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《岩土工程学报》2018年第5期文摘
日期:2018年05月14日 14:36:30点击数:字号:【

砾性土层液化的触发条件

袁晓铭1,秦志光2,刘荟达1,曹振中*3,徐鸿轩1

(1. 中国地震局工程力学研究所,中国地震局地震工程与工程振动重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080;2. 中交交通基础工程环保与安全重点实验室,广东 广州 510230;3. 广西岩土力学与工程重点实验室,桂林理工大学,广西 桂林541004)

摘  要:天然沉积砾性土场地液化是一个超出现有认识与现有规范的新问题,其触发条件至关重要,从震害现场调查提炼出相关认识最为可靠,是后续研究的基础和导引。鉴于2008年汶川地震砾性土液化规模远超以往,以其调查结果为主,综合历史砾性土液化全部资料,提出砾性土层液化的触发条件。现有资料分析表明:0.15g应为触发天然沉积砾性土层液化的地表最低地震强度,大规模砾性土层液化发生则需要0.2g~0.4g(Ⅷ度区)的地震强度;松散和接近松散状态是天然砾性土层液化的基本条件,液化砾性土密实度可随地震强度增大而增高但仍以稍密状态为上限;液化砾性土含砾量可达85%及更大,并且不随地震强度减弱而降低;高剪切波速天然砾性土层会发生液化,砾性土与砂土密实程度的剪切波速分界线相差悬殊,砂土液化判别公式不适于砾性土层;上覆渗透性差非液化土层(帽子)的存在是地下砾性土层可发生液化的必要条件,可称为帽子效应,此厚度至少应为0.5 m;地下水位与帽子间不能有过厚的可排水层间隙也是下卧砾性土层可发生液化的必要条件,可称为间隙效应,此间隙上限可取为2.0 m;区别于砂土液化判别方法,砾性土液化判别需要埋藏条件方面的特殊要求,否则容易出现误判。

关键词:砾性土液化;上覆渗透性差非液化土层;帽子效应;可排水层间隙;间隙效应


竖井抽水下垃圾填埋场渗滤液运移规律研究

柯  瀚1,2,胡  杰1,2*,吴小雯3,孟  猛1,2

(1. 浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室,浙江 杭州 310058;2. 浙江大学岩土工程研究所,浙江 杭州 310058;3. 杭州市城乡建设设计院股份有限公司,浙江 杭州 310004)

摘  要:城市固废由于组成成分的多样性及分层填埋等原因,导致渗滤液运移存在明显的优先流及各向异性现象。在成都某填埋场开展多口竖井抽水及水位恢复试验,同时结合高密度电法技术(ERT)现场大尺度研究渗滤液分布及运移规律。多口竖井水位恢复试验显示填埋体内渗滤液运移具有明显的不均质性,表现为同一填埋场不同位置的竖井抽排性能差异较大,竖井周围垃圾渗透系数值分布范围为2.35×10-5~3.90×10-4 cm/s。竖井抽水下周围监测井的水位异常变化表明渗滤液补给存在明显优先流特征。ERT监测渗滤液抽水及回灌过程中堆体内电阻率变化,进一步揭示了现场渗流存在显著的各向异性和优先流特征,主要渗流路径与水平向呈0~30°。

关键词:填埋场;竖井;渗滤液运移;优先流;各向异性;高密度电法


节理岩体中锚杆剪切力学模型研究及试验验证

刘泉声1,2,雷广峰*1,3,彭星新1,3,魏  莱1,3

(1. 中科院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071;2. 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室,湖北 武汉 430072;3. 中国科学院大学,北京 100049)

摘  要:依据最小余能原理,在考虑节理岩体中锚杆剪切变形的基础上,分析了节理面水平剪切位移与锚杆轴向及切向变形之间的关系。结合锚杆受力特点拟定了锚杆屈服模式的判定流程。建立了考虑“等效剪切面积”的加锚节理面抗剪强度理论计算模型,并通过室内物理试验验证了理论计算模型的准确性。讨论了锚杆倾角、围岩抗压强度、锚杆直径、法向应力等因素对加锚节理面抗剪强度的影响规律。结果表明:所建立的锚杆剪切力学模型能够较好的反映锚杆轴向力及剪切力对节理面抗剪强度的贡献;考虑“等效剪切面积”的加锚节理面抗剪强度计算结果与试验结果较为吻合;锚杆倾角及围岩抗压强度越大,锚杆轴向力越小,剪切力越大;锚杆直径增大,锚杆轴向力及剪切力都会增大;节理面法向应力会显著影响剪胀效应,法向应力越大,节理面抗剪强度越高。

关键词:节理岩体;锚杆锚固;抗剪强度;物理试验


珊瑚礁砂砾料力学行为与颗粒破碎的试验研究

王  刚1,2,叶沁果1,2,查京京1,2

(1. 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学),重庆 400045;2. 重庆大学土木工程学院,重庆 400045)

摘  要:珊瑚礁砂砾石是中国南海岛礁建设的主要填料,因为特殊的生物成因和多孔隙的颗粒结构,极易产生颗粒破碎。对取自南海某岛礁的珊瑚礁砂砾石填料开展了大型压缩试验、三轴排水剪切试验和三轴不排水剪切试验,研究了压缩指数、杨氏模量、剪胀和强度等基本工程力学指标与颗粒破碎的变化规律。在相同的压缩作用下,疏松试样比密实试样的颗粒破碎程度更大。颗粒破碎程度随着压力的增大而显著增大,导致珊瑚礁砂砾料的压缩模量和杨氏模量随压力的增大增幅不明显,峰值摩擦角和临界状态摩擦角随压力的增高而显著降低。颗粒破碎过程具有明显的应力路径和应力历史依赖性,有无预压作用的相同密度的试样表现出显著不同的压缩特性,相同密度和初始压力的试样在排水和不排水剪切下也表现出明显不同的剪胀和强度特性。峰值摩擦角依赖于应力路径和颗粒破碎的演化过程;临界状态摩擦角与最终的颗粒破碎指标值有较好的相关性,与颗粒破碎的产生过程无关。

关键词:钙质砂砾料;颗粒破碎;模量;摩擦角;相对破碎指数


液化层特征量对场地卓越频率影响的理论解答

孙  锐,杨  洋,陈龙伟*,黄保荣

(中国地震局工程力学研究所中国地震局地震工程与工程振动重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080)

摘  要:液化场地对地震动影响问题以及依据地表地震记录识别场地液化问题虽分属地震波的正反演理论,但土层液化对振动特性的改变是二者共同的物理本质,应是这两方面研究的出发点。提出液化层存在下场地卓越频率变化的理论解答,并分析液化层特征量对场地卓越频率的影响规律。将实际土层视为水平成层状,以三质点体系代表具有液化夹层的场地,推导出场地卓越下降率解答,讨论土层及液化层特征量对场地卓越下降率的影响。结果表明:液化夹层的存在将使场地卓越频率下降,下降率主要与覆盖层与液化层厚度比 、液化层与下卧层厚度比 、液化层软化程度这3个参数相关; 对场地卓越频率下降起主要的控制作用,场地卓越频率下降率随 变化的可分为3种模式:指数关系降低、指数关系升高以及定值附近先增大后减小的波动,其中后者为主要表现;液化层与下卧层厚度比 对场地卓越频率下降率起次要作用,场地卓越频率下降率随 增大呈快速上升阶段和平稳增长两个阶段,二者转换点与 相关;场地卓越频率虽与液化层软化程度呈递增关系,但绝对增幅最大为0.15,影响较小。

关键词:液化夹层;三质点体系;场地卓越频率;理论解


孤岛工作面采前冲击危险性预评估研究

朱广安1, 2,窦林名*3,丁自伟1, 2,解嘉豪3

(1. 西安科技大学能源学院,陕西 西安 710054;2. 西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,陕西 西安 710054;3. 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室 矿业工程学院,江苏 徐州 221116)

摘  要:为研究开采扰动下孤岛工作面冲击危险性,基于覆岩空间结构理论分析了开采前后两侧采空区顶板结构动态变化和力学响应。首先基于能量力学模型,推导了工作面开采后覆岩演化高度的计算公式。根据两侧采空区顶板结构的不同,将孤岛工作面覆岩结构分为长臂对称“T”结构、短臂对称“T”结构和非对称“T”结构。进而通过理论分析了3种孤岛工作面覆岩结构的应力传递机制,建立了孤岛工作面静载荷、动载荷估算模型,进而提出了工作面支承压力估算方法,并构建了孤岛工作面采前冲击危险预评估体系。采用估算模型及评估方法,对朝阳煤矿3112孤岛工作面进行了冲击危险性评估,为现场实践提供理论依据。

关键词:孤岛工作面;覆岩结构;覆岩演化高度;应力分布;冲击危险性


岩溶隧道承压隐伏溶洞突水模型试验与数值分析

潘东东1,李术才1,许振浩*1,李利平1,路  为1, 2,林  鹏1,黄  鑫1,孙尚渠1,高成路1

(1. 山东大学岩土与结构工程研究中心,山东 济南 250061;2. 交通部公路科学研究院,北京 100088)

摘  要:为研究不同充填水压条件下隐伏溶洞对隧道围岩稳定性的影响,进而揭示溶洞突水致灾机理,利用自主研发的大型三维流固耦合模型试验系统,针对强充填滞后型溶洞突水孕灾模式开展了试验研究,揭示了承压溶洞突水过程位移、应力及渗压的变化规律,综合模型试验与数值计算各自的优势,开展了不同充填水压下(0.4~1.1 MPa)隧道开挖过程流固耦合数值模拟,对模型试验结果进行补充验证。研究结果表明:溶洞影响范围主要集中于一倍洞径范围内,受溶洞影响普通围岩的应力水平及应力释放量均高于隔水岩体,孔隙水压力消散速度较大,位移变化相对平稳;在隧道开挖阶段,随着溶洞充填水压增大,隔水岩体应力释放率越低,渗透压力整体升高,上升梯度逐渐减小,当溶洞水压高于0.8 MPa时,位移出现明显异常;模型试验水压加载阶段真实再现了隔水岩体破裂突涌水过程,研究结果对于岩溶隧道施工过程突水灾害防控具有指导意义。

关键词:强充填溶洞;流固耦合;模型试验;多元信息;数值分析


结构–土–结构相互作用体系地震响应研究综述

王国波1,袁明智1,苗  雨2

(1. 武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室,湖北 武汉 430070;2. 华中科技大学土木工程与力学学院,湖北 武汉 430074)

摘  要:依托土体为媒介,相邻地表结构和相邻地下结构在地震作用下彼此相互作用,从而影响相互作用体系的地震响应。现今地下结构的尺寸向大型化发展的同时,与地表结构的距离也越来越近,相互作用效应不容忽视。首先将地表结构–土–地表结构相互作用和地下结构–土–地表结构相互作用统称为结构–土–结构相互作用,拓展了传统结构–土–结构相互作用的内涵,然后分别归纳总结了目前地表结构–土体–地表结构、地下结构–土体–地表结构相互作用体系的研究现状和进展,已有研究表明相互作用效应主要受到相邻结构间距、结构尺寸、土体特性以及地震波特性等因素的影响;而针对材料非线性、土体非线性、地震动的空间效应等因素以及大型三维计算分析的研究相对较少。因而极有必要明确目前已有的研究进展和研究成果,提炼该复杂相互作用体系尚需解决的关键性问题。

关键词:地下结构;地表结构;结构–土–结构相互作用体系;地震响应;理论分析;数值计算


无降水深基坑抗浮锚杆–旋喷体封底阻水体设计

董天文1,许  彬1,王家伟2,张建国2

(1. 辽宁工程技术大学,辽宁 阜新 123000;2. 中冶沈勘工程技术有限公司,辽宁 沈阳 110016)

摘  要:基坑降水是基坑土方开挖阶段和使用阶段的重要环节,但会打破原有的地下水平衡,严重浪费地下水资源,并引起不均匀沉降,导致了较多的工程事故。抗浮锚杆–旋喷体是新型无降水深基坑底部的重要止水结构。基于无降水深基坑抗浮锚杆–旋喷体力学分析、阻水体有效性、支护体系安全,确定了旋喷体处于弹性工作状态,应用弹性力学理论建立了均布荷载、集中荷载作用下的弹性厚板应力解,得到了旋喷体的强度安全控制方法和抗浮锚杆的抗拔力计算方法,并开发设计软件用于某深基坑的抗浮锚杆–旋喷体封底阻水体的设计,基坑施工监测数据表明:在基坑土方开挖和使用阶段,基坑内除少量侧壁渗水和自然降水外,基坑安全性满足施工和使用要求。

关键词:基坑工程;无降水深基坑;锚杆–旋喷体;抗浮锚杆;弹性应力解


考虑回填层的护盾式TBM隧道结构设计方法研究

吴圣智1,2,姜志毅1,2,王明年1,2,刘大刚*1,2,董宇苍1,2

(1. 西南交通大学土木工程学院,四川 成都 610031;2. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,四川 成都 610031)

摘  要:回填层作为管片与围岩之间的传力层对管片受力有着重要的影响,而现行护盾式TBM隧道设计方法均忽略了回填层的影响,与工程实际存在一定的差异。研究考虑了护盾式TBM隧道中回填层的实际分布,推导了回填层–围岩等效抗力系数计算公式,并以此建立了TBM隧道管片结构设计模型。研究得出:由于回填层的存在,围岩–回填层的等效抗力系数与围岩抗力系数存在一定的差别,围岩抗力系数的改变程度与围岩、回填层力学参数比有关;回填层在管片背后分布呈“上厚下薄”状,使得管片背后围岩–回填层弹性抗力系数分布不同,Ⅱ级围岩回填层–围岩弹性抗力系数呈“上小下大”的鸭蛋状,Ⅲ,Ⅳ级围岩近乎圆状,Ⅴ级围岩呈“上大下小”的倒鸭蛋状;基于回填层–围岩等效抗力系数的结构设计模型计算出的管片受力结果与现场试验值更加接近,验证了回填层–围岩等效抗力系数计算方法和设计模型的准确性。

关键词:管片;围岩;回填层;抗力系数;结构设计模型


多期次应力变化对砂岩渗透率和孔隙结构影响的试验研究

秘昭旭1,王福刚*1,石  娜2,于景宗3,孙兆军1

(1. 吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室,吉林 长春 130021;2. 吉林省地质科学研究所,吉林 长春 130012;3. 中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021)

摘  要:二氧化碳地质储存注入过程的多期次、间断性引起储层应力反复变化,导致储层渗透率和孔隙结构改变,影响CO2的注入和储存。通过试验研究了鄂尔多斯CCS示范工程刘家沟组砂岩储层渗透率在围压和注入压多期次循环加、卸载条件下的变化规律,并分析了试验前后岩石微观孔隙结构特征变化。结果表明:①围压和注入压的多期次循环变化对岩石渗透率影响显著,且渗透率在低压区相对变化幅度和变化率均大于高压区;②分别构建了岩样渗透率随围压和注入压变化的数学模型,不同循环过程的数学模型相差较大;③在不同的应力作用方式下,间断期对渗透率变化影响程度不同。相比于变围压条件,变注入压条件下的渗透率在间断期可以更好的恢复;④多次应力循环变化对岩石的微观孔隙结构具有显著影响,微孔及孔径较小的中孔的增加和大孔的减少导致岩样的渗透能力明显下降。在CO2地质储存工程的储存潜力评价和CO2运移演化预测中应对岩石渗透率和孔隙结构受应力变化的影响给予重视。

关键词:二氧化碳地质储存;渗透率;围压;注入压;孔隙结构


钠钾盐梯度循环作用下高压实膨润土膨胀力衰变特性

陈永贵1,李  全1,2,贾灵艳1,叶为民1,崔玉军1,3,陈  宝1

(1. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092;2. 浙江华东建设工程有限公司, 浙江 杭州 310014;3. 法国国立路桥大学,巴黎 77455)

摘  要:高放废物深地质处置库近场环境中,高压实膨润土将长期遭受含盐地下水的循环化学作用,导致其膨胀性能不断衰变。针对干密度为1.7 g/cm3的高压实高庙子(GMZ)膨润土,分别开展了0.5 mol/L和1.0 mol/L两种盐梯度、NaCl-水-KCl和NaCl-水不同循环路径下的恒体积膨胀力试验,探讨盐梯度循环化学作用下其膨胀力的衰变特性。结果表明:盐梯度循环作用下,膨润土膨胀力的发展与离子种类、浓度和循环次数等因素有关。盐化阶段膨胀力不断降低,淡化阶段膨胀力有所提高;低盐度梯度循环下各阶段的稳定膨胀力均高于高盐度梯度循环时的膨胀力。随着循环次数的增加,稳定膨胀力逐渐下降,入渗溶液浓度越高,降幅越大,且衰减幅度随着循环次数的增加而减小。KCl溶液的入渗会引起膨润土发生矿物相变,膨胀力显著降低;当KCl溶液浓度达到一定值时,蒙脱石的充分溶解导致膨润土丧失膨胀能力。

关键词:深地质处置库;高庙子膨润土;盐梯度循环作用;膨胀力;衰变特性


基于离散元法的颗粒破碎模拟研究进展

徐  琨1,2,周  伟*1,2,马  刚1,2,常晓林1,2,杨利福1,2

(1. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉 430072;2. 武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室,湖北 武汉 430072)

摘  要:颗粒破碎对颗粒集合体的力学响应有着显著的影响。由于试验手段的限制,基于物理试验的颗粒破碎细观尺度的研究受到很大制约。离散元法为从不同尺度上研究颗粒破碎对颗粒集合体力学特性的影响提供了一条有效的方法。通过回顾国内外现有研究成果,介绍了基于离散元模拟颗粒破碎的两种方法,即基于颗粒黏结模型和基于碎片替换法的颗粒破碎模拟方法,论述了这两类方法的特点。基于颗粒黏结模型的颗粒破碎模拟方法破碎程度有限而且难以开展较大规模模拟计算,基于碎片替换法的颗粒破碎模拟方法需要考虑碎片替换模式和颗粒破碎准则这两个关键问题。整理并讨论了现有破碎模式中碎片颗粒的数目、尺寸分布、满足质量守恒定律的策略以及破碎的应力判定准则和力判定准则。提出了基于离散元的颗粒破碎模拟方法可能的研究方向。

关键词:离散元;颗粒破碎;颗粒黏结模型;碎片替换模式;破碎准则


驻波作用下有限厚度海床动应力路径特性研究

周晓智1,2,陈育民1,2,刘汉龙1,2,3

(1. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098;2. 河海大学土木与交通学院,江苏 南京 210098;3. 重庆大学土木工程学院,重庆 400045)

摘  要:基于驻波作用下有限厚度海床动力响应的解析解,推导了海床内土体单元在以轴向偏差应力的一半为横坐标,剪应力为纵坐标的应力平面上的动应力路径,得出土体单元位于波节处的动应力路径为纵轴上的一条线段;位于波腹处为横轴上的一条线段;位于波节与波腹之间为非标准椭圆形。以北海区域为例对确定动应力路径的初始相位差 、轴向偏差应力幅值的一半 、剪应力幅值  3个参数进行分析,得出在0~0.35倍海床深度范围内时,波节与波腹之间土体单元的动应力路径趋近于线段,而在0.35~1倍海床深度范围内时,动应力路径为非标准椭圆形,且初始相位差 沿相对深度的增加在-180°~-150°范围内变化。通过海床渗透系数、波浪周期、海床厚度对海床内土体单元动应力路径的影响分析可得:海床渗透系数、波浪周期的变化不会改变海床内相同位置土体单元 , 的取值,而对 的取值会有影响。当海床渗透系数不小于10-2 m/s时,海床内土体单元的动应力路径均为线段;而在不同波浪周期下, 在海床下部区域的变化范围均为-180°~-150°。当海床厚度较薄时,动应力路径在表层0~0.03倍波长范围内趋近于线段;当海床厚度在0.3~2倍波长范围内时,随着海床厚度的增加,海床表层动应力路径趋近于线段的深度范围逐渐增大。

关键词:驻波;有限厚度海床;动应力路径;非标准椭圆形


地层非均质成层性对地下管道的变形影响

王  雨1,陈文化*1,王凯旋2

(1. 北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044;2. 中国安全生产科学研究院,北京 100012)

摘  要:地层成层性会对地下管道的变形产生重要影响,针对地层成层特性及管道变形规律的研究还很不成熟。基于弹性层状理论,利用传递矩阵法和有限差分法建立了能够考虑土体非均质条件下的地下管道变形计算方法。结合算例与传统理论法及FLAC3D法进行对比验证,并进一步讨论了地基的成层特性及土体影响随深度的衰减规律。结果表明:管道下方首层土性对其力学反应的影响最为显著,各土层影响随其埋深的增加而逐渐减弱;未考虑土层成层性的均质化处理方法得到的计算结果,对于上软下硬地层偏于危险,而上硬下软地层偏于保守;考虑土层影响衰减规律的均质解与成层解较为接近,采用权重分析法得出的衰减函数符合负指数分布,上软下硬地层的影响衰减速度要快于上硬下软地层。

关键词:地层成层特性;地下管道;地面荷载;传递矩阵;有限差分法;衰减规律


离子型稀土原地浸矿注液孔周含水率分布的计算模型

王观石1,2,赖远明1,龙  平3,胡世丽2,洪本根3,桂  勇3

(1. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃 兰州 730000;2. 江西理工大学建筑与测绘工程学院,江西 赣州 341000;3. 江西理工大学资源与环境工程学院,江西 赣州 341000)

摘  要:考虑注液孔内积水产生的压力水头在土体中的传递,建立了积水条件下的一维垂直入渗的基本方程;将实测的饱和导水率等效为孔底一维入渗的饱和导水率,采用积水条件一维垂直入渗的基本方程计算注液孔孔底中心垂向的含水率分布;假设入渗过程中形成的湿润锋簇上的含水率增量相等,根据累积注液量等于湿润体内的水分增加量,确定湿润锋簇中各湿润锋的位置,结合注液孔孔底中心垂向的含水率分布,确定湿润体内含水率分布。在龙南足洞某稀土矿山选择一场地较平整的矿块进行单孔注液试验,在注液孔周布置4个测点,采用FDS-100水分传感器记录测点位置在入渗过程中不同时刻的含水率,与模型的计算值进行比较,结果发现,4个测点的实测值与计算值相关系数基本在0.900以上,模型的计算误差均在10%以下,满足工程误差要求,说明此方法能较为准确的计算出注液孔内水分入渗过程及湿润体内含水率分布。

关键词:离子型稀土;原地浸矿;注液孔;含水率分布;入渗模型


考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆机理研究

张庆松,王洪波,刘人太,李术才,张乐文,朱光轩,张连震

(山东大学岩土与结构工程研究中心,山东 济南 250061)

摘  要:多孔介质注浆的扩散方式以渗透注浆为主,传统的多孔介质渗透注浆往往忽略了浆液渗透过程中的扩散路径,导致理论结果与实际偏差较大。基于对多孔介质浆液渗透过程中扩散路径分析,根据浆液扩散运动方程,建立了考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆模型,设计了一套多孔介质渗透注浆扩散模拟实验装置,并采用常规注浆材料–水泥浆液,获得不同被注介质渗透率及不同注浆速率下的注浆压力的时空变化规律。研究结果表明:考虑浆液扩散路径的多孔介质浆液渗透注浆模型计算值为试验值的1.1~1.3倍,计算值与试验值误差在允许的范围之内,所建模型可较好的描述了浆液渗透扩散过程;不考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆模型计算值为试验值的1.8~3.2倍,显著高估了注浆扩散过程的浆液压力。研究成果成功用于青岛地铁砂层治理工程,因此,在多孔介质渗透注浆扩散设计中应充分考虑浆液扩散路径。

关键词:多孔介质;渗透;注浆;扩散路径;模拟试验


岩石颗粒与孔隙系统数字图像识别方法及应用

刘  春1,3,许  强2,施  斌1,顾颖凡1 

(1. 南京大学地球科学与工程学院,江苏 南京 210023;2. 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),四川 成都 610059;

3. 南京大学(苏州)高新技术研究院,江苏 苏州 215123)

摘  要:以砂岩薄片微观图像为例,研究了岩石颗粒与孔隙系统数字图像识别、定量化和统计分析方法。通过多颜色分割和去杂等操作获得二值图像;提出改进的种子算法来封闭特定直径的孔喉,并自动分割和识别不同的孔隙和颗粒;引入了概率统计的方法,实现了由二维颗粒面积计算颗粒系统的三维分选系数;使用概率熵和分形维数分别来描述颗粒和孔隙的定向性和形状复杂度的变化等。在理论研究基础上,研发了孔隙(颗粒)及裂隙图像识别与分析系统(PCAS),通过简单操作即可得到颗粒和孔隙各种几何参数和统计参数。实例中,将PCAS应用于高孔隙度砂岩压密带微观形成机制研究。图像分析结果表明:①颗粒和孔隙得到了准确地识别量化,统计参数有效地描述和区分了不同的砂岩微观结构;②与V型压密带相比,产生平直型压密带的砂岩具有较大的孔隙度和平均孔隙面积,以及较好的颗粒分选性。研究表明砂岩压密带形态与其微观结构紧密联系,所采用的微观结构识别和分析方法可行。

关键词:微观结构;图像处理;自动识别;PCAS;砂岩


路堤荷载下土工织物散体桩复合地基离心模型试验

陈建峰1,李良勇1,徐  超1,冯守中2

(1. 同济大学地下建筑与工程系,上海 200092;2. 武汉广益交通科技股份有限公司,湖北 武汉 430074)

摘  要:进行了2组不同筋材刚度土工织物散体桩复合地基路堤离心模型试验,和1组碎石桩复合地基路堤的对比试验,以研究其在真实应力条件下的性状及稳定性。研究结果表明:随着筋材刚度的增大,地基中的超孔隙水压力略有减小,桩顶和桩间土沉降明显减小,而桩顶和桩间土之间的差异沉降明显增大;桩土应力比随筋材刚度的增大先增长明显,而后趋于缓慢;当筋材刚度较低或上覆荷载很大时,土工织物散体桩可发生显著的弯曲变形而引起较大的沉降,碎石桩则在软土中容易发生鼓胀变形而引起很大的沉降,但两者均未在复合地基中形成剪切滑移的趋势。

关键词:路堤;土工织物散体桩;离心模型试验;沉降;桩土应力比;稳定性


砂土微生物固化过程中尿素的影响研究

孙潇昊,缪林昌*,童天志,王呈呈

(东南大学交通学院岩土工程研究所,江苏 南京 210096)

摘  要:砂土固化技术可改善砂土力学特性,被广泛应用于工程中,而在菌种培养液中添加尿素可大大加快固化反应提高砂土固化效率。开展了在菌种培养液中添加尿素分析其对砂土固化影响的试验研究。首先将尿素添加方式分为灭菌前加尿素、灭菌后加尿素和不加尿素3种,研究不同方式对菌种生长和脲酶活性的影响;再控制不同尿素添加量对比分析得到适合的尿素添加量以便后续研究;然后在砂土固化试验中采用灭菌后加尿素的方式研究其对砂土固化的影响;最后通过控制砂柱长度、胶凝液灌注速度和砂土颗粒粒径等因素,得到各因素对砂柱固化效果的影响。结果表明培养液中添加尿素可提高脲酶活性,但稍微抑制菌种生长;适合的尿素添加量为5~20 g/L;灭菌后添加尿素能显著提高灌注部位的强度,但长砂柱却因强度不均而整体强度较低;灌注速度越快,整体强度越高;添加20 g/L尿素时,整体强度随颗粒粒径增大而增大,因此,该方法适用于粗砂。研究成果对后期砂土固化技术的应用具有重要指导意义。

关键词:砂土固化;尿素;巴氏芽孢杆菌;碳酸钙;无侧限抗压强度


XCC群桩限制液化侧向扩展的振动台试验研究

李文闻1,2,陈育民*1,2,刘汉龙1,2,3,杨耀辉1,2,张鑫磊1,2

(1. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098;2. 河海大学土木与交通学院,江苏 南京 210098;3. 重庆大学土木工程学院,重庆,400045)

摘  要:地震作用下,缓倾砂土地基会发生液化引发侧向扩展,对构筑物造成严重破坏,而可液化场地中的群桩可控制液化侧向变形的发展。现浇X形混凝土桩(XCC桩)较传统混凝土桩可以节省材料用量,其异形截面对于液化土体的流动变形的控制作用较圆形截面更具优势。开展了倾斜可液化地基中XCC群桩的振动台试验研究,对比了XCC群桩和圆桩群桩对液化侧向扩展变形的影响,同时考虑了群桩布置形式、XCC桩的截面朝向和截面异形效应对于处理效果的影响。结果表明:XCC桩可以较好的限制液化侧向扩展,与未处理场地相比,XCC桩处理场地的侧向位移减少约38%,流动面积减小约50%;在同等材料用量下,XCC桩处理效果优于传统圆桩,其流动面积较圆桩处理场地减少20%;梅花形群桩布置形式限制液化侧向扩展的效果明显好于正方形群桩布置形式;不同XCC桩的截面朝向的处理效果取决于其垂直于液化砂土流动方向的截面宽度,有效截面宽度越大则处理效果越好;XCC桩的截面异形效应能够提高限制液化侧向扩展效果约5%~18%左右。

关键词:振动台试验;XCC桩;液化;侧向变形;流动面积;场地加固


活性MgO碳化固化土的渗透特性研究

王  亮1,2,刘松玉*1,2,蔡光华1,2,唐昊陵1,2

(1. 东南大学岩土工程研究所,江苏 南京 210096;2. 江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室,江苏 南京 210096)

摘  要:碳化固化法是一种低碳搅拌处理软土的创新技术,碳化反应生成的产物能有效降低固化土的孔隙率。在已有研究的基础上,着重研究碳化土的渗透特性,以利于其工程应用。采用室内渗透试验,系统研究了活性MgO掺量、碳化时间、初始含水率和CO2通气压力对MgO碳化粉土和碳化粉质黏土渗透系数的影响规律,并与相同固化剂掺量、相同初始含水率下水泥固化土的渗透系数进行了对比。结果表明:活性MgO碳化土的渗透系数随MgO掺量的增加而降低,与相同掺量下水泥固化土的渗透系数处于同一数量级;MgO碳化粉土的渗透系数明显大于碳化粉质黏土的渗透系数;当MgO碳化粉土和粉质黏土碳化6.0 h时,相应的渗透系数达到最小(10-6);通气压力对MgO碳化土的渗透系数影响不大,在通气压力为200 kPa时渗透系数较小。因此,活性MgO碳化土具有与水泥固化土相近的抗渗性能,有良好的推广应用前景。

关键词:活性氧化镁;碳化固化;水泥;粉土;粉质黏土;渗透系数


考虑水平(切向)位移影响的垫层孔隙内土工膜顶胀变形分析

姜晓桢1,田晓丹2,3

(1. 南京水利科学研究院岩土工程研究所,江苏 南京 210024;2. 河海大学文天学院,安徽 马鞍山 243031;3. 河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098)

摘  要:以薄膜理论为基础的曲线交汇法是目前工程中常用的分析颗粒垫层孔隙内土工膜顶胀变形的方法,该法假设了土工膜受水压顶胀作用向垫层孔隙内压陷时,只存在垂直膜铺设平面的竖向(法向)位移,而未考虑平行膜铺设平面的水平(切向)位移,所以计算结果存在一定的理论误差。首先基于有限单元法,分析了水平(切向)位移对膜应变计算的影响,提出了一个能够考虑水平(切向)位移的膜顶胀变形的计算方法,并通过对圆形孔隙内膜顶胀变形试验的计算模拟,验证了该方法的准确性;其次,对不同形状孔隙内的膜顶胀变形进行分析,得出了不同形状孔隙内膜的应变分布特点,同时根据应变分布特点分析了不同孔隙形状内膜发生顶胀破坏的形式;最后,通过与薄膜理论曲线交汇法在相同条件下计算结果的对比分析,表明水压力越大,薄膜理论曲线交汇法与本文方法的计算结果的差异也越大,所以水压力较大时,水平(切向)位移对孔隙内膜应变的影响较大,不能忽略。

关键词:土工膜;垫层孔隙;顶胀变形;水平(切向)位移


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