无侧限压缩条件下重塑土微观结构研究∗

近年来,基坑、隧洞等开挖工程中的卸载作用导致软土结构破坏,进而引起过大侧向变形的工程事故越来越多。土体所表现出来的各种变形及强度特性是其内部微观结构要素调整和演化的综合反映。为了研究结构遭到扰动破坏的软土在无侧限压缩变形后的微观结构特征,将原状软土重塑成不同含水率土样,在不同轴向应力作用下压缩变形稳定后,对土体微结构进行定性和定量分析,探讨无侧限条件下土体的微观结构与宏观变形的相关机理。研究结果表明,软土重塑样的微观结构主要以分散结构和絮凝结构为主,单元体之间多有架空,土体颗粒的接触方式以边-面和面-面接触为主。在无侧限压缩条件下,随着轴向应力和试样含水率的增大,试样的表观孔隙比减小,孔隙形状变得扁平狭长,孔隙的有序性和定向性增强。不同位置的定向性不同,在水平方向上,靠近试样边缘处的土颗粒定向性和有序性更强;在竖直方向上,靠近试样中间位置的土颗粒定向性更强。     

浅层滑坡中的乔木根系阻滑效应及变形特性试验研究

为探索乔木根系在浅层潜在滑坡中的阻滑效应及变形情况,课题组自行研制了大型根土复合体直剪仪,可模拟不同深度的浅层滑动面。结果表明:根系的存在有助于提高土体的抗剪强度,延缓土体破坏的能力;随着剪切面的下移,根系对土体的强化作用逐渐提高;根系在土中的分布情况会影响到根系对土体的强化作用,根系所在平面与作用力方向垂直时根系的阻滑能力最强;平行根与前后根在土中的变形范围基本相同,变形位移主要集中当前剪切面相邻的剪切面之间;平行根中左右根系在各剪切面处的变形情况基本一致,在当前剪切面处根系的变形位移最大,且当前剪切面之上的根系变形位移要大于下部根系位移;前后根中前根在当前剪切面上的变形位移小于后根,在当前剪切面及其下前根的变形位移要大于后根。该研究成果为拓展乔木根系对浅层边坡的治理提供了试验依据,对乔木的固土护坡作用研究具有积极意义。     

硫酸钠环境下气泡混合轻质土的抗干湿性能研究∗

制备了不同密度的气泡混合轻质土试样,研究了硫酸钠环境下气泡混合轻质土的抗干湿循环性能,重点分析了气泡混合轻质土的体积、密度和强度随浸泡时间和干湿循环次数的变化规律。试验结果表明,气泡混合轻质土在硫酸钠溶液和干湿循环共同作用下,硫酸钠晶体的析出和溶解以及钙矾石等物质所致的试样膨胀与表层剥落,均会对试样的体积产生显著的影响,较高的初始强度和孔隙率对于试样体积稳定性是有利的;试样在膨胀、剥落前的密度随干湿循环次数变化曲线相互平行乃至重合,试样在膨胀、剥落后的密度变化曲线相互交错;硫酸钠侵蚀试样生成钙矾石等物质,致使试样在干湿循环作用下更易产生裂缝,选用较高初始强度和较低水泥用量的试样可有效控制这一影响。     

非饱和黄土静、动强度及其相关性研究

通过静三轴试验和动扭剪试验研究了非饱和黄土的静、动强度特性,对非饱和土的有效应力计算公式以及动扭剪试验Mohr-Coulomb强度指标的整理进行了讨论,提出了非饱和黄土和饱和黄土的有效应力计算的简化公式。分析了原状黄土和重塑黄土静强度指标随含水量、密度变化的规律,以及动强度指标随含水量、破坏振次变化的规律。研究了黄土静、动强度指标之间的相关性,黄土的静力强度指标与破坏振次为20次时的动力有效强度指标很接近。静、动强度指标之间有很强的相关性,提出了用黄土的静力强度指标推求相应的动力强度指标的经验公式。     

基于一种重塑性制样方法的节理黄土力学特性试验研究∗

黄土节理是控制黄土地基、边坡和地下工程破坏与稳定性的重要因素,探讨节理性黄土的破坏特性对于了解边坡后缘拉裂演化过程、滑动面的生成具有重要意义。针对原状节理性黄土室内试验试样制备困难的问题,考虑节理面低强度、弱胶结的特点,以一种接触面模拟材料为载体,结合重塑制样的方法,提出一种节理性黄土室内三轴试样的制样方法,通过重塑试样与原状试样的节理面抗拉强度对比分析,验证该方法的合理性和有效性。在此基础上,开展节理性黄土的无侧限抗压强度试验和三轴压缩试验,讨论节理性黄土试样的强度与破坏规律。研究结果表明:节理的存在对试样强度和破坏的影响与节理倾角和围压大小有关,表现为低围压和45°倾角时的低强度效应;"沿节理面滑动破坏"与"破裂面与节理面呈X型共轭剪切破坏"是无侧限和三轴条件下的含单条贯通型节理性试样的两种典型破坏模式;非贯通型节理性试样的抗压破坏主要为"破裂面与节理面贯通型破坏"与"破裂面与节理面非贯通型破坏"两种类型。     

南京地区下蜀土导热系数影响因素室内试验研究

岩土体热物理性质是当前岩土工程领域的一个重要研究课题,其关键在于岩土体导热系数的测试。使用日本EKO公司HC-110型热导仪,应用稳态法对南京地区典型下蜀土的击实重塑样进行导热系数测试,分析含水率、密度及试验温度对土体导热系数的影响,从土颗粒间、土颗粒与水分子间的接触方式对不同物理指标下土的导热系数的影响机制进行机理分析,结果表明:含水量一定,试样密度越大,土颗粒之间接触面积越大,土体热交换能力越强,导热系数越大;试样密度一定,温度升高时水分子活动能力加剧,导热系数随温度升高而增大,含水量大于16.6%时,导热系数随温度变化趋于平缓,温度大于50℃时导热系数有变小的趋势;试验温度一定,含水量小于20%时导热系数增大明显,含水量超过20%时试验值变化范围较小且有曲线重合现象。     

成样方法对多种土体排水剪切试验结果的影响对比

通过利用干、湿2种成样方法制备的松、密状态的细砂、中砂、粉砂和粉土试样的三轴固结排水剪切试验的结果对比,分析了分别采用干装法、湿装法制备的试样试验结果的共性和差异,并对比了其应力应变关系、体变关系、有效应力比等特性。结果表明:4种土体分别采用干装法和湿装法制备试样所获得的试验结果均存在差异,且密实状态下的差异不如疏松状态下的明显。疏松状态下,湿装法试样基本呈现应变硬化和剪缩现象,而干装法试样均呈现应变软化和剪胀现象;密实状态下,干装法试样呈现应变软化和剪胀现象,湿装样试样则呈现应变硬化和剪缩现象。通过对不同土体抗剪强度指标的对比发现,干装法试样的强度指标均大于湿装法试样。     

软土等向固结与K_0固结条件下的三轴试验研究

对某软土重塑样分别进行等向固结和K0固结条件下的三轴试验,研究了不同固结条件、不同围压下软土的强度和应力应变特性,并对试验结果进行了分析和对比。结果表明:低围压下,等向固结三轴压缩试验和K0固结三轴压缩试验土样破坏时的主应力差差别不大,随着围压增大,K0固结条件下试验土体的主应力差要明显大于等向固结条件下的试验土体;与等向固结相比,K0固结条件下的土体粘聚力c值减小,而内摩擦角增大;土体呈现剪缩特性。运用等向固结三轴压缩试验确定的邓肯模型参数模拟K0固结条件下土体的试验曲线,吻合较好,初步验证了邓肯模型参数对K0固结土体的适用性。     

砂土与EPS颗粒混合的轻质土(LSES)临界循环应力比的试验研究

循环荷载下,砂土与EPS颗粒混合的轻质土(LSES)存在临界循环应力比Sth,将割线弹性模量衰减系数δ与循环次数的关系曲线能保持平缓的最大循环应力比定义为Sth,它是结构稳定与破坏两种状态的界限指标,根据动三轴试验结果,认为影响Sth的主要因素有围压、水泥掺量和EPS颗粒含量。一般来说,水泥掺量的增加、围压和EPS颗粒含量的减小均会提高Sth,但由于高围压下的结构重塑,水泥掺量低且EPS颗粒含量高的试样的Sth表现出一些不同的性状。     

条形药包爆炸破堤的MM-ALE模拟

为了研究爆炸作用下的堤坝破坏形态,基于MM-ALE法(Multi-material ALE method)对某土质堤坝的爆破试验进行了数值模拟,并对堤坝土体中的应力波传播及密度变化规律进行了分析。结果表明:利用MM-ALE模型可以再现堤坝爆炸溃决演化的全过程,且计算结果与现场试验实测数据吻合较好。堤坝坡面及坝顶自由面附近的反射稀疏波和压缩波反复叠加作用是形成爆炸溃口的关键因素;爆炸坑洞演化相对于爆炸应力波传播具有明显的滞后性;爆后堤坝土体被分为爆腔区、压密区和原状土区三个不同的区域,坑口附近压缩带阻止了由水流冲刷引起的连续纵向下切及溃口边坡失稳坍塌引起的间歇横向扩展,局部爆炸压密对保证爆后堤坝整体稳定性具有重要作用。该研究成果可为爆破拆除土坝和堰塞坝等工程应用提供参考。     

基于光纤光栅的地基土瞬态应变响应试验研究

为掌握冲击荷载下一定范围内地基土的应变发展、分布和变化规律,采用光纤布拉格光栅(FBG)技术,通过在级配连续的均匀密砂地基中水平埋设三层传感光纤,获得了不同落球高度条件下土体内部应变的动态响应。试验结果表明,各组试验中土体应变经历了幂律增长、线性增长、幂律减小(回弹)和残余应变(稳定)的四个阶段。土体达到峰值应变的时刻存在高度一致性,试验中测得约为100 ms;冲击荷载的影响深度在20 cm左右,为钢球直径的4~5倍。在相同FBG埋深条件下,土体应变随钢球落高增加呈近线性增长;在相同钢球落高条件下,土体应变随FBG埋深增加呈指数减小。研究成果对揭示土体应变发展机理、估算地基土体强度参数和快速测定含水率的进一步探索具有一定的指导意义。     

季冻区分散性黏土抗剪强度特性研究

分散性黏土因遇水呈散凝悬浮状而得名，土中黏土颗粒(主要为胶体颗粒)和可交换钠离子溶解于低盐水中而产生反絮凝现象。季冻区分散性黏土修筑的堤防、渠道出现了滑坡失稳破坏，严重威胁到工程质量和粮食安全。采用现场调研和室内试验相结合的方法，对季冻区分散性黏土的抗剪特性进行研究，结果表明：天然状态下的分散性黏土不排水强度应力-应变曲线呈硬化型且具有剪胀性；初始干密度较小时，冻融对抗剪强度影响较小，浸泡影响较大；初始干密度较大时，冻融对抗剪强度影响较大，而浸泡仅使抗剪强度下降11.25%。经历冻融+浸泡后，抗剪强度下降90%以上且强度值低于10 kPa,黏聚力和内摩擦角仅为天然状态下的1/8～1/5。冻融引起土体劣化，浸泡进一步引起土中可交换钠离子流失是引起季冻区分散性黏土滑坡的主要原因。     

石膏质岩工程特性及其对混凝土劣化机制试验研究

石膏或者硬石膏与碳酸盐沉积共生的岩类一般称作石膏质岩,在整个地质沉积历史上分布广泛。一般情况下,石膏质岩遇水析出的SO_4~(2-)会腐蚀混凝土,并产生体积膨胀,强度变差。当隧道穿越石膏质岩层时,这种工程性质会给隧道安全带来不利影响。该文从宜昌市至巴东县高速公路凉水井隧道围岩取样,通过X衍射试验、化学分析试验全面揭示了该地区石膏质岩化学及矿物组成。对石膏质岩粉末重塑样进行膨胀性试验,试验表明膨胀率的大小与重塑样的初始干密度有关,72 h膨胀力可达0. 18 k Pa～2. 19 k Pa,对工程结构物有一定危害。在静水与动水条件下分别对石膏质岩进行溶蚀溶出试验,试验表明,静态溶蚀存在溶解平衡,溶蚀量先增加后稳定;在动态溶蚀下试样质量一直降低直至整体结构被破坏;溶蚀速度受时间和流速影响。通过模拟试验,研究了石膏质岩析出离子对混凝土的劣化机制。上述研究结果对于工程实践有一定的指导意义。     

干湿循环作用下吹填固化轻质土蠕变特性研究∗

采用新型固化技术对高含水率吹填土进行固化处理,通过三轴流变仪,考虑干湿循环次数、围压和初始静偏应力等因素研究其对吹填固化轻质土蠕变变形和抗剪强度指标的影响规律。试验结果表明：吹填固化轻质土具有密度小、质量轻及强度高等优点。在一定程度上,增大围压可有效缓解吹填固化轻质土的蠕变变形,而初始静偏应力对其影响较小,前7 次干湿循环对土体破坏应力的影响最大,而后基本保持不变。抗剪强度指标c、φ 值均随初始静偏应力的增加而逐渐降低,随干湿循环次数的增加呈现出先减小而后逐渐稳定的趋势,且前7 次干湿循环,二者均呈指数函数降低;7 次以后,变化均较小并逐渐稳定。基于c、φ 值与时间关系曲线,分别构建了不同偏应力作用下吹填固化轻质土c、φ 值的预测公式。根据蠕变曲线发展态势,通过回归分析,引入围压、初始静偏应力和干湿循环次数等因素,建立了吹填固化轻质土蠕变变形预测模型,并验证了其可行性。研究结果可为实际工程场地提供理论依据。     

营养液钙源对微生物固化砂土效果影响的试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)作为一种环保型地基处理技术,其机理是通过微生物诱导碳酸钙沉淀有效改善土体工程性能,参与固化反应的营养液成份不同对固化效果有显著影响。分别选用氯化钙和硝酸钙作为营养液中的钙源,通过渗透实验、干密度实验、吸水率实验、无侧限抗压强度实验从宏观角度分析钙源对微生物固化砂土物理力学指标的影响。同时,结合电镜扫描测试,从微观角度对比了不同钙源作用下碳酸钙沉淀晶体形态及空间分布的差异。研究结果表明:利用硝酸钙固化后的砂柱整体密实度更高,其破坏裂缝在饱水和干燥状态下比氯化钙固化后的砂柱更小;硝酸钙作为钙源固化后的砂柱渗透系数和吸水率更低,干密度和无侧限抗压强度也更高。电镜扫描结果显示,氯化钙为钙源形成的碳酸钙沉淀量较少,形态为球状,散落分布在砂粒表面;硝酸钙形成碳酸钙沉淀量较多,形态以球状或者立方体为主,包裹住砂颗粒,团聚效果更为明显。因此,就钙源而言,硝酸钙的微生物固化效果较氯化钙更好。     

全风化花岗岩滑坡稳定性与降雨关系分析∗

降雨是滑坡诱发的主要因素,当前我国防灾工作理念从注重灾后救助向注重灾前预防转变、从减少灾害损失向减轻灾害风险转变,因此明晰降雨诱发机理并建立合理的预警机制,对做好地质灾害防灾减灾工作至关重要。针对降雨型全风化花岗岩滑坡稳定性问题,以青岛崂山风景区全风化花岗岩返岭滑坡为实例,进行了不同含水率原状土剪切试验与大型物理相似模型试验。揭示了边坡的降雨响应规律,探究了全风化花岗岩滑坡稳定性与降雨关系,并拟合相关量化公式。同时采用ABAQUS 建立边坡流固耦合三维数值模型,基于强度折减法验证了公式的合理性。研究结果表明：（1）降雨型全风化花岗岩滑坡的破坏模式分为浸润侵蚀→表层变形→破坏加深→整体失稳4个阶段,变形期间坡体存在“ 鼓状凸起”与“片状溜滑”现象,最终发生推移式破坏;（2）边坡对降雨入渗的响应规律在水平及竖向空间上存在差异,降雨强度越大,含水率与孔压增速越大;（3）基于试验结果推导了滑坡含水率、安全系数与降雨强度、降雨持时之间的影响关系公式,数值模拟验证误差率较小,能够较好的描述全风化花岗岩滑坡稳定性与降雨之间的定量关系。研究结果为类似强~全风化花岗岩地区滑坡的预警与防治提供参考。     

我国近20年11次地震的土壤液化灾害回顾北大核心CSCD

土壤液化是地震灾害的主要原因之一。液化通常指地震引起的粒状土超静孔压增长及随后的软化现象。近年地震液化灾害在全球呈上升趋势。本文回顾了我国2003年新疆M_(s)6.8级巴楚地震、2005年M_(s)5.7级九江地震、2008年M_(s)8.0级汶川地震、2010年M_(s)7.1级玉树地震、2011年M_(s)5.8级盈江地震、2014年M_(s)6.6级景谷地震、2015年M_(s)6.5级皮山地震、2016年M_(s)6.7级高雄地震、2016年M_(s)6.7级阿克陶地震、2018年M_(s)5.7级松原地震及2020年M_(s)6.4级伽师地震的典型液化现象及其地表特征,总结液化导致的地质灾害及其诱因,完善我国地震液化数据库。主要结论如下:(1)土壤液化主要沿等震线长轴方向分布,特别在河谷、湿地、堤坝及农田等高地下水位区易产生地震液化现象。液化迹象表现为地表喷水冒砂、地裂缝、塌陷、不均匀沉降等宏观现象;(2)沉积物喷出地表迹象包括单个砂孔、串状砂孔、线状砂孔、喷水冒砂条带等形式,泥水喷出物携裹黏土、粉土、砂土,砂砾,甚至卵石,导致校园操场/广场、农田、水井、管道和河道等破坏;(3)液化常导致路面、堤坝等开裂,路面裂缝多呈顺路向裂缝和路边裂缝,堤坝裂缝大多分布于坝顶及坝坡的纵向裂缝,呈剪切裂缝;(4)液化引起的地基沉降和侧移会导致浅基础建(构)筑物倾斜、变形甚至倒塌,挡土结构破坏,桥墩倾斜和移位,水利水电设施丧失功能;(5)汶川地震的液化场地在余震中发生二次液化现象,液化后土体抵抗再次液化的强度问题应予关注;(6)汶川地震及松原地震中发生低烈度区(Ⅵ烈度区)的土壤液化现象,汶川地震深层土壤液化、松原地震低水位土壤液化现象均超出现行规范规定的认识。     

循环荷载作用下加筋土路基动力响应研究∗

为明确模块面板式加筋土路基在顶面循环荷载作用下的受力变形规律与机制,以延安市某加筋土路基工程为背景,开展动三轴试验,关注不同荷载强度下试样动应力、动应变等多项指标的演化趋势,同时搭建加筋土路基数值模型并完成计算,明确路基水平沉降与面板侧向位移的潜在规律,进而探讨循环荷载作用下加筋土路基工程的动力响应机制。认知如下：在循环荷载的参与下,累积轴向塑性应变随加载次数的增加呈增长趋势,即先快速增大,随后趋缓,最后稳定;塑性应变曲线形态不一,呈“宽胖型”与“陡峻型”并存的态势;Monismith 模型和改进 Monismith 模型均可较好表达累积轴向塑性应变与循环次数的内在联系,但改进 Monismith 模型更为理想,动应力幅值越大,试样变形稳定所需加载次数越多;路基沉降和面板水平变形随着荷载强度的增加而增大,但所据位置较为稳定,其中峰值路基沉降始终处于载荷外侧处,峰值水平变形则位于 0.36~0.43 h 区间。     

考虑冲刷影响的川藏线连续梁桥横向地震易损性分析∗

冲刷将减小土体对桥梁基础的横向支撑作用,削弱桥梁结构刚度,进而影响桥梁结构的动力学特性和抗震性能,因此有必要研究冲刷对桥梁结构抗震性能的影响。以川藏线常见的三跨连续梁桥为工程背景,利用有限元软件SAP2000建立桥梁结构有限元模型,利用m法考虑桩土相互作用,讨论了冲刷深度变化对桥梁结构动力学特性的影响。选取曲率延性作为桥墩和桩基的损伤指标,考虑材料和几何非线性,通过增量动力分析方法得到不同横向地震动强度下桥墩和桩基的峰值曲率,建立了不同冲刷深度下桥墩、桩基在轻微损伤、中等损伤、严重损伤以及完全破坏状态下的地震易损性曲线。研究结果表明:冲刷深度增加将增大桥梁结构自振周期;桥墩在各损伤状态下的损伤概率随冲刷深度的增大而不断减小;冲刷深度较小时,桩基的损伤概率随冲刷深度增加而增大,但当冲刷深度超过某一值时,桩基的损伤概率反而有所减小。