穿黄工程隧洞段饱和砂土的动强度特性研究

为了解在遭遇地震的情况下,穿黄隧洞的抗震安全性能,选取穿黄隧洞地基饱和砂土为样本,进行了室内饱和固结不排水动三轴试验,研究循环动荷载作用下饱和砂土的动强度特性和孔隙水压力特性,给出了循环动荷载的大小对动强度特性和孔隙水压力特性的影响规律。结果表明：静应力状态、动应力幅及其循环次数和试样密实程度等是影响穿黄工程隧洞段地基饱和砂土动强度特性和孔隙水压力特性的主要因素。     

腾格里沙漠南缘风积砂土地基的工程地质特性

笔者根据野外、室内勘探、试验资料，分析了风积砂土地基的工程地质特性，指出了风积极细砂（Q4^3eol）和风洪积壤土类土（Q4^4eol-pl）具有湿陷性。早期风积细砂（Q4^3eol）是风积砂土地基中最好的持力层。     

循环荷载作用下建筑垃圾土动力性能

国家基础设施建设不断推进,大量建筑垃圾随之产生。对建筑垃圾进行资源化利用,不仅经济环保,且可缓解环境压力。通过室内大型动三轴试验,对建筑垃圾土与砂土动力性能展开研究,包括动应力-动应变、时程曲线、动弹性模量、阻尼比和液化评估分析。试验结果表明:建筑垃圾土破坏动应力约为砂土的1.3倍,即建筑垃圾土的承载能力明显高于砂土。在循环荷载作用下,砂土超静孔隙水压力大约是建筑垃圾的2.5倍,因此建筑垃圾土发生液化可能性更小。建筑垃圾土动弹性模量远高于砂土,最高是砂土的1.3倍。建筑垃圾土动力性能均高于一般砂土,建筑垃圾土具有代替砂土用作道路工程填料的潜力。     

循环剪切作用下砂土变形特性的颗粒流模拟试验

循环荷载作用下,砂土的应力应变关系会出现非线性、滞回性的性质,且砂土的变形会出现加载剪胀、卸载剪缩的性质。采用颗粒流软件模拟砂土在循环剪切条件下的变形特性,包括循环应力比、应力水平对变形特性,阐明砂土宏观力学特性及细观工作机理,为建立更为合理的土体本构模型提供参考,并对不良砂土地基防治具有一定的指导。     

砂土门槛应变值的新认识

通过对标准砂、砂质粉土和粉砂夹土进行不同振动时间的水平向剪切共振柱试验和轴向共振柱试验，振动时间分别为几秒钟（常规试验振动时间）、１ｍｉｎ，５ｍｉｎ，１０ｍｉｎ，由此探讨振动持续时间对门榄应变值的影响，从而研究砂土在短期振动荷载和长期振动荷载作用下的动力特性。     

颗粒级配对砂土剪切特性的影响及细观机理研究

为了探索砂土颗粒级配对其剪切特性的影响,以标准砂为基本材料,制备4种不同人工级配砂进行室内直接剪切试验;同时建立了和4种人工制备砂土相同级配的离散元数值试样进行数值剪切试验。直剪试验结果表明,颗粒级配对砂土内摩擦角影响比较明显,总体表现为内摩擦角随不均匀系数的增大而增大,随曲率系数的增大而减小。离散元数值模拟表明,砂土初始级配对孔隙率、颗粒配位数以及颗粒滑动率的影响都比较显著;砂土试样的破坏是与颗粒级配有关的渐进破坏过程;剪胀系数均随d_(10),d_(30)和d_(60)的增大而先减小后增大。     

砂土门槛应变值的新认识

通过对标准砂、砂质粉土和粉砂夹土进行不同振动时间的水平向剪切共振柱试验和轴向共振柱试验，振动时间分别为几秒钟（常规试验振动时间）、１ｍｉｎ、５ｍｉｎ、１０ｍｉｎ，由此探讨振动持续时间对门槛应变值的影响，从而研究砂土在短期振动荷载和长期振动荷载作用下的动力特性。     

循环加荷条件下饱和砂土液化细观数值模拟

利用离散单元法中的二维颗粒流方法(particle flow code in 2-dimension,PFC2D),通过对双轴数值试样施加循环等幅应变且控制加荷过程中试样体积(面积)不变的方法,模拟了循环加荷条件下饱和砂土的液化特性。在得到试样液化宏观力学响应的同时,分析了液化过程中内部平均接触数的变化规律。进一步研究了应变幅值、围压对数值试样液化特性的影响,并与室内试验规律进行了对比。结果表明,数值模拟能够定性地反映饱和砂土振动液化的一般规律,数值模拟得到的应变幅值、围压对试样抗液化强度的影响规律符合实际砂土室内试验规律。     

原状砂取样和动力性质试验研究

在砂土动力性质的研究中,原状砂土的取样、试验技术及原状结构对砂土动力性质的影响等一直令人困惑,归纳四个方面:(1)如何取得不扰动的原状砂土;(2)如何对所取得的原状砂土的扰动程度进行评价;(3)原状砂土与重塑砂土的动力性质差别何在;(4)如何在实践工程中考虑原状结构性的影响。本文试图通过两种取样方法的取样及对所取试样进行的动力试验,对上述问题进行探讨。     

降雨作用下砂土河道岸坡稳定试验研究

由于砂土特殊的物理力学特性，砂土岸坡的失稳破坏过程与一般黏性土岸坡存在明显差别。以厚层砂土型河道岸坡为对象，研究不同降雨强度和岸坡坡比下的砂土岸坡变形破坏过程。共设计5组室内物理模型试验，每组试验均埋设水分计、微型孔压计、引线式温度计，并利用高精度摄像机记录岸坡变形破坏的全过程。试验结果显示：随含水率增大，非饱和砂土黏聚力呈先增后减的趋势，并具有明显的峰值，内摩擦角呈减小趋势；不同雨强及坡比情况下，砂土岸坡的变形破坏机制不同；短历时降雨会在坡体表层形成饱和区，阻止雨水的入渗，砂土层不同深度水分运移各异，雨水入渗并非单一的垂直入渗；岸坡侵蚀破坏在雨水冲刷、降雨入渗及重力侵蚀的耦合作用下发生。试验能够真实反映复杂工况下砂土岸坡的冲刷特性与坍塌破坏全过程，可为多因素共同作用下岸坡稳定分析理论与方法的建立提供参考。     

粉煤灰模型沙的试验研究

泥沙模型应正确复演原型河道演变特点和规律,模型沙的选择是起关键作用的。为此,通过室内土力学试验、物理化学性能分析、玻璃水槽试验和泥沙模型验证试验结合理论分析等方法,对粉煤灰模型沙进行了试验研究,取得了以下主要成果和结论。(1)采用光学显微镜和电镜观察成果分析了粉煤灰的细观结构和理化特性,明确了d＞0.076 mm的粉煤灰分散性较好;(2)用定量数值对比了粉煤灰干重度及土力学特性变化规律与天然泥沙的差异,阐述了选用凝聚力较低的粉煤灰粒径组作模型沙的机理;(3)粒径为0.027～0.11 mm的粉煤灰模型沙的干重度和起动流速随时间增加有限,不致引起模型沙明显的板结和起动相似偏离;(4)南水北调中线穿黄泥沙模型验证试验表明,粉煤灰模型沙能够较好地满足模型试验要求,模型挟沙水流物理特性和运动规律与原型相似;(5)采取控制干重度使模型沙不发生板结现象的方法,可解决类似模型试验问题。     

液化砂土流态运动模型试验系统的研制及应用

液化后的砂土具有流体的特性，在一定的初始条件下会发生侧向流动。砂土液化流动的模型试验系统包括自制的水平单向震动台、可倾斜的透明模型槽、孔压量测仪、高速摄像监控装置等主要装置。在模型试验中，首先利用水平单向振动台使砂土达到液化，然后将模型槽倾斜一定角度使液化后的砂土产生侧向流动，同时通过摄像监控装置对液化砂土的流滑构型特性进行捕捉，并对砂土地震液化的土体流动速度、流动范围和流动冲击力等流体动力学特性进行试验研究。验证试验表明：该模型试验系统可在较短时间内，有效地激发饱和砂土达到液化状态，并清晰地捕捉到液化砂土在不同坡度下流态化运动的构型特征。该试验系统可用于区域性砂土地震液化流体动力学特性的基础性研究，有助于完善地震液化试验模拟方法，为工程场地抗震设计以及灾后重建选址提供科学试验手段。     

超固结因素影响下桩柱结构地震响应

地震荷载作用下饱和地基的循环加载响应以及动力液化问题成为地震工程研究中的重要课题。为更好研究饱和地基在考虑超固结因素下的影响及其在循环加载下的演化规律, 在下负荷面剑桥模型理论框架下分别通过排水和非排水三轴压缩试验对循环加载下土体的加载响应进行数值模拟研究。在以上研究基础上, 基于ADINA81平台开发负荷面剑桥模型本构关系模块, 建立两相饱和地基下的桩-土耦合体系的动力非线性有限元数值模型, 对不同模型下桩柱结构的地震响应进行了数值模拟对比研究。研究发现在下负荷面剑桥模型下结构的动力响应数值模拟结果介于弹性模型与经典剑桥模型之间, 考虑超固结因素影响后, 地基表现出更好的抗液化特性与更高的承载能力, 能改善结构的动力响应与受力状况。     

密度和围压对粗粒土力学性质的影响

通过4组不同密度的粗粒土大型三轴压缩试验,研究了密度和围压对力学性质的影响。成果表明:对于同一种粗粒土,密度和围压是影响力学性质的重要因素,它们共同决定了粗粒土的应力应变曲线形态。疏松的粗粒土一般表现为应变硬化型和体积压缩,随着围压的增大,应力应变曲线的硬化特征更加明显,体缩变形也增大。密实的粗粒土在低围压下应力应变曲线一般呈软化型,且常常表现出较大的体胀变形;高围压下,则表现出硬化特征和体缩特征。密度相同时,围压越高,粗粒土的抗剪强度也越高;围压一定时,粗粒土的残余强度相同。初始孔隙比小的粗粒土在相同的应力状态下体积变形也较小。密度是决定初始弹性模量的根本因素,而剪切变形过程中弹性模量则是密度和应力状态共同决定的。三轴压缩试验条件下,剪应力引起的体积变形一般是先剪缩后剪胀的,其大小由密度和应力状态决定。     

压缩过程中粗粒土渗透性变化的试验分析

为了研究影响粗粒土渗透系数大小的因素,采用实际工程用砂,通过不同条件下室内渗透试验,分别研究了粗粒土的粒径大小、干容重及相对密实度对渗透系数的影响。结果表明:对于同一粒度成分的粗粒土而言,其渗透系数随干容重的增加而减小,随相对密实度的增加而减小;在粗砂粒范围内,渗透系数随均值粒径的增大而快速增大;在细砾土粒径范围时,渗透系数随均值粒径增大的现象不显著。研究结果表明压缩作用使砂粒土渗透系数的减小较为显著,而对细砾土渗透系数的影响不明显。     

随机地震荷载下黏性土残余应变的半经验计算公式

提出一个新的简化半经验计算公式，用于随机地震荷载作用下黏性土残余应变的计算。新公式放弃了目前将不规则地震荷载转换成一定次数等幅正弦波的方式，而采用直接对不规则动应力波进行逐波累计的计算方法，这样可以得到任意随机地震荷载作用下土残余应变的实际发展过程。新公式首先略去地震波频率特性的影响，将一随机地震应力时程保留其有效幅值，筛选成一系列不同幅值的往返荷载；然后，以增量方法逐波累计计算残余应变。对每一动应力循环，以已有等幅荷载经验计算公式对循环次数的偏导构造残余应变的增量模型，并考虑了动压应力对残余应变增长的控制作用。经计算，对于等幅动荷载作用，新公式与现有公式之间误差很小。对于地震荷载输入，采用动三轴试验与新公式进行对比。对比结果表明，提出的公式可以有效地描述不规则地震荷载下黏性土残余变形的增长过程和最终结果，可反映不同类型地震波作用下、CM和EM试验下以及不同波序下土残余变形的发展和差异。     

木质素固化疏浚土的压缩特性研究

为研究木质素固化疏浚土的压缩性状,对固化疏浚土进行了多组不同配比下的木质素固化土压缩试验。通过室内固结试验以及无侧限抗压试验,研究了木质素固化土以及木质素水泥双掺固化土的压缩性状,探讨了固化材料掺量、龄期等对固化土压缩特性的影响。试验结果表明:木质素固化土的最优掺量为10%,抗压强度可达到8.6 MPa。木质素固化疏浚土与水泥土类似,二者的压缩曲线都有一个明显的结构屈服点。当上部所加荷载未达到结构屈服应力时,固化土的压缩性很小,而当荷载超过结构屈服应力以后固化土的压缩量比未达到结构屈服应力之前增大了3倍。木质素水泥双掺固化土随着二者掺量的增加,抗压强度有显著的提升,25%木质素掺量的固化土水泥掺量从10%增加到30%后土体抗压强度增长了8.9倍,最为明显。研究结果可为实际工程中木质素固化土强度提供数据参考。     

土体结构性数值模拟及应用研究

随着现代地基原位取土技术的发展以及对土体微观结构认识的提高,越来越多的研究认识到未扰动状态下的自然原状土与重塑土相比其力学特性存在显著差异。为研究土体结构性的影响,在剑桥模型基础上考虑超固结与结构性状态变量因素的影响,在上下负荷面剑桥模型理论框架下,通过三轴压缩试验对结构性土的受力响应特性进行了模拟试验研究,对受结构性因素影响下土体的屈服过程、可压缩性、在循环加载作用下超孔隙水压的发展以及相应状态变量演化规律进行了详细对比分析。试验研究结果表明:与重塑土相比,结构性土的加载响应存在明显的屈服软化过程,加载过程中伴随着结构性的破坏表现出更高的可压缩性且更容易导致动力液化的发生。在对土体结构性详细研究的基础上,通过数值模拟桩柱结构在自然地基环境下的地震响应,对结构性因素对结构动力响应的影响进行了研究分析。研究结果表明:由于更高的非线性以及可压缩性特征,自然原状土地基在地震作用下能够引起更高的超孔隙水压,加速土体力学强度的衰减进程,进而表现出更大位移响应以及震后塑性位移,直接影响结构的稳定与安全。研究结论加深了对自然土体结构性的认识,可为高结构性自然原状土地基条件下的结构受力分析与设计提供参考。     

不同正压力下钙质砂颗粒剪切破碎特性分析

钙质砂受力后易产生颗粒破碎,从而使其力学性质发生变化。对取自我国南沙某岛礁的钙质砂样进行了不同正压力下的直剪试验。分析了钙质砂颗粒剪切破碎特性,并就不同试验压力下剪切后钙质砂样的颗粒破碎程度通过筛分试验进行了粒径级配分析。结果表明,在不同正压力下进行直剪试验,钙质砂存在一定的颗粒破碎现象,随着正压力增大,颗粒破碎越来越严重;由于钙质砂颗粒破碎的影响,剪切后钙质砂的颗粒级配性质发生改变,随正压力增大钙质砂由级配良好逐渐变得级配不良。钙质砂直剪试验强度包络线为峰值强度包络线,而非残余强度包络线。钙质砂残余强度的摩擦角数值等于或接近砂的天然休止角。从工程安全角度考虑,选用钙质砂的内摩擦角应等于或接近天然休止角。     

拱坝-坝肩整体动力稳定性的离心模型试验

采用离心模型试验方法研究拱坝-坝肩系统的动力抗滑稳定,以及拱坝在动力荷载作用下的破坏机理。采用以脆性材料制作的模型拱坝进行离心模型动力试验,测定模型拱坝在谐波荷载作用下的动力反应,得到了结构从完整到破坏的全过程,揭示了模型拱坝的动力反应特性和破坏机理。试验结果同时表明,离心模型动力试验对于研究拱坝-坝肩系统的静、动力稳定是一种有效的手段。