当期目录

2022年  30卷  第4期
岩土力学
根据覆盖层边坡特性设计室内降雨试验模型,提出初始含水率分布沿高程呈反比例分布。根据边坡表面未饱和时降雨入渗受总降雨量控制的基本假设,建立了不排水状态下覆盖层边坡降雨入渗的解析计算方法。基于上述降雨入渗理论,考虑非饱和土抗剪强度变化规律,建立适用于非饱和覆盖层边坡的边坡稳定性计算方法。分析了覆盖层厚度、初始含水率分布参数以及覆盖层边坡角度对边坡稳定性的影响规律。具体结论如下:(1)覆盖层边坡内部初始含水率分布可采用反比例分布近似表示,基于总降雨量控制假设,得到可考虑初始含水率分布的覆盖层边坡降雨入渗解析计算方法。(2)基于半无限空间体边坡假设,给出覆盖层边坡在降雨入渗条件下不同位置滑动面的稳定系数计算方法。(3)在相同降雨量条件下,边坡初始稳定性随覆盖层土体厚度的增加而下降。降雨入渗对覆盖层边坡稳定性的影响随着上覆土层厚度的增加而减小。(4)当降雨量相同时边坡稳定性随着覆盖层土体初始含水率分布参数的增加而下降,降雨时间越长,初始含水率分布对边坡稳定的影响越明显。(5)不同角度的覆盖层边坡稳定性均随降雨量增加而逐渐减小。在初始状态下边坡角度增加所引起的最小稳定系数下降幅度最大,随着降雨量的增加,边坡稳定性受角度影响逐渐减小。 根据覆盖层边坡特性设计室内降雨试验模型,提出初始含水率分布沿高程呈反比例分布。根据边坡表面未饱和时降雨入渗受总降雨量控制的基本假设,建立了不排水状态下覆盖层边坡降雨入渗的解析计算方法。基于上述降雨入渗理论,考虑非饱和土抗剪强度变化规律,建立适用于非饱和覆盖层边坡的边坡稳定性计算方法。分析了覆盖层厚度、初始含水率分布参数以及覆盖层边坡角度对边坡稳定性的影响规律。具体结论如下:(1)覆盖层边坡内部初始含水率分布可采用反比例分布近似表示,基于总降雨量控制假设,得到可考虑初始含水率分布的覆盖层边坡降雨入渗解析计算方法。(2)基于半无限空间体边坡假设,给出覆盖层边坡在降雨入渗条件下不同位置滑动面的稳定系数计算方法。(3)在相同降雨量条件下,边坡初始稳定性随覆盖层土体厚度的增加而下降。降雨入渗对覆盖层边坡稳定性的影响随着上覆土层厚度的增加而减小。(4)当降雨量相同时边坡稳定性随着覆盖层土体初始含水率分布参数的增加而下降,降雨时间越长,初始含水率分布对边坡稳定的影响越明显。(5)不同角度的覆盖层边坡稳定性均随降雨量增加而逐渐减小。在初始状态下边坡角度增加所引起的最小稳定系数下降幅度最大,随着降雨量的增加,边坡稳定性受角度影响逐渐减小。
基于Dakshanamurthy和Fredlund提出的二维非饱和土固结理论,利用Fourier正弦级数展开、Laplace变换,分别给出了分段循环荷载作用下二维非饱和土固结问题的超孔隙气压力、超孔隙水压力和沉降的半解析解,并应用退化法验证了本文所得半解析解的正确性。然后,结合3种具体的荷载形式,分析了分段循环荷载作用下气相与液相渗透系数之比(ka/kw)、水平方向与竖直方向渗透系数之比(kx/kz)和荷载特征参数(a)对二维非饱和土固结特性的影响。结果表明:ka/kwkx/kz的增大均会加速固结沉降进程;荷载特征参数越大,沉降发展越早,沉降值越小;二维非饱和土固结特性受分段循环荷载作用影响明显。因此,在实际施工过程中改变施工速度和设置径向排水装置可有效控制二维条件下非饱和土体的固结过程,该研究成果可为非饱和土地基的设计和施工提供重要理论依据。 基于Dakshanamurthy和Fredlund提出的二维非饱和土固结理论,利用Fourier正弦级数展开、Laplace变换,分别给出了分段循环荷载作用下二维非饱和土固结问题的超孔隙气压力、超孔隙水压力和沉降的半解析解,并应用退化法验证了本文所得半解析解的正确性。然后,结合3种具体的荷载形式,分析了分段循环荷载作用下气相与液相渗透系数之比(ka/kw)、水平方向与竖直方向渗透系数之比(kx/kz)和荷载特征参数(a)对二维非饱和土固结特性的影响。结果表明:ka/kwkx/kz的增大均会加速固结沉降进程;荷载特征参数越大,沉降发展越早,沉降值越小;二维非饱和土固结特性受分段循环荷载作用影响明显。因此,在实际施工过程中改变施工速度和设置径向排水装置可有效控制二维条件下非饱和土体的固结过程,该研究成果可为非饱和土地基的设计和施工提供重要理论依据。
为了研究钙芒硝盐岩在水热综合作用下强度等参数的衰减规律,通过自行研制的实验装置,模拟了钙芒硝盐岩在30~70℃温度的蒸馏水中的浸泡实验。在浸泡40d过程中,测试了钙芒硝盐岩的单轴抗压强度、弹性模量、纵波波速、破坏模式等参数,总结了浸水前后钙芒硝盐岩参数随时间、温度的变化规律;通过偏光显微镜对比观察了在浸泡前后钙芒硝盐岩微观结构的变化特征;分析了成分、结构、时间、温度等因素对钙芒硝盐岩强度等参数衰减的影响。研究结果表明:(1)钙芒硝盐岩强度随浸泡时间的增加衰减剧烈。浸泡7d后,钙芒硝盐岩强度衰减为初始强度的50% ~72%。浸泡30~40d后,钙芒硝盐岩强度衰减至初始强度的10%以下。(2)钙芒硝盐岩在长时间的浸泡过程中,主要是其中的可溶成分的溶解、溶蚀作用导致了钙芒硝盐岩结构的劣化。(3)在实验温度(30~70℃)范围内,钙芒硝等矿物的溶解过程大致经历了溶解度先增大后减小的过程,钙芒硝盐岩强度存在先减小后增大的变化,但在相同浸泡时间下各浸泡温度间强度差值小于初始强度的10%,钙芒硝盐岩强度随浸泡温度(30~70℃)变化不大。论文研究成果深化了盐渍岩土,尤其是钙芒硝盐岩水岩相互作用的认识,同时也为盐渍岩土工程问题提供了理论参考。 为了研究钙芒硝盐岩在水热综合作用下强度等参数的衰减规律,通过自行研制的实验装置,模拟了钙芒硝盐岩在30~70℃温度的蒸馏水中的浸泡实验。在浸泡40d过程中,测试了钙芒硝盐岩的单轴抗压强度、弹性模量、纵波波速、破坏模式等参数,总结了浸水前后钙芒硝盐岩参数随时间、温度的变化规律;通过偏光显微镜对比观察了在浸泡前后钙芒硝盐岩微观结构的变化特征;分析了成分、结构、时间、温度等因素对钙芒硝盐岩强度等参数衰减的影响。研究结果表明:(1)钙芒硝盐岩强度随浸泡时间的增加衰减剧烈。浸泡7d后,钙芒硝盐岩强度衰减为初始强度的50% ~72%。浸泡30~40d后,钙芒硝盐岩强度衰减至初始强度的10%以下。(2)钙芒硝盐岩在长时间的浸泡过程中,主要是其中的可溶成分的溶解、溶蚀作用导致了钙芒硝盐岩结构的劣化。(3)在实验温度(30~70℃)范围内,钙芒硝等矿物的溶解过程大致经历了溶解度先增大后减小的过程,钙芒硝盐岩强度存在先减小后增大的变化,但在相同浸泡时间下各浸泡温度间强度差值小于初始强度的10%,钙芒硝盐岩强度随浸泡温度(30~70℃)变化不大。论文研究成果深化了盐渍岩土,尤其是钙芒硝盐岩水岩相互作用的认识,同时也为盐渍岩土工程问题提供了理论参考。
黄土堆积松散、湿陷性强且极易被侵蚀的特性导致滑坡、泥石流、水土流失等地质灾害在黄土高原频发。为了缓解当今黄土地区土壤侵蚀,减少地质灾害的发生,本文利用聚丙烯酸钠混合剂对甘肃董志塬重塑黄土进行固化改良。通过室内崩解试验、渗透试验、水流冲蚀试验和三轴压缩试验等手段分析了不同配比下固化黄土的特性差异。结果显示,在经聚丙烯酸钠混合剂固化后,土体抗剪切破坏和水稳性能随着配比的提高而增大。当土体经聚丙烯酸钠混合剂浓度为3.5%的试剂固化后,固化效果趋于最佳,相比未加固土抗崩解和抗冲蚀性能均大幅提高,7次干湿循环后崩解率仅为1.15%,土体剪切破坏时的主应力差在100kPa、200kPa、300kPa围压下分别提高25.29%、28.23%、22.48%,渗透系数降低217.41倍。结合三轴试验数据、粒径级配和场发射扫描电镜从微观结构进行现象和机理解释,聚丙烯酸钠混合剂可将土粒包裹黏接,使土体中细小颗粒团聚在一起,从而改变土体粒径级配,促使土体黏聚力及内摩擦角增大,增强土体抗剪切性能,提高土体水稳性。聚丙烯酸钠混合剂对黄土的固化改良效果良好,将为缓解黄土高原地区土壤侵蚀,防灾减灾提供新方法。 黄土堆积松散、湿陷性强且极易被侵蚀的特性导致滑坡、泥石流、水土流失等地质灾害在黄土高原频发。为了缓解当今黄土地区土壤侵蚀,减少地质灾害的发生,本文利用聚丙烯酸钠混合剂对甘肃董志塬重塑黄土进行固化改良。通过室内崩解试验、渗透试验、水流冲蚀试验和三轴压缩试验等手段分析了不同配比下固化黄土的特性差异。结果显示,在经聚丙烯酸钠混合剂固化后,土体抗剪切破坏和水稳性能随着配比的提高而增大。当土体经聚丙烯酸钠混合剂浓度为3.5%的试剂固化后,固化效果趋于最佳,相比未加固土抗崩解和抗冲蚀性能均大幅提高,7次干湿循环后崩解率仅为1.15%,土体剪切破坏时的主应力差在100kPa、200kPa、300kPa围压下分别提高25.29%、28.23%、22.48%,渗透系数降低217.41倍。结合三轴试验数据、粒径级配和场发射扫描电镜从微观结构进行现象和机理解释,聚丙烯酸钠混合剂可将土粒包裹黏接,使土体中细小颗粒团聚在一起,从而改变土体粒径级配,促使土体黏聚力及内摩擦角增大,增强土体抗剪切性能,提高土体水稳性。聚丙烯酸钠混合剂对黄土的固化改良效果良好,将为缓解黄土高原地区土壤侵蚀,防灾减灾提供新方法。
静止土压力系数K0描述土体的原位应力状态,是许多工程计算的重要参数。本文通过等应变速率K0固结试验,研究原状和重塑马兰黄土的K0变化规律,并探讨这种变化与内部结构的关系。结果表明:(1)原状和重塑马兰黄土的K0均不是恒定值,根据土体结构的变化,其固结过程可分为初始阶段和稳定阶段。初始阶段K0(以K0i表示)随含水率的增加呈线性增长,稳定阶段K0(以K0s表示)随含水率的增加呈双曲线增长,且K0s始终大于K0i。(2)原状马兰黄土的K0i小于重塑马兰黄土,原因在于原状马兰黄土具有很强的簇聚结构,这种竖向结构弱化了水平应力的增长;而重塑马兰黄土趋于均质,呈各向同性,进而导致较高的K0i。(3)稳定阶段,原状马兰黄土的初始结构被破坏,与重塑马兰黄土近似,使得两者的K0s相近。(4)相较于其他类土,原状马兰黄土的K0s始终呈现较小值(饱和原状马兰黄土的K0s基本稳定在0.45左右,而其他类土可高达0.8)。通过对不同K0下的边坡进行数值模拟,发现低K0土体更易于在坡顶区域形成近直立的深长拉张裂隙,这也是典型黄土地貌(如黄土墙、黄土柱)形成的重要原因之一。 静止土压力系数K0描述土体的原位应力状态,是许多工程计算的重要参数。本文通过等应变速率K0固结试验,研究原状和重塑马兰黄土的K0变化规律,并探讨这种变化与内部结构的关系。结果表明:(1)原状和重塑马兰黄土的K0均不是恒定值,根据土体结构的变化,其固结过程可分为初始阶段和稳定阶段。初始阶段K0(以K0i表示)随含水率的增加呈线性增长,稳定阶段K0(以K0s表示)随含水率的增加呈双曲线增长,且K0s始终大于K0i。(2)原状马兰黄土的K0i小于重塑马兰黄土,原因在于原状马兰黄土具有很强的簇聚结构,这种竖向结构弱化了水平应力的增长;而重塑马兰黄土趋于均质,呈各向同性,进而导致较高的K0i。(3)稳定阶段,原状马兰黄土的初始结构被破坏,与重塑马兰黄土近似,使得两者的K0s相近。(4)相较于其他类土,原状马兰黄土的K0s始终呈现较小值(饱和原状马兰黄土的K0s基本稳定在0.45左右,而其他类土可高达0.8)。通过对不同K0下的边坡进行数值模拟,发现低K0土体更易于在坡顶区域形成近直立的深长拉张裂隙,这也是典型黄土地貌(如黄土墙、黄土柱)形成的重要原因之一。
污泥具有高含水率、力学性质差和污染物含量高等特点,可以通过固化技术将其转化为固化土,达到城市污泥安全处理与合理利用的目的。为了得到在多变的自然气候环境影响下固化土的动力特性,以城市污泥固化土为研究对象,在不同冻融温度和不同冻融循环次数条件下,通过动三轴试验仪对城市污泥固化土进行多振次循环动荷载试验,探讨其在经历不同冻融温度和不同冻融循环次数后的长期动力力学指标变化规律。试验结果表明,污泥固化土破坏形式呈现脆性破坏的特征,并具有明显的剪切面;在低温冻结和多次冻融循环耦合作用下,随着冻融温度降低和冻融循环次数的增加,污泥固化土的轴向应变增速和最终值会随之增大,动强度亦随之降低;对不同时刻动应力-应变曲线进行分析,得到不同冻融温度循环条件下城市污泥固化土动强度与冻融循环次数的关系式,为城市污泥固化土动强度计算提供理论依据。污泥固化土静、动长期强度随冻融次数的变化规律基本一致,在其他条件相同的情况下,污泥固化土静长期强度明显大于其动长期强度。 污泥具有高含水率、力学性质差和污染物含量高等特点,可以通过固化技术将其转化为固化土,达到城市污泥安全处理与合理利用的目的。为了得到在多变的自然气候环境影响下固化土的动力特性,以城市污泥固化土为研究对象,在不同冻融温度和不同冻融循环次数条件下,通过动三轴试验仪对城市污泥固化土进行多振次循环动荷载试验,探讨其在经历不同冻融温度和不同冻融循环次数后的长期动力力学指标变化规律。试验结果表明,污泥固化土破坏形式呈现脆性破坏的特征,并具有明显的剪切面;在低温冻结和多次冻融循环耦合作用下,随着冻融温度降低和冻融循环次数的增加,污泥固化土的轴向应变增速和最终值会随之增大,动强度亦随之降低;对不同时刻动应力-应变曲线进行分析,得到不同冻融温度循环条件下城市污泥固化土动强度与冻融循环次数的关系式,为城市污泥固化土动强度计算提供理论依据。污泥固化土静、动长期强度随冻融次数的变化规律基本一致,在其他条件相同的情况下,污泥固化土静长期强度明显大于其动长期强度。
工程渣土填埋场由于缺乏合理的库容设计,导致场地库容利用率较低,当前所采用的简单倾倒措施也会引发崩塌、滑坡等安全隐患。为探索合理填埋方法,增大填埋容量,防止安全事故发生。本文对梧州市龙圩区李家坳堆填4年的渣土场库容利用情况进行了研究,通过原位试验、室内试验及测试结果分析,研究了工程渣土的力学性能指标特征;通过三维地质建模并结合LANDFILL程序对填埋过程中进行了仿真模拟,采用LANDFILL软件与Sowers固结模型计算对场地沉降与容量变化进行了对比分析。结果表明:(1)工程渣土由于扰动性大,导致其组分不均,土体多处于半饱和-饱和状态,主要以含砂细粒土(CLS)、低液限黏土(CL)两种土为主;(2)工程渣土多处于流塑状态、软塑状态,压实度低,平均地基承载力较低;(3)填埋过程仿真分析结果表明填坑在完善排水措施、改进填埋工艺后,可使扩容率由8.9%增加到25.1%,能有效提高填埋场的容量;(4)LANDFILL软件沉降计算结果与模型相比,误差值较小,平均误差小于4.5%,表明LANDFILL软件计算填埋场沉降更符合实际。研究结果为工程渣土场的扩容设计、安全运营、填埋施工等提供了数据参考及工程借鉴。 工程渣土填埋场由于缺乏合理的库容设计,导致场地库容利用率较低,当前所采用的简单倾倒措施也会引发崩塌、滑坡等安全隐患。为探索合理填埋方法,增大填埋容量,防止安全事故发生。本文对梧州市龙圩区李家坳堆填4年的渣土场库容利用情况进行了研究,通过原位试验、室内试验及测试结果分析,研究了工程渣土的力学性能指标特征;通过三维地质建模并结合LANDFILL程序对填埋过程中进行了仿真模拟,采用LANDFILL软件与Sowers固结模型计算对场地沉降与容量变化进行了对比分析。结果表明:(1)工程渣土由于扰动性大,导致其组分不均,土体多处于半饱和-饱和状态,主要以含砂细粒土(CLS)、低液限黏土(CL)两种土为主;(2)工程渣土多处于流塑状态、软塑状态,压实度低,平均地基承载力较低;(3)填埋过程仿真分析结果表明填坑在完善排水措施、改进填埋工艺后,可使扩容率由8.9%增加到25.1%,能有效提高填埋场的容量;(4)LANDFILL软件沉降计算结果与模型相比,误差值较小,平均误差小于4.5%,表明LANDFILL软件计算填埋场沉降更符合实际。研究结果为工程渣土场的扩容设计、安全运营、填埋施工等提供了数据参考及工程借鉴。
宽级配砾石土广泛分布于泥石流易发区,其强度特性是正确评价泥石流启动和防治设计的关键性问题。为探讨宽级配砾石土强度参数与最大颗粒粒径和颗粒级配的关系,针对3种不同颗粒级配缩尺处理后最大粒径分别为30mm、20mm、10mm和5mm的宽级配砾石土进行三轴固结不排水强度试验。结果表明,宽级配砾石土具有液化特性,试验曲线表现为应变软化、应变硬化和应变软化-硬化3种形态;对于出现液化的土体,有效内摩擦角随着最大粒径的增大而线性增大;有效内摩擦角随着不均匀系数的增大而增大,两者呈二次函数关系;随着特征粒径的增大呈分段线性增大。研究结果为泥石流启动预测和防治工程设计的参数选取提供一定参考支持。 宽级配砾石土广泛分布于泥石流易发区,其强度特性是正确评价泥石流启动和防治设计的关键性问题。为探讨宽级配砾石土强度参数与最大颗粒粒径和颗粒级配的关系,针对3种不同颗粒级配缩尺处理后最大粒径分别为30mm、20mm、10mm和5mm的宽级配砾石土进行三轴固结不排水强度试验。结果表明,宽级配砾石土具有液化特性,试验曲线表现为应变软化、应变硬化和应变软化-硬化3种形态;对于出现液化的土体,有效内摩擦角随着最大粒径的增大而线性增大;有效内摩擦角随着不均匀系数的增大而增大,两者呈二次函数关系;随着特征粒径的增大呈分段线性增大。研究结果为泥石流启动预测和防治工程设计的参数选取提供一定参考支持。
荷载的时间效应诱发的黄土蠕变和渐进破坏会显著影响其工程构筑物的长期服役性能。特别是在我国西北地区黄土广泛分布,在荷载的长期作用下一些典型工程建构筑物(如西安地铁开挖的黄土隧道工程)可能因黄土蠕变和渐进破坏而失稳,进而对工程建设的顺利实施以及工程建设完成后其安全运营维护产生极为不利影响。可见,对黄土流变特性进行分析并揭示其流变机理进而建立其本构模型具有重要的理论和实际意义。为此,以Q3黄土为研究对象,基于分数阶导数理论,通过对典型蠕变变形过程进行分析,提出了一种可模拟加速蠕变阶段非线性变化特征的分数阶元件模型,对其进行理论分析进而建立了分数阶改进西原模型并推导出本构方程。在此基础上对Q3黄土的原状与重塑样开展了三轴分级循环加-卸载流变试验,以验证分数阶改进西原模型的有效性。相应的理论计算结果表明:分数阶改进西原模型既能实现对Q3黄土减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变3个流变阶段的模拟,又可弥补整数阶改进西原模型无法描述加速蠕变阶段的不足,而且相比于整数阶改进西原模型,其在减速蠕变及卸载阶段的预测效果更佳。研究结果为考虑黄土流变问题的建构筑物安全运营维护设计与施工方案提供了重要的理论依据。 荷载的时间效应诱发的黄土蠕变和渐进破坏会显著影响其工程构筑物的长期服役性能。特别是在我国西北地区黄土广泛分布,在荷载的长期作用下一些典型工程建构筑物(如西安地铁开挖的黄土隧道工程)可能因黄土蠕变和渐进破坏而失稳,进而对工程建设的顺利实施以及工程建设完成后其安全运营维护产生极为不利影响。可见,对黄土流变特性进行分析并揭示其流变机理进而建立其本构模型具有重要的理论和实际意义。为此,以Q3黄土为研究对象,基于分数阶导数理论,通过对典型蠕变变形过程进行分析,提出了一种可模拟加速蠕变阶段非线性变化特征的分数阶元件模型,对其进行理论分析进而建立了分数阶改进西原模型并推导出本构方程。在此基础上对Q3黄土的原状与重塑样开展了三轴分级循环加-卸载流变试验,以验证分数阶改进西原模型的有效性。相应的理论计算结果表明:分数阶改进西原模型既能实现对Q3黄土减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变3个流变阶段的模拟,又可弥补整数阶改进西原模型无法描述加速蠕变阶段的不足,而且相比于整数阶改进西原模型,其在减速蠕变及卸载阶段的预测效果更佳。研究结果为考虑黄土流变问题的建构筑物安全运营维护设计与施工方案提供了重要的理论依据。
近年来,土体冲击液化引起的工程地质问题已经广泛地出现在人们的视野中,但目前对于土体冲击液化机理的研究尚不够完善。本文通过冲击液化试验及相关微观试验,揭示了不同冲击能下砂质粉土的孔压发育与微观结构变化情况,在此基础上,从微观角度对砂质粉土冲击液化机理进行了讨论。结果表明:砂质粉土受冲击液化会出现明显的孔压激增现象,且单位冲击能下激发的孔压随落距增大而减小,并伴随明显的微结构变化;冲击液化作用主要从土体颗粒接触关系、颗粒形态,孔隙大小、形态及方向等方面改变了土体的微观结构;颗粒骨架破坏与孔隙收缩是土体冲击液化的主要微观机理,不同冲击能下土体的液化机理也由于骨架破损和孔隙收缩程度不同而产生出相应的差异。 近年来,土体冲击液化引起的工程地质问题已经广泛地出现在人们的视野中,但目前对于土体冲击液化机理的研究尚不够完善。本文通过冲击液化试验及相关微观试验,揭示了不同冲击能下砂质粉土的孔压发育与微观结构变化情况,在此基础上,从微观角度对砂质粉土冲击液化机理进行了讨论。结果表明:砂质粉土受冲击液化会出现明显的孔压激增现象,且单位冲击能下激发的孔压随落距增大而减小,并伴随明显的微结构变化;冲击液化作用主要从土体颗粒接触关系、颗粒形态,孔隙大小、形态及方向等方面改变了土体的微观结构;颗粒骨架破坏与孔隙收缩是土体冲击液化的主要微观机理,不同冲击能下土体的液化机理也由于骨架破损和孔隙收缩程度不同而产生出相应的差异。
岩溶化裂隙岩体是普遍发育于自然界中具有初始损伤的岩体。为了研究岩溶化裂隙岩体损伤破坏特征,本文以贵州某地赋存的溶蚀岩体为研究对象,运用损伤力学理论构建岩溶化裂隙岩体在单轴压缩条件下的损伤演化模型,并建立岩溶化裂隙岩体损伤演化方程。采用颗粒流数值软件进行单轴压缩数值试验,进一步研究岩溶化裂隙岩体试件在单轴压缩条件下的损伤演化特征,分析岩溶化裂隙岩体的微观损伤特征。结果表明:岩溶化裂隙岩体的初始损伤主要包括溶蚀损伤和裂隙损伤。岩溶化裂隙岩体的初始损伤随着溶蚀率的增加而增加,最终增加速率趋于平缓;岩溶化裂隙岩体的损伤演化曲线均呈“S”型变化,先缓慢增加,再迅速增加,最后缓慢增加至损伤值1;岩溶化裂隙岩体存在异构特征,导致破坏裂隙起源于具有初始损伤的溶蚀孔洞和裂隙处,随后裂隙经历萌发、扩张和剪切作用、数量和长度增加以及裂隙贯通4个阶段后发生宏观破坏。 岩溶化裂隙岩体是普遍发育于自然界中具有初始损伤的岩体。为了研究岩溶化裂隙岩体损伤破坏特征,本文以贵州某地赋存的溶蚀岩体为研究对象,运用损伤力学理论构建岩溶化裂隙岩体在单轴压缩条件下的损伤演化模型,并建立岩溶化裂隙岩体损伤演化方程。采用颗粒流数值软件进行单轴压缩数值试验,进一步研究岩溶化裂隙岩体试件在单轴压缩条件下的损伤演化特征,分析岩溶化裂隙岩体的微观损伤特征。结果表明:岩溶化裂隙岩体的初始损伤主要包括溶蚀损伤和裂隙损伤。岩溶化裂隙岩体的初始损伤随着溶蚀率的增加而增加,最终增加速率趋于平缓;岩溶化裂隙岩体的损伤演化曲线均呈“S”型变化,先缓慢增加,再迅速增加,最后缓慢增加至损伤值1;岩溶化裂隙岩体存在异构特征,导致破坏裂隙起源于具有初始损伤的溶蚀孔洞和裂隙处,随后裂隙经历萌发、扩张和剪切作用、数量和长度增加以及裂隙贯通4个阶段后发生宏观破坏。
GS(Gypsum-Slag)土体硬化剂是一种由水泥、钢渣、矿渣和脱硫石膏及其他外加剂组成的新型土体固化材料。将GS土体硬化剂和水泥两种固化剂固化土作为研究对象,通过室内无侧限抗压强度试验和电镜扫描试验,研究固化土的应力-应变曲线以及土质、固化剂掺量、龄期对固化土力学性能的影响,观察其微观结构,进而对比分析GS土体硬化剂和水泥的特性,并进行现场试验加以验证。研究结果表明:相比水泥土,GS固化土应力-应变曲线存在明显峰值;GS固化土和水泥土的强度均随着掺量和龄期正增长,且GS固化土的长期强度更高;GS固化土和水泥土变形模量分别是其抗压强度的31.11~77.24倍和23.24~71.62倍;GS固化土现场成桩的完整性优于水泥土。相比水泥土,GS固化土具有强度增长快、后期强度高、经济效益好的特点,可较好满足地下工程和路基工程等土体加固应用需求。 GS(Gypsum-Slag)土体硬化剂是一种由水泥、钢渣、矿渣和脱硫石膏及其他外加剂组成的新型土体固化材料。将GS土体硬化剂和水泥两种固化剂固化土作为研究对象,通过室内无侧限抗压强度试验和电镜扫描试验,研究固化土的应力-应变曲线以及土质、固化剂掺量、龄期对固化土力学性能的影响,观察其微观结构,进而对比分析GS土体硬化剂和水泥的特性,并进行现场试验加以验证。研究结果表明:相比水泥土,GS固化土应力-应变曲线存在明显峰值;GS固化土和水泥土的强度均随着掺量和龄期正增长,且GS固化土的长期强度更高;GS固化土和水泥土变形模量分别是其抗压强度的31.11~77.24倍和23.24~71.62倍;GS固化土现场成桩的完整性优于水泥土。相比水泥土,GS固化土具有强度增长快、后期强度高、经济效益好的特点,可较好满足地下工程和路基工程等土体加固应用需求。
为探讨寒区裂隙岩体含冰裂隙在冻融循环作用下的冻胀力演化规律,进而揭示疲劳冻融对岩体结构劣化的影响机制,采用自行设计的8通道冻胀力实时监测系统开展了不同岩性、不同裂隙几何形态下的冻胀力测试试验,获取了多次冻融循环中冻胀力演化曲线,并分析了岩性和裂隙几何形态对冻胀力演化规律的影响。研究表明:(1)冻融循环造成岩体结构劣化是冻胀力引起岩体疲劳损伤的过程,每个冻融循环的冻胀力演化过程都经过孕育阶段、暴发阶段、跌落回稳阶段、回升阶段和消散阶段,并且发现了冻胀力回升这一现象;初始冻胀力峰值可作为裂隙岩体抗冻融损伤指标;(2)在多次冻融循环作用下岩体裂隙冻胀力不断暴发、积聚和释放,期间产生的裂隙累积损伤驱动着裂隙持续扩展,引起岩体进一步的疲劳劣化;疲劳冻融作用下,初始冻胀力峰值与二次冻胀力峰值变化趋势可作为裂隙岩体受冻融影响损伤劣化程度的判断依据;(3)岩体结构特性影响冻胀力演化规律,岩体基质的微细观结构影响冻结过程中水分迁移;宏观预置裂隙几何形态影响冻胀力演化规律,扩展程度越大的裂隙积聚出的冻胀力越大。疲劳冻融下冻胀力演化规律的研究可为寒区岩体工程长期冻融稳定性预测及工程建设提供理论依据。 为探讨寒区裂隙岩体含冰裂隙在冻融循环作用下的冻胀力演化规律,进而揭示疲劳冻融对岩体结构劣化的影响机制,采用自行设计的8通道冻胀力实时监测系统开展了不同岩性、不同裂隙几何形态下的冻胀力测试试验,获取了多次冻融循环中冻胀力演化曲线,并分析了岩性和裂隙几何形态对冻胀力演化规律的影响。研究表明:(1)冻融循环造成岩体结构劣化是冻胀力引起岩体疲劳损伤的过程,每个冻融循环的冻胀力演化过程都经过孕育阶段、暴发阶段、跌落回稳阶段、回升阶段和消散阶段,并且发现了冻胀力回升这一现象;初始冻胀力峰值可作为裂隙岩体抗冻融损伤指标;(2)在多次冻融循环作用下岩体裂隙冻胀力不断暴发、积聚和释放,期间产生的裂隙累积损伤驱动着裂隙持续扩展,引起岩体进一步的疲劳劣化;疲劳冻融作用下,初始冻胀力峰值与二次冻胀力峰值变化趋势可作为裂隙岩体受冻融影响损伤劣化程度的判断依据;(3)岩体结构特性影响冻胀力演化规律,岩体基质的微细观结构影响冻结过程中水分迁移;宏观预置裂隙几何形态影响冻胀力演化规律,扩展程度越大的裂隙积聚出的冻胀力越大。疲劳冻融下冻胀力演化规律的研究可为寒区岩体工程长期冻融稳定性预测及工程建设提供理论依据。
为了论述二元介质模型对于重塑黄土的适用性,针对重塑黄土开展了三轴压缩试验,结合轴向应力-应变曲线及试样的破坏形态分析了围压对其受力变形的影响规律,将其受力及破坏的特点与二元介质模型的基本假设进行了对比,指出二元介质模型可以模拟重塑黄土的受力变形规律。在此基础上,根据模型各参数特点建议了参数厘定的基本思路,并通过与试验数据对比验证了厘定思路的有效性。本文建议的参数确定顺序为“胶结元弹性模量→破损率分布→摩擦元参数→局部应变系数”。结果表明,重塑黄土在三轴压缩情况下呈现二元受力状态,二元介质模型可以很好地描述重塑土的应力-应变关系。围压越大,结构破损越快。对于软化型曲线,加载后期摩擦元分担了绝大部分轴向荷载。随着曲线向硬化型过渡,加载后期摩擦元分担的荷载逐渐减小。 为了论述二元介质模型对于重塑黄土的适用性,针对重塑黄土开展了三轴压缩试验,结合轴向应力-应变曲线及试样的破坏形态分析了围压对其受力变形的影响规律,将其受力及破坏的特点与二元介质模型的基本假设进行了对比,指出二元介质模型可以模拟重塑黄土的受力变形规律。在此基础上,根据模型各参数特点建议了参数厘定的基本思路,并通过与试验数据对比验证了厘定思路的有效性。本文建议的参数确定顺序为“胶结元弹性模量→破损率分布→摩擦元参数→局部应变系数”。结果表明,重塑黄土在三轴压缩情况下呈现二元受力状态,二元介质模型可以很好地描述重塑土的应力-应变关系。围压越大,结构破损越快。对于软化型曲线,加载后期摩擦元分担了绝大部分轴向荷载。随着曲线向硬化型过渡,加载后期摩擦元分担的荷载逐渐减小。
膨胀土具有多裂缝性的不良工程特性,对边坡等膨胀土地区工程具有潜在威胁。再生橡胶加筋膨胀土(ESR)对膨胀土动力、静力以及胀缩性有良好的改良效果。膨胀土的裂缝演化形态会受到土样厚度的影响,本文使用橡胶加筋膨胀土,对照素膨胀土探究橡胶粉末对膨胀土裂缝演化的影响与ESR裂缝的厚度效应。试验共设计未添加橡胶素膨胀土与ESR各4组不同厚度试样展开研究,结果如下:(1)膨胀土自然干燥过程含水率可分为3阶段变化,ESR的含水率变化更为迅速;(2)膨胀土的开裂过程存在明显厚度效应,ESR的厚度效应相较更不明显,裂缝演化更具有均匀性;(3)膨胀土开裂过程中的裂缝总长度与总面积受厚度效应影响严重,橡胶加筋可以约束膨胀土裂缝长度与面积并减少不同厚度样品间差值;(4)膨胀土裂缝发育的分形维数最终在1.4~1.5之间,不同厚度橡胶加筋膨胀土的分形维数变化更为接近。 膨胀土具有多裂缝性的不良工程特性,对边坡等膨胀土地区工程具有潜在威胁。再生橡胶加筋膨胀土(ESR)对膨胀土动力、静力以及胀缩性有良好的改良效果。膨胀土的裂缝演化形态会受到土样厚度的影响,本文使用橡胶加筋膨胀土,对照素膨胀土探究橡胶粉末对膨胀土裂缝演化的影响与ESR裂缝的厚度效应。试验共设计未添加橡胶素膨胀土与ESR各4组不同厚度试样展开研究,结果如下:(1)膨胀土自然干燥过程含水率可分为3阶段变化,ESR的含水率变化更为迅速;(2)膨胀土的开裂过程存在明显厚度效应,ESR的厚度效应相较更不明显,裂缝演化更具有均匀性;(3)膨胀土开裂过程中的裂缝总长度与总面积受厚度效应影响严重,橡胶加筋可以约束膨胀土裂缝长度与面积并减少不同厚度样品间差值;(4)膨胀土裂缝发育的分形维数最终在1.4~1.5之间,不同厚度橡胶加筋膨胀土的分形维数变化更为接近。
干旱和半干旱黄土地区的压实土路基、垃圾填埋场黄土盖层等的持水特性和渗透特性均受温度影响。为了探究温度对全吸力范围内压实黄土水力特性的影响规律和内在机制,基于滤纸法和自行研发的小土柱试验装置对不同温度下延安新区压实黄土的土-水特征曲线(SWCC)以及渗透性曲线(HCC)进行测定。结果表明:在黄土SWCC的高吸力段体积含水率随温度升高而减小,低吸力段受温度影响不明显;黄土渗透曲线则是在低吸力段受温度影响显著,温度越高渗透性越强,当土体吸力增大或体积含水率减小至一定值后,温度对土体渗透性的影响可忽略不计。基于此结果,将改进的van Genuchten(VG)模型作为可考虑温度影响的SWCC预测函数,通过拟合实测数据得出温度相关参数并进行验证;对于渗透性曲线,以90 kPa基质吸力为分段点,在低吸力段和高吸力段分别采用统计模型和幂函数进行分段预测,能够得到与实测数据吻合较好的预测结果。 干旱和半干旱黄土地区的压实土路基、垃圾填埋场黄土盖层等的持水特性和渗透特性均受温度影响。为了探究温度对全吸力范围内压实黄土水力特性的影响规律和内在机制,基于滤纸法和自行研发的小土柱试验装置对不同温度下延安新区压实黄土的土-水特征曲线(SWCC)以及渗透性曲线(HCC)进行测定。结果表明:在黄土SWCC的高吸力段体积含水率随温度升高而减小,低吸力段受温度影响不明显;黄土渗透曲线则是在低吸力段受温度影响显著,温度越高渗透性越强,当土体吸力增大或体积含水率减小至一定值后,温度对土体渗透性的影响可忽略不计。基于此结果,将改进的van Genuchten(VG)模型作为可考虑温度影响的SWCC预测函数,通过拟合实测数据得出温度相关参数并进行验证;对于渗透性曲线,以90 kPa基质吸力为分段点,在低吸力段和高吸力段分别采用统计模型和幂函数进行分段预测,能够得到与实测数据吻合较好的预测结果。
新近系三趾马红土黏粒含量高,失水干燥易开裂形成干缩裂纹。为研究干密度对三趾马红土干燥开裂行为影响,利用自制干燥装置开展压实三趾马红土脱湿试验,并采用数字图像相关(DIC)方法分析其表面干缩裂纹扩展与自愈规律。结果表明:(1)不同初始干密度试样干燥过程中均出现开裂现象,其表面干缩裂纹演化过程可分裂纹萌生、裂纹扩展、裂纹自愈、裂纹稳定4个阶段;小干密度试样表面干缩裂纹网络展布密集均匀,而大干密度试样表面开裂以“宽大稀疏”裂纹为主;(2)试样表面应变场变化能够较好反映试样表面干缩裂纹演化过程,蓝色压应变区代表试样失水整体产生的体积收缩,红色应变条带代表试样表面受拉而产生的干缩裂隙;试样干燥过程表面蓝色压应变区不断扩大,红色拉应变条带区逐渐变小,表明表面裂纹受到试样整体收缩牵拉而产生“自愈”收缩。且干密度越小,试样干缩过程表面红色拉应变网络越密集,干缩裂纹自愈程度越高;(3)试样表面应变场变化表明各等级干缩裂纹均出现自愈现象,但主裂纹的主应变减少量最大,自愈程度最高,对试样整体裂纹自愈起主导作用;试样初始干密度越小,各等级裂纹的峰值应变越大,自愈时的应变缩减量越高,表明试样失水收缩特征越显著。研究成果对进一步揭示压实黏土干燥裂纹的复杂演化过程机理研究提供新参考。 新近系三趾马红土黏粒含量高,失水干燥易开裂形成干缩裂纹。为研究干密度对三趾马红土干燥开裂行为影响,利用自制干燥装置开展压实三趾马红土脱湿试验,并采用数字图像相关(DIC)方法分析其表面干缩裂纹扩展与自愈规律。结果表明:(1)不同初始干密度试样干燥过程中均出现开裂现象,其表面干缩裂纹演化过程可分裂纹萌生、裂纹扩展、裂纹自愈、裂纹稳定4个阶段;小干密度试样表面干缩裂纹网络展布密集均匀,而大干密度试样表面开裂以“宽大稀疏”裂纹为主;(2)试样表面应变场变化能够较好反映试样表面干缩裂纹演化过程,蓝色压应变区代表试样失水整体产生的体积收缩,红色应变条带代表试样表面受拉而产生的干缩裂隙;试样干燥过程表面蓝色压应变区不断扩大,红色拉应变条带区逐渐变小,表明表面裂纹受到试样整体收缩牵拉而产生“自愈”收缩。且干密度越小,试样干缩过程表面红色拉应变网络越密集,干缩裂纹自愈程度越高;(3)试样表面应变场变化表明各等级干缩裂纹均出现自愈现象,但主裂纹的主应变减少量最大,自愈程度最高,对试样整体裂纹自愈起主导作用;试样初始干密度越小,各等级裂纹的峰值应变越大,自愈时的应变缩减量越高,表明试样失水收缩特征越显著。研究成果对进一步揭示压实黏土干燥裂纹的复杂演化过程机理研究提供新参考。
随着页岩气开采、废水回注和CO2地质封存工程活动的进行,储层应力环境改变诱发地震的问题得到广泛关注,研究储层岩石变形破裂和声发射规律对于理解诱发地震活动具有重要意义。本文选取了页岩、致密砂岩和白云岩开展三轴压缩声发射试验,获取了空间裂缝形态,揭示了不同类型储层岩石的变形破裂过程和声发射特征。结果表明:(1)页岩的扩容应力与峰值应力比最高,其次为白云岩和致密砂岩,表明页岩主要发生脆性破坏。(2)岩石结构对裂缝扩展和强度具有明显影响,页岩层理发育,抗压强度和裂缝形态各向异性显著。当层理角度为0°时,试样发生剪切-拉张复合型破坏。当层理角度为30°和60°时,试样主要发生剪切破坏。当层理角度增大至90°时,试样主要发生拉张破坏。致密砂岩破裂形成剪切主裂缝,白云岩形成两条剪切主裂缝和微裂缝。(3)不同类型储层岩石破裂过程声发射特征差异显著。页岩在扩容应力点附近有少量声发射活动,达到峰值应力时,声发射活动迅速增强。致密砂岩仅在破裂瞬间有少量声发射活动。相比之下,白云岩在裂缝非稳定扩展阶段和峰后阶段声发射活动显著。因此,在工程实践中需要根据微震监测调整施工措施,避免页岩作为储盖层发生脆性破坏和白云岩储层改造诱发地震。 随着页岩气开采、废水回注和CO2地质封存工程活动的进行,储层应力环境改变诱发地震的问题得到广泛关注,研究储层岩石变形破裂和声发射规律对于理解诱发地震活动具有重要意义。本文选取了页岩、致密砂岩和白云岩开展三轴压缩声发射试验,获取了空间裂缝形态,揭示了不同类型储层岩石的变形破裂过程和声发射特征。结果表明:(1)页岩的扩容应力与峰值应力比最高,其次为白云岩和致密砂岩,表明页岩主要发生脆性破坏。(2)岩石结构对裂缝扩展和强度具有明显影响,页岩层理发育,抗压强度和裂缝形态各向异性显著。当层理角度为0°时,试样发生剪切-拉张复合型破坏。当层理角度为30°和60°时,试样主要发生剪切破坏。当层理角度增大至90°时,试样主要发生拉张破坏。致密砂岩破裂形成剪切主裂缝,白云岩形成两条剪切主裂缝和微裂缝。(3)不同类型储层岩石破裂过程声发射特征差异显著。页岩在扩容应力点附近有少量声发射活动,达到峰值应力时,声发射活动迅速增强。致密砂岩仅在破裂瞬间有少量声发射活动。相比之下,白云岩在裂缝非稳定扩展阶段和峰后阶段声发射活动显著。因此,在工程实践中需要根据微震监测调整施工措施,避免页岩作为储盖层发生脆性破坏和白云岩储层改造诱发地震。
地质工程
黄土高原是世界上黄土面积最大的高原,其生态环境极度脆弱,水土流失严重,灾害频发,而黄土高原作为“一带一路”倡议的核心区和西部开发的关键区,近年来一系列国家重大战略和重大工程项目在黄土地区开工建设。如何处理好重大工程建设与生态环境保护间的关系,实现人地和谐共处,是一个具有理论和现实意义的重大问题。本文提出将基于自然的解决方案(NBS)理念贯穿于黄土地区重大工程建设全寿命周期:(1)在选址规划阶段应充分利用和顺应自然,将不同类型重大工程布置在适宜的地貌类型区,同时构建海绵系统,将雨水、污水等废水变为水资源有效利用;(2)在设计施工阶段应充分保护和适度改造自然,通过“三控”(控水、控变形、控侵蚀)措施,实现“三防”(防沉、防滑移、防侵蚀)的减灾目标;(3)在工程运营阶段需构建天-空-地一体化多源协同观测体系,全面掌握工程及相关区域生态环境动态,主动防范灾变的发生,同时应通过自然恢复和适度人工修复结合的方式,使受工程建设扰动的自然环境尽快得到恢复。 黄土高原是世界上黄土面积最大的高原,其生态环境极度脆弱,水土流失严重,灾害频发,而黄土高原作为“一带一路”倡议的核心区和西部开发的关键区,近年来一系列国家重大战略和重大工程项目在黄土地区开工建设。如何处理好重大工程建设与生态环境保护间的关系,实现人地和谐共处,是一个具有理论和现实意义的重大问题。本文提出将基于自然的解决方案(NBS)理念贯穿于黄土地区重大工程建设全寿命周期:(1)在选址规划阶段应充分利用和顺应自然,将不同类型重大工程布置在适宜的地貌类型区,同时构建海绵系统,将雨水、污水等废水变为水资源有效利用;(2)在设计施工阶段应充分保护和适度改造自然,通过“三控”(控水、控变形、控侵蚀)措施,实现“三防”(防沉、防滑移、防侵蚀)的减灾目标;(3)在工程运营阶段需构建天-空-地一体化多源协同观测体系,全面掌握工程及相关区域生态环境动态,主动防范灾变的发生,同时应通过自然恢复和适度人工修复结合的方式,使受工程建设扰动的自然环境尽快得到恢复。
3500 m以深页岩气资源量占整个川南地区总资源量的比例高达86.5%,该区深层页岩气藏构造复杂,压裂形成复杂缝网的难度大,有必要通过数值模拟研究深层页岩气复杂缝网主控因素,对实现川南地区深层页岩气的效益开发具有重要意义。在对川南地区页岩气气田某井的岩芯进行细观尺度下的观察并构建二维裂缝模型的基础上,利用位移间断边界元法(DDM)模拟深层页岩水力压裂过程中水力裂缝与天然裂缝相互作用的物理力学过程,研究主应力、应力差和压裂液排量对裂缝扩展的影响。结果表明:在高应力差条件下缝网的复杂程度和总长度急剧降低,缝网的平均宽度增大,且平均宽度随排量增加而增大的能力变得有限。在高应力差条件下提升压裂液排量,缝网长度的增加以产生新生裂缝为主,同时提升排量对于激活天然裂缝有一定的提升作用,但是效果有限。相比于拉张裂缝,剪切裂缝的形成受主应力和压裂液排量的影响更显著,在高应力差条件下缝网中剪切裂缝的长度急剧降低。随着压裂液的注入,在较低应力差和相同压裂液注入量的情况下,低排量工况下的裂缝长度逐渐大于高排量工况下的裂缝长度。在应力差较高的情况下裂缝扩展的速率较低,同时会使提升排量而形成更多新生裂缝的能力变得有限。基于显微镜观察构建的裂缝模型计算出的结果能够较好地符合场地实际,为深层水力压裂设计和施工提供参考。 3500 m以深页岩气资源量占整个川南地区总资源量的比例高达86.5%,该区深层页岩气藏构造复杂,压裂形成复杂缝网的难度大,有必要通过数值模拟研究深层页岩气复杂缝网主控因素,对实现川南地区深层页岩气的效益开发具有重要意义。在对川南地区页岩气气田某井的岩芯进行细观尺度下的观察并构建二维裂缝模型的基础上,利用位移间断边界元法(DDM)模拟深层页岩水力压裂过程中水力裂缝与天然裂缝相互作用的物理力学过程,研究主应力、应力差和压裂液排量对裂缝扩展的影响。结果表明:在高应力差条件下缝网的复杂程度和总长度急剧降低,缝网的平均宽度增大,且平均宽度随排量增加而增大的能力变得有限。在高应力差条件下提升压裂液排量,缝网长度的增加以产生新生裂缝为主,同时提升排量对于激活天然裂缝有一定的提升作用,但是效果有限。相比于拉张裂缝,剪切裂缝的形成受主应力和压裂液排量的影响更显著,在高应力差条件下缝网中剪切裂缝的长度急剧降低。随着压裂液的注入,在较低应力差和相同压裂液注入量的情况下,低排量工况下的裂缝长度逐渐大于高排量工况下的裂缝长度。在应力差较高的情况下裂缝扩展的速率较低,同时会使提升排量而形成更多新生裂缝的能力变得有限。基于显微镜观察构建的裂缝模型计算出的结果能够较好地符合场地实际,为深层水力压裂设计和施工提供参考。
本文以南宁轨道交通1号线广西大学站深基坑为工程背景,对圆砾地层深基坑工程进行离心机模型试验,并采用Plaxis数值模拟进行对比分析,分别获取了围护墙体变形、侧向土压力数据。基于以上数据,根据基坑弹性地基反力法基本原理,进一步对圆砾地层深基坑围护结构弹性地基主动区、被动区的计算模式进行了分析研究,结果表明:圆砾地层深基坑墙后土压力大小与墙体位移有关,达到主动土压力状态所需的墙体位移量S/h约为0.1%;主动区土压力分布形态为开挖面以上三角形、开挖面以下矩形,符合弹性地基反力法计算模式;被动区地基水平基床系数K随深度近似呈线性增长关系,即弹性地基模式符合m法的分布形态。 本文以南宁轨道交通1号线广西大学站深基坑为工程背景,对圆砾地层深基坑工程进行离心机模型试验,并采用Plaxis数值模拟进行对比分析,分别获取了围护墙体变形、侧向土压力数据。基于以上数据,根据基坑弹性地基反力法基本原理,进一步对圆砾地层深基坑围护结构弹性地基主动区、被动区的计算模式进行了分析研究,结果表明:圆砾地层深基坑墙后土压力大小与墙体位移有关,达到主动土压力状态所需的墙体位移量S/h约为0.1%;主动区土压力分布形态为开挖面以上三角形、开挖面以下矩形,符合弹性地基反力法计算模式;被动区地基水平基床系数K随深度近似呈线性增长关系,即弹性地基模式符合m法的分布形态。
为研究地铁隧道中软硬互层岩体力学特性及破坏机制,本文首先在乌鲁木齐泥岩、砂岩物理力学参数获取的基础上,对互层岩体物理力学参数进行微观参数标定,然后通过颗粒流数值模拟单轴压缩试验,分析互层岩体层厚、层厚比、岩层倾角作用下互层岩体强度响应规律及裂纹变化。分析结果表明:随着互层岩体层厚的增加,其单轴抗压强度在降低,裂纹数量也在降低,裂纹发展速度加快;随着互层岩体层厚比的增加,其单轴抗压强度在不断降低,在层厚比大于1时单轴抗压强度的变化相对稳定,且层厚比小于0.6时裂纹发展趋势较为快速,层厚比大于0.6时裂纹发展趋势较为缓慢;互层岩体岩层倾角的增加使单轴抗压强度的变化大体呈U字形变化趋势,40°时单轴抗压强度最低,90°时裂纹数量最多,发展趋势最为缓慢;由正交试验分析得出层厚比对单轴抗压强度敏感性最大,并分析得出了最优组合;最优组合为:层厚6 cm、层厚比0.1、岩层倾角0°。 为研究地铁隧道中软硬互层岩体力学特性及破坏机制,本文首先在乌鲁木齐泥岩、砂岩物理力学参数获取的基础上,对互层岩体物理力学参数进行微观参数标定,然后通过颗粒流数值模拟单轴压缩试验,分析互层岩体层厚、层厚比、岩层倾角作用下互层岩体强度响应规律及裂纹变化。分析结果表明:随着互层岩体层厚的增加,其单轴抗压强度在降低,裂纹数量也在降低,裂纹发展速度加快;随着互层岩体层厚比的增加,其单轴抗压强度在不断降低,在层厚比大于1时单轴抗压强度的变化相对稳定,且层厚比小于0.6时裂纹发展趋势较为快速,层厚比大于0.6时裂纹发展趋势较为缓慢;互层岩体岩层倾角的增加使单轴抗压强度的变化大体呈U字形变化趋势,40°时单轴抗压强度最低,90°时裂纹数量最多,发展趋势最为缓慢;由正交试验分析得出层厚比对单轴抗压强度敏感性最大,并分析得出了最优组合;最优组合为:层厚6 cm、层厚比0.1、岩层倾角0°。
在隧道施工前,应用数值模拟分析的方法,分析浅埋砂质黄土隧道施工力学效应和变形特征。根据浅埋砂质风积黄土隧道在施工过程中地表沉降量大和洞内施工安全风险大等特点,结合隧道实际监测数据,反演计算得到侵限段地质力学参数,为迈式管棚超前支护及径向迈式锚杆的全施工过程数值模拟提供计算依据,为控制隧道围岩变形提供数据支撑。计算结果显示,隧道侵限段地表最大沉降11.4 mm、最大拱顶下沉30.4 mm、最大水平收敛48.5 mm,隧道整体变形量减小,迈式管棚超前支护可以有效地提供纵向支撑,承受侵限土体压力、约束围岩变形和控制地表沉降,同时为支护侵限段钢拱架的安全拆换提供保障。研究结果表明:径向迈式锚杆、迈式管棚超前支护、环形支撑钢拱架和锁脚锚杆一起,构成了浅埋风积砂质黄土隧道主被动变形综合控制体系,有效地解决了浅埋风积砂质黄土隧道软弱围岩超前支护的难题。 在隧道施工前,应用数值模拟分析的方法,分析浅埋砂质黄土隧道施工力学效应和变形特征。根据浅埋砂质风积黄土隧道在施工过程中地表沉降量大和洞内施工安全风险大等特点,结合隧道实际监测数据,反演计算得到侵限段地质力学参数,为迈式管棚超前支护及径向迈式锚杆的全施工过程数值模拟提供计算依据,为控制隧道围岩变形提供数据支撑。计算结果显示,隧道侵限段地表最大沉降11.4 mm、最大拱顶下沉30.4 mm、最大水平收敛48.5 mm,隧道整体变形量减小,迈式管棚超前支护可以有效地提供纵向支撑,承受侵限土体压力、约束围岩变形和控制地表沉降,同时为支护侵限段钢拱架的安全拆换提供保障。研究结果表明:径向迈式锚杆、迈式管棚超前支护、环形支撑钢拱架和锁脚锚杆一起,构成了浅埋风积砂质黄土隧道主被动变形综合控制体系,有效地解决了浅埋风积砂质黄土隧道软弱围岩超前支护的难题。
为明确填方路堤荷载下强夯碎石墩的变形特征与其路堤稳定性的内在关联,针对“山地型”软土地区某高速铁路车站高填方路堤的失稳破坏现象,基于现场实测数据和三维数值分析模型,着重研究了不同位置强夯碎石墩墩体的鼓胀变形与侧向弯曲变形规律,并定义墩体鼓胀率和最大侧向弯曲值对其变形特征予以描述。研究结果表明:路堤荷载作用下不同位置的强夯碎石墩发生不同程度的鼓胀变形和侧向弯曲变形,其中鼓胀变形主要由上覆路堤荷载所产生的压缩鼓胀和路堤侧滑所产生的滑动剪切鼓胀所组成,且其最大鼓胀变形区域集中在距桩端1~2倍桩直径范围内;位于强夯碎石墩复合地基潜在滑裂面剪入口附近墩体的鼓胀率最大(0.75%),约为路堤中心处墩体鼓胀率的1.5倍,表明该处以滑动剪切鼓胀变形为主。沿路堤中心线向外不同位置的强夯碎石墩墩体的最大侧向弯曲变形的发展规律近似呈三段线模式,其中潜在滑裂面剪入口附近的17#墩体为其侧向弯曲变形开始陡增的拐点,表明17#与其附近墩体为控制路堤侧向变形与稳定的关键构件。路堤填筑过程中所出现数条裂缝的原因可能在于强夯碎石墩的剪切破坏而致使路堤出现整体滑移所引起的,建议在采用散体材料桩复合地基处治“山地型”软弱地基时,应配合其他加固措施以确保填方路堤的整体稳定性。 为明确填方路堤荷载下强夯碎石墩的变形特征与其路堤稳定性的内在关联,针对“山地型”软土地区某高速铁路车站高填方路堤的失稳破坏现象,基于现场实测数据和三维数值分析模型,着重研究了不同位置强夯碎石墩墩体的鼓胀变形与侧向弯曲变形规律,并定义墩体鼓胀率和最大侧向弯曲值对其变形特征予以描述。研究结果表明:路堤荷载作用下不同位置的强夯碎石墩发生不同程度的鼓胀变形和侧向弯曲变形,其中鼓胀变形主要由上覆路堤荷载所产生的压缩鼓胀和路堤侧滑所产生的滑动剪切鼓胀所组成,且其最大鼓胀变形区域集中在距桩端1~2倍桩直径范围内;位于强夯碎石墩复合地基潜在滑裂面剪入口附近墩体的鼓胀率最大(0.75%),约为路堤中心处墩体鼓胀率的1.5倍,表明该处以滑动剪切鼓胀变形为主。沿路堤中心线向外不同位置的强夯碎石墩墩体的最大侧向弯曲变形的发展规律近似呈三段线模式,其中潜在滑裂面剪入口附近的17#墩体为其侧向弯曲变形开始陡增的拐点,表明17#与其附近墩体为控制路堤侧向变形与稳定的关键构件。路堤填筑过程中所出现数条裂缝的原因可能在于强夯碎石墩的剪切破坏而致使路堤出现整体滑移所引起的,建议在采用散体材料桩复合地基处治“山地型”软弱地基时,应配合其他加固措施以确保填方路堤的整体稳定性。
在软弱围岩隧道中掌子面不稳定问题十分常见。掌子面超前锚杆作为一种重要的掌子面支护手段,目前常规采用的间断式布设方案存在锚杆的支护效果会随隧道推进过程中其支护状态的变化而忽强忽弱的问题。针对这一问题,本文提出了一种连续交替式掌子面超前锚杆布设方案。该方案将掌子面上的所有锚杆布设点位均等划分成若干个部分,在隧道推进过程中进行连续逐部分交替布设,使隧道在推进过程中锚杆支护状态更趋均匀稳定。为系统性评价新方案的可行性,以渭武高速木寨岭公路隧道为工程依托,在掌子面锚杆用量处于相同水平的条件下,分别对常规的间断式布设方案以及新提出的连续交替式布设方案进行设计。并进一步借助FLAC3D数值模拟平台,对掌子面超前锚杆采用两种不同布设方案时,对于掌子面变形以及地层变形的控制效果进行对比。结果表明,常规间断式锚杆布设方案对于掌子面变形以及地层变形的控制效果并不稳定,受支护状态变化的影响较大,而新提出的连续交替式布设方案可以在不提高支护成本的前提下,将隧道推进过程中掌子面超前锚杆对于掌子面变形以及地层变形的控制效果维持在稳定水平,且均显著高于常规方案的最低水平,克服了常规布设方案支护效果严重高低不均的缺陷。本研究为掌子面超前锚杆布设提供了一种新方法。 在软弱围岩隧道中掌子面不稳定问题十分常见。掌子面超前锚杆作为一种重要的掌子面支护手段,目前常规采用的间断式布设方案存在锚杆的支护效果会随隧道推进过程中其支护状态的变化而忽强忽弱的问题。针对这一问题,本文提出了一种连续交替式掌子面超前锚杆布设方案。该方案将掌子面上的所有锚杆布设点位均等划分成若干个部分,在隧道推进过程中进行连续逐部分交替布设,使隧道在推进过程中锚杆支护状态更趋均匀稳定。为系统性评价新方案的可行性,以渭武高速木寨岭公路隧道为工程依托,在掌子面锚杆用量处于相同水平的条件下,分别对常规的间断式布设方案以及新提出的连续交替式布设方案进行设计。并进一步借助FLAC3D数值模拟平台,对掌子面超前锚杆采用两种不同布设方案时,对于掌子面变形以及地层变形的控制效果进行对比。结果表明,常规间断式锚杆布设方案对于掌子面变形以及地层变形的控制效果并不稳定,受支护状态变化的影响较大,而新提出的连续交替式布设方案可以在不提高支护成本的前提下,将隧道推进过程中掌子面超前锚杆对于掌子面变形以及地层变形的控制效果维持在稳定水平,且均显著高于常规方案的最低水平,克服了常规布设方案支护效果严重高低不均的缺陷。本研究为掌子面超前锚杆布设提供了一种新方法。
认识深部裂隙岩体中的地下水渗流特征(流速、渗流路径等),是深部地质工程开发建设的重要前提。近年来,分布式光纤测温技术作为识别深部裂隙岩体地下水渗流特征的有效方法,在国外开展了大量的研究,但在国内鲜少见在实际场地开展的相关工作。本研究以我国首个地下实验室场址甘肃北山新场花岗岩岩体中的两个钻孔(BSQ02及BSQ03)为试验对象,开展基于分布式光纤测温(Fiber-Optic Distributed Temperature Sensing,FO-DTS)的现场温度-水力试验,实现了对钻孔地下水温度的高精度、连续性观测。通过分析现场试验获取的钻孔温度-深度剖面随时间的变化,推断BSQ02在试验过程中存在外源地下水的流入,然后结合钻孔柱状图对钻孔中的入流导水裂隙进行了定位;基于现场观测数据建立了钻孔的渗流-传热耦合数值模型,反演估算出钻孔中地下水平均流速为0.01 m·s-1,通过裂隙流入地下水温度小于钻孔中原地下水温度,两者之间的温度差为0.7 ℃,通过裂隙流入的地下水流速为1×10-5 m·s-1,获取了地下水的渗流特征。该项工作可为基于分布式光纤测温技术的裂隙介质地下水渗流规律研究提供借鉴与指导。 认识深部裂隙岩体中的地下水渗流特征(流速、渗流路径等),是深部地质工程开发建设的重要前提。近年来,分布式光纤测温技术作为识别深部裂隙岩体地下水渗流特征的有效方法,在国外开展了大量的研究,但在国内鲜少见在实际场地开展的相关工作。本研究以我国首个地下实验室场址甘肃北山新场花岗岩岩体中的两个钻孔(BSQ02及BSQ03)为试验对象,开展基于分布式光纤测温(Fiber-Optic Distributed Temperature Sensing,FO-DTS)的现场温度-水力试验,实现了对钻孔地下水温度的高精度、连续性观测。通过分析现场试验获取的钻孔温度-深度剖面随时间的变化,推断BSQ02在试验过程中存在外源地下水的流入,然后结合钻孔柱状图对钻孔中的入流导水裂隙进行了定位;基于现场观测数据建立了钻孔的渗流-传热耦合数值模型,反演估算出钻孔中地下水平均流速为0.01 m·s-1,通过裂隙流入地下水温度小于钻孔中原地下水温度,两者之间的温度差为0.7 ℃,通过裂隙流入的地下水流速为1×10-5 m·s-1,获取了地下水的渗流特征。该项工作可为基于分布式光纤测温技术的裂隙介质地下水渗流规律研究提供借鉴与指导。
花岗岩残积土在非饱和状态下的工程性质良好,但其极易受到降雨影响。厦门石鼓山西通道项目的实测数据表明,降雨入渗引起残积土中基坑围护桩变形显著增加。本文采用PLAXIS有限元软件建立数值模型,通过瞬态渗流分析,探究降雨入渗加剧非饱和残积土中基坑变形的机理。结果表明,降雨入渗会显著加剧非饱和残积土中基坑变形,降低基坑的稳定性,其原因是降雨入渗使基坑内外土体饱和度增加,基质吸力降低,进而导致土体抗剪强度减小,同时导致主动土压力增大。相比于低渗透性土,饱和渗透系数较高的残积土层中基坑持力层土体强度更易受到降雨的影响。墙后土体应力路径表明,降雨过程土体所受剪力基本保持不变,基坑变形增加较小,降雨后的清淤开挖使桩后土体达到临界抗剪强度,导致基坑变形急剧增加。 花岗岩残积土在非饱和状态下的工程性质良好,但其极易受到降雨影响。厦门石鼓山西通道项目的实测数据表明,降雨入渗引起残积土中基坑围护桩变形显著增加。本文采用PLAXIS有限元软件建立数值模型,通过瞬态渗流分析,探究降雨入渗加剧非饱和残积土中基坑变形的机理。结果表明,降雨入渗会显著加剧非饱和残积土中基坑变形,降低基坑的稳定性,其原因是降雨入渗使基坑内外土体饱和度增加,基质吸力降低,进而导致土体抗剪强度减小,同时导致主动土压力增大。相比于低渗透性土,饱和渗透系数较高的残积土层中基坑持力层土体强度更易受到降雨的影响。墙后土体应力路径表明,降雨过程土体所受剪力基本保持不变,基坑变形增加较小,降雨后的清淤开挖使桩后土体达到临界抗剪强度,导致基坑变形急剧增加。
三维信息化模型是重大工程全生命周期建设的重要基础。然而,目前对于地质三维模型与建筑结构三维信息模型,通常由于数据结构问题难以统一,而且大部分停留在“可视化”,难以“可计算”、“可分析”。此外,由于地质条件的复杂性,在三维地质建模方面通常进行大量的简化。本文基于目前先进的三维建模技术,提出了三维精细化地质模型与建筑结构三维模型融合的建模方法,实现了三维地质模型的快速、精细化建模。所建立的模型,统一在*.stl、*.obj及*.igs等标准化三维模型文件下,可方便地用于不同场景的三维模型可视化、分析及后续数值计算模型网格划分等。针对大型水电工程建设提出了水利工程信息模型的框架,并将其应用于索风营水利工程,实现了大坝精细化BIM及4个堆积体的精细化三维地质模型(LIM)的融合与信息化管理。本文研究对于实现水电工程信息化管理、稳定性分析、潜在灾害评估和预测等具有重要的意义。 三维信息化模型是重大工程全生命周期建设的重要基础。然而,目前对于地质三维模型与建筑结构三维信息模型,通常由于数据结构问题难以统一,而且大部分停留在“可视化”,难以“可计算”、“可分析”。此外,由于地质条件的复杂性,在三维地质建模方面通常进行大量的简化。本文基于目前先进的三维建模技术,提出了三维精细化地质模型与建筑结构三维模型融合的建模方法,实现了三维地质模型的快速、精细化建模。所建立的模型,统一在*.stl、*.obj及*.igs等标准化三维模型文件下,可方便地用于不同场景的三维模型可视化、分析及后续数值计算模型网格划分等。针对大型水电工程建设提出了水利工程信息模型的框架,并将其应用于索风营水利工程,实现了大坝精细化BIM及4个堆积体的精细化三维地质模型(LIM)的融合与信息化管理。本文研究对于实现水电工程信息化管理、稳定性分析、潜在灾害评估和预测等具有重要的意义。
本文以覆盖型岩溶土洞为研究对象,通过建模分析,构建其因地下水骤降产生真空吸蚀致塌数学模型,依据玻义耳-马略特定律得出土洞塌落稳定系数表达式,同时推导出土洞空腔负压计算公式;并通过算例开展了初始地下水位、水位降深及土洞覆土厚度等参数对塌陷稳定性系数的影响分析,探讨其内在影响规律。研究得出:地下水骤降条件下,土洞塌陷稳定性系数K与土洞空腔(真空)负压ΔP呈反比关系;土体初始水位h'的大小和位置以及水位降深Δh,关系到土洞空腔(真空)负压ΔP形成和土洞塌陷稳定性系数K的变化;在一定的初始水位h'和水位降深Δh条件下,土洞上覆土厚度对塌陷稳定系数的影响非常明显,在中高初始水位及中高降深时,塌落稳定系数与覆盖层厚度呈正相关规律。 本文以覆盖型岩溶土洞为研究对象,通过建模分析,构建其因地下水骤降产生真空吸蚀致塌数学模型,依据玻义耳-马略特定律得出土洞塌落稳定系数表达式,同时推导出土洞空腔负压计算公式;并通过算例开展了初始地下水位、水位降深及土洞覆土厚度等参数对塌陷稳定性系数的影响分析,探讨其内在影响规律。研究得出:地下水骤降条件下,土洞塌陷稳定性系数K与土洞空腔(真空)负压ΔP呈反比关系;土体初始水位h'的大小和位置以及水位降深Δh,关系到土洞空腔(真空)负压ΔP形成和土洞塌陷稳定性系数K的变化;在一定的初始水位h'和水位降深Δh条件下,土洞上覆土厚度对塌陷稳定系数的影响非常明显,在中高初始水位及中高降深时,塌落稳定系数与覆盖层厚度呈正相关规律。
地质灾害
崖腔型悬崖破坏,是一种崩塌地质灾害,对线路工程与居住环境的安全性必须进行评估。假设张应力呈线性三角形分布,提出了一种评估崖腔型悬崖体稳定性的估算方法:首先计算张力矩,应用张力矩与压力矩相等的力矩平衡原理,计算出张力面上的总张力,然后按张力线性分布原理求出最大张应力。崖腔型悬崖的破坏是顶部最大张应力拉裂岩石而发生的。所以稳定系数定义为抗拉强度与最大张应力之比,用以评价崖腔型悬崖的稳定性。用算例讨论了影响崖腔型悬崖张应力大小的因素:悬崖体厚度H、岩石容重γ与崖腔深度L,分析了它们对不同厚度岩体与不同崖腔深度条件下最大张应力变化与破坏的一般变化规律,以及节理裂隙发育程度对岩体抗拉强度的影响,并提出了相关建议。算例表明本方法与悬臂梁的弹性力学解方法结果相差很大,证明弹性力学解对“深梁”型悬崖是不适用的。 崖腔型悬崖破坏,是一种崩塌地质灾害,对线路工程与居住环境的安全性必须进行评估。假设张应力呈线性三角形分布,提出了一种评估崖腔型悬崖体稳定性的估算方法:首先计算张力矩,应用张力矩与压力矩相等的力矩平衡原理,计算出张力面上的总张力,然后按张力线性分布原理求出最大张应力。崖腔型悬崖的破坏是顶部最大张应力拉裂岩石而发生的。所以稳定系数定义为抗拉强度与最大张应力之比,用以评价崖腔型悬崖的稳定性。用算例讨论了影响崖腔型悬崖张应力大小的因素:悬崖体厚度H、岩石容重γ与崖腔深度L,分析了它们对不同厚度岩体与不同崖腔深度条件下最大张应力变化与破坏的一般变化规律,以及节理裂隙发育程度对岩体抗拉强度的影响,并提出了相关建议。算例表明本方法与悬臂梁的弹性力学解方法结果相差很大,证明弹性力学解对“深梁”型悬崖是不适用的。
太行山大峡谷位于山西省壶关县境内的南太行山区,历经亿万年的沧海桑田形成了以峡谷群、峰林石柱、河流瀑布、溶洞等为典型景观的大型高山峡谷景观系统,大峡谷现已建设成为“国家地质公园”和“5A”景区。同时,太行山大峡谷因地处我国第二、三阶梯的地表突变带,构造活动强烈,地表侵蚀严重,在山地特殊气候作用下崩塌灾害频发,时常损毁道路桥梁、破坏生活设施,并危及居民和游客安全,制约景区建设发展。本文立足大峡谷景区地质灾害详细调查,查明大峡谷内发育崩塌达318处,以高位小型岩质崩塌为主,主要分布于海拔700~1100 m之间,崩落高度平均120 m左右,最高可达300 m以上;崩塌多发育在断层带附近和软弱岩层处,沿峡谷两侧呈带状分布,以倾倒式和坠落式的破坏方式为主,具有明显的“群发、多发、复发”的特点。基于对大峡谷景区地形地貌、地层岩性、岩体结构、地表营力及人类活动等崩塌孕灾环境的分析,依据发育区位和致灾效应将崩塌划分为陡壁崩落带、梯状崩石链、碎裂崩滑带和水岸崩塌带4种类型;结合崩塌运动轨迹和对承灾体的效应归纳出崩落滚石型、崩链型、碎裂溃散型、落石涌浪型4种典型成灾模式,并分析提出景区安全防控的对策和建议。研究成果可为高山峡谷区的地质灾害防灾减灾、太行山区的景区开发规划和建设及地质环境保护提供借鉴。 太行山大峡谷位于山西省壶关县境内的南太行山区,历经亿万年的沧海桑田形成了以峡谷群、峰林石柱、河流瀑布、溶洞等为典型景观的大型高山峡谷景观系统,大峡谷现已建设成为“国家地质公园”和“5A”景区。同时,太行山大峡谷因地处我国第二、三阶梯的地表突变带,构造活动强烈,地表侵蚀严重,在山地特殊气候作用下崩塌灾害频发,时常损毁道路桥梁、破坏生活设施,并危及居民和游客安全,制约景区建设发展。本文立足大峡谷景区地质灾害详细调查,查明大峡谷内发育崩塌达318处,以高位小型岩质崩塌为主,主要分布于海拔700~1100 m之间,崩落高度平均120 m左右,最高可达300 m以上;崩塌多发育在断层带附近和软弱岩层处,沿峡谷两侧呈带状分布,以倾倒式和坠落式的破坏方式为主,具有明显的“群发、多发、复发”的特点。基于对大峡谷景区地形地貌、地层岩性、岩体结构、地表营力及人类活动等崩塌孕灾环境的分析,依据发育区位和致灾效应将崩塌划分为陡壁崩落带、梯状崩石链、碎裂崩滑带和水岸崩塌带4种类型;结合崩塌运动轨迹和对承灾体的效应归纳出崩落滚石型、崩链型、碎裂溃散型、落石涌浪型4种典型成灾模式,并分析提出景区安全防控的对策和建议。研究成果可为高山峡谷区的地质灾害防灾减灾、太行山区的景区开发规划和建设及地质环境保护提供借鉴。
山地旅游景区中因块体失稳和边坡失稳造成的人员伤亡事件不断发生,严重影响着旅游景区的安全运营。为保障旅游安全,本文以浙江某山地旅游景区进出口边坡为研究背景,通过三维激光扫描仪扫描边坡岩体,结合基于坐标投影法已开发的岩质边坡工程块体稳定性评价及可视化软件(CPG程序)对岩质边坡块体稳定性进行分析,并采用FLAC3D数值分析手段,对岩质边坡整体稳定性进行分析,最后利用有限元分析所提出的相应防治措施。研究结果表明,部分典型块体稳定性系数低于安全系数1.2,且受软弱夹层影响,边坡坡脚处有较大的剪应力及横向应力;钢栈桥最大拉应力区域较小,值均在1 MPa左右。在此基础上,提出清除块体、排水、锚喷、避让等多项综合措施,形成了具有山地旅游景区特色的防治对策。 山地旅游景区中因块体失稳和边坡失稳造成的人员伤亡事件不断发生,严重影响着旅游景区的安全运营。为保障旅游安全,本文以浙江某山地旅游景区进出口边坡为研究背景,通过三维激光扫描仪扫描边坡岩体,结合基于坐标投影法已开发的岩质边坡工程块体稳定性评价及可视化软件(CPG程序)对岩质边坡块体稳定性进行分析,并采用FLAC3D数值分析手段,对岩质边坡整体稳定性进行分析,最后利用有限元分析所提出的相应防治措施。研究结果表明,部分典型块体稳定性系数低于安全系数1.2,且受软弱夹层影响,边坡坡脚处有较大的剪应力及横向应力;钢栈桥最大拉应力区域较小,值均在1 MPa左右。在此基础上,提出清除块体、排水、锚喷、避让等多项综合措施,形成了具有山地旅游景区特色的防治对策。
2018年雨季期间,东非裂谷肯尼亚段地表突然出现一条7~8 km长的巨大地裂缝,该裂缝直接导致连接肯尼亚东西区域的主干道B3公路的毁坏(以下称为B3地裂缝),而作为我国“一带一路”倡议的重点项目“内罗毕至马拉巴标准轨铁路”仅距离该裂缝几公里,科学解释地裂缝的形成机理是铁路工程设施安全运营的重要保障。本文对该地裂缝的空间展布和形成机理进行研究,利用遥感影像详细解译了地裂缝空间位置,通过无人机航拍测绘建立了裂缝带高分辨率数值高程模型,在此基础上详细测量了地裂缝两侧地表垂向位移、地裂缝宽度和深度等指标。通过野外调查发现地裂缝发育在裂谷东边界F4活动断层之上,其空间位置受F4断层控制,地裂缝垂向剖面显示全新世沉积物有明显断错,且有多条破裂结构面贯穿其中:地裂缝下部火山碎屑岩层有明显拉张裂隙,这成为雨季期间地表水垂向下渗的通道,使浅表部松散沉积物向下运移。同时,裂谷区发育的南北向断层系统是雨季期间地下水横向流动的主要通道,这些过程导致地下水径流在雨季期间会不断潜蚀下部的土层,致使地表物质不断向下搬运,从而造成地表大规模开裂和塌陷,形成裂谷区受活动断层空间分布控制的构造型地裂缝。 2018年雨季期间,东非裂谷肯尼亚段地表突然出现一条7~8 km长的巨大地裂缝,该裂缝直接导致连接肯尼亚东西区域的主干道B3公路的毁坏(以下称为B3地裂缝),而作为我国“一带一路”倡议的重点项目“内罗毕至马拉巴标准轨铁路”仅距离该裂缝几公里,科学解释地裂缝的形成机理是铁路工程设施安全运营的重要保障。本文对该地裂缝的空间展布和形成机理进行研究,利用遥感影像详细解译了地裂缝空间位置,通过无人机航拍测绘建立了裂缝带高分辨率数值高程模型,在此基础上详细测量了地裂缝两侧地表垂向位移、地裂缝宽度和深度等指标。通过野外调查发现地裂缝发育在裂谷东边界F4活动断层之上,其空间位置受F4断层控制,地裂缝垂向剖面显示全新世沉积物有明显断错,且有多条破裂结构面贯穿其中:地裂缝下部火山碎屑岩层有明显拉张裂隙,这成为雨季期间地表水垂向下渗的通道,使浅表部松散沉积物向下运移。同时,裂谷区发育的南北向断层系统是雨季期间地下水横向流动的主要通道,这些过程导致地下水径流在雨季期间会不断潜蚀下部的土层,致使地表物质不断向下搬运,从而造成地表大规模开裂和塌陷,形成裂谷区受活动断层空间分布控制的构造型地裂缝。
通过模型实验,探讨了松散土坡3种不同结构特征条件下(均匀坡体(坡体物料均匀混合)、平行坡体(土层成层且层面与滑面平行)和斜交坡体(土层成层且层面与滑面斜交))形成滑坡堰塞体的动力过程和堆积特征,通过分区域取样及三维扫描技术研究了堰塞体的物质分布规律与形态特征。研究结果表明:堰塞体堆积特征与坡体特征存在紧密联系,堰塞体纵向(沿主沟道方向)和横向(沿滑坡运动方向)上的物质分布与坡体纵向和横向的物质分布特征基本对应;在垂向(表层到底部)上,由于不同坡体条件下滑坡的动力过程和机理不同,从而导致堰塞体堆积特征存在一定区别。均匀坡体和平行坡体呈整体启动模式,运动过程中物料间存在垂向渗透和交换作用,导致堰塞体物质在垂向上呈明显的上粗下细反粒序分布特征,堰塞体横剖面多呈平坦型和倾斜型。斜交坡体呈分层启动模式,运动堆积过程中保持原有层序,粗、细颗粒先后启动条件下颗粒间存在推挤、爬升和水平渗透作用,使得堰塞体更加密实且垂向上也呈现反粒序分布特征,横剖面多呈起伏型。本研究为滑坡堰塞体稳定性快速评估和复原滑坡初始状态提供依据。 通过模型实验,探讨了松散土坡3种不同结构特征条件下(均匀坡体(坡体物料均匀混合)、平行坡体(土层成层且层面与滑面平行)和斜交坡体(土层成层且层面与滑面斜交))形成滑坡堰塞体的动力过程和堆积特征,通过分区域取样及三维扫描技术研究了堰塞体的物质分布规律与形态特征。研究结果表明:堰塞体堆积特征与坡体特征存在紧密联系,堰塞体纵向(沿主沟道方向)和横向(沿滑坡运动方向)上的物质分布与坡体纵向和横向的物质分布特征基本对应;在垂向(表层到底部)上,由于不同坡体条件下滑坡的动力过程和机理不同,从而导致堰塞体堆积特征存在一定区别。均匀坡体和平行坡体呈整体启动模式,运动过程中物料间存在垂向渗透和交换作用,导致堰塞体物质在垂向上呈明显的上粗下细反粒序分布特征,堰塞体横剖面多呈平坦型和倾斜型。斜交坡体呈分层启动模式,运动堆积过程中保持原有层序,粗、细颗粒先后启动条件下颗粒间存在推挤、爬升和水平渗透作用,使得堰塞体更加密实且垂向上也呈现反粒序分布特征,横剖面多呈起伏型。本研究为滑坡堰塞体稳定性快速评估和复原滑坡初始状态提供依据。
单一平台或轨道的InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术通常只能获取到滑坡体沿雷达卫星视线(LOS)方向的一维形变信息,无法直接获取到滑坡体沿坡向的形变信息,使得InSAR技术无法充分满足滑坡监测的工程需求。针对这一问题,本文提出联合升降轨Sentinel-1A数据提取滑坡沿坡向形变速度场的模型算法,其基本方法是:首先利用InSAR技术分别获取升轨和降轨沿LOS方向的形变速度场,然后根据坡向和坡度建立滑坡的滑动面坐标系,基于LOS方向与滑动面的几何关系对升降轨对应的LOS向形变速度值进行建模,在滑动面上不存在法线方向形变的合理假设下通过解算独立方程组获得滑坡体沿坡向的形变速度场和沿垂直坡向的形变速度场。本文选取四川省理县桃坪乡古滑坡作为研究对象,并通过模拟实验对模型的解算精度进行验证,结果表明:相比于LOS向形变速度场,重建的沿坡向和沿垂直坡向形变速度场更加清晰地揭露了滑坡体的主要位移模式和危险性较高的坡体区域。同时,模拟实验结果表明,模型算法的解算误差与噪声水平大致呈线性增加的关系,当噪声水平达到10 mm·a-1时,沿坡向形变速度场的解算误差为14.1 mm·a-1,沿垂直坡向形变速度场的解算误差为11.9 mm·a-1,证明了模型算法以及结果的可靠性。 单一平台或轨道的InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术通常只能获取到滑坡体沿雷达卫星视线(LOS)方向的一维形变信息,无法直接获取到滑坡体沿坡向的形变信息,使得InSAR技术无法充分满足滑坡监测的工程需求。针对这一问题,本文提出联合升降轨Sentinel-1A数据提取滑坡沿坡向形变速度场的模型算法,其基本方法是:首先利用InSAR技术分别获取升轨和降轨沿LOS方向的形变速度场,然后根据坡向和坡度建立滑坡的滑动面坐标系,基于LOS方向与滑动面的几何关系对升降轨对应的LOS向形变速度值进行建模,在滑动面上不存在法线方向形变的合理假设下通过解算独立方程组获得滑坡体沿坡向的形变速度场和沿垂直坡向的形变速度场。本文选取四川省理县桃坪乡古滑坡作为研究对象,并通过模拟实验对模型的解算精度进行验证,结果表明:相比于LOS向形变速度场,重建的沿坡向和沿垂直坡向形变速度场更加清晰地揭露了滑坡体的主要位移模式和危险性较高的坡体区域。同时,模拟实验结果表明,模型算法的解算误差与噪声水平大致呈线性增加的关系,当噪声水平达到10 mm·a-1时,沿坡向形变速度场的解算误差为14.1 mm·a-1,沿垂直坡向形变速度场的解算误差为11.9 mm·a-1,证明了模型算法以及结果的可靠性。
大型滑坡灾害往往带来巨大的人员伤亡和财产损失,开展滑坡灾害全过程数值模拟研究对滑坡风险定量评估具有重要意义。本文采用更新拉格朗日控制方程的物质点法,基于Drucker-Prager屈服准则下的理想弹塑性模型,考虑孔隙水压力效应推导等效内摩擦角,建立深圳“12 ·20”滑坡二维物质点法数值模型,再现了该滑坡失稳、运动和冲击过程。采用K均值聚类算法结合物质点的相对位移识别滑裂面,对滑坡运动过程中特征物质点速度变化进行分析,并参考泥石流冲击压力计算方法对滑坡运动物质的冲击压力和冲击荷载进行了初步计算。结果表明,物质点法模拟分析获得的深圳滑坡滑裂面形态、失稳和运动特征、冲击强度和堆积形态等与实际观察结果吻合较好,是再现滑坡稳定—失稳—运动—冲击—停积全生命周期的可靠数值模拟方法。 大型滑坡灾害往往带来巨大的人员伤亡和财产损失,开展滑坡灾害全过程数值模拟研究对滑坡风险定量评估具有重要意义。本文采用更新拉格朗日控制方程的物质点法,基于Drucker-Prager屈服准则下的理想弹塑性模型,考虑孔隙水压力效应推导等效内摩擦角,建立深圳“12 ·20”滑坡二维物质点法数值模型,再现了该滑坡失稳、运动和冲击过程。采用K均值聚类算法结合物质点的相对位移识别滑裂面,对滑坡运动过程中特征物质点速度变化进行分析,并参考泥石流冲击压力计算方法对滑坡运动物质的冲击压力和冲击荷载进行了初步计算。结果表明,物质点法模拟分析获得的深圳滑坡滑裂面形态、失稳和运动特征、冲击强度和堆积形态等与实际观察结果吻合较好,是再现滑坡稳定—失稳—运动—冲击—停积全生命周期的可靠数值模拟方法。
为了探讨黄土基覆层边坡动力破坏特征与加速度的响应关系,采用1∶20振动台试验,设置输入地震波幅值逐级增大,实时监测边坡裂缝试验全周期内发育规律,应用MATLAB动力破坏特征检测系统获取地表裂缝的基本信息,提出边坡表面动力破坏特征,并结合各工况监测点加速度峰值变化规律进行分析。得到如下结论:(1)输入加速度峰值0.6g时,坡顶和坡脚的裂缝宽度、裂缝面积均有跳跃性增长,表明土岩接触面部位土体已发生累进剪切破坏,滑面和坡面上的加速度峰值响应突变,振幅突变较大,表明边坡已经发生破坏。(2)沿坡面和滑面加速度放大系数均呈非线性增加,而沿坡面的放大系数在各工况下明显比沿滑面的大,说明加速度沿高程放大效应明显。(3)拉裂缝和剪切裂缝面积突增是边坡破坏的重要特征,贯通裂缝产生和加速度响应突变可以作为边坡动力破坏的依据。 为了探讨黄土基覆层边坡动力破坏特征与加速度的响应关系,采用1∶20振动台试验,设置输入地震波幅值逐级增大,实时监测边坡裂缝试验全周期内发育规律,应用MATLAB动力破坏特征检测系统获取地表裂缝的基本信息,提出边坡表面动力破坏特征,并结合各工况监测点加速度峰值变化规律进行分析。得到如下结论:(1)输入加速度峰值0.6g时,坡顶和坡脚的裂缝宽度、裂缝面积均有跳跃性增长,表明土岩接触面部位土体已发生累进剪切破坏,滑面和坡面上的加速度峰值响应突变,振幅突变较大,表明边坡已经发生破坏。(2)沿坡面和滑面加速度放大系数均呈非线性增加,而沿坡面的放大系数在各工况下明显比沿滑面的大,说明加速度沿高程放大效应明显。(3)拉裂缝和剪切裂缝面积突增是边坡破坏的重要特征,贯通裂缝产生和加速度响应突变可以作为边坡动力破坏的依据。