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岩土力学
为进一步研究植物根系的固土护坡力学效应,探讨边坡土体含水量对植物根系增强土体抗剪强度的影响,以西宁盆地长岭沟流域作为研究区,选取两种优势灌木植物柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii Kom.)、白刺(Nitraria sphaerocarpa Maxim.)和两种优势草本植物芨芨草(Achnatherum splendens(Trin.)Nevski)、细茎冰草(Agropyron trachycaulum Linn. Gaertn.)作为供试种,设置土体含水量分别为6%、10%、14%、18%、22% 5种不同梯度条件,制备根-土复合体和不含根系素土扰动试样,并在室内分别进行直剪试验,分析5种含水量条件下根-土复合体抗剪强度指标的变化规律。试验结果表明:4种草本和灌木植物根系具有显著提高边坡土体抗剪切变形的能力,随着含水量梯度的增加,素土与根-土复合体抗剪切变形能力减弱;当土体含水量相同时,与不含根系素土试样相比,根-土复合体的黏聚力普遍大于素土,而其内摩擦角变化相对较小,其中根-土复合体黏聚力的增长量为1.94~12.17 kPa,增长幅度为34.50% ~360.69%;素土与根-土复合体的黏聚力随土体含水量的增加呈二次多项式函数关系递减,且其内摩擦角亦随着含水量增加而降低,当土体含水量由6%增加至22%时,黏聚力降低幅度为28.50% ~61.78%,内摩擦角降幅为38.73%。本项研究成果对于进一步探讨高寒干旱环境草本和灌木根-土复合体抗剪强度的影响因素,以及利用乡土优势植物开展植被护坡具有重要理论研究价值和实际指导意义。 为进一步研究植物根系的固土护坡力学效应,探讨边坡土体含水量对植物根系增强土体抗剪强度的影响,以西宁盆地长岭沟流域作为研究区,选取两种优势灌木植物柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii Kom.)、白刺(Nitraria sphaerocarpa Maxim.)和两种优势草本植物芨芨草(Achnatherum splendens(Trin.)Nevski)、细茎冰草(Agropyron trachycaulum Linn. Gaertn.)作为供试种,设置土体含水量分别为6%、10%、14%、18%、22% 5种不同梯度条件,制备根-土复合体和不含根系素土扰动试样,并在室内分别进行直剪试验,分析5种含水量条件下根-土复合体抗剪强度指标的变化规律。试验结果表明:4种草本和灌木植物根系具有显著提高边坡土体抗剪切变形的能力,随着含水量梯度的增加,素土与根-土复合体抗剪切变形能力减弱;当土体含水量相同时,与不含根系素土试样相比,根-土复合体的黏聚力普遍大于素土,而其内摩擦角变化相对较小,其中根-土复合体黏聚力的增长量为1.94~12.17 kPa,增长幅度为34.50% ~360.69%;素土与根-土复合体的黏聚力随土体含水量的增加呈二次多项式函数关系递减,且其内摩擦角亦随着含水量增加而降低,当土体含水量由6%增加至22%时,黏聚力降低幅度为28.50% ~61.78%,内摩擦角降幅为38.73%。本项研究成果对于进一步探讨高寒干旱环境草本和灌木根-土复合体抗剪强度的影响因素,以及利用乡土优势植物开展植被护坡具有重要理论研究价值和实际指导意义。
变形测量数据的选取对认识岩石力学性质及变形参数的计算有着重要影响。MTS试验机已被广泛应用于岩石力学试验中,其中岩石的变形测量常用方式有引伸计、LVDT和压板位移,这3种测量方法得到的轴向应变的准确性和适用性有待深入研究。本研究采用MTS试验机进行岩石的单轴和三轴压缩试验,对比引伸计、压板位移和LVDT 3种方式测量得到的应力-应变曲线,分析3种不同测量方法的结果对岩样应力-应变曲线形态、强度和变形参数的影响。结果表明:峰值强度前,压板位移和LVDT测量得到的变形数据、计算的应力门槛值和变形参数存在较大误差,轴向应变应采用引伸计测量得到的变形数据;采用引伸计测量得到的变形数据在达到峰值强度后会出现轴向应变减小的现象,该曲线容易被误认为属于Ⅱ类曲线;建议在MTS试验机固定压头端安装LVDT传感器,采用LVDT测量得到的轴向变形计算峰值强度后的轴向应变;条件不允许安装LVDT传感器时,采用压板位移测量的数据来表示岩样在峰值强度后的变形。研究结果对于正确选用岩石变形测量数据、计算强度和变形参数以及认识岩石力学性质具有一定参考价值。 变形测量数据的选取对认识岩石力学性质及变形参数的计算有着重要影响。MTS试验机已被广泛应用于岩石力学试验中,其中岩石的变形测量常用方式有引伸计、LVDT和压板位移,这3种测量方法得到的轴向应变的准确性和适用性有待深入研究。本研究采用MTS试验机进行岩石的单轴和三轴压缩试验,对比引伸计、压板位移和LVDT 3种方式测量得到的应力-应变曲线,分析3种不同测量方法的结果对岩样应力-应变曲线形态、强度和变形参数的影响。结果表明:峰值强度前,压板位移和LVDT测量得到的变形数据、计算的应力门槛值和变形参数存在较大误差,轴向应变应采用引伸计测量得到的变形数据;采用引伸计测量得到的变形数据在达到峰值强度后会出现轴向应变减小的现象,该曲线容易被误认为属于Ⅱ类曲线;建议在MTS试验机固定压头端安装LVDT传感器,采用LVDT测量得到的轴向变形计算峰值强度后的轴向应变;条件不允许安装LVDT传感器时,采用压板位移测量的数据来表示岩样在峰值强度后的变形。研究结果对于正确选用岩石变形测量数据、计算强度和变形参数以及认识岩石力学性质具有一定参考价值。
土水特征曲线定义了非饱和土的基质吸力和含水量之间的关系,与非饱和土的渗流和强度等特征有密切关系。本文通过对100组砂土的粒径分布曲线和土水特征曲线进行分析,结合常用的VG模型提出了基于粒径分布曲线的非饱和砂土土水特征曲线概率预测方法,并基于另外30组数据对提出的模型进行了验证。研究表明,基于粒径分布曲线无法唯一确定土体的土水特征曲线。与已有方法相比,提出的方法不但可以预测土水特征曲线的最可能位置,还可以预测土水特征曲线的变异性范围,由此可考虑基于粒径分布曲线对土水特征曲线进行估算时存在的模型误差。 土水特征曲线定义了非饱和土的基质吸力和含水量之间的关系,与非饱和土的渗流和强度等特征有密切关系。本文通过对100组砂土的粒径分布曲线和土水特征曲线进行分析,结合常用的VG模型提出了基于粒径分布曲线的非饱和砂土土水特征曲线概率预测方法,并基于另外30组数据对提出的模型进行了验证。研究表明,基于粒径分布曲线无法唯一确定土体的土水特征曲线。与已有方法相比,提出的方法不但可以预测土水特征曲线的最可能位置,还可以预测土水特征曲线的变异性范围,由此可考虑基于粒径分布曲线对土水特征曲线进行估算时存在的模型误差。
以生活源污染质降解终端产物Na2CO3和Na3PO4的混合溶液为污染质溶液对中国徐州地区粉质黏土进行渗流,完成了10次干湿循环试验,分析了在生活源污染质干湿循环下粉质黏土性质的演化特征,并揭示了其演化机理。研究结果表明:粉质黏土在经过生活源污染质10次干湿循环的过程中,土体渗透性增强1~2个数量级,电阻率降低20~25Ω ·m,密度先减小到2g ·cm-3以下后有所回升,抗剪强度降低30kPa左右,且渗流路径长的土体性质变化具有一定的滞后性;在干湿循环过程中土体表面干缩裂缝逐渐发育扩展;干湿循环土样渗流路径越短,元素的密度变化量越大;生活源污染质干湿循环下土体性质发生变化的主要原因是渗流冲刷作用、化学反应、Na+离子吸附作用、湿胀干缩作用和重力下渗作用共同作用的结果。 以生活源污染质降解终端产物Na2CO3和Na3PO4的混合溶液为污染质溶液对中国徐州地区粉质黏土进行渗流,完成了10次干湿循环试验,分析了在生活源污染质干湿循环下粉质黏土性质的演化特征,并揭示了其演化机理。研究结果表明:粉质黏土在经过生活源污染质10次干湿循环的过程中,土体渗透性增强1~2个数量级,电阻率降低20~25Ω ·m,密度先减小到2g ·cm-3以下后有所回升,抗剪强度降低30kPa左右,且渗流路径长的土体性质变化具有一定的滞后性;在干湿循环过程中土体表面干缩裂缝逐渐发育扩展;干湿循环土样渗流路径越短,元素的密度变化量越大;生活源污染质干湿循环下土体性质发生变化的主要原因是渗流冲刷作用、化学反应、Na+离子吸附作用、湿胀干缩作用和重力下渗作用共同作用的结果。
硅藻土常常呈现白色、黄色、黑色等颜色,其中以白色硅藻土较为特殊,遇水后其强度明显降低。为了掌握白色硅藻土的工程特性,必须研究白色硅藻土的微观结构特征。本文以白色硅藻土为研究对象,通过扫描电镜试验,以数值化的形式展现其孔隙特征,从微观角度分析白色硅藻土的整体形貌,同时对白色硅藻土的微观结构进行量化分析,通过二值化处理以及分形维数分析,对白色硅藻土土体孔隙的微观特征进行研究,结果表明:(1)白色硅藻土具有独特的无序排列的多孔结构,颗粒群间的聚集主要以堆积聚合排列的形式存在,其整体结构主要表现为分散结构,接触形式以面对面为主。(2)白色硅藻土微观费雷特直径分布结果表明其微观孔隙普遍较小,且孔径值大小呈现出无规律分布情况,随机性较强;孔隙结构处于不规则形状,呈现出细小孔隙形态。(3)白色硅藻土拥有较高的面孔隙度,在微观上表现为孔隙小、数量繁多以及结构复杂。(4)白色硅藻土具有较好的分形特性,在不同阈值下硅藻土的分形维数呈现出非线性减小的趋势,且阈值越大,分形维数降低的幅度越大;同时白色硅藻土的分形维数值较大,表明白色硅藻土微观表面孔隙结构单元数量较多,在宏观上表现出孔隙小,孔隙数量较多的特征。 硅藻土常常呈现白色、黄色、黑色等颜色,其中以白色硅藻土较为特殊,遇水后其强度明显降低。为了掌握白色硅藻土的工程特性,必须研究白色硅藻土的微观结构特征。本文以白色硅藻土为研究对象,通过扫描电镜试验,以数值化的形式展现其孔隙特征,从微观角度分析白色硅藻土的整体形貌,同时对白色硅藻土的微观结构进行量化分析,通过二值化处理以及分形维数分析,对白色硅藻土土体孔隙的微观特征进行研究,结果表明:(1)白色硅藻土具有独特的无序排列的多孔结构,颗粒群间的聚集主要以堆积聚合排列的形式存在,其整体结构主要表现为分散结构,接触形式以面对面为主。(2)白色硅藻土微观费雷特直径分布结果表明其微观孔隙普遍较小,且孔径值大小呈现出无规律分布情况,随机性较强;孔隙结构处于不规则形状,呈现出细小孔隙形态。(3)白色硅藻土拥有较高的面孔隙度,在微观上表现为孔隙小、数量繁多以及结构复杂。(4)白色硅藻土具有较好的分形特性,在不同阈值下硅藻土的分形维数呈现出非线性减小的趋势,且阈值越大,分形维数降低的幅度越大;同时白色硅藻土的分形维数值较大,表明白色硅藻土微观表面孔隙结构单元数量较多,在宏观上表现出孔隙小,孔隙数量较多的特征。
以伊犁地区S315线蜂场至尼勒克段低液限粉黏土为研究对象,以碱激发材料为固化剂,对粉质黏土和其固化土开展了路用性能指标试验与冻融循环试验,并利用电镜扫描试验(SEM)与X射线衍射试验(XRD)研究了固化土的微观特征,探讨了碱激发材料对粉质黏土路用性能指标与抗冻融特性的影响。试验结果表明,固化土的无侧限抗压强度与抗剪强度随碱激发材料掺量和养护龄期的增加而增大;固化土的CBR值与回弹模量随碱激发材料掺量的增加而显著增大,固化土路用性能指标满足规范要求。低液限粉黏土对冻融敏感,其冻胀、融沉率的大小与降温速率、含水率有关,相同温差下温度梯度越小土体受冻融影响越明显,相同温度梯度下含水率越高土体受冻融影响越明显。不同碱激发材料掺量下的固化土在补水条件下冻胀率均小于1%,不发生冻胀。微观特征分析结果表明,碱激发材料的主要水化产物是C(-A)-S-H凝胶,其生成量随龄期增加,其填充和胶结作用使土体形成致密的微观结构,从而提高土体的强度,同时增强其抗冻融稳定性。 以伊犁地区S315线蜂场至尼勒克段低液限粉黏土为研究对象,以碱激发材料为固化剂,对粉质黏土和其固化土开展了路用性能指标试验与冻融循环试验,并利用电镜扫描试验(SEM)与X射线衍射试验(XRD)研究了固化土的微观特征,探讨了碱激发材料对粉质黏土路用性能指标与抗冻融特性的影响。试验结果表明,固化土的无侧限抗压强度与抗剪强度随碱激发材料掺量和养护龄期的增加而增大;固化土的CBR值与回弹模量随碱激发材料掺量的增加而显著增大,固化土路用性能指标满足规范要求。低液限粉黏土对冻融敏感,其冻胀、融沉率的大小与降温速率、含水率有关,相同温差下温度梯度越小土体受冻融影响越明显,相同温度梯度下含水率越高土体受冻融影响越明显。不同碱激发材料掺量下的固化土在补水条件下冻胀率均小于1%,不发生冻胀。微观特征分析结果表明,碱激发材料的主要水化产物是C(-A)-S-H凝胶,其生成量随龄期增加,其填充和胶结作用使土体形成致密的微观结构,从而提高土体的强度,同时增强其抗冻融稳定性。
在高放废弃物深地质处置库复杂的地下水环境影响下,缓冲/回填材料微观孔隙结构的改变通常会大大影响其水力性质。为探究这种影响,众多学者从不同理论出发,建立了相应的土水特征模型。然而,针对这些模型的对比研究较少,且缺少将模型应用于考虑化学影响的情况。在压实膨润土微观结构分析的基础上,基于分形理论和双孔理论,分别构建了压实膨润土土水特征预测模型,然后基于不同浓度NaCl溶液处理后压实GMZ膨润土的压汞试验数据,用两种模型预测其土水特征曲线,并与实测曲线进行比较。研究结果表明:两种模型均适用于预测化学溶液作用下压实膨润土的土水特征曲线;经历干湿循环使压实膨润土孔径趋于均一,导致其土水特征曲线为单峰形式,试样的持水作用由小孔主导,故相较于双孔持水的实测试样,预测试样在低吸力范围内持水能力较低;与蒸馏水处理后相比,盐溶液导致集聚体间孔隙减少,在相同基质吸力下试样的含水量降低;而在高浓度盐溶液处理后,由于孔隙流体通道增加和压实膨润土内部产生微裂隙,试样在高吸力范围内的持水性略有增强。 在高放废弃物深地质处置库复杂的地下水环境影响下,缓冲/回填材料微观孔隙结构的改变通常会大大影响其水力性质。为探究这种影响,众多学者从不同理论出发,建立了相应的土水特征模型。然而,针对这些模型的对比研究较少,且缺少将模型应用于考虑化学影响的情况。在压实膨润土微观结构分析的基础上,基于分形理论和双孔理论,分别构建了压实膨润土土水特征预测模型,然后基于不同浓度NaCl溶液处理后压实GMZ膨润土的压汞试验数据,用两种模型预测其土水特征曲线,并与实测曲线进行比较。研究结果表明:两种模型均适用于预测化学溶液作用下压实膨润土的土水特征曲线;经历干湿循环使压实膨润土孔径趋于均一,导致其土水特征曲线为单峰形式,试样的持水作用由小孔主导,故相较于双孔持水的实测试样,预测试样在低吸力范围内持水能力较低;与蒸馏水处理后相比,盐溶液导致集聚体间孔隙减少,在相同基质吸力下试样的含水量降低;而在高浓度盐溶液处理后,由于孔隙流体通道增加和压实膨润土内部产生微裂隙,试样在高吸力范围内的持水性略有增强。
渗透系数是黄土渗透变形破坏及黄土水理性质相关研究中的一项重要参数,而渗气系数与渗透系数具有良好的相关性且其测试过程不受黄土水敏性的影响,同时比渗透系数测定更为方便和快捷,因此具有良好的推广应用前景。本文介绍了黄土原位渗气测试方法的原理,在此基础上针对插入式和接触式两种原位渗气测试方法,在不同地区黄土地层开展了一系列原位渗气测试。试验结果发现两种方法对黄土地层的适用性有所不同,插入式方法十分适用于黏粒含量大于12.44%(塑性指数大于11.2)的黄土层,但对于黏粒含量低于12.44%(塑性指数小于11.2)的黄土层,插入式方法则会产生较大的误差。经综合对比认为,接触式方法由于人为误差小而普遍适用于黄土地层,但需要更大的工作面且更适于水平工作面,这对其测试速度和便捷性有一定影响。插入式方法所需工作面小,且同时适合水平和垂直工作面,因此更为方便快捷,但由于插入过程中探头对黄土层的扰动等人为因素的影响,因此更适合黏粒含量较高的黄土层。建议当黄土黏粒含量大于12.44%(塑性指数大于11.2)时,首选插入式方法,不满足此条件时再采用接触式方法。本文介绍的两种黄土原位渗气系数测定方法及其适用范围的确定为其在实践中进一步推广应用提供了理论基础。 渗透系数是黄土渗透变形破坏及黄土水理性质相关研究中的一项重要参数,而渗气系数与渗透系数具有良好的相关性且其测试过程不受黄土水敏性的影响,同时比渗透系数测定更为方便和快捷,因此具有良好的推广应用前景。本文介绍了黄土原位渗气测试方法的原理,在此基础上针对插入式和接触式两种原位渗气测试方法,在不同地区黄土地层开展了一系列原位渗气测试。试验结果发现两种方法对黄土地层的适用性有所不同,插入式方法十分适用于黏粒含量大于12.44%(塑性指数大于11.2)的黄土层,但对于黏粒含量低于12.44%(塑性指数小于11.2)的黄土层,插入式方法则会产生较大的误差。经综合对比认为,接触式方法由于人为误差小而普遍适用于黄土地层,但需要更大的工作面且更适于水平工作面,这对其测试速度和便捷性有一定影响。插入式方法所需工作面小,且同时适合水平和垂直工作面,因此更为方便快捷,但由于插入过程中探头对黄土层的扰动等人为因素的影响,因此更适合黏粒含量较高的黄土层。建议当黄土黏粒含量大于12.44%(塑性指数大于11.2)时,首选插入式方法,不满足此条件时再采用接触式方法。本文介绍的两种黄土原位渗气系数测定方法及其适用范围的确定为其在实践中进一步推广应用提供了理论基础。
现今的黄土结构是在黄土初始风成堆积及后期黄土化过程中逐步形成的。季节性冷暖更替和昼夜气温变化使得初始风积黄土不断经受升降温循环作用,由此引发的结构演变是黄土化过程不可或缺的一部分。而关于初始风积黄土在温度循环作用下的结构演化规律及机理目前尚不清楚。本文通过模拟风积环境,再造了初始风积黄土样品,开展了温度循环物理模拟试验。采用温度传感器、激光位移传感器和高清摄影系统对环境温度、土样内部温度、土样竖向变形及顶面结构进行了实时监测。试验结果发现:土样的温度和竖向变形均随环境温度的变化呈周期性波动,波动曲线相较于环境温度均呈现出一定滞后;且土样竖向变形和土样温度的波动具有同步性。随温度循环次数的增加,土样呈整体收缩趋势,土样也由弹塑性变形逐渐过渡为弹性变形。相比于湿-干循环和上覆荷载作用,温度循环导致的初始风积黄土竖向应变最小(约为0.25%),结构扰动程度最弱。以上结果说明,虽然温度循环是风成黄土结构演化过程中的核心环境因素之一,但其在初期黄土结构演化中属次要角色。 现今的黄土结构是在黄土初始风成堆积及后期黄土化过程中逐步形成的。季节性冷暖更替和昼夜气温变化使得初始风积黄土不断经受升降温循环作用,由此引发的结构演变是黄土化过程不可或缺的一部分。而关于初始风积黄土在温度循环作用下的结构演化规律及机理目前尚不清楚。本文通过模拟风积环境,再造了初始风积黄土样品,开展了温度循环物理模拟试验。采用温度传感器、激光位移传感器和高清摄影系统对环境温度、土样内部温度、土样竖向变形及顶面结构进行了实时监测。试验结果发现:土样的温度和竖向变形均随环境温度的变化呈周期性波动,波动曲线相较于环境温度均呈现出一定滞后;且土样竖向变形和土样温度的波动具有同步性。随温度循环次数的增加,土样呈整体收缩趋势,土样也由弹塑性变形逐渐过渡为弹性变形。相比于湿-干循环和上覆荷载作用,温度循环导致的初始风积黄土竖向应变最小(约为0.25%),结构扰动程度最弱。以上结果说明,虽然温度循环是风成黄土结构演化过程中的核心环境因素之一,但其在初期黄土结构演化中属次要角色。
利用洞庭湖软土、高有机质含量泥炭土重塑有机质含量不同的试样,进行一维固结蠕变试验,测定其吸附结合水含量和有机质含量,确定吸附结合水含量与有机质含量的关系,研究有机质含量对软土次固结特性的影响机制。研究结果表明,土中的有机质含量越高,其吸附结合水含量越大,两者呈线性递增关系,并提出了相应的关系计算式;次固结系数与固结压力的关系曲线在结构强度附近有一个峰值点,在较大固结压力作用下,次固结系数可近似视为一不变的常数;随着土中有机质含量增加,次固结系数呈明显增加的趋势,在高应力水平下表现尤为明显,并探讨了其产生原因。研究成果对控制软土地区工后沉降有一定的指导意义。 利用洞庭湖软土、高有机质含量泥炭土重塑有机质含量不同的试样,进行一维固结蠕变试验,测定其吸附结合水含量和有机质含量,确定吸附结合水含量与有机质含量的关系,研究有机质含量对软土次固结特性的影响机制。研究结果表明,土中的有机质含量越高,其吸附结合水含量越大,两者呈线性递增关系,并提出了相应的关系计算式;次固结系数与固结压力的关系曲线在结构强度附近有一个峰值点,在较大固结压力作用下,次固结系数可近似视为一不变的常数;随着土中有机质含量增加,次固结系数呈明显增加的趋势,在高应力水平下表现尤为明显,并探讨了其产生原因。研究成果对控制软土地区工后沉降有一定的指导意义。
结构面的力学特性直接关系工程岩体的变形稳定,而充填物对结构面的力学特性存在较大的影响。为了准确地量化充填前后结构面剪切性能的变化,以三峡库区典型库岸边坡节理岩体为研究对象,采用劈裂法制备了人工节理,按照充填度100%进行考虑,设计进行了充填前、后结构面的重复剪切试验。结果表明:(1)基于重复剪切过程中结构面抗剪性能劣化趋稳的变化规律,提出了一种单试件充填前、后重复剪切的试验方法,并提出了量化分析充填物对结构面影响程度的试验流程和数据处理方法,可以比较准确地确定充填物对结构面抗剪性能的影响;(2)泥质充填后结构面的抗剪性能劣化趋势明显,不同法向应力下的降幅在38.51% ~54.82%之间,而且,法向应力越大,降低幅度越大;(3)在重复剪切过程中,泥质充填结构面的抗剪强度呈现先增大、再减小趋稳的非线性变化规律,主要与剪切过程中泥质充填物的变少、变薄、变光滑,以及结构面出露面积增多、磨损,凹陷位置被岩屑和土填充有关。相关试验方法和思路可为充填结构面剪切性能分析提供较好的参考。 结构面的力学特性直接关系工程岩体的变形稳定,而充填物对结构面的力学特性存在较大的影响。为了准确地量化充填前后结构面剪切性能的变化,以三峡库区典型库岸边坡节理岩体为研究对象,采用劈裂法制备了人工节理,按照充填度100%进行考虑,设计进行了充填前、后结构面的重复剪切试验。结果表明:(1)基于重复剪切过程中结构面抗剪性能劣化趋稳的变化规律,提出了一种单试件充填前、后重复剪切的试验方法,并提出了量化分析充填物对结构面影响程度的试验流程和数据处理方法,可以比较准确地确定充填物对结构面抗剪性能的影响;(2)泥质充填后结构面的抗剪性能劣化趋势明显,不同法向应力下的降幅在38.51% ~54.82%之间,而且,法向应力越大,降低幅度越大;(3)在重复剪切过程中,泥质充填结构面的抗剪强度呈现先增大、再减小趋稳的非线性变化规律,主要与剪切过程中泥质充填物的变少、变薄、变光滑,以及结构面出露面积增多、磨损,凹陷位置被岩屑和土填充有关。相关试验方法和思路可为充填结构面剪切性能分析提供较好的参考。
本项研究针对高寒干旱环境下矿山排土场边坡植物增强土体强度和提高边坡稳定性作用贡献,以青海北部木里煤田江仓矿区作为研究区,通过采用组合种植草本垂穗披碱草(Elymus nutans Griseb.)+冷地早熟禾(Poa crymophila Keng)的方式,开展了组合种植植物根-土复合体与不含根系素土物理力学性质指标试验,并采用Pearson相关性分析方法评价了排土场边坡土体黏聚力c值与密度、含水率、含根量指标之间的相关程度。结果表明:相比较于不含根系素土,区内南、北两侧排土场边坡根-土复合体密度降低0.13~0.21g·cm-3,降低幅度为6.31%~11.05%,含水率增加0.40%~2.91%,增加幅度为4.47%~26.11%,根-土复合体抗剪强度指标黏聚力c值增加1.18~10.58 kPa,增加幅度为5.77%~62.11%,表明组合种植草本具有显著增强排土场边坡土体抗剪强度和提高边坡稳定性作用;通过进一步对排土场边坡根-土复合体黏聚力c值影响因素的相关性分析可知,根-土复合体黏聚力c值与含根量之间呈显著正相关关系(P<0.01),且含根量与黏聚力c值间的相关程度明显高于土体密度和含水率。该项研究结果对于高寒干旱环境矿山生态修复与地质灾害防治,具有理论研究价值和现实指导意义。 本项研究针对高寒干旱环境下矿山排土场边坡植物增强土体强度和提高边坡稳定性作用贡献,以青海北部木里煤田江仓矿区作为研究区,通过采用组合种植草本垂穗披碱草(Elymus nutans Griseb.)+冷地早熟禾(Poa crymophila Keng)的方式,开展了组合种植植物根-土复合体与不含根系素土物理力学性质指标试验,并采用Pearson相关性分析方法评价了排土场边坡土体黏聚力c值与密度、含水率、含根量指标之间的相关程度。结果表明:相比较于不含根系素土,区内南、北两侧排土场边坡根-土复合体密度降低0.13~0.21g·cm-3,降低幅度为6.31%~11.05%,含水率增加0.40%~2.91%,增加幅度为4.47%~26.11%,根-土复合体抗剪强度指标黏聚力c值增加1.18~10.58 kPa,增加幅度为5.77%~62.11%,表明组合种植草本具有显著增强排土场边坡土体抗剪强度和提高边坡稳定性作用;通过进一步对排土场边坡根-土复合体黏聚力c值影响因素的相关性分析可知,根-土复合体黏聚力c值与含根量之间呈显著正相关关系(P<0.01),且含根量与黏聚力c值间的相关程度明显高于土体密度和含水率。该项研究结果对于高寒干旱环境矿山生态修复与地质灾害防治,具有理论研究价值和现实指导意义。
我国东南沿海地质环境复杂脆弱,由台风暴雨引发的滑坡频频发生。雨水入渗到土体内可能导致坡体变形,进而产生滑坡、泥石流等灾害。以福建三明岩兜滑坡为研究对象,通过自行研制的人工降雨土柱入渗试验装置,对研究区滑坡的残积土柱进行了不同降雨强度下(20 mm·h-1、60 mm·h-1)的累次循环降雨实验,考虑了不同降雨量、降雨历时和雨停时间等工况,获得了干湿循环下土柱含水率、电阻率以及基质吸力变化等丰富的降雨入渗试验数据,并与现场原型测试结果验证。研究结果表明:(1) 累次降雨中,土柱上部传感器含水率峰值随着干湿循环次数增加缓慢降低,深部的土体则在累次降雨后,土体含水量逐渐累积,含水率峰值缓慢提高。(2) 原状土柱土体具有非均质性,不同深度土体电阻率大小不一。电阻率响应时间与含水率响应时间具有高度相关性,含水率变化时电阻率也几乎同时产生变化,但两者变化趋势相反。(3) 基质吸力在累次降雨雨停阶段回升缓慢,多次降雨过程中,由于前次降雨中留下的水分未完全排干,基质吸力在多次降雨的作用下降到0 kPa。(4) 基于Keller改进的Archie拓展模型对研究区土体电阻率含水率进行拟合,并用实测数据进行验证,误差较小。进一步结合Archie拓展模型与Green-Ampt、Philip入渗模型,得到基于电阻率的Green-Ampt与Philip入渗模型。研究成果有助于进一步揭示研究区降雨作用下坡残积土的电阻率演化规律,揭示坡残积土坡在累次降雨下的水分入渗规律,对台风暴雨型滑坡稳定性分析及监测预警具有重要的理论及实际意义。 我国东南沿海地质环境复杂脆弱,由台风暴雨引发的滑坡频频发生。雨水入渗到土体内可能导致坡体变形,进而产生滑坡、泥石流等灾害。以福建三明岩兜滑坡为研究对象,通过自行研制的人工降雨土柱入渗试验装置,对研究区滑坡的残积土柱进行了不同降雨强度下(20 mm·h-1、60 mm·h-1)的累次循环降雨实验,考虑了不同降雨量、降雨历时和雨停时间等工况,获得了干湿循环下土柱含水率、电阻率以及基质吸力变化等丰富的降雨入渗试验数据,并与现场原型测试结果验证。研究结果表明:(1) 累次降雨中,土柱上部传感器含水率峰值随着干湿循环次数增加缓慢降低,深部的土体则在累次降雨后,土体含水量逐渐累积,含水率峰值缓慢提高。(2) 原状土柱土体具有非均质性,不同深度土体电阻率大小不一。电阻率响应时间与含水率响应时间具有高度相关性,含水率变化时电阻率也几乎同时产生变化,但两者变化趋势相反。(3) 基质吸力在累次降雨雨停阶段回升缓慢,多次降雨过程中,由于前次降雨中留下的水分未完全排干,基质吸力在多次降雨的作用下降到0 kPa。(4) 基于Keller改进的Archie拓展模型对研究区土体电阻率含水率进行拟合,并用实测数据进行验证,误差较小。进一步结合Archie拓展模型与Green-Ampt、Philip入渗模型,得到基于电阻率的Green-Ampt与Philip入渗模型。研究成果有助于进一步揭示研究区降雨作用下坡残积土的电阻率演化规律,揭示坡残积土坡在累次降雨下的水分入渗规律,对台风暴雨型滑坡稳定性分析及监测预警具有重要的理论及实际意义。
地质工程
本文选择华南地区巨厚层花岗岩风化壳分布区的梧州市为研究区,旨在建立系统的、科学的、可操作性强的花岗岩风化壳垂直分带划分标准。在野外区域调查、钻探、原位试验、室内试验、综合研究的基础之上,建立了定性与定量复合判定的指标体系,对梧州市花岗岩风化壳进行了垂直分带以及工程地质特征研究。研究结果表明:(1)粒度分析法可以作为花岗岩风化壳垂直分带划分的方法之一,划分结果与原位试验划分结果具有很好的一致性;(2)残积土带、全风化带、强风化带中含量占比最大的土体分别是黏粒土、粉粒土、砂粒土。随着钻孔深度的增加,粒径相对较大的砾粒和砂粒含量占比逐渐增大,粒径相对较小的粉粒和黏粒含量占比逐渐减小。粒径0.05 mm为残积土带、全风化带、强风化带曲线交叉的分界处,该处土体含量百分比近似相等,揭示粒径0.05 mm值是花岗岩风化壳垂直分带划分的重要指标之一;(3)随着钻进深度的增加,圆锥动力触探试验击数与标准贯入试验击数同时增加,修正后的标准贯入击数N和圆锥动力触探击数N63.5呈多项式相关性。本文建立了花岗岩风化壳垂直分带划分标准,给出了花岗岩风化壳土体地基承载力建议值,对花岗岩分布区的重大工程建设与工程地质特征参数的选取具有一定的指导与参照意义。 本文选择华南地区巨厚层花岗岩风化壳分布区的梧州市为研究区,旨在建立系统的、科学的、可操作性强的花岗岩风化壳垂直分带划分标准。在野外区域调查、钻探、原位试验、室内试验、综合研究的基础之上,建立了定性与定量复合判定的指标体系,对梧州市花岗岩风化壳进行了垂直分带以及工程地质特征研究。研究结果表明:(1)粒度分析法可以作为花岗岩风化壳垂直分带划分的方法之一,划分结果与原位试验划分结果具有很好的一致性;(2)残积土带、全风化带、强风化带中含量占比最大的土体分别是黏粒土、粉粒土、砂粒土。随着钻孔深度的增加,粒径相对较大的砾粒和砂粒含量占比逐渐增大,粒径相对较小的粉粒和黏粒含量占比逐渐减小。粒径0.05 mm为残积土带、全风化带、强风化带曲线交叉的分界处,该处土体含量百分比近似相等,揭示粒径0.05 mm值是花岗岩风化壳垂直分带划分的重要指标之一;(3)随着钻进深度的增加,圆锥动力触探试验击数与标准贯入试验击数同时增加,修正后的标准贯入击数N和圆锥动力触探击数N63.5呈多项式相关性。本文建立了花岗岩风化壳垂直分带划分标准,给出了花岗岩风化壳土体地基承载力建议值,对花岗岩分布区的重大工程建设与工程地质特征参数的选取具有一定的指导与参照意义。
文中采用InSAR与GPS技术相结合,获取了北京平原区时序地表三维形变场信息,分析了其分布特征与演化规律。研究表明:(1)北京平原区在抽水引发的第四系附加应力场作用下,地表呈现出显著的三维变形特征,以垂向变形为主,并辅以水平向位移。(2)平原区地面沉降主要集中在东部、北部和南部等地,存在多个沉降中心,总体呈减缓的趋势。其中:东部的朝阳区和通州部分地区是地面沉降发育最为严重的地区,多年沉降速率均超过100 mm·a-1,最大沉降速率143.20 mm·a-1,最大累计沉降量816.77 mm,且连片发展,不均匀沉降现象明显。(3)在ITRF2005参考框架下,平原区GPS点水平走向基本一致,以SE方向运动为主,优势运动方向NE112.5°~NE113.8°。其中:E向运动速率27.12~36.19 mm·a-1,平均值30.78 mm·a-1;N向运动速率-10.90~-19.73 mm·a-1,平均值-13.57 mm·a-1。反映出整个平原区具有统一的大陆动力学环境下连续变形特征。(4)在欧亚参考框架下,GPS点水平运动速率明显减小,各点之间非一致性变化较为明显,不具备整体趋势性活动特征。特别是几大活动断裂交接部位的地面沉降严重区,往往也是GPS点水平运动速率较大的地区。GPS点水平运动方向总体指向地面沉降或地下水位降落漏斗中心,或由高水位指向低水位地区。这主要是抽取地下水导致第四系含水层系统在水平向产生的变形分量引起的。 文中采用InSAR与GPS技术相结合,获取了北京平原区时序地表三维形变场信息,分析了其分布特征与演化规律。研究表明:(1)北京平原区在抽水引发的第四系附加应力场作用下,地表呈现出显著的三维变形特征,以垂向变形为主,并辅以水平向位移。(2)平原区地面沉降主要集中在东部、北部和南部等地,存在多个沉降中心,总体呈减缓的趋势。其中:东部的朝阳区和通州部分地区是地面沉降发育最为严重的地区,多年沉降速率均超过100 mm·a-1,最大沉降速率143.20 mm·a-1,最大累计沉降量816.77 mm,且连片发展,不均匀沉降现象明显。(3)在ITRF2005参考框架下,平原区GPS点水平走向基本一致,以SE方向运动为主,优势运动方向NE112.5°~NE113.8°。其中:E向运动速率27.12~36.19 mm·a-1,平均值30.78 mm·a-1;N向运动速率-10.90~-19.73 mm·a-1,平均值-13.57 mm·a-1。反映出整个平原区具有统一的大陆动力学环境下连续变形特征。(4)在欧亚参考框架下,GPS点水平运动速率明显减小,各点之间非一致性变化较为明显,不具备整体趋势性活动特征。特别是几大活动断裂交接部位的地面沉降严重区,往往也是GPS点水平运动速率较大的地区。GPS点水平运动方向总体指向地面沉降或地下水位降落漏斗中心,或由高水位指向低水位地区。这主要是抽取地下水导致第四系含水层系统在水平向产生的变形分量引起的。
深圳坂银通道鸡公山隧道的设计路线下穿了深圳下坪固体废弃物填埋场,由于钻孔分析等前期地质勘察无法在该区域开展,下穿填埋场隧道区段施工存在地质状况不明、填埋场渗滤液及填埋气泄露等风险,现有隧道施工超前预报体系不适用于隧道下穿填埋场引发环境灾害问题。针对该难题,本文基于地震预报法(TGP)、瞬变电磁法(TEM)、超前钻孔、取样化学分析等多种方法,构建了隧道下穿填埋场施工超前地质预报体系,并对下穿填埋场隧道区段的围岩质量和渗滤液、填埋气渗漏情况进行了探测与综合分析。结果表明:(1)综合超前预报方法能够提高隧道前方围岩级别判定准确性;(2)填埋场下方存在联通至隧道施工区域的潜在渗滤液渗流通道,但尚未有渗滤液下渗情况发生,隧道开挖过程也无有毒有害气体逸出;(3)针对渗滤液渗漏风险隧道区段,采取全包防水和提升防渗材料等级等方式,可有效保障隧道施工与运营安全。本文研究成果可为隧道穿越环境风险区域施工的超前预报工作提供参考借鉴。 深圳坂银通道鸡公山隧道的设计路线下穿了深圳下坪固体废弃物填埋场,由于钻孔分析等前期地质勘察无法在该区域开展,下穿填埋场隧道区段施工存在地质状况不明、填埋场渗滤液及填埋气泄露等风险,现有隧道施工超前预报体系不适用于隧道下穿填埋场引发环境灾害问题。针对该难题,本文基于地震预报法(TGP)、瞬变电磁法(TEM)、超前钻孔、取样化学分析等多种方法,构建了隧道下穿填埋场施工超前地质预报体系,并对下穿填埋场隧道区段的围岩质量和渗滤液、填埋气渗漏情况进行了探测与综合分析。结果表明:(1)综合超前预报方法能够提高隧道前方围岩级别判定准确性;(2)填埋场下方存在联通至隧道施工区域的潜在渗滤液渗流通道,但尚未有渗滤液下渗情况发生,隧道开挖过程也无有毒有害气体逸出;(3)针对渗滤液渗漏风险隧道区段,采取全包防水和提升防渗材料等级等方式,可有效保障隧道施工与运营安全。本文研究成果可为隧道穿越环境风险区域施工的超前预报工作提供参考借鉴。
超量开采地下水引发的地面沉降已成为北京平原区最主要的地质灾害之一。精准识别现阶段地面沉降主要贡献层位,查明不同水位变化模式下土层变形特征,对实现地面沉降精准防控,建立合适的地下水-地面沉降模型具有重要意义。本文根据北京市7个地面沉降监测站内分层标和水位近十几年观测资料,对不同深度土层沉降变化特征和主要沉降层位进行了精准识别,系统分析了不同压缩层组与含水砂层在不同水位变化模式下的变形特征,探讨了黏性土层产生较大残余变形和滞后变形的原因。结果表明:(1)北京平原区现阶段主要沉降层位集中在第二压缩层组(中深部地层)和第三压缩层组(深部地层),平均沉降占比为31.01%和60.73%,且有增大的趋势。(2)不同深度土层变形量及其在总沉降量中的占比,不仅与相邻含水层水位下降幅度密切相关,而且与该土层的岩性和厚度有关。当可压缩土层厚度大,即使水位下降幅度较小,也可能会产生较大的变形量。(3)不同水位变化模式下,不同压缩层组和含水砂层的变形特征可概括为5类。含水砂层主要表现为弹性变形。不同深度的黏性土层表现出弹性、塑性和蠕变的变形特征,具有显著的黏弹塑性。(4)平原区地下水位总体以2017年为节点由降转升,土层变形特征前后差异性较大。第一压缩层组由弹塑性变形转变为弹性变形。第二和第三压缩层组以黏性土为主时,土层始终表现为塑性变形和蠕变变形。若以砂层为主时,2017年前为塑性变形和蠕变变形,2017年后则存在塑性变形、蠕变变形和弹性变形,黏弹塑性明显。(5)黏性土层存在较大残余变形和变形滞后主要由两种因素引起:其一,非弹性储水率大于弹性储水率。其二,黏性土层中超孔隙水压力消散较慢,存在释水滞后,进而导致土层变形滞后。 超量开采地下水引发的地面沉降已成为北京平原区最主要的地质灾害之一。精准识别现阶段地面沉降主要贡献层位,查明不同水位变化模式下土层变形特征,对实现地面沉降精准防控,建立合适的地下水-地面沉降模型具有重要意义。本文根据北京市7个地面沉降监测站内分层标和水位近十几年观测资料,对不同深度土层沉降变化特征和主要沉降层位进行了精准识别,系统分析了不同压缩层组与含水砂层在不同水位变化模式下的变形特征,探讨了黏性土层产生较大残余变形和滞后变形的原因。结果表明:(1)北京平原区现阶段主要沉降层位集中在第二压缩层组(中深部地层)和第三压缩层组(深部地层),平均沉降占比为31.01%和60.73%,且有增大的趋势。(2)不同深度土层变形量及其在总沉降量中的占比,不仅与相邻含水层水位下降幅度密切相关,而且与该土层的岩性和厚度有关。当可压缩土层厚度大,即使水位下降幅度较小,也可能会产生较大的变形量。(3)不同水位变化模式下,不同压缩层组和含水砂层的变形特征可概括为5类。含水砂层主要表现为弹性变形。不同深度的黏性土层表现出弹性、塑性和蠕变的变形特征,具有显著的黏弹塑性。(4)平原区地下水位总体以2017年为节点由降转升,土层变形特征前后差异性较大。第一压缩层组由弹塑性变形转变为弹性变形。第二和第三压缩层组以黏性土为主时,土层始终表现为塑性变形和蠕变变形。若以砂层为主时,2017年前为塑性变形和蠕变变形,2017年后则存在塑性变形、蠕变变形和弹性变形,黏弹塑性明显。(5)黏性土层存在较大残余变形和变形滞后主要由两种因素引起:其一,非弹性储水率大于弹性储水率。其二,黏性土层中超孔隙水压力消散较慢,存在释水滞后,进而导致土层变形滞后。
在岩溶山区进行隧址选择时,隧道与溶洞之间的防突岩体厚度是重要因素之一。在岩溶隧道修建过程中,若岩墙厚度保留过小,则岩溶水涌出造成安全事故、经济损失和工期延误。目前涌突水破坏分类较为笼统且大多忽略了隧道围岩的岩体结构对防突厚度的影响。本文首先从岩溶隧道围岩的结构类型、溶洞与隧道之间的相对大小和相对位置的角度进行涌突水破坏模式分类研究,再根据破坏模式抽象出梁模型、矩形或圆薄板模型、冲剪切柱模型、翼形裂纹张拉贯通模型、拉剪复合断裂破坏模型、顺层滑移模型等不同的力学模型,最后得出了相应破坏模式下防突厚度计算公式,以便为岩溶区隧道选线提供建议并为隧道修建过程中涌突水灾害预测提供参考。 在岩溶山区进行隧址选择时,隧道与溶洞之间的防突岩体厚度是重要因素之一。在岩溶隧道修建过程中,若岩墙厚度保留过小,则岩溶水涌出造成安全事故、经济损失和工期延误。目前涌突水破坏分类较为笼统且大多忽略了隧道围岩的岩体结构对防突厚度的影响。本文首先从岩溶隧道围岩的结构类型、溶洞与隧道之间的相对大小和相对位置的角度进行涌突水破坏模式分类研究,再根据破坏模式抽象出梁模型、矩形或圆薄板模型、冲剪切柱模型、翼形裂纹张拉贯通模型、拉剪复合断裂破坏模型、顺层滑移模型等不同的力学模型,最后得出了相应破坏模式下防突厚度计算公式,以便为岩溶区隧道选线提供建议并为隧道修建过程中涌突水灾害预测提供参考。
本文通过三轴试验分析了不同含水率下的重塑黄土的应力-应变特征,采用模型试验针对黄土交叉隧道研究了开挖过程中支护结构应变变化特征和开挖影响范围。研究得到,隧道的支护结构变形与掌子面位置有关,掌子面到达监测断面前1.5D(D为洞径)左右时,钢拱架发生变形,超过监测断面1.5D后变形基本稳定,说明黄土开挖的水平影响范围大致为掌子面前后共3D。支护结构在监测断面前后各0.5D范围内变形最为明显,约占总应变释放量的70%,说明支护结构能够很好地限制变形,同时也说明了掌子面开挖围岩立即产生大变形,因此开挖完后应及时支护以保证隧道稳定。由于拱顶受到竖向荷载作用,而拱腰、直墙受到的是侧向荷载作用,拱顶围岩受拉,因此隧道变形最大的部位为交叉段的拱顶。主洞开挖完毕支护结构变形稳定后,岔洞开挖引起交叉段支护结构的二次变形,其拱顶的变形量约占总变形量的2/5,而距交叉口最远的监测断面,其变形量已经很小,说明越靠近交叉段,变形越明显,因此保证交叉段的稳定是保证隧道稳定性的关键。 本文通过三轴试验分析了不同含水率下的重塑黄土的应力-应变特征,采用模型试验针对黄土交叉隧道研究了开挖过程中支护结构应变变化特征和开挖影响范围。研究得到,隧道的支护结构变形与掌子面位置有关,掌子面到达监测断面前1.5D(D为洞径)左右时,钢拱架发生变形,超过监测断面1.5D后变形基本稳定,说明黄土开挖的水平影响范围大致为掌子面前后共3D。支护结构在监测断面前后各0.5D范围内变形最为明显,约占总应变释放量的70%,说明支护结构能够很好地限制变形,同时也说明了掌子面开挖围岩立即产生大变形,因此开挖完后应及时支护以保证隧道稳定。由于拱顶受到竖向荷载作用,而拱腰、直墙受到的是侧向荷载作用,拱顶围岩受拉,因此隧道变形最大的部位为交叉段的拱顶。主洞开挖完毕支护结构变形稳定后,岔洞开挖引起交叉段支护结构的二次变形,其拱顶的变形量约占总变形量的2/5,而距交叉口最远的监测断面,其变形量已经很小,说明越靠近交叉段,变形越明显,因此保证交叉段的稳定是保证隧道稳定性的关键。
岩土工程
在静压桩的理论研究中,分析静压桩沉桩过程中贯入特性所面临的首要难题是明确静压桩贯入机理。本文以分析静压桩沉桩过程中贯入机理为基础,对静压桩沉桩的3种理论分析方法——圆孔扩张理论、应变路径法和有限元分析分别进行了总结与分析,指出了目前研究静压桩贯入机理所存在的不足,并提出了对贯入机理研究的若干建议与认识。建议在传统的圆孔扩张理论基础上,结合应变路径法加以修正,基于土的非线性、桩与土的共同作用、空间特性等对静压桩的沉桩机理本质进行分析。对静压桩贯入机理理论研究的总结为估算静压桩的施工影响提供参考,从而为静压桩的设计和施工提供更多的借鉴,带来一定的经济效益。 在静压桩的理论研究中,分析静压桩沉桩过程中贯入特性所面临的首要难题是明确静压桩贯入机理。本文以分析静压桩沉桩过程中贯入机理为基础,对静压桩沉桩的3种理论分析方法——圆孔扩张理论、应变路径法和有限元分析分别进行了总结与分析,指出了目前研究静压桩贯入机理所存在的不足,并提出了对贯入机理研究的若干建议与认识。建议在传统的圆孔扩张理论基础上,结合应变路径法加以修正,基于土的非线性、桩与土的共同作用、空间特性等对静压桩的沉桩机理本质进行分析。对静压桩贯入机理理论研究的总结为估算静压桩的施工影响提供参考,从而为静压桩的设计和施工提供更多的借鉴,带来一定的经济效益。
为了研究矩形沟槽的几何参数对沟后区域隔振效果的影响,通过现场试验分别测定自由地基以及设置矩形沟槽时相应控制点的加速度幅值,绘制关于两者比值的二维平面等值线图,以两者比值小于0.4的区域作为振动屏蔽区域,将振动屏蔽区域的面积作为隔振效果的评价指标进行分析;研究结果表明:瑞利波在传播过程中遇到矩形沟槽时会发生能量的重新分配,一部分瑞利波会突破沟槽的阻隔继续向前传播,另一部分瑞利波会被矩形沟槽反弹向后传播;矩形沟槽深度与瑞利波波长的比值为0.08~0.53时,增大该比值可以显著增大振动屏蔽区域的面积,当该比值为0.53~0.75时,对振动屏蔽区域的面积影响较小;矩形沟槽宽度与瑞利波波长的比值对振动屏蔽区域的影响较小;当矩形沟槽长度与瑞利波波长的比值在1.11~1.52范围内变化时,振动屏蔽区域的面积变化不明显;当矩形沟槽振源距离与瑞利波波长的比值为0.78~1.13时,该比值的变化对振动屏蔽区域的影响较小;矩形沟槽的归一化横截面积变化范围在0.02~0.78时对振动屏蔽区域的面积影响显著。 为了研究矩形沟槽的几何参数对沟后区域隔振效果的影响,通过现场试验分别测定自由地基以及设置矩形沟槽时相应控制点的加速度幅值,绘制关于两者比值的二维平面等值线图,以两者比值小于0.4的区域作为振动屏蔽区域,将振动屏蔽区域的面积作为隔振效果的评价指标进行分析;研究结果表明:瑞利波在传播过程中遇到矩形沟槽时会发生能量的重新分配,一部分瑞利波会突破沟槽的阻隔继续向前传播,另一部分瑞利波会被矩形沟槽反弹向后传播;矩形沟槽深度与瑞利波波长的比值为0.08~0.53时,增大该比值可以显著增大振动屏蔽区域的面积,当该比值为0.53~0.75时,对振动屏蔽区域的面积影响较小;矩形沟槽宽度与瑞利波波长的比值对振动屏蔽区域的影响较小;当矩形沟槽长度与瑞利波波长的比值在1.11~1.52范围内变化时,振动屏蔽区域的面积变化不明显;当矩形沟槽振源距离与瑞利波波长的比值为0.78~1.13时,该比值的变化对振动屏蔽区域的影响较小;矩形沟槽的归一化横截面积变化范围在0.02~0.78时对振动屏蔽区域的面积影响显著。
本文进行了美国《标准贯入测试和对开管取样的标准试验方法》(ASTM D1586-11)(美标)和中国《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)(国标)标准贯入原位测试对比试验,获得了美标、国标标贯对比数据。标贯锤击能量分析表明,美标锤击能量较国标高。利用经验贝叶斯克里金插值法考虑锤击数的空间变异性,将不同空间位置的锤击数据转化到同一位置进行比较,分别建立了考虑与不考虑克里金插值误差的美标与国标标准贯入转换关系模型,发现考虑插值误差后转换模型的模型误差显著降低。对境外液化数据库的分析表明,当采用本文提出的标准贯入转换关系后,境外液化案例与我国《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)中的液化判别方法符合程度更高。 本文进行了美国《标准贯入测试和对开管取样的标准试验方法》(ASTM D1586-11)(美标)和中国《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)(国标)标准贯入原位测试对比试验,获得了美标、国标标贯对比数据。标贯锤击能量分析表明,美标锤击能量较国标高。利用经验贝叶斯克里金插值法考虑锤击数的空间变异性,将不同空间位置的锤击数据转化到同一位置进行比较,分别建立了考虑与不考虑克里金插值误差的美标与国标标准贯入转换关系模型,发现考虑插值误差后转换模型的模型误差显著降低。对境外液化数据库的分析表明,当采用本文提出的标准贯入转换关系后,境外液化案例与我国《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)中的液化判别方法符合程度更高。
为了确保基坑工程安全,常常会采用数值模拟的方法预测支护结构的位移,其中岩土体力学参数的选取对于结果的影响最大。本文使用了一种粒子群(PSO)算法结合多输出最小二乘支持向量回归机(MLSSVR)的基坑土体参数位移反分析法,以深圳某深基坑的支护桩顶水平位移监测数据为依据,基于正交设计生成具有代表性的土体参数组合,通过有限元计算得到研究点的位移作为训练样本,使用粒子群PSO算法对多输出MLSSVR模型参数寻优,利用MLSSVR构建反演参数与位移之间的映射关系,反演填石层、淤泥层和砂质黏土层的土体参数,将反演参数代入有限元模型计算测点位移。结果表明:在反演参数过程中,MLSSVR模型比单输出最小二乘支持向量回归机(LSSVR)耗时更短,而且将两个模型的反演参数代入有限元模型进行计算时,MLSSVR的结果较LSSVR更贴近于实际监测值,对比结果验证了研究方法的优越性; 在施工的不同阶段,使用MLSSVR得到反演参数进行数值模拟,得到的模拟结果与监测数据吻合较好,验证该方法具有准确性和实用性。结果分析证明本文研究方法可以有助于土体参数的选取,提高基坑数值模拟结果的准确性。 为了确保基坑工程安全,常常会采用数值模拟的方法预测支护结构的位移,其中岩土体力学参数的选取对于结果的影响最大。本文使用了一种粒子群(PSO)算法结合多输出最小二乘支持向量回归机(MLSSVR)的基坑土体参数位移反分析法,以深圳某深基坑的支护桩顶水平位移监测数据为依据,基于正交设计生成具有代表性的土体参数组合,通过有限元计算得到研究点的位移作为训练样本,使用粒子群PSO算法对多输出MLSSVR模型参数寻优,利用MLSSVR构建反演参数与位移之间的映射关系,反演填石层、淤泥层和砂质黏土层的土体参数,将反演参数代入有限元模型计算测点位移。结果表明:在反演参数过程中,MLSSVR模型比单输出最小二乘支持向量回归机(LSSVR)耗时更短,而且将两个模型的反演参数代入有限元模型进行计算时,MLSSVR的结果较LSSVR更贴近于实际监测值,对比结果验证了研究方法的优越性; 在施工的不同阶段,使用MLSSVR得到反演参数进行数值模拟,得到的模拟结果与监测数据吻合较好,验证该方法具有准确性和实用性。结果分析证明本文研究方法可以有助于土体参数的选取,提高基坑数值模拟结果的准确性。
地质灾害
川南中低山地区近水平岩层侵蚀台地阶状斜坡普遍发育且主要为居住区,研究这类阶状斜坡的地震动响应对揭示珙县地区震后崩塌山体灾害发育的动力机理有一定意义。宜宾地震后余震频发,安置在珙县五同村斜坡不同位置的强震监测仪于2020年9月6日成功监测到MS3.1级余震,通过各监测点之间实测地震动数据相应的比较发现:与位于一级台阶处的参考监测点相比,二级台阶上的监测点在地震荷载作用下的地震动峰值加速度(PGA)和Arias强度放大系数、岩性共振周期比值均大于1.00,说明特殊斜坡具有较为显著的地震动高程放大效应和岩性选频放大效应;由于陡崖附近节理、裂隙较为发育,二级台阶中后部监测点地震动PGA、Arias强度比同台阶近陡崖监测点缩小了1.73、2.20倍,表明阶状斜坡存在近陡崖效应;二级台阶中后部(凸起地形)地震动持时是一级台阶参考监测点(凹陷地形)地震动持时的1.25倍,阶状斜坡存在微地形地震动持时放大效应。 川南中低山地区近水平岩层侵蚀台地阶状斜坡普遍发育且主要为居住区,研究这类阶状斜坡的地震动响应对揭示珙县地区震后崩塌山体灾害发育的动力机理有一定意义。宜宾地震后余震频发,安置在珙县五同村斜坡不同位置的强震监测仪于2020年9月6日成功监测到MS3.1级余震,通过各监测点之间实测地震动数据相应的比较发现:与位于一级台阶处的参考监测点相比,二级台阶上的监测点在地震荷载作用下的地震动峰值加速度(PGA)和Arias强度放大系数、岩性共振周期比值均大于1.00,说明特殊斜坡具有较为显著的地震动高程放大效应和岩性选频放大效应;由于陡崖附近节理、裂隙较为发育,二级台阶中后部监测点地震动PGA、Arias强度比同台阶近陡崖监测点缩小了1.73、2.20倍,表明阶状斜坡存在近陡崖效应;二级台阶中后部(凸起地形)地震动持时是一级台阶参考监测点(凹陷地形)地震动持时的1.25倍,阶状斜坡存在微地形地震动持时放大效应。
三官庙村震裂山体位于汶川强震区,又于2018年7月20日和2019年8月22日发生了两次震后崩塌灾害,严重威胁坡脚居民生命财产安全。通过对震裂山体危岩现场地质调查、无人机航测和室内三维数值模拟,阐述了震裂山体-崩塌发生的成因机理和动力学过程,并对潜在危岩区的危险性进行了分析评价。研究结果认为,此类崩塌形成过程可划分为3个阶段:即潜在危岩体坡体早期构造及卸荷裂隙发育、震裂山体(危岩体)形成、崩塌失稳。崩塌源区岩体在岷江下切过程中形成卸荷裂隙,受“5·12”强震及其余震作用下形成震动拉裂缝,单薄山脊发生变形形成震裂山体,在雨季强降雨触发下发生崩塌。运用三维模拟软件RocPro3D模拟已发生崩塌块石堆积位置、优势运动路径,并与既有崩塌堆积区进行对比验证,综合得出岩土体表面特征参数。根据所得参数进一步模拟预测了危岩区可能发生崩塌的运动特征,对其优势运动路径、运动速度、运动能量和弹跳高度进行分析,得出崩塌危害影响范围和程度。论文的研究成果对强震区震裂山体灾害隐患点的减灾防灾工作具有重要的指导意义。 三官庙村震裂山体位于汶川强震区,又于2018年7月20日和2019年8月22日发生了两次震后崩塌灾害,严重威胁坡脚居民生命财产安全。通过对震裂山体危岩现场地质调查、无人机航测和室内三维数值模拟,阐述了震裂山体-崩塌发生的成因机理和动力学过程,并对潜在危岩区的危险性进行了分析评价。研究结果认为,此类崩塌形成过程可划分为3个阶段:即潜在危岩体坡体早期构造及卸荷裂隙发育、震裂山体(危岩体)形成、崩塌失稳。崩塌源区岩体在岷江下切过程中形成卸荷裂隙,受“5·12”强震及其余震作用下形成震动拉裂缝,单薄山脊发生变形形成震裂山体,在雨季强降雨触发下发生崩塌。运用三维模拟软件RocPro3D模拟已发生崩塌块石堆积位置、优势运动路径,并与既有崩塌堆积区进行对比验证,综合得出岩土体表面特征参数。根据所得参数进一步模拟预测了危岩区可能发生崩塌的运动特征,对其优势运动路径、运动速度、运动能量和弹跳高度进行分析,得出崩塌危害影响范围和程度。论文的研究成果对强震区震裂山体灾害隐患点的减灾防灾工作具有重要的指导意义。
自20世纪50年代末以来,西安市遭受了严重的地面沉降和地裂缝灾害,严重制约了西安市城市建设发展规划。本文以西安市典型地面沉降区之一的鱼化寨为研究区,基于短基线集合成孔径雷达干涉测量技术,采用覆盖研究区的ERS(1992~1993年)、Envisat(2003~2010年)、Sentinel-1A(2015~2020年)3种卫星数据,并结合区内钻孔、地下水开采及城市发展建设历史和现状资料,分析鱼化寨周边地区地面沉降与地裂缝时空演变特征,探讨区内地面沉降与地裂缝的成因机制。本文获取的主要结果如下:获取了鱼化寨周边地区1992~2020年3阶段年均沉降速率图,揭示区内沉降中心由90年代电子城处(90mm ·a-1)变为现今鱼化寨处(50mm ·a-1);证实了地面沉降与地裂缝在时空分布上具有关联性,地裂缝发育于地面沉降槽的北侧边缘,限制了地面沉降槽向北扩展,且随地面沉降槽的发展而延伸;揭示了鱼化寨沉降中心仍在扩大,f4地裂缝还存在向西延伸的可能;明确了鱼化寨周边地区地面沉降和地裂缝的发展受地下承压含水层的开采及人类建设活动等的影响。上述认识可为受地面沉降和地裂缝影响的城市地面开发利用和灾害防治提供一定参考和支撑。 自20世纪50年代末以来,西安市遭受了严重的地面沉降和地裂缝灾害,严重制约了西安市城市建设发展规划。本文以西安市典型地面沉降区之一的鱼化寨为研究区,基于短基线集合成孔径雷达干涉测量技术,采用覆盖研究区的ERS(1992~1993年)、Envisat(2003~2010年)、Sentinel-1A(2015~2020年)3种卫星数据,并结合区内钻孔、地下水开采及城市发展建设历史和现状资料,分析鱼化寨周边地区地面沉降与地裂缝时空演变特征,探讨区内地面沉降与地裂缝的成因机制。本文获取的主要结果如下:获取了鱼化寨周边地区1992~2020年3阶段年均沉降速率图,揭示区内沉降中心由90年代电子城处(90mm ·a-1)变为现今鱼化寨处(50mm ·a-1);证实了地面沉降与地裂缝在时空分布上具有关联性,地裂缝发育于地面沉降槽的北侧边缘,限制了地面沉降槽向北扩展,且随地面沉降槽的发展而延伸;揭示了鱼化寨沉降中心仍在扩大,f4地裂缝还存在向西延伸的可能;明确了鱼化寨周边地区地面沉降和地裂缝的发展受地下承压含水层的开采及人类建设活动等的影响。上述认识可为受地面沉降和地裂缝影响的城市地面开发利用和灾害防治提供一定参考和支撑。
地震滑坡的致灾范围是判断滑坡能否会对已有建构筑物造成损失、确定预警疏散范围的重要依据,因此对地震土坡破坏后的滑坡体大小和致灾范围进行研究具有重要的意义。本研究基于SPH动力分析方法,结合弹塑性本构模型和固体力学控制方程建立了地震土坡破坏的动力分析模型;通过设置振动边界粒子和自由场边界粒子,实现了地震动加速度的施加以及自由场边界的模拟。利用提出的SPH动力分析方法,对已有的振动台土坡试验进行了模拟,获得了与试验相似的土坡滑动形态,验证了SPH动力分析方法的准确性和精度。此后,设计了不同坡度土坡的计算案例,考虑地震动加速度幅值的影响进行了SPH动力分析,得到了各种工况下地震土坡失稳后滑坡体的大小和致灾范围。模拟结果表明同一土坡在不同地震动幅值作用下存在相似的滑动面,且潜在滑动区域随着地震动幅值的增大而增加;随着坡度的增大,土坡在不同地震动加速度幅值下的稳定性均呈现下降趋势,致灾范围变大,但滑坡体的区域面积却在减小。 地震滑坡的致灾范围是判断滑坡能否会对已有建构筑物造成损失、确定预警疏散范围的重要依据,因此对地震土坡破坏后的滑坡体大小和致灾范围进行研究具有重要的意义。本研究基于SPH动力分析方法,结合弹塑性本构模型和固体力学控制方程建立了地震土坡破坏的动力分析模型;通过设置振动边界粒子和自由场边界粒子,实现了地震动加速度的施加以及自由场边界的模拟。利用提出的SPH动力分析方法,对已有的振动台土坡试验进行了模拟,获得了与试验相似的土坡滑动形态,验证了SPH动力分析方法的准确性和精度。此后,设计了不同坡度土坡的计算案例,考虑地震动加速度幅值的影响进行了SPH动力分析,得到了各种工况下地震土坡失稳后滑坡体的大小和致灾范围。模拟结果表明同一土坡在不同地震动幅值作用下存在相似的滑动面,且潜在滑动区域随着地震动幅值的增大而增加;随着坡度的增大,土坡在不同地震动加速度幅值下的稳定性均呈现下降趋势,致灾范围变大,但滑坡体的区域面积却在减小。
本文针对阶跃型滑坡变形定量预测困难,提出一种基于时间序列分解与混合核函数SA-SVR的滑坡位移预测模型。首先基于时间序列分解原理,反复使用指数平滑法将滑坡累积位移分解为趋势项位移和周期项位移,使分解后的趋势项位移较平滑且能保证周期项位移的预测精度。同时针对多项式预测容易过拟合造成预测值偏离真实值的问题,采用K-flod交叉验证的3次多项式对趋势项位移进行预测;通过SVR核函数性质,构造泛化能力和学习能力都较强的混合核函数作为SVR模型的核方法,以滑坡诱发因子作为SVR模型输入向量,以模拟退火算法(SA)对使用混合核函数的SVR模型进行参数寻优,从而建立混合核函数的SA-SVR模型预测周期项位移;最后合并趋势项位移和周期项位移得到总位移预测值。以三峡库区白家包滑坡为例,选取ZG325监测点2012年1月~2020年9月数据进行研究,并以ZG324监测点作为辅助验证。结果表明,相较于传统SVR预测模型,模拟退火算法(SA)在参数寻优方面表现良好,混合核函数对SVR模型更加敏感,能较大幅度提高预测精度,具有较高的应用和推广价值。 本文针对阶跃型滑坡变形定量预测困难,提出一种基于时间序列分解与混合核函数SA-SVR的滑坡位移预测模型。首先基于时间序列分解原理,反复使用指数平滑法将滑坡累积位移分解为趋势项位移和周期项位移,使分解后的趋势项位移较平滑且能保证周期项位移的预测精度。同时针对多项式预测容易过拟合造成预测值偏离真实值的问题,采用K-flod交叉验证的3次多项式对趋势项位移进行预测;通过SVR核函数性质,构造泛化能力和学习能力都较强的混合核函数作为SVR模型的核方法,以滑坡诱发因子作为SVR模型输入向量,以模拟退火算法(SA)对使用混合核函数的SVR模型进行参数寻优,从而建立混合核函数的SA-SVR模型预测周期项位移;最后合并趋势项位移和周期项位移得到总位移预测值。以三峡库区白家包滑坡为例,选取ZG325监测点2012年1月~2020年9月数据进行研究,并以ZG324监测点作为辅助验证。结果表明,相较于传统SVR预测模型,模拟退火算法(SA)在参数寻优方面表现良好,混合核函数对SVR模型更加敏感,能较大幅度提高预测精度,具有较高的应用和推广价值。
高位崩塌落石是造成长输埋地油气管道破坏的主要地质灾害之一。本文通过111处山区管道崩塌案例分析,归纳出崩塌与埋地管道相互作用的3种模式:冲砸管道、牵引管道及埋没管道,其中冲砸管道的危害性最大,并建立了崩塌与管道相互作用的地质力学模型。采用有限元仿真软件系统模拟了落石冲击、土体与管道变形响应过程及影响因素,发现落石冲击管道的作用过程是一个瞬态过程、持续时间约0.1 s,揭示了土体和管道动态响应规律及管土相互作用机理,发现管土变形经历了从协调变形到非协调变形的发展演化过程。在此基础上通过不同的落石速度、管道埋深、内压、落石形状以及防护工程等影响因素分析,提出了崩塌区管道防护设计建议,管道埋深设计2.0 m以上、盖板厚度不小于0.2 m,可有效降低管道遭受落石冲击破坏的风险。 高位崩塌落石是造成长输埋地油气管道破坏的主要地质灾害之一。本文通过111处山区管道崩塌案例分析,归纳出崩塌与埋地管道相互作用的3种模式:冲砸管道、牵引管道及埋没管道,其中冲砸管道的危害性最大,并建立了崩塌与管道相互作用的地质力学模型。采用有限元仿真软件系统模拟了落石冲击、土体与管道变形响应过程及影响因素,发现落石冲击管道的作用过程是一个瞬态过程、持续时间约0.1 s,揭示了土体和管道动态响应规律及管土相互作用机理,发现管土变形经历了从协调变形到非协调变形的发展演化过程。在此基础上通过不同的落石速度、管道埋深、内压、落石形状以及防护工程等影响因素分析,提出了崩塌区管道防护设计建议,管道埋深设计2.0 m以上、盖板厚度不小于0.2 m,可有效降低管道遭受落石冲击破坏的风险。

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