海波, 张仕林, 周家文
红石岩震损高陡边坡工程岩体质量评价
高陡岩质边坡在经历强震过后,其浅部岩体受地震动力瞬时循环载荷作用而导致岩体质量下降,即所谓震损边坡。震损边坡的工程岩体质量对施工措施的制定和边坡安全评价至关重要。针对震损边坡岩体的实际特点,以工程岩体质量评价的BQ分级体系为基础,应用三维激光扫描技术来识别岩体结构面和节理裂隙,并结合岩块单轴抗压强度试验,建立了震损边坡工程岩体质量评价方法。应用提出的方法对云南鲁甸红石岩震损边坡Ⅱ区进行工程岩体质量评价,分析结果表明:震损边坡Ⅱ区浅部岩体较为破碎、受长期卸荷和地震扰动影响,节理裂隙发育,运用三维激光扫描技术识别、统计岩体结构面情况,再结合常规的岩体质量分类方法,最终确定岩体分级为Ⅳ类,结果较符合实际情况。该方法能够远程非接触式地识别统计岩体的结构面信息,尤其适合岩体破碎或坡面高陡而技术人员无法到达的危险边坡的岩体质量评价,可为其他类似工程提供参考。
2018 Vol. 26 (5): 1155-1161 [摘要] ( 26 ) [HTML 1KB] [PDF 2800KB] ( 18 )
1162 李培, 范文, 于国强, 梁鑫, 苏艳军
秦岭矿产资源开采区斜坡灾害发育规律与识别研究——以山阳—商南钒矿开采区为例
以山阳—商南钒矿开采区为例,通过遥感解译、无人机航拍及野外详细地质调查,统计分析了斜坡地质灾害的分布与坡形、坡向、坡度、地层倾角、岩体结构与岩性的相关性。研究得出:(1)矿区斜坡地质灾害具有明显的顺向坡效应,顺向坡地质灾害占灾害总数的75.86%;(2)72.42%的灾害发育在坡度30°~50°的斜坡中;(3)灾害分布与地层倾角有很好的对应关系,大部分地质灾害集中在倾角40°~60°的范围内;(4)斜坡灾害多发生在结构面较发育的斜坡中,尤其是夹角在70°~90°的近乎正交的结构面组合范围内;(5)斜坡灾害多发育在硅质岩或白云岩与黏土岩互层中,而白云岩中多发生的是崩塌。同时,结合研究区遥感影像的对比分析,提出了斜坡地质灾害遥感识别方法,在此基础上,形成了一套矿区地质灾害早期识别技术。研究成果可为矿山企业和矿区居民对斜坡地质灾害的识别与预警预防提供技术支持。
2018 Vol. 26 (5): 1162-1169 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 2526KB] ( 11 )
1170 潘俊义, 侯大勇, 李荣建, 朱桥川, 魏颖琪, 张真
不同雨强下黄土边坡降雨入渗测试与分析
黄土边坡的失稳问题是岩土工程中迫切需要解决的工程难题之一。首先,选取陕北黄土边坡为研究对象,开展4种雨强条件下的野外人工模拟降雨试验,通过测试边坡两侧开挖隔离槽并埋设隔离布从而改进测试边坡两侧的边界条件,实测不同雨强条件下边坡浸水深度以及土体含水率变化;然后分析不同雨强条件下降雨入渗过程和边坡应力变化特征,并比较不同雨强条件下入渗规律之间的差异。试验结果表明,不同雨强条件下的黄土边坡入渗深度均呈现坡脚最深、坡顶次之、坡中最浅的规律,入渗速率则是坡顶最快,其次是坡脚,最后是坡中;且随着深度的增加,雨水入渗能力逐渐减弱。随着雨强的增大,同一埋深处测点的体积含水率及土压力变化幅值变大,且含水率及土压力突变时间相应缩短,边坡的冲刷效果愈加明显。最后基于Geo-studio软件进行渗流分析,验证了现场试验结果的正确性,明晰了雨强对黄土边坡降雨入渗的影响。
2018 Vol. 26 (5): 1170-1177 [摘要] ( 20 ) [HTML 1KB] [PDF 4464KB] ( 9 )
1178 介玉新, 周诗博, 郭政豪, 陈杰
平台分级对加筋土边坡稳定性的影响研究
对于分级修建的边坡,如何选择合适的平台宽度还有待研究。利用离心模型试验和有限元强度折减法对加筋土边坡进行分析,探讨平台分级的影响。试验表明,设置平台可以使边坡分解成若干个次级边坡,边坡分级后,其整体破坏向各个次级边坡集中,失稳部分的规模有所减少;加筋增强了边坡的整体性,能够强化次级边坡之间的独立性;合适的宽度可以使滑动面只发生在次级边坡中,对整体安全是有利的。有限元计算表明,边坡高度较大时,土的黏聚力的作用就会削弱,通过将高大的边坡变成高度较小的次级边坡,能够充分发挥黏聚力对边坡稳定的作用。而加筋的主要效果就是给土体提供一个似黏聚力。也就是说,合适的边坡高度分级能够充分发挥筋材的加筋效果。另外,对加筋高边坡来说,筋材的模量和延伸率是更为关键的材料参数。延伸率不足,在其他筋材的强度还没有发挥时被拉断,就达不到共同承载的目的。
2018 Vol. 26 (5): 1178-1187 [摘要] ( 20 ) [HTML 1KB] [PDF 1901KB] ( 11 )
1188 许冲, 田颖颖, 马思远, 徐锡伟, 周本刚, 吴熙彦, 庄建琦, 高玉欣, 吴玮莹, 黄学强
1920年海原8.5级地震高烈度区滑坡编录与分布规律
发生在黄土高原的1920年12月16日的海原MS8.5级大地震触发了大量的滑坡,这些滑坡直接造成了大量的人员伤亡。近年来,出现了一些关于本次地震触发滑坡的专题研究,然而,这些研究多是基于局部震区或者个别单体滑坡进行,极少有关于该地震触发滑坡详细全面的成果出现。这种情况已经成为了深入理解海原地震触发滑坡的规模与程度、发育规律等的障碍。本研究拟基于谷歌地球平台,采用人工目视解译方法,以海原地震高烈度区(Ⅸ~Ⅺ)为研究区,开展地震滑坡解译工作,并分析这些滑坡的分布规律与影响因子之间的关系。结果表明本次地震在Ⅸ~Ⅺ度区内触发了至少5384处滑坡,滑坡总面积为218.78 km2。滑坡密度最高的区域为Ⅸ烈度圈的北西部分。通过分析这些滑坡与地形、地震、地质等因子的关系发现,高程1700~2000 m为滑坡的高发与高易发区间;大多数滑坡集中发育在坡度15°~25°范围内,滑坡密度随着坡度的增加而显著增加;坡位越低,也就是距离河流越近,滑坡密度越大;新生代地层、尤其是第四系黄土覆盖地区是海原地震滑坡发生的主要区域,也是高易发区域。本文为探索黄土地区地震滑坡发育规律、减轻黄土地震滑坡灾害等提供了科学参考。
2018 Vol. 26 (5): 1188-1195 [摘要] ( 41 ) [HTML 1KB] [PDF 6394KB] ( 18 )
1196 胡巍, 柳景华, 庞云铭, 钟华
基于H-B准则的各向异性边坡岩体强度参数修正研究
在岩质边坡的稳定性计算分析中,各向异性岩体抗剪强度参数的合理取值直接决定了分析成果的可靠性。为充分考虑岩体各向异性对边坡工程的影响,本文基于H-B强度准则,利用边坡岩体质量分类体系CSMR替代RMR,对参数mbs进行修正,并由此进一步计算得到各向异性边坡岩体的等效M-C强度参数。通过工程实例,计算比较了金沙江某水电站导流洞出口边坡在相同基岩条件、不同开挖设计方案下强度参数修正前后的边坡稳定安全系数。研究结果表明,岩体各向异性对边坡稳定性影响较大,未考虑岩体各向异性的岩体参数用于边坡稳定性计算时不能准确反映边坡的实际稳定性状态;而经过各向异性修正后,导流洞出口边坡两种设计方案下的整体稳定安全系数计算结果分别为1.11和1.70,与工程地质定性、半定量评价结果基本相符。通过本文提出的方法对边坡各向异性岩体参数进行修正,并在此基础上对边坡整体稳定性进行计算分析是可行的。
2018 Vol. 26 (5): 1196-1202 [摘要] ( 25 ) [HTML 1KB] [PDF 967KB] ( 14 )
1203 闫钰丰, 黄强兵, 杨学军, 王平
地下综合管廊穿越地裂缝变形与受力特征研究
以西安市昆明路地下综合管廊穿越f3地裂缝为研究对象,基于有限元数值模拟分析了地裂缝错动作用下分段地下综合管廊的变形与受力特征。结果表明:地裂缝错动作用下地下管廊顶板竖向沉降变形整体上呈现反“S”形特征,其变形量随地裂缝错动量的增大而增大;管廊结构纵向变形大致可划分3个变形段即下盘翘曲变形段、不均匀沉降段和上盘整体沉降段;在管廊设计使用寿期100 a内地裂缝错动量为50 cm时,管廊接头部位顶板的水平位移在地裂缝带处达到峰值,为4.1 cm,而底板水平位移为3.2 cm,管廊接头部位易发生张开、错位破坏现象,应予以加固;在地裂缝带附近,上盘管廊底板的接触压力减低至0,存在底板脱空现象,应预留注浆孔便于必要时进行注浆加固处理,而下盘管廊底板的接触压力则有明显增大的趋势;当地裂缝错动量超过20 cm时管廊结构顶、底板的拉应变超过了混凝土的极限拉应变,管廊变形破坏模式主要为拉张破坏。研究结果可以为西安市及其他地裂缝发育区地下综合管廊穿越地裂缝带的结构设计提供科学依据。
2018 Vol. 26 (5): 1203-1210 [摘要] ( 23 ) [HTML 1KB] [PDF 4294KB] ( 17 )
1211 尚敏, 马锐, 张英莹, 刘昱廷
基于GIS的证据权重法的崩塌敏感性分析研究
证据权重法评价模型作为一个客观的系统,它可以对不同因素的权重值进行计算,且分配权重过程客观,可以区分不同因素对于崩塌敏感性的影响。为了了解不同因素对崩塌的敏感性,本文利用已经发生的崩塌灾害的信息,以湖北省巴东县沿渡河镇为例,选取了106个崩塌点,采用证据权重法,通过ArcGIS软件对坡度、坡向、到断层的距离、到水系的距离、到公路的距离以及地层岩性等6个基本因素进行了敏感性分析,其中随机选取78个崩塌点作为训练集用来建模,另外28个崩塌点作为测试集对评价结果进行检测。分析结果表明:在影响崩塌的6个因子中,崩塌点到公路的距离的敏感性最大;崩塌敏感性高的区域呈线性分布在道路及河流附近,极高敏感区和高敏感性区占整个研究区的15.27%,测试集中有22个崩塌点分布在该区域内,即78.58%的崩塌点被正确评价,与现场调查结果相吻合,所得到的崩塌敏感性图对于防灾减灾工作具有指导作用。
2018 Vol. 26 (5): 1211-1218 [摘要] ( 17 ) [HTML 1KB] [PDF 3137KB] ( 22 )
1219 张晓超, 裴向军, 张茂省, 孙萍萍, 贾俊
强震触发黄土滑坡流滑机理的试验研究——以宁夏党家岔滑坡为例
针对地震触发低角度、长距离流态化黄土滑坡的问题,以1920年宁夏海原大地震触发的西吉县党家岔滑坡为典型案例,开展较为详细的现场勘查与工程地质测绘工作,并结合室内试验研究,揭示了党家岔滑坡特殊的形成机制及运动特征。结果表明:在强震过程中,马兰黄土的原始结构遭到摧毁性的破坏,上层非饱和黄土震裂损伤,后缘拉裂,底部潜在滑带的高饱和黄土层内超孔隙水压力骤增,并产生明显液化,强度骤减,塑性变形急剧累积,剪切面逐渐贯通;之后坡体在地震力水平抛射作用下,高速启动,几个滑块先后沿着295°、300°、80°方向滑向中间沟槽,然后碰撞变向顺沟而下;液化层呈泥流状向前运移,表现为典型的“剪切稀化”流体,达到极低的稳态强度和表观动力黏度,浮拖上部滑体产生低角度、长距离运移,冲出沟口后受到对面山体阻挡,转向沿着堡玉沟往下游侧扩离,整个滑程长达3 km。研究成果有助于深入认识强震条件下流态化滑坡的形成机制,对于防控黄土地区地质灾害具有一定的参考价值和指导意义。
2018 Vol. 26 (5): 1219-1226 [摘要] ( 26 ) [HTML 1KB] [PDF 4421KB] ( 22 )
1227 李世贵, 黄达, 石林, 王俊杰
基于极限应变判据-动态局部强度折减的边坡破坏演化数值模拟
岩土材料具有极限应变特征,其值可以通过室内试验或数值模拟方法求得。边坡岩土体主要为剪切破坏,可采用极限剪应变作为材料破坏的判据。事实上,边坡岩土体强度参数劣化并非整体性的,而是一个渐进性局部损伤至整体失稳的过程。本文基于极限应变判据,建立了边坡破坏的动态局部强度折减方法,此方法对边坡中超过极限剪应变值的单元进行强度折减。通过不断折减计算过程中产生的超过极限剪应变值单元,直到坡内超过极限剪应变值的单元贯通,认为边坡整体发生破坏。将该方法应用到实际边坡工程中,计算结果和边坡破坏模式及变形监测数据基本吻合。此方法在分析边坡渐进性破坏及稳定性评价方面具有较好应用前景。
2018 Vol. 26 (5): 1227-1236 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 6495KB] ( 14 )
岩土体工程地质
1237 徐永福
基于膨润土凝胶分形结构的屈服强度理论
在核废料处置库安全使用的设计年限(数万年至数十万年)内,膨润土遇水侵蚀,导致缓冲/回填层致密性降低、渗透性增加,危及核废料处置库安全。膨润土侵蚀是以膨润土凝胶形式迁移,膨润土凝胶的屈服强度就是侵蚀的临界剪切应力。膨润土凝胶颗粒之间的联结靠颗粒间的长程作用,即van der Waals力,颗粒间的联结作用取决于凝胶的结构。本文基于膨润土凝胶结构的分形模型,假设凝胶的屈服强度等于冲刷面上单位面积的van der Waals力的总和,导出了膨润土凝胶的屈服强度(σy)的表达式,表示为凝胶的固体体积率(φs)的幂函数,即σy=σy0φsm,幂函数的指数是凝胶结构分维的函数。膨润土凝胶的屈服强度理论得到了试验数据的验证。
2018 Vol. 26 (5): 1237-1242 [摘要] ( 26 ) [HTML 1KB] [PDF 1383KB] ( 14 )
1243 陶高梁, 吴小康, 杨秀华, 刘文生, 何俊, 陈银
水泥土的孔隙分布及其对渗透性的影响
以不同水泥掺量的水泥黏土为研究对象,进行核磁共振试验研究水泥掺量对微观孔隙分布的影响,进行变水头渗透试验研究水泥掺量对渗透性的影响,在此基础上调查水泥掺量对渗透性影响的微观机制。研究发现:水泥土的渗透系数随水泥掺量的增大而减小,其中在低水泥掺量(4%~12%)范围内急剧减小,在高水泥掺量(15% ~25%)范围内呈现相对缓慢减小趋势;水泥土T2分布曲线均呈现三峰分布,三峰分别对应于小孔、中孔、大孔,随着水泥掺量增加,T2分布曲线总面积呈现减小趋势,其中在低水泥掺量范围内,第2峰、第3峰峰面积减小明显,在高水泥掺量范围内,第1峰峰面积显著减小。分析可知,在水泥掺量较低时,水泥水化作用优先堵塞大孔和中孔,导致渗透系数随水泥掺量增加而显著减小;在水泥掺量较高时,水泥掺量的增加主要减少小孔隙面积,大孔和中孔面积变化不大,此时增加水泥掺量对减小水泥土渗透系数的效果相对较差。
2018 Vol. 26 (5): 1243-1249 [摘要] ( 11 ) [HTML 1KB] [PDF 1677KB] ( 17 )
1250 洪勃, 李喜安, 王力, 李林翠
毛细管渗流模型在黄土渗透性中的应用探讨
黄土作为一种典型的多孔介质,多孔性是其重要特性之一。多孔性不仅影响着黄土的物理力学及化学特征,也严重影响着黄土的水理性质,特别是黄土的渗透特性。然而,作为多孔介质渗流理论的经典模型——毛细管模型,已经广泛应用于油气田开采、煤成气开采以及岩土工程等领域,但将多孔介质渗流理论模型引入表征黄土的多孔构造,这方面的资料尚欠缺。因此,本文以黄土的渗透性作为研究示例,在总结分析目前相对较为成功的多孔介质毛细管渗流模型的基础上,选取适于定量表征黄土渗透性的渗流模型,结合计算结果和渗透试验结果的对比,探讨将多孔介质毛细管渗流模型引入描述黄土渗透性这一方法的适用性。并提出孔隙的“香肠”构造(或称为“莲藕”构造),为黄土的渗透性研究提供可借鉴的理论依据。
2018 Vol. 26 (5): 1250-1256 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 2013KB] ( 11 )
1257 赵建军, 严浩元, 杨昌鑫, 步凡, 李涛
冻融作用下裂隙岩体锚固效应研究
用相似材料制作含预制裂隙岩体无锚和加锚试样,以锚杆与裂隙呈45°、90°打入锚杆制作3组试样,进行60次冻融循环,对冻融过程中裂隙进行应变监测并对冻融循环60次后的试样进行单轴压缩试验,探讨冻融循环作用下不同角度的锚杆支护对裂隙岩体的裂隙扩展规律、锚固效应及破坏模式的影响。研究结果表明:裂隙岩体在经历30次冻融循环之前,两种支护方式对裂隙的控制效果相当,随着冻融循环的进行,锚杆支护角度会对作用于锚杆的摩阻力产生一定影响,锚杆与裂隙夹角越大,作用于裂隙的摩阻力越大;天然状况下一个冻融循环周期内裂隙的应变大致经历了冷缩→冻胀→冻胀稳定→融缩→回弹→稳定6个阶段,两种支护工况均未出现明显的融缩阶段和回弹阶段,且90°支护工况效果比45°支护工况效果更加明显;对裂隙岩体采用水泥浆进行压力灌浆,由于水泥浆的保护作用可以对整个锚固系统起到一定的修复作用;锚杆增强了裂隙岩体抵制裂隙扩展的能力,降低了裂隙岩体劈裂破坏的突然性,且破坏模式由张拉破坏转换为张剪复合破坏。
2018 Vol. 26 (5): 1257-1264 [摘要] ( 20 ) [HTML 1KB] [PDF 2836KB] ( 10 )
1265 何陇霞, 王旭, 张延杰, 李建东, 尉晨煜
非饱和黄土水蒸气扩散规律模型试验研究
黄土强度受含水状态的影响作用较为显著,其随含水状态的周期性变化而变化,进而引起一系列病害。为研究非饱和黄土中水蒸气和温度的扩散运移规律,通过室内填筑模型试验,在重塑黄土中通入高温高压水蒸气,分析了非饱和重塑黄土中水蒸气和温度扩散运移规律。试验结果表明:在非饱和重塑黄土中,水蒸气扩散范围近似为椭球形;水蒸气扩散速率沿径向逐渐减小,增加蒸气压,蒸气扩散速率、扩散范围和增湿程度都将增大;蒸气压在加速水分扩散的同时,加速了温度的运移,气压为50 kPa土体升温速率约为0.75 ℃ ·min-1,气压为200 kPa时升温速率1.12 ℃ ·min-1;土体密度越大,水蒸气扩散时受到土颗粒的阻碍越大,随着水蒸气径向扩散距离增大,这种阻碍作用越显著,含水率减小的量值越大。
2018 Vol. 26 (5): 1265-1271 [摘要] ( 15 ) [HTML 1KB] [PDF 3025KB] ( 9 )
1272 高广运, 李永佳, 董文悝
脉冲地震动中竖向加速度对场地液化的影响
为研究近断层脉冲地震动中竖向加速度对砂土场地液化的影响,基于有限元平台OpenSees开发的边界面塑性本构模型,建立了动单剪单元试验模型和饱和砂土三维有限元模型。选取台湾Chi-Chi地震中10条具有速度脉冲特性的地震波,对比分析了水平双向脉冲波与三向脉冲波作用下土柱竖向位移、循环应力比、孔压比及等效循环周数的差异性,继而明确了脉冲地震动中竖向加速度对砂土液化的影响规律。研究表明,三向脉冲地震波中竖向加速度分量对场地永久位移值影响较小,但使永久位移的发展持时明显增大;土柱循环应力比受竖向地震动影响较小,因此分析脉冲地震动对场地剪切特性的影响时,可将三向脉冲地震动简化为水平双向地震动;考虑竖向地震动的三向脉冲地震波引起的孔压比变化幅度较大,孔压消散时间较长;三向脉冲地震波对应的等效循环周数较大,地震动发展持时长,可认为竖向加速度对场地液化有促进作用。
2018 Vol. 26 (5): 1272-1278 [摘要] ( 15 ) [HTML 1KB] [PDF 1853KB] ( 13 )
1279 张卫杰, 郑虎, 王占彬, 高玉峰
基于三维并行SPH模型的土体流滑特性研究
土体的大变形流滑导致了许多地质灾害的发生,对人们的生命财产安全构成了极大的威胁,因此越来越多的研究开始关注土体的大变形流滑特性。其中,光滑粒子流体动力学(SPH)方法是常用的模拟方法之一,但SPH方法的粒子特性导致其计算时间过长,影响了在工程地质领域的进一步应用。对此,本研究基于SPH方法的基本原理、非牛顿流体理论和等效黏度概念,提出了适用于土体大变形流滑分析的三维SPH仿真模型。结合OpenMP并行计算原理,实现了SPH算法的并行优化。在此基础上,对土体流滑模型试验进行了二维和三维分析,得到了滑动距离、滑动冲击力和冲击力峰值等动力学参数,分析了计算维数和边界条件对流滑特性的影响机制。通过不同线程数下计算时间的对比,获得了计算效率随线程数的变化规律。结果证明了本文的OpenMP并行优化具有较高的计算效率,显著降低了三维SPH模拟的计算耗时,对工程地质数值方法的效率提升具有重要的借鉴意义。
2018 Vol. 26 (5): 1279-1284 [摘要] ( 18 ) [HTML 1KB] [PDF 1989KB] ( 15 )
1285 吴雪婷, 项伟, 王臻华, 张美霞
离子土固化剂固化淤泥的微观机理研究
采用离子土固化剂对武汉典型淤泥进行化学加固,通过阿太堡界限试验获得不同配合比加固土的塑性指数;对离子土固化淤泥前后的样品开展了压缩性能、微观结构、比表面积、化学成分、能谱分析和阳离子交换等试验,研究离子土固化剂对淤泥加固的宏观表现与微观作用机理。试验结果表明:经离子土固化剂处理后的淤泥压缩性减小,孔隙变小,离子土固化剂促使土颗粒之间聚集、凝结,团聚体明显增大,比表面积减小,比表面能降低,土体结构更致密。淤泥固化前后其化学成分并没有发生改变,离子土固化剂与淤泥胶体颗粒表面的反离子层发生了阳离子交换反应,固化剂稀释液中部分K+、Na+离子被淤泥土截获吸附,黏土颗粒表面的Ca2+、Mg2+离子被解析出,使扩散层厚度变薄,ξ电势降低,黏土胶体颗粒聚结,提高了土颗粒之间的联结强度和稳定性,从而达到土壤改性加固的目的。
2018 Vol. 26 (5): 1285-1291 [摘要] ( 19 ) [HTML 1KB] [PDF 2138KB] ( 10 )
1292 谈云志, 钱芳红, 彭帆, 孙文静, 明华军
掺入膨润土中的石墨最大粒径确定方法
核废料处置库缓冲层除要具备良好的隔离防渗外,还需要有卓越的导热性能。为此,论文以钠基膨润土为基础,混入高导热率天然石墨,配置兼具防渗-导热功能的缓冲材料。按照相同的石墨掺入率(20%,质量比),把最大粒径为50目、100目、200目和325目的石墨分别掺入膨润土,形成均匀的石墨-膨润土混合物。开展膨润土-石墨混合物自由膨胀率、恒体积膨胀力和渗透等水-力特性试验,探讨石墨粒径对膨润土-石墨混合物水-力性能的影响。结果表明,相同石墨掺入率下,最大粒径100~200目的石墨和膨润土混合,可以形成更好的缓冲材料,其渗透系数最小,而膨胀力最大。究其原因,应与石墨-膨润土的接触方式相关。石墨呈扁平状结构,粒径较大时,石墨和膨润土被压实后,容易在扁平结构末端形成未被充填的孔隙;而石墨粒径较小时,石墨和膨润土颗粒接触面积增大,石墨属于憎水性材料,膨润土-石墨界面处提供了更多渗漏通道。研究结论为配置核废料处置库缓冲层材料提供了科学参考。
2018 Vol. 26 (5): 1292-1299 [摘要] ( 20 ) [HTML 1KB] [PDF 3977KB] ( 15 )
1300 陈筠, 王麒, 于明圆, 邬忠虎, 高彬, 董吉
碱污染红黏土抗剪强度及破裂面微观结构特征研究
碱污染使得贵州某铝厂地基红黏土孔隙比、比重和塑性指数降低。本文结合实际污染液质量分数及入磨母液为污染源,考虑时间和质量分数效应,对碱污染原状红黏土通过室内直剪试验,研究其抗剪强度的变化。并从碱污染红黏土剪切位移为4 mm时破裂面的微观结构入手,对其微观孔隙、颗粒进行定性和定量分析,探究其剪切破坏时的破裂方式。结果表明:高质量分数下,抗剪强度整体增加,土中多为惰性孔隙,孔隙方向性较好,颗粒变得较为狭长;入母液下,抗剪强度整体增加最多,土中几乎全为惰性孔隙,孔隙方向性最好,颗粒最为狭长;低质量分数下,抗剪强度整体减少,土中内活性孔隙仍较多,孔隙方向性较差,颗粒仍保持较好圆度。为碱污染红黏土的改良以及宏-微观的定量化研究提供一定的参考。
2018 Vol. 26 (5): 1300-1310 [摘要] ( 14 ) [HTML 1KB] [PDF 9112KB] ( 14 )
1311 汤斌, 殷建风, 费建武
基于湛江组结构性黏土的桩土接触面模型及解析解
湛江组结构性黏土因其特有的结构特性而使该土层中桩基承载性状复杂,传统的桩基设计计算理论和方法应用于该土层中桩基承载力计算时其理论计算值与工程实测值或多或少存在一定误差而存在适用性问题。基于湛江组结构性黏土直剪试验及无侧限抗压强度试验,在剪切位移法的基础上,提出了桩土接触面软化模型,即桩土接触面处于弹性阶段时,桩侧摩阻力随位移线性增加;桩土接触面处于软化阶段时,桩侧摩阻力随位移线性减小,且减小速率与土体灵敏度、桩土接触面法向压力有关;桩土接触面处于滑移阶段时,桩侧摩阻力不随位移变化。依据该模型推导了湛江组结构性黏土中竖向荷载作用下单桩位移及轴力解析解,并比较了计算与试验结果,验证了所提模型的合理性。
2018 Vol. 26 (5): 1311-1317 [摘要] ( 15 ) [HTML 1KB] [PDF 1943KB] ( 12 )
1318 张彤炜, 邓永锋, 张帆宇, 张虎元, 兰恒星
黏性土次固结行为的盐分和矿物效应研究
我国江苏北部连云港地区海相软土蒙脱石族矿物含量相对较高,且在海陆交互环境中沉积形成,沉积过程中具有孔隙水盐分较高的特点,但在后沉积过程中由于地表和地下淡水入侵,会使孔隙水盐分发生变化,而相应的次固结行为的变化规律尚不明晰,因此需要深入了解矿物成分、孔隙水盐分在软黏土次固结行为中的作用机制。由于天然软黏土的矿物成分、孔隙水成分差异较大,试验材料采用矿物成分均一的商用高岭土与膨润土组成的人工黏土作为研究对象,配制不同浓度的NaCl溶液作为孔隙水,模拟孔隙水盐分变化。通过常规固结试验,发现对于含蒙脱石矿物的人工黏土,压缩指数Cc随着盐分浓度的增加而减小,主固结完成时间随盐分的增加而提前,且同一应力水平下和孔隙比下,次固结系数随着盐分的增加而减小。在同样的上部荷载下,次固结系数与压缩指数的比值Cα/Cc不再保持为经验常数,而是随着孔隙水盐分的增加而偏离经验值,主要原因为盐分对水膜蠕变的影响。但是,对于主要由高岭石矿物构成的人工黏土,孔隙水盐分浓度则未对其次固结参数产生明显的影响。因此,如果场地的黏性土蒙脱石含量较高且孔隙水含盐量较高,则需要考虑孔隙水盐分的变迁对地基长期变形的影响。
2018 Vol. 26 (5): 1318-1325 [摘要] ( 19 ) [HTML 1KB] [PDF 3003KB] ( 7 )
1326 王燚钊, 崔振东, 李明, 韩伟歌, 张建勇
三点弯曲条件下薄层状岩体单层厚度对裂纹扩展路径的影响
为了揭示薄层状岩体单层厚度对裂纹扩展路径的影响,利用ABAQUS软件进行数值模拟,对含预制裂纹的不同单层厚度的层状岩体进行三点弯曲数值试验,岩体试样长度和宽度一定(512 mm×128 mm),分5种不同的单层厚度建模,单层厚度分别为:64 mm、32 mm、16 mm、8 mm、4 mm。提取破裂过程中的声发射信息及主裂纹路径参数,对比分析不同层理厚度时,岩体的峰值载荷、声发射事件数、累计声发射事件数、主裂纹长度等对单层厚度的变化规律。研究结果表明:(1)薄层状岩体的强度与单层厚度有一定关系,单层厚度越大,岩体的抗弯强度越小,并且这种变化是非线性的。(2)在不同层厚条件下,层理面均表现出了阻止裂纹向上扩展的效果。同时,裂纹在层状岩体中的扩展是不连续的,裂尖沿层理面发生了水平迁移,整体呈现阶梯状。(3)在三点弯曲条件下,随着单层厚度的减小,岩体破裂时的裂纹总长度先增大后减小。(4)裂纹在岩体层面扩展时破裂类型多为滑移与拉张破裂的组合,而在非层理面的岩体内部扩展时,以拉张破裂为主。(5)薄层状岩体在三点弯曲条件下,声发射事件在岩体的压密阶段几乎没有出现,直至接近峰值载荷时才大量涌现。到了载荷快速下降时,单位时间的声发射事件数也达到最大。研究结果将对预测层状岩石的裂缝演化提供依据。
2018 Vol. 26 (5): 1326-1335 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 5249KB] ( 13 )
1336 张国彪, 包含, 兰恒星, 晏长根, 陶悦
结构面粗糙度系数与采样精度的关系研究
结构面粗糙度系数(JRC)的获取过程中存在采样精度问题,为了获取合理的JRC值,本文开展了JRC剖面线采样点精度研究。选取3种岩石,每种取10个具有一定粗糙程度的结构面为研究对象,运用三维激光扫描技术获取结构面几何形貌特征并进行数字化处理。在此基础上,提取结构面选定剖面线的起伏信息,利用分形理论计算不同采样点间隔条件下剖面线的JRC值,分析JRC取值中存在的采样点间隔效应,并研究其影响因素。结果发现:JRC值受剖面线采样点间隔影响,当采样点间隔小于临界间隔值时,JRC值基本保持不变;当间隔大于临界间隔值时JRC值出现波动。采样点临界间隔值与结构面粗糙程度相关,与JRC值呈负指数函数关系,并且其关系受岩石类型影响,岩石颗粒越小两者拟合度越高。综合3种岩石得到JRC值与采样点临界间隔值关系服从y=1.8314e-0.067x的函数分布,可以此为依据进行采样点临界间隔定量取值,来消除间隔效应对JRC值的影响。该项研究成果可为结构面粗糙信息采集提供科学的方法,通过选取合理的采样点数量,保证结构面信息采集工作效率和JRC值计算精度。
2018 Vol. 26 (5): 1336-1341 [摘要] ( 17 ) [HTML 1KB] [PDF 1737KB] ( 9 )
1342 刘帅奇, 马凤山, 赵海军, 刘港, 郭捷, 孙琪皓
基于RJM断续节理岩体强度与破坏特征的数值模拟研究
裂隙结构的存在对于工程岩体的强度和稳定性具有重要影响,岩石宏观裂隙的产生源自于微破裂的积累。针对岩体裂隙的粗糙特性,通过Matlab建立考虑粗糙度的节理模型(Roughness Joint Model),采用简化的正弦曲线来表示粗糙节理,并将其导入到颗粒流试验模型中进行单轴压缩试验。对比完整岩体、直线型裂隙岩体、RJM岩体三者破坏的应力-应变曲线,改变裂隙倾角(与水平方向夹角)α,岩桥倾角β,裂隙密度γ,建立不同裂隙分布的断续节理岩体数值试样,开展一系列数值模拟试验。研究结果发现:(1)裂隙的存在明显降低了岩体的抗压强度,RJM模型峰值强度和峰值应变均高于直线型裂隙岩体;(2)岩体抗压强度总体上随裂隙倾角增大而增加,随裂隙密度增加而减小,但随岩桥倾角的改变呈非线性变化,岩桥倾角45°时峰值强度最低,峰值应变最小;(3)裂隙分布会影响岩体的破裂模式,微裂隙的扩展反映了岩体力学性质的各向异性;(4)不同倾角下增加裂隙密度,岩体强度下降程度不同,倾角75°时密度对强度影响最小,30°和60°时影响最大。
2018 Vol. 26 (5): 1342-1350 [摘要] ( 13 ) [HTML 1KB] [PDF 21611KB] ( 13 )
新型地质工程与重大工程实践
1351 马凤山, 刘锋, 郭捷, 卢蓉, 郭慧高, 寇永渊
陡倾矿体充填法采矿充填体稳定性研究
理论研究是分析力学问题基本手段,应用理论方法分析充填体整体稳定性的前提条件是存在明确的滑移面。前人许多研究成果基于考虑充填体与围岩接触面即为滑移面,但将接触面作为滑移面分析充填体稳定性缺少数据支持。本文结合前人研究成果,并根据金川二矿区地表变形特征,考虑倾斜(直线和曲线)滑移面,进而解析得到充填体内部竖向应力微分表达式;根据二矿区开采分层充填体的实际情况,考虑为简支梁模型,求得分层充填体局部稳定性的理论解析解;运用数值模拟软件分析二矿区充填体底板最大、最小主应力,判断了充填体发生破坏失稳的可能性。结果表明:充填体不会发生整体失稳垮塌,但充填体局部发生变形破坏的可能性还是存在的,对于双中段开采的上部采空区,充填体发生变形破坏的可能位置位于两侧角点,对于双中段开采的下部采空区,变形破坏位置稍有扩大,但也集中在两侧角点附近,应及时采取合理的支护措施,防止发生充填体局部失稳破坏。
2018 Vol. 26 (5): 1351-1359 [摘要] ( 17 ) [HTML 1KB] [PDF 1928KB] ( 11 )
1360 许晨, 袁立群, 门玉明, 刘蕾, 杨觅
地铁振动作用下穿越地裂缝隧道-地层动力响应模型试验研究
以西安地铁工程为背景,设计了穿越地裂缝隧道——地层动力响应试验模型,开展了地铁振动作用下穿越地裂缝隧道——地层相互作用的动力模型试验,揭示了地裂缝活动及地铁列车振动时对位于地裂缝处地层的动力响应规律。试验结果表明:在地裂缝未活动时,隧道拱顶位置的加速度响应与拱底相比,其值相对较小,表明地铁列车振动引发拱底部的振动加速度,通过衬砌传递至上覆岩土体时,加速度发生了显著的衰减;当地裂缝上盘下降时,隧道拱底及拱顶测点产生的振动响应比地裂缝未活动时明显更为强烈。表明地裂缝的活动对隧道结构振动特性具有显著影响;受地铁列车运行位置变化和地裂缝上盘下降的双重影响,地裂缝两侧土体振动加速度幅值有明显的差异,这会对隧道结构的振动特性造成不利影响,在设计中应采取适当措施,防止造成隧道衬砌的局部损伤或破坏。
2018 Vol. 26 (5): 1360-1365 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 3591KB] ( 14 )
1366 张彬, 李玉涛, 石磊, 彭振华, 李俊彦
海岛环境下地下水封油库海水入侵数值模拟研究
海水入侵是影响海岛地下水封油库施工及运营安全的重要因素。海岛环境下建设地下水封油库,大规模的地下开挖将显著改变海岛天然地下水渗流场,海水入侵地下洞室一方面引发突水风险,另一方面海水中的氯离子将会对地下洞库结构设施造成侵蚀,影响地下油库的使用寿命。因此在海岛环境下建造地下水封油库,除了需要考虑水封可靠性与岩体稳定性外,还需要关注海水入侵等现象。科学设置水幕系统可以有效地减弱海水入侵风险,论文基于污染质运移相关理论,采用有限元数值模拟方法,以拟建浙江省舟山市某海岛大型地下水封油库为例,模拟了地下油库建造及运营期的海水入侵现象,研究表明:若不设置淡水水幕系统,开挖地下洞室会直接导致海水入侵;设置水平水幕后在确保水封可靠性的前提下,能在一定程度上减弱海水入侵;而设置垂直水幕系统则能较为明显地抑制海水入侵的发生。该成果为海岛环境下建造地下水封油库可能遇到的海水入侵问题研究提供了理论依据。
2018 Vol. 26 (5): 1366-1374 [摘要] ( 23 ) [HTML 1KB] [PDF 5095KB] ( 8 )
1375 胡建平, 李庆庆
洋山四期自动化码头勘察新技术应用
上海国际航运中心洋山深水港四期码头位于港区一-三期西北侧,由颗珠山岛、小乌龟岛、蒋公柱岛及花鱼礁等围海填筑形成,是世界上首个依托岛礁建成的超大型港口,它的建成奠定了上海国际航运中心港地位。四期工程为世上最大、最先进的智能化码头,基础采用新工艺,对勘探成果要求高,技术难度大,外海依托条件差,面临的许多问题无规范可循或类似工程借鉴。工程中勘察人员采用具有完全自主知识产权集勘探平台系列、新颖取土器、软土测试新工艺、海水造浆等为一体的综合关键技术,揭示了港区吹填土固结载荷变形规律,提出了适宜有效的桩基处理方案,为优化设计减低成本提供了强有力的数据支撑,取得了良好的社会和经济效益。这些创新标志着我国近海岩土工程“中国勘察”技术的突破,同时为今后类似重大、特大型海上工程勘察提供有益的参考。
2018 Vol. 26 (5): 1375-1383 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 4332KB] ( 15 )
1384 李亚兰, 宋飞, 赵法锁
随机介质理论预测斜巷道开挖引起的地表变形
针对斜巷道开挖会对地表产生不同的地表移动与变形问题,采用随机介质理论,推导出了巷道半圆拱形开挖断面引起的地表移动与变形公式。分别对一斜巷道的不同剖面位置进行了地表移动与变形的计算,得到了不同位置地表的最大下沉、最大倾斜、最大曲率及最大水平变形值,分析了不同巷道位置对地表的影响范围。计算结果可为电厂工程的规划设计提供一定的指导。
2018 Vol. 26 (5): 1384-1389 [摘要] ( 23 ) [HTML 1KB] [PDF 1389KB] ( 15 )
1390 徐彬, 李仲奎
地下水封石油洞库初始地应力回归分析
对于地下洞室的稳定性分析,初始地应力的回归分析是十分重要的第一步。现行的初始地应力回归方法如函数法、位移反分析法、边界法等不易操作,且准确度也不高。本文以黄岛地下水封石油洞库为例,根据实测的初始地应力拟合出水平向主应力与竖直向自重应力的关系,在已有自重应力计算结果的基础上,通过坐标变换,将拟合出的水平向主应力转换至模型坐标下的正应力和剪应力,利用FLAC3D的FISH 语言,遍历所有单元读入上一步得到的正应力和剪应力,计算至收敛后直接生成初始地应力场。将回归结果与现场实测结果进行对比分析,相对误差在10%以内,取得了较好的效果,此种方法简单且有效。
2018 Vol. 26 (5): 1390-1396 [摘要] ( 22 ) [HTML 1KB] [PDF 4427KB] ( 12 )
1397 郭静芸, 关静
基于Web of Science数据库的地质工程研究文献计量分析
近年来全球地质工程学科的发展取得了一系列的进步,文献计量分析可以定量化地分析地质工程领域的科研产出和发展趋势,为中国未来地质工程的研究提供参考。本文利用Web of Science(WoS)数据库中的核心合集,在2018年5月7日检索近10 a来(2008~2017)有关地质工程的期刊研究论文,并采用VOSviewer软件对获取的27 025篇文献信息进行分析。结果表明:(1)过去10 a间期刊论文数量迅速增长,中国是地质工程研究最活跃的国家,且与其他国家的合作相对更多。(2)标题和摘要中的高频术语显示近10 a来地质工程总体的研究范围保持不变,且在逐步拓宽研究领域。(3)地质工程研究发文量前10的机构中,来自中国的研究机构有5个,且与全球其他机构合作最多。在13位高发文作者中,一共有7位研究者来自中国。中国的Ng C W W和加拿大的Rowe R K发文量位居第一,但是中国科研机构和中国研究者的h-index相对较低。(4)期刊Engineering Geology的总发文量最多,为1860篇;截止统计日期,影响因子最高的期刊为Rock Mechanics and Rock Engineering,影响因子为2.905。本文首次采用文献计量手段分析地质工程的研究进展以及科学交流情况,以期为中国未来地质工程学科的发展提供参考。
2018 Vol. 26 (5): 1397-1407 [摘要] ( 13 ) [HTML 1KB] [PDF 10271KB] ( 23 )
工程地质学报


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