粉质砂土的土-水特征及一维应力变形试验研究

浅层非饱和土的力学特性与其土-水特征密切相关,研究自重应力作用下土体的土-水特征曲线及一维应力变形对于边坡、基坑等工程的稳定性分析具有重要意义。采用应力相关的压力板仪对西南某地区的粉质砂土进行了干燥试验及k₀固结试验。结果表明:在较低的竖向应力状态下,应力大小变化对粉质砂土的土-水特征曲线影响不大;在一定的净竖向应力状态下,粉质砂土的体积应变随吸力的增加呈线性增大;在一定的吸力状态下,粉质砂土的k₀固结变形是非线弹性的,净竖向应力越大,土体的体积应变越大,孔隙比越小。     

基于三参数强度准则的煤矿立井井壁 流固耦合理论分析

将煤矿立井混凝土井壁视为多孔介质,考虑地下水渗流作用的影响,应用三参数强度准则和弹塑性力学理论,推导出了立井混凝土井壁弹性区和塑性区应力的解析表达式,以及井壁承受的地下水压力P₀与塑性区半径r_p之间的解析表达式。计算结果表明当不考虑渗流作用时,井壁的极限承载力最大,井壁的环向压应力σ_θ是混凝土立方体单轴抗压强度的2.7倍左右;考虑渗流作用时,井壁所能承受的极限水压力P_c随混凝土孔隙率β增加而逐渐减小,当β=0.2时,井壁的环向压应力σ_θ是混凝土单轴抗压强度的2.4倍左右,故渗流作用对井壁应力分布影响很大;随着地下水压力的增大,处于弹性区的井壁混凝土径向压应力σ_r和环向压应力σ_θ逐渐增加,而当地下水压力增加,达到塑性半径所对应的极限荷载后,该位置的井壁混凝土径向和环向应力则保持不变。该成果为立井井壁结构设计提供了一定的理论参考。     

混凝土试件四点加载剪切断裂试验研究

有关混凝土Ⅱ型断裂的试验研究是混凝土断裂问题中的热点和难点问题。通过6组24个四点剪切试件对裂缝的剪切扩展过程以及断裂韧度K_Ⅱc进行试验研究,由试件的荷载-应变(P-ε)曲线、荷载-时间(P-t)曲线和荷载-裂缝尖端滑移位移(P-CTSD)曲线,确定试件的破坏荷载、裂缝尖端混凝土应变以及裂尖滑移位移。试验中可见,试件裂缝扩展方向并不平行于剪力方向,而是从裂缝尖端扩展至近加载点附近,表现为倾斜裂缝。试验结果表明,混凝土试件的Ⅱ型断裂韧度K_Ⅱc变化范围为0.5～1.1(MPa·m^0.5)。K_Ⅱc随近加载点与预制缝之间的距离减小而增大;K_Ⅱc随初始缝高比的增大而增大。经分析可知,试验过程中形成加载的高窄剪力区容易引起混凝土的剪切断裂。     

塑性混凝土相对弹性变形特性试验研究

为了探讨塑性混凝土应力-应变曲线直线段P₁和P₂的取值范围,从而得出弹性模量的取值,通过对4组不同混凝土配合比的48个试件,进行了单轴抗压强度试验。通过试验绘制了典型应力-应变曲线,选取了曲线的近似直线段,进而分析割线模量和计算区间内切线模量均值的相近程度,并对直线段弹性模量计算公式中如何对P₁和P₂取值进行了研究。试验结果表明:塑性混凝土应力-应变曲线上升段存在近似直线段;塑性混凝土的强度＜5MPa时,选取60％和80％峰值应力作为弹性模量计算公式中P₁和P₂的值比较符合塑性混凝土的实际情况;反之,则需要更进一步的研究。试验研究成果为解决低强度塑性混凝土材料性能取值难问题提供了一种较好的方法。     

小塘水电站闸坝及桩基础的变形特性研究

桩基础是砂卵石地基闸坝的主要承载方式,闸坝及桩基础的变形特性直接影响到工程的安全性。结合小塘水电站闸坝工程,采用D-P非线性弹塑性本构模型及三维有限元法分析了典型工况下闸坝及桩基础的三维应力场和位移场,分析了结构的稳定性,揭示了闸坝区应力分布情况及变形规律。研究结果表明:运行工况下的闸室结构和灌注桩的位移值和应力水平比完建工况下的位移明显增大;在完建工况和运行工况下,闸室结构和地基的大部分区域处于压应力状态,且处于弹性状态;从应力水平、位移量值及塑性屈服区分布情况表明,小塘水电站闸室及灌注桩整体结构是稳定的。但在闸室的底部、灌注桩的两端部位存在一定的应力集中现象,建议进行适当的加固处理。研究成果可供类似工程参考。     

灌注桩钻孔塌孔实测及孔壁稳定性评价

以沿海地区某大型工程钻孔灌注桩地基处理为背景,在典型区域灌注桩成孔质量实测的基础上,提出了一种新的孔壁稳定或坍塌程度评价参数——塌孔率,建立了塌孔孔径划分标准和坍塌体积计算模型,对塌孔体积与砂层厚度、钻孔深度的相关性进行了回归分析。对塌孔率与砂层平均标贯数、砂土不均匀系数及砂土平均粒径的相关性进行了回归分析。研究结果表明:砂土层是灌注桩钻孔时孔壁稳定的关键;用塌孔率来评价孔壁稳定和坍塌程度是可行且适用的;塌孔体积与砂层厚度、钻孔深度密切相关;砂层平均标贯数、砂土不均匀系数及砂土平均粒径是灌注桩施工孔壁稳定性及塌孔风险评价的重要指标。     

Cu2+污染红黏土抗剪强度与电阻率关系研究

为了探索快速评价重金属污染红黏土强度特性的新型手段,在室内开展不同浓度、不同干密度的Cu²⁺污染红黏土的直剪试验及其电阻同步测试试验,得到土体剪应力、电阻率-剪切位移同步变化曲线;分析初始干密度、垂直压力、Cu²⁺浓度对抗剪强度、电阻率的影响;依照抗剪强度指标(C、φ)原理选取电阻率指标(ρ₀、φ₀),并分析Cu²⁺浓度对抗剪强度指标(C、φ)、电阻率指标(ρ₀、φ₀)的影响;以Cu²⁺浓度为中间变量,进一步探讨抗剪强度与破坏电阻率、抗剪强度指标(C、φ)与电阻率指标(ρ₀、φ₀)之间的定量关系。试验结果表明:Cu²⁺污染红黏土剪应力-位移曲线呈典型的应变硬化型,电阻率随剪切位移的增大而减小;抗剪强度随初始干密度、垂直压力的增大近似线性增大,而电阻率随初始干密度、垂直压力的增大近似线性减小;抗剪强度及其指标(C、φ)、电阻率及其指标(ρ₀、φ₀)与Cu²⁺浓度间均呈负指数函数关系;抗剪强度与破坏电阻率、黏聚力与初始电阻率、内摩擦角与电阻率关系曲线倾角间的变化趋势一致,均呈现出较好的指数函数关系,可用于快速评价Cu²⁺污染红黏土强度特性变化。     

基于正交试验法的埋地钢管参数敏感性分析

埋地钢管在设计时需考虑管周土体和沟槽对钢管的影响,但土体力学参数和沟槽形态参数对钢管结构的影响研究不够深入。通过引入正交试验法,以钢管最大竖向变形和钢管顶、腰、底处环向弯曲应力为试验指标,进行回填土变形模量E₁、砂垫层变形模量E₂、垫层包角θ、沟槽底部开挖宽度B和沟槽侧壁倾角α关于试验指标的敏感性分析。研究表明:对钢管变形和应力敏感性较高的因素有E₁、E₂、α;B的敏感性较低;θ的敏感性最低。埋地钢管的土体变形模量高、沟槽窄对钢管结构有利,沟槽侧壁倾角影响较为复杂,需结合具体工程进行分析。研究成果可为合理选取埋地钢管的结构设计参数,提供一定的参考依据,同时也为类似问题提供一种分析思路。     

锦屏二级水电站地下洞室开挖围岩卸荷效应分析及工程应用

根据工程地质条件,基于卸荷岩体理论对锦屏二级水电站地下洞室进行开挖数值模拟计算,以桩号厂右0+000.0剖面为主要研究对象,结合变形监测资料进行卸荷区的划分,分析围岩在开挖、卸荷、加固各工况下的塑性区演化过程。数值计算结果表明,监测点的监测位移与计算位移吻合情况较好。以主厂房第二步开挖全过程为例,可知开挖工况下围岩强卸荷区出现的塑性区在卸荷工况下进一步扩大,而在锚索加固完成后,塑性区基本消失。这说明强弱卸荷区的划分较为合理,建立的模型适当,设计锚固方案有效可行。     

软土变形指标与初始孔隙率的相关性分析

根据上海地区不同土层软土的一维和等向固结试验,得到一维固结下压缩指数C_c和回弹指数C_s与修正剑桥模型参数λ和κ之间的关系。鉴于室内试验耗时过长,而通过土样的基本物理指标(天然含水率w_n、孔隙比e₀、液限w_L和塑性指数I_p)来推算压缩指数和回弹指数是一个快捷有效的方式,对比发现土的变形指标与基本物理指标间存在一定的相关性。结果表明:C_c/n₀与C_c,C′_s/n₀与三轴试验各向同性固结下得到的C′_s之间存在较好的线性关系,并给出了对应的关系式。由此,上海地区软土的变形指标可通过初始孔隙率来估算。在已有试验数据的基础上,总结分析我国沿海多个地区(广州、天津、深圳、温州、福州等)压缩指数试验数据,发现沿海地区软土压缩指数与初始孔隙率之间均存在较好的线性关系,并给出了对应的关系式。     

地下连续墙与止水帷幕共同作用下富水砂层深基坑变形性状

研究富水砂层地下连续墙深基坑变形特性对深基坑工程实践具有重要指导意义。以某车站地下连续墙深基坑工程为依托,通过数值模拟和现场实测方法研究降水渗流作用下富水砂层地下连续墙深基坑施工变形性状及其影响因素。研究结果表明:地下连续墙水平位移曲线分布随开挖深度加深由“斜线”形—“弓”形—倒“V”形演变,墙体最大水平位移U_x,max及其位置深度H_x,max与开挖深度h_e符合线性关系,最大水平位移约为(0.048%～0.082%)h_e,其深度位置约为(0.60～1.20)h_e;地表竖向位移曲线分布沿横向水平距离呈凹槽形,沉降槽随开挖深度增加而变宽、加深,沉降变形显著影响区为(1.0~1.5)h_e,距坑边(1/3~1/2)h_e处地表沉降最大;考虑地下连续墙与止水帷幕共同作用的富水砂层深基坑变形与实测结果更为吻合,且帷幕隔水和挡土作用对基坑变形影响显著;地下水位上升、砂层厚度加深均引起墙体水平位移和地表竖向位移增大,当风化砂岩层渗透系数较大时,渗透系数增加对坑外地表竖向位移的影响较墙体水平位移显著,合理的止水帷幕深度及间距参数有利于控制基坑变形和保持稳定性。     

倾斜挡墙黏性填土非极限主动土压力计算

朗肯理论局限于求解墙背铅直且光滑,墙后填土位移达到极限状态的土压力,因而开展倾斜粗糙墙背的非极限主动土压力的理论研究具有重大意义。将墙后黏性填土滑裂体分为弹性区和塑性区两部分,并基于非极限状态下的虚功原理,建立了能量守恒方程,推导了张拉裂缝深度及潜在滑裂面的解析式。在此基础上,考虑了土拱效应,并通过摩尔应力圆,得到了水平应力、竖向应力的表达式,由水平层分析法建立受力平衡方程,推求了倾斜挡墙黏性填土非极限主动土压力分布、合力大小、合力作用点深度的理论表达式。当满足朗肯假设时,朗肯裂缝深度、滑裂面倾角、合力值为其特解。由两例模型试验验证了公式的合理性。研究表明:张拉裂缝深度与填土内摩擦角φ_m、填土黏聚力c_m、墙土摩擦角δ_m、墙土黏聚力c_wm、墙体位移比η呈正相关,与墙背倾角ε呈负相关。潜在滑裂面倾角大小与c_m无关,随ε、φ_m、η的增大而增大,而δ_m、c_m对其影响则相反。墙背光滑时,土压力近似呈线性分布,合力作用点深度与朗肯解接近;墙背粗糙时,土压力则呈凸曲线分布,上部本文解大于朗肯解,下部反之,其大小随η、φ_m、c_m的增加而减小,峰值随ε的减小而有所提高,c_wm对其影响甚微,合力作用点深度仅在俯斜式挡墙发生较大位移时才可能低于朗肯解。     

三排管非均质冻结壁弹塑性分析

为了分析深厚冲积层三排管冻结壁的力学特性,根据冻土弹性模量E、黏聚力c与冻结温度之间的函数关系以及三排管冻结壁的梯形-抛物弓等效温度场模型,将冻结壁视为材料性质沿着径向呈分段函数变化规律的厚壁圆筒,推导出了三排管非均质冻结壁的弹性区与塑性区应力的解析表达式,并给出了冻结壁承载力与塑性区相对半径之间的关系。根据淮南某矿区冻土的力学参数,利用提出的三排管非均质冻结壁计算方法对该矿区进风井冻结壁进行了力学特性分析,计算结果表明:三排管非均质冻结壁的径向应力随着相对半径r的增大而增加,而环向应力在冻结区间Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ呈现不同的变化规律。对比分析三排管均质与非均质冻结壁的承载力计算结果可知,利用均质冻结壁计算方法得出的弹性极限承载力计算结果偏大,因此基于该结果的冻结壁设计方法存在一定的风险性,而非均质冻结壁的计算结果更加符合冻结壁实际的受力情况。研究成果可为深厚冲积层多排管冻结壁的设计提供一定的理论参考。     

两种距径比下微型组合抗滑桩物理模型试验

通过开展2种距径比下微型组合抗滑桩加固碎石土滑坡室内物理模型试验,分析微型组合抗滑桩的受力变形特点,研究距径比对微型组合抗滑桩整体抗滑性能的影响。试验结果表明①微型组合抗滑桩结构受力变形可分为3个阶段(无变形阶段—阶段—性破坏阶段);②桩顶位移超过总桩长的3.6%,微型组合抗滑桩就进入塑性破坏阶段;③桩顶连系梁有效约束了桩体位移,使得微型组合抗滑桩各排桩在位于滑面以上约l₂/8处(l₂为自由段长度)出现反弯点,且滑面以上l₂/5、以下l₁/10(l₁为嵌固段长度)范围内的桩身弯矩较大,且最大弯矩位于滑面以上l₂/20处;④距径比较小(即7.5)时,微型组合抗滑桩对桩间土体的“楔紧”作用较强,抗滑桩能承受更大的滑坡推力作用。     

基于HI应变计的首次断裂带岩体地应力监测

采用空心包体(HI)应变计进行了首次断裂带岩体应力监测试验。在深埋隧洞施工开挖期,选择合适部位进行了大直径钻孔,利用对中装置、采用水泥净浆灌浆方式将HI应变计埋设在钻孔孔深24 m部位,建立了基于惠斯通电桥半桥测量的云监测系统。确定了只采用水泥净浆和HI材料弹性参数进行修正系数计算,通过分析监测数据规律确定应变计算初始时间后进行了三维应力增量计算。结果显示:以2021年9月16日为初始计算日期、在时段4和时段5期间的应力增量计算结果的第一主应力(σ₁)的范围为10.3~15.0 MPa,方向为缓倾角W向;第二主应力(σ₂)的范围为3.1~4.6 MPa,方向为陡倾角NEE至SEE向;第三主应力(σ₃)的变动范围为0.2~1.8 MPa,方向为缓倾角近S向;最大水平主应力(σ_H)和最小水平主应力(σ_h)分量的变动范围分别为10.1~13.9 MPa和0.2~1.8 MPa,最大水平主应力方向(α_H)为近EW向。结果讨论显示:通过监测数据规律分析确定的计算初始时间更具合理性;HI应变计应力监测受多因素影响,包括开挖应力扰动影响和一次监测洞段的应力和变形调整影响;本试验所得最大水平主应力量级及其方向与已有地应力试验结果接近,监测结果反映龙蟠-乔后断裂带的应力场特征。