胶结黏土中正断层扩展的变形和孔压变化研究

 基岩断层错动而引起的上覆土体变形会对地表以及地下结构物造成破坏。上覆土体的胶结特性和隐伏断层的存在,使得断层错动的变形机制更为复杂。采用滤纸技术模拟隐伏断层,通过2组离心机试验研究胶结土体中正断层裂缝的扩展机制及伴随的孔压变化规律。对土体的变形分析和孔隙水压力的监测加深了对地裂缝的认识。研究发现,正断层错动引起胶结黏土的变形机制为受弯变形。隐伏断层使得土体受弯区变小、土体破坏程度加剧。胶结黏土受弯形成的地裂缝分为张拉裂缝和剪切裂缝,这些地裂缝的发展为超孔压的消散提供了优势路径。     

正断层错动诱发单桩破坏及避让距离研究

历次地震实例表明基岩断层错动诱发建筑桩基破坏,针对桩基础的近断层破坏机理认识不足。采用土工离心机试验,研究正断层错动引起上覆砂土中单桩基础的破坏。试验详细量测单桩及土体变形,监测桩身轴力及弯矩随基岩错动量的变化规律。试验数据表明,当错动量为0.4 m时,单桩与桩周土体协同变形,桩顶出现显著位移。随着错动量增加,上覆土体变形集中于破裂带,使得桩顶位移显著减少。该破裂带在基岩和土体的交界面上偏离基岩错动方向,与水平面呈80°方向发展至地表,并在单桩靠近断层上盘一侧地表出露。上覆砂土变形可分为静止区、剪切区和刚体位移区。当单桩位于剪切区附近,桩身受弯变形使得桩顶向上盘一侧倾斜。针对正断层错动,单桩在下盘一侧和上盘一侧离开基岩断层线的安全避让距离分别为15 m和10 m。     

地层错动引起的上覆砂层变形特性的离心试验研究

地层错动引起的基岩上覆土体变形对地表的建筑物、地下管线和隧道的安全带来潜在危险。为减小这种危险给人们的生命财产带来的损失,掌握地层错动引起的上覆土层的变形行为规律,通过土工离心试验,采用PIV图片测距技术,研究不同基岩错动量下竖向正断层错动造成的地表变形特点和断层裂缝在砂层中传播的规律。通过分析试验得到位移和应变场,得到以下几点认识:(1)不均匀沉降地表宽度(剪切区)并不随基岩错动位移的增大而线性增大,尤其在下盘,其宽度增大幅度很小;(2)基岩向下错动给上盘带来的干扰和破坏大于下盘;(3)裂缝传播整体传播方向偏于上盘。主裂缝的总体传播方向与断层平面的夹角约等于土体在土层平均围压下的剪胀角。当裂缝传至土体上部时,传播角会向上盘偏转而变大。     

地下综合管廊结构斜穿活动地裂缝的变形破坏机制室内模型试验研究

以西安地区地裂缝环境为研究背景,通过几何缩尺比例为1∶15的物理模型试验得到上、下盘相对错动情况下结构周边围岩土压力及结构应力、变形规律和宏观破坏现象,论述地下综合管廊45°斜穿地裂缝时的变形破坏模式。结果表明:随着错动量的不断增大,上盘中管廊结构顶部纵向与土体的接触压力明显增加,下盘中明显减小;至于结构顶部横向与土体的接触压力,地裂缝与结构轴线相交处土压力较大,两边土压力较小;混凝土表面纵向裂缝主要分布在下盘区2.9D～5.1D(D=0.277 m)范围内,环向裂缝主要分布于下盘区0.9D范围内,下盘结构变形程度高于上盘结构;地下综合管廊在45°斜穿地裂缝时其变形不对称,结构处于扭转、弯曲、剪切的复杂应力状态,结构的受力形式属于薄壁杆件约束扭转。研究结果可为西安地下综合管廊斜穿地裂缝时的结构设计和防治措施的制定提供一定参考。     

主应力轴循环旋转条件下重塑黏土变形特性试验研究

通过一组重塑黏土的循环扭剪试验对主应力轴单纯循环旋转条件下重塑黏土的不排水变形特性进行研究,试验中考虑中主应力系数、剪应力水平以及固结方式等的影响。试验结果表明即使在剪应力水平很低(q/p=0.033)的条件下,主应力轴单纯旋转也会引起重塑黏土显著的孔压累积。随着循环次数的增加不排水条件下重塑黏土会因为变形的迅速发展而破坏。中主应力系数对变形发展规律有较大影响,对孔压累积的影响相对不显著,相同剪应力水平下b=1时重塑黏土破坏时所需的循环次数最少,但孔压累计最慢。通过试验结果的分析认为旋转剪应力会对土体微观结构产生扰动而使土体颗粒重新排列,主应力轴旋转引起的变形特性主要还是归因于土体的塑性各向异性特性。     

大角度斜交地裂缝带盾构隧道变形破坏机制的模型试验研究

地裂缝是西安市最典型的城市地质灾害,其活动对城市地铁建设具有严重威胁,盾构隧道能否应用于地裂缝场地一直是工程界关注的问题。为揭示地裂缝活动对地铁盾构隧道的影响机制,文章以在建西安地铁8号线大角度(θ=75°)穿越地裂缝带为工程背景,基于1∶12几何比尺的物理模型试验并结合数值模拟,对大角度斜交地裂缝带的盾构隧道结构的变形破坏规律进行研究。结果表明：地裂缝错动作用下,大角度穿越地裂缝带的盾构隧道上盘管片拱顶受压、拱底受拉,下盘管片拱顶受拉、拱底受压;盾构隧道纵向整体表现为弯曲 扭动变形,管片衬砌在地裂缝上盘以拱顶内凹变形为主,在下盘以牵引变形为主,地裂缝位置及其附近的管片表现出竖向错动、轴向拉张与挤压以及水平扭转的三向变形特征;当地裂缝位错量达到s=24cm时,盾构隧道出现破坏,其破坏模式以剪切破坏为主,局部存在偏压破坏,且破坏大部分首先出现在螺栓附近;基于盾构隧道的破坏模式和范围提出隧道大角度穿越地裂缝带时的应对措施建议,对于未来100年内地裂缝累积活动量超过s=24cm的场地,地铁建设不宜采用盾构法通过。     

地裂缝对地铁明挖整体式衬砌隧道影响机制的模型试验研究

 以西安地铁2号线穿越地裂缝带为研究背景,采用几何缩比1∶5的大比例尺地裂缝与地铁隧道结构模型试验,研究了地裂缝活动对地铁明挖隧道整体式衬砌结构的影响机制。试验结果表明：随地裂缝位错量的增加,隧道顶部土与结构接触压力上盘明显增大,下盘减小,底部接触压力上盘减小直至为0,下盘则明显增大;当地裂缝位错量达到20 cm时,位于地裂缝上盘的隧道结构底部出现脱空现象,下盘2.5 m处衬砌出现开裂,对隧道底部脱空区应及时进行注浆等地基处理;隧道底板基本处于受压状态,而顶板受力较复杂,下盘受拉,上盘则先受拉后受压。地裂缝作用下隧道变形破坏模式为拉张破坏,且隧道衬砌开裂主要出现在下盘距地裂缝14.0 m范围内,而位于上盘的隧道衬砌基本完好,这与地裂缝活动引起土体和地表建(构)筑物的变形破坏主要发生在上盘刚好相反。研究结果可为西安地铁穿越地裂缝的隧道结构设计与防治措施制定提供一定参考。     

MICP胶结钙质砂动力特性试验研究

以南海某岛的钙质砂为材料进行微生物(MICP)胶结加固,通过动三轴试验和SEM微观结构试验,研究了MICP胶结钙质砂在不同胶结程度和不同动应力水平下的动强度、动变形、动孔压、有效应力路径的发展规律和MICP胶结的微观机理。结果表明:通过MICP胶结的钙质砂动剪应力比和抵抗变形的能力得到明显提高,这表明MICP胶结作用能显著改善钙质砂抗液化能力。MICP胶结钙质砂的孔压发展可以分为4个阶段:初始阶段—稳定发展阶段—快速发展阶段—完全液化阶段,当孔压发展到快速阶段末期,孔压曲线出现凹槽,试样开始失稳,最后发生破坏。整个振动循环过程中土体的变形和强度变化与有效应力路径和孔压的发展密切相关,当试样发生破坏时,有效应力路径表现出循环活动性。MICP胶结作用生成了方解石结晶包裹在砂土颗粒表面或填充于砂颗粒之间,这改变了土体的性质,使得土体的黏聚力和内摩擦角均有所提高。     

地铁隧道正交穿越地裂缝的相互作用机制试验研究

 以西安地铁隧道为工程背景,利用地铁隧道正交穿越地裂缝应力模型试验,分析在地裂缝活动环境下的地铁隧道与地裂缝的相互作用关系。在地裂缝上、下盘发生相对错动时,对模型结构的纵向应变、结构底部的相对位移以及结构外围土压力等进行监测。数据分析结果表明：地铁隧道穿越地裂缝时其荷载传递机制涉及结构的刚度效应、下卧土体的支承作用、隧道与土体之间的摩阻作用以及裂缝处上下盘的接触效应4个方面。根据隧道结构变形特征及应变变化规律,构建隧道与土体底部脱空状态下相互作用力学模型,为西安地铁穿越地裂缝的隧道结构设计提供参考。通过对不同断面隧道的应变及变形比较分析,提出地铁隧道正交穿越地裂缝带时宜采用马蹄形隧道断面,以提高结构的整体刚度;加强位于地裂缝下盘的隧道混凝土的裂缝控制,做好防水处理。     

逆断层铰接式隧道衬砌的抗错断效果试验研究EI北大核心CSCD

以棋盘石工程为依托,采用1∶50的相似比,开展模型试验。针对75°倾角逆断层黏滑错动的情况,研究上覆地层的错动变形规律与跨断层隧道的结构受力、损伤特征,并对衬砌结构的破坏模式与破坏机制进行分析。研究表明:随着断层上盘抬升,断裂传播至地表,形成一个倒置的三角剪切带。在2.5D埋深处剪切带的宽度约为0.635D(D为隧道洞径),在隧道拱顶位置处剪切带约为0.315D。地表位移变化与断层传播规律基本一致;断层破碎带处隧道与土体的接触压力的变化最大,是下盘接触压力变化值的3~5倍;断层上盘隧道承受负弯矩,下盘承受正弯矩;在断层破碎带中,错动位移量为0.34D时,衬砌变形缝处发生剪切、挤压引起的开裂,局部伴有张拉裂缝。设置变形缝后,铰接式隧道仅在变形缝处发生严重破坏,节段衬砌损伤轻微,抗错断效果明显优于未设变形缝隧道。     

列车荷载下考虑频率影响的软黏土破坏标准研究

列车荷载在地基土体中引发一种心形线主应力轴旋转动力路径,考虑频率作用时,会对地基土产生更为复杂的影响。以南京河西典型重塑软黏土为对象开展数组不同频率f和动应力比η的不排水空心扭剪试验。试验发现,不同动应力比下,土体变形随振动频率的变化趋势主要分为两种情况。另外,随着频率f的提高,试样发生破坏的临界动应力比η'先减小后增大。频率f在1.0~2.0 Hz范围内,孔压发展曲线受频率影响较小,当f=0.5 Hz时,孔压发展显著增大。提出一种适用于列车荷载下考虑频率影响的重塑软黏土破坏评价方法。该标准以孔压–应变耦合曲线为主要辨识曲线,可以判别试样所属的稳定、临界或破坏型状态,为后续开展列车荷载引起的软黏土地基承载力研究提供理论支持。     

逆断层铰接式隧道衬砌的抗错断效果试验研究

以棋盘石工程为依托,采用1∶50的相似比,开展模型试验。针对75°倾角逆断层黏滑错动的情况,研究上覆地层的错动变形规律与跨断层隧道的结构受力、损伤特征,并对衬砌结构的破坏模式与破坏机制进行分析。研究表明:随着断层上盘抬升,断裂传播至地表,形成一个倒置的三角剪切带。在2.5D埋深处剪切带的宽度约为0.635D(D为隧道洞径),在隧道拱顶位置处剪切带约为0.315D。地表位移变化与断层传播规律基本一致;断层破碎带处隧道与土体的接触压力的变化最大,是下盘接触压力变化值的3~5倍;断层上盘隧道承受负弯矩,下盘承受正弯矩;在断层破碎带中,错动位移量为0.34D时,衬砌变形缝处发生剪切、挤压引起的开裂,局部伴有张拉裂缝。设置变形缝后,铰接式隧道仅在变形缝处发生严重破坏,节段衬砌损伤轻微,抗错断效果明显优于未设变形缝隧道。     

盾构隧道60°斜穿地裂缝的变形破坏机制试验研究

 从西安地铁盾构隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的物理模型试验。管片混凝土应变、纵向和环向螺栓应变、结构接触土压力和结构外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形以及宏观变形破坏现象表明,盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的变形破坏模式以剪切变形为主,局部有扭转和弯曲变形;结构破坏范围为上盘0.75D(D为管片环外径1.20 m),下盘0.50D;管片混凝土破坏主要发生在螺栓孔附近,地裂缝处纵向螺栓发生较强的剪切、扭转和拉伸变形破坏;管片衬砌结构变形破坏不对称,管片环向处于偏压状态;环缝拱顶错位量大于拱底和拱腰,拱顶最大错位量达30 mm(0.025D),模型难以适用地裂缝错动变形20 cm(0.166 7D),盾构管片衬砌结构不适用于地裂缝活动强烈的地质环境。     

交通荷载引起的静偏应力对饱和软黏土不排水循环性状影响的试验研究

为研究交通荷载引起的静偏应力对饱和软黏土的不排水循环性状的影响,设计了室内不排水动三轴试验,将动应力简化为静偏应力与正弦荷载的叠加,研究了静偏应力对饱和软黏土变形、孔压发展规律以及动强度的影响。研究表明,静偏应力对土体动力特性影响很大,加快了塑性变形、残余孔压发展,降低了动强度曲线,减小了最小极限循环强度。且静偏应力的影响随着静偏应力的增大而显著。研究结果说明,交通荷载引起的动应力作用下,饱和软黏土更容易破坏。     

黄土贴坡高填方变形破坏机制研究

受地形条件限制,黄土山区贴坡高填方工程近年逐渐增多并出现了一些失稳事故,亟需对其变形破坏机制进行研究。以黄土梁地形上某机场建设工程中的失稳贴坡高填方为例,通过现场详勘与工程地质调查,分析并总结了这类边坡的结构特点及变形破坏的关键影响因素,进而针对性的开展了压实黄土增湿变形试验、Q2离石黄土高压湿陷试验、CTC及RTC路径三轴试验,结合现场资料与室内试验结果对其变形破坏机制进行了研究。结果表明:下覆地形高差导致填方厚度差异,进而引起的坡顶地面差异沉降裂缝是诱发后续变形破坏的必要条件。黄土贴坡高填方变形破坏机制可以概括为:工后土体固结沉降、填土增湿及黄土高压湿陷沉降致裂→水分沿裂缝入渗软化土体→形成中部初始滑面→前部土体加载增湿破坏→后部土体卸荷增湿破坏→锁固段土体加载增湿破坏→滑面贯通整体失稳。该结果有助于加深对贴坡高填方变形破坏演化过程的认识,可以为这类边坡的防治工作提供科学依据。     

高应力环境下复杂错断机制隧道模型试验装置的研制与应用

活动断层受构造作用发生错动时,跨越活动断层的隧道将会发生不同程度的结构损伤及破坏。现存模拟跨活断层隧道错断的试验装置,大多针对浅埋隧道,未考虑深部应力环境,影响其试验结果在大埋深高应力隧道工程中的应用。鉴于此,研制可模拟高地应力环境下复杂断层错动机制的试验装置成为关键一环。结合我国西部强震区大型生命线工程跨活断层隧道特征确定试验装置参数需求,研制出试验装置,并基于该装置研究深埋与浅埋隧道衬砌破坏特征的差异。结果表明：(1)我国西部强震区工程跨活断层隧道具有大埋深、高地应力、复杂错断特征,故确定试验装置围压加载设计参数为0.8 MPa;水平错距设置为20 cm,竖直错距设置为10 cm。(2)通过开展自由场及隧道模型错断试验,验证设备可有效遂行走滑错动、倾滑错动、以及走滑–倾滑耦合错动,且在错动过程中围压可保持在稳定状态,达到研制目的。(3)通过隧道错断试验得出,深埋隧道产生较大的挤压变形,破坏区域较大;浅埋隧道在跨断层位置隧道被剪断,破坏程度较严重;在断层与隧道交角小角度时隧道破坏更严重。该设备的研制为研究高应力环境下跨复杂机制活断层隧道受破环影响提供重要的试验装备基础。     

门源地震对跨冷龙岭断层的大梁隧道结构变形特征和地表裂缝分布规律研究

为探究走滑断层错动下隧道结构的变形特征及受力机制，明晰走滑断层的性质及受力模式，采用现场调查、地质力学配套分析及数值模拟等方法，分析地震影响下大梁隧道产生的地表裂缝分布规律。研究结果表明：(1)确定了断层走向NW60°，与区域上冷龙岭断裂位置一致，属全新世活断层。隧道中断层面产状为195°∠79°，破碎带宽约100 m，地表裂缝错移3 m；距大梁隧道出口南侧约700 m处水平错移2.8～3.0 m，逆冲错动位移0.91m，具有逆冲走滑运动特征。(2)地震破坏力学模式为NE-SW60°主应力单向挤压、纯剪共同作用；结合主裂缝带边界逆冲地表变形特征，地表裂缝具有逆冲断裂造山式花状形态；(3)通过地质力学配套分析，在断层受单向力和力偶作用下，地表产生裂缝分布规律与现场调查裂缝分布规律一致。(4)大梁隧道变形破坏模式，在门源地震之前主要受区域的主应力的作用，以SW60°挤压作用为主；在门源地震以后，主要以剪切挤压为主，隧道结构受主应力NESW60°挤压和NW60°冷龙岭断裂的走滑剪切作用。本次调查分析结果为穿越活动断层高铁隧道的工程设计提供参考。     

考虑主应力方向变化的原状黏土强度及超静孔压特性研究

针对许多实际岩土工程问题中,土体所受应力路径主应力方向会旋转变化的特点,采用空心圆柱仪(HCA)对主应力轴方向突变和连续旋转条件下杭州典型原状黏土的强度和孔压特征进行研究。试验表明:土体强度主要受原生各向异性影响,试样在破坏时的主应力作用方向以及中主应力参数是影响土体强度的主要因素,而主应力轴旋转对于强度则无显著影响;试样无论是否经历主应力轴旋转,在破坏时都会有显著的剪切带产生,同时剪切带平面与大主应力作用方向的夹角基本保持一个常数;主应力轴旋转会引起土中孔压积累,积累程度受主应力轴转幅及旋转时剪应力幅值、剪应力水平支配。这部分孔压增量较之主应力方向固定不变剪切产生的极限孔压而言不能忽略。     

75°倾角逆断层黏滑错动对公路隧道影响的模型试验研究

 针对公路隧道正交穿越75°倾角逆断层的情况,通过模型试验得到逆断层黏滑错动对公路隧道的影响规律。由试验结果可知：在逆断层黏滑错动影响下,隧道衬砌结构的主要受拉区为下盘距离断层迹线0.3D～1.2D(D为隧道洞径)范围内的隧道衬砌底部,受压区主要在下盘距离断层迹线0.6D～1.6D范围内的隧道衬砌顶部。逆断层黏滑错动引起的围岩压力变化最大发生在隧道底部上盘距离断层迹线1D位置,增幅可达2倍的初始围岩压力。在逆断层黏滑错动影响下,隧道衬砌结构的破坏形式是弯曲张拉和直接剪切组合破坏,其中在断层迹线附近的2条倾角为50°和45°斜裂缝为隧道结构破坏的主控因素。     

先张法预应力钢绞线高强混凝土大直径管桩受弯性能研究

为研究大直径钢绞线管桩的受弯性能,对3根不同直径钢绞线桩进行足尺试验、理论分析和有限元模拟,对比研究了大直径钢绞线桩的开裂弯矩、裂缝开展及分布、受弯承载力、变形延性和破坏特征等。结果表明：大直径钢绞线桩受弯破坏时受压区高强混凝土压溃,截面中心轴以下钢绞线都达到屈服强度,具有较高的受弯承载力和良好的变形延性;理论分析方法能够较好地预测大直径钢绞线桩的受弯承载力;建立的有限元模型可以合理地模拟大直径钢绞线桩的受弯性能,模型计算结果与试验结果吻合较好。