为探究饱和红黏土剪切波速特性,制备不同干密度的三轴饱和试样,采用改装三轴弯曲元系统进行红黏土固结不排水三轴试验,分析红黏土试样的剪切波速变化规律,最终建立饱和红黏土的剪切波速评价模型。结果表明:饱和红黏土剪切波速总体上随围压、干密度、有效应力的增大呈增大趋势,随孔隙比的增大呈减小趋势,其中剪切波速与围压、有效应力之间呈幂函数关系;采用4种不同拟合方式(线性、二次多项式、幂函数和指数函数)分析不同干密度饱和红黏土剪切模量与有效应力的相关性,拟合精度依次为幂函数拟合>指数拟合>二项式拟合>线性拟合,从而获得剪切模量与有效应力的量化关系;根据土体剪切波速与剪切模量相关性,以相对密度、孔隙比和有效应力为变量,建立了饱和红黏土剪切波速模型,经检验该模型实测值与计算值较为吻合,可为饱和红黏土有效应力的评价提供评价指标。该模型通过剪切波速能有效反映固结不排水条件下饱和红黏土的应力状态变化,可为红黏土滑坡的监测预警深入研究提供参考。

高压旋喷桩在处理黄土地区帮宽段地基时会产生挤土效应,为满足线路几何形位控制的严格性,需明确高压旋喷桩施工对既有线路的影响。基于某黄土地区实际工程的监测数据,结合圆柱孔扩张理论,研究高压旋喷桩单桩及群桩施工下土体侧向位移变化,分析高压旋喷桩施工阶段既有线沉降变化规律,探究高压旋喷桩施工对既有线服役状态的影响。结果表明:高压旋喷桩施工引起的土体侧向位移沿桩深方向整体呈减小趋势且与周围土体距桩心距离呈负相关;在0~4d₀(d₀为成桩直径)范围内,土体侧向位移随归一化径向距离增加呈明显减小趋势,而后逐渐变化缓慢;高压旋喷桩施工影响范围约为11d₀;隆起量随群桩施工呈现“双峰”型分布,且影响幅值与施工距既有路基的距离呈反比,采用跳桩法施工可减弱对既有线路的影响。研究成果可为类似工程提供思路及建议。

在软土区或岩溶区,存在桩端持力层性质不良或难以入岩等问题,利用端承桩转化为中承桩的思想,提出一种新型非连续变截面的刺桩。通过自行研制的加载装置,开展了不同刺长、刺层数的室内模型试验,探究了刺桩在砂土条件下的抗压承载性状。试验表明:刺桩相比光面桩具有更优异的抗压和抗沉降性能;刺部结构的存在增加了刺土的嵌固作用和桩周土的有效应力,延缓了桩侧阻力软化,扩大了桩周土的影响范围。刺长和刺层数与桩基承载力均呈正相关,相比于刺长,刺层数对单桩极限承载力和桩侧阻力的影响更为敏感。当刺间距为桩长的1/8,刺长为1倍的桩径时,刺桩抗压承载性能最经济。创新性地引入了中承度的概念,量化了刺桩桩刺的中承程度,并提出了刺桩工程设计方法,为后续开展刺桩和其他类似变截面桩的试验和理论研究提供有效方法。

针对深部岩石工程中传统力学试验存在的取芯困难、数据离散性大等问题,提出一种基于循环加卸载压入试验测定岩石弹性模量的方法。通过在单个压点开展循环压入,获取多组载荷-位移曲线,采用Oliver-Pharr理论与Hertz接触模型耦合的方法计算弹性模量,并系统探究最大载荷、加载速率和保载时间对致密砂岩弹性模量测量结果的影响。试验结果表明:较大的压入载荷会导致计算结果偏大;加载速率对结果影响较小,低加载速率有助于降低测试误差;较长的保载时间可使计算结果更平稳。综合分析得出,采用最大载荷50 N、加载速率0.03 mm/min、保载时间10 s的试验条件时,压入弹性模量与单轴压缩基准值误差最小,数据稳定性最佳。与传统压痕试验相比,该方法试验流程简便高效,数据获取丰富,曲线平滑稳定,准确率更高,无需完整岩芯,可利用钻井岩屑快速测试,为深部岩石工程设计和施工提供准确的岩石力学参数,具有较高的工程应用价值。

在核废料深地处置和垃圾填埋场工程中,作为缓冲和防渗层的压实膨润土与地下水盐溶液及垃圾渗滤液相互作用可诱发膨润土层间阳离子发生改变,进而导致其膨胀性和密封性能演变。为了分析层间阳离子对压实膨润土宏观膨胀特性的影响规律和机制,对不同阳离子基膨润土开展膨胀变形和膨胀力试验,并进行X射线衍射和扫描电镜观测。膨胀试验结果表明:不同阳离子基膨润土的膨胀力呈现出Mg基土>Ca基土>Na基土>K基土的规律,而膨胀变形则表现为Na基土>K基土>Ca基土≈Mg基土;不同阳离子基膨润土的膨胀力与膨胀应变的发展速率与浸水时间之间呈现良好的线性变化规律。在体积受限的膨胀力试验中,Ca基与Mg基膨润土的层间膨胀(层间距)更大,而在无约束的膨胀变形过程,Na基膨润土的渗透膨胀更强烈。层间阳离子的水化能及其与晶层间的相互作用控制着压实膨润土吸水膨胀过程中微观结构演变和宏观膨胀势的显现。试验研究结果可为相关工程设计及安全评估提供参考。

北天山海西中期花岗岩蚀变普遍发育,其深部区域蚀变主要受热液交代与构造动力双重作用控制,传统量化分级方法因其局限性导致等级划分过于粗放、各等级间岩石劣化差异较大。通过薄片鉴定、XRD、XRF的全岩分析,提出了基于精细化修正CaO组分的蚀变分级指数AIG,探讨了花岗岩蚀变机理及其化学分级标准。经对比校验,AIG指数与CIA、CIW的总体相关性相较于次优指数WIG分别提升了65%和160%,蚀变量化灵敏度相对于CIA提升了50%。全岩分析表明,区内蚀变类型主要为低温热液蚀变,构造动力蚀变弱,蚀变产物主要为绿泥石与黏土矿物,分别造成K和Mg的富集与Na和Ca的流失。在此基础上构建了基于AIG指数与岩石蚀变特征的5级蚀变分级标准,从而对蚀变花岗岩进行量化评价。

南方某水封石油洞库工程,在开挖阶段遭遇了严重的涌水问题,给注浆施工带来了极大的挑战。目前,单一裂隙动态水流条件下的注浆扩散机理尚不明确。为了解决这一难题,采用有限元方法开展了裂隙开度、注浆压力、动水流速和裂隙边界范围等因素对浆液扩散演进机制的影响研究。结果表明:①裂隙倾角增大对浆液扩散具有抑制作用;②浆液扩散达到稳定状态所需的时间会随着边界范围的增大而增加,随着注浆压力的增大而减小;③浆液的扩散距离与边界范围和动水流速成反比,与裂隙开度和注浆压力成正比,且4种因素对浆液在裂隙中封堵效率影响权重从大到小依次为:裂隙开度>动水流速>注浆压力>边界范围。此结果为该地区水封洞库注浆工程提供有效的指导依据。

为了探究超大直径双圆顶管施工对地下管线沉降变形的影响,以深圳市铁岗-石岩水库水质保障工程为依托,基于修正Peck公式,采用数值模拟和现场监测结合的方法,通过改变管线埋深、材质、管径、顶管净间距及管线空间位置,采用变量归一化方法分析各因素对管线影响程度,并评价其安全性能。结果表明:顶管选择垂直下穿较为合理,改变管线埋深、材质、管径参数时,位移场最终均呈现“V”形,当两顶管净间距增大至1.5倍顶管管径时,位移场开始呈现“W”形,管线变形范围增大。经过敏感度分析,对管线沉降变形影响最大的是两顶管净间距,最小的是管线管径,敏感度分别为0.54、0.06。通过转角允许值对污水管线安全性能进行评价,根据现场监测值计算得到污水管线接头转角0.54°,在控制标准范围内,保证双圆顶管施工过程中管线不会因不均匀沉降而被破坏。研究成果可为类似大直径顶管下穿管线工程提供参考。

为探究多种固化剂和不同龄期条件下淤泥地基强度的变化规律,以木钙(LA)、三乙醇胺(TEA)、碱激发硅酸钠(AS)作为固化剂分别对淤泥进行固化试验。以试块抗压强度为指标,发现一定配比下单掺LA、TEA及AS可作为固化剂增强水泥土固化强度。选定3组固化剂的优选掺量进行三掺固化试验,发现单掺AS固化效果优于其他组及三掺试验组。同时运用扫描电镜(SEM)分析其固化机理,并采用ArcGIS将未加固土、加固土的SEM图像处理成三维图像后,计算分析土样孔隙率和颗粒分形维数。当水泥掺量为18%、AS掺量为0.9%时加固土抗压强度达到最大(2.39 MPa),此时试样孔隙率最低为27.27%,颗粒分形维数最大为1.853 5;试样孔隙率和抗压强度呈非线性递减关系,试样颗粒分形维数和抗压强度呈非线性递增关系。当施工现场不具备提供标准试样的条件时,可采用颗粒分形维数初步推断试样抗压强度的大小。

天然岩石由众多大小不均的造岩矿物组成,造岩矿物对微波破岩效果有着重要的影响。为探究矿物粒径分布特征对岩石可照射性的影响规律,选取典型花岗岩样本,量化其矿物粒径的非均匀性指标,通过室内试验考察了粒径分布特征对岩石热响应、裂隙发育、力学性能及纵波传播特性的作用规律。为深入分析粒径分布特征的影响机理,运用多物理场COMSOL分析平台建立数值分析模型,分析微波照射后试样应力场、温度场以及塑性区分布规律与演化发展规律。结果表明:岩石矿物组分的不均匀程度会显著改变岩石内部温度梯度分布,非均匀性越强则表面温升效应越突出,但持续辐照会使升温速率呈现衰减趋势。当矿物粒径分布的非均匀性指标增大时,微波作用诱导的新生裂隙数量显著增加,P波波速降幅增大,试样强度折损率也增高,微波辐照岩石弱化效果更明显;不均匀系数越大的岩石,产生临界应力区面积和塑性区面积占比越多;塑性区率先出现于钾长石与石英的交界处。研究成果有助于阐明矿物颗粒尺寸非均匀分布对微波辐照效应的作用机制。

玻璃钢(GFRP)螺旋锚作为一种新型支护锚杆,具有施工简单、轻质高强、耐腐经济等优点,但目前关于其抗拔性状及抗拔承载力的计算仍不明确。为分析GFRP螺旋锚在拉拔过程中的破坏形态并确定其抗拔承载力,首先采用有限元数值模拟方法,研究不同锚板埋深对锚固土体破坏面形态的影响及演化规律。在此基础上,提出了GFRP螺旋锚锚固土体的统一破坏面形态,进而分别推导了不同锚板埋深下抗拔承载力的计算公式,公式中的参数均有明确的物理意义,反映了GFRP螺旋锚的埋深比(H/D,H为锚板埋深、D为锚板直径)、土体的密实度、内摩擦角等因素的影响。结果表明: ①随着锚板埋深从浅埋逐渐增大到深埋,破坏面形态经历了从“喇叭口”状转向“高脚杯”状,最终形成封闭“灯泡”状的演化过程,但难以得到锚板“浅埋”与“深埋”的明确界限;②利用数值模拟数据和试验数据,验证了本文所提出的抗拔承载力计算公式的合理性和准确性。

为了探究冻融环境对瓜尔胶改良黄土强度的影响,通过开展直剪试验、无侧限抗压试验、巴西劈裂试验以及弯曲元小应变试验,探讨了瓜尔胶改良黄土在冻融前后的强度衰减和劣化规律。结果表明: 在经历冻融循环后,瓜尔胶改良黄土的抗拉强度、单轴抗压强度、抗剪强度均降低,但仍大于经历冻融循环后的素黄土;冻融循环后瓜尔胶改良黄土的强度衰减受含水率和瓜尔胶掺量两者耦合影响,两者相比,含水率的影响更显著;借助微观手段发现瓜尔胶通过与水分子结合形成丝状胶结物连接土颗粒,故推测在冻融循环中,上述胶结物与黄土颗粒同时损伤,是造成瓜尔胶改良黄土强度衰减比素黄土更明显的主要原因;采用弯曲元测试了冻融循环前后瓜尔胶改良黄土的剪切波速,分别建立了剪切波速与黄土抗压和抗拉强度的函数关系式,发现其与单轴抗压强度有良好的相关性。研究成果系统揭示了冻融作用对瓜尔胶固土技术的影响,提出了用波速评估改良黄土的强度劣化规律的新方法,为我国西北黄土地区固土技术的应用提供了参考依据。

在电渗排水过程中,黏土中的可溶性盐在电场作用下发生迁移。为研究电渗过程中可溶性盐的时空分布及其对排水效率的影响,开展了电导率试验,利用土体电导率建立了含盐量的计算公式。在一维电渗固结试验中,监测了分区电压、电导率、排水量和电流,反演了土体含盐量的变化及离子迁移趋势。试验结果表明,电导率受含盐量与含水量的共同影响,且含盐量的影响更为显著。电渗过程中,阳极区域含盐量变化较小,中间区域先上升后下降,阴极区域则快速下降,电渗结束时含盐量从阳极到阴极依次递减。电渗排水法不仅能加速黏土的排水固结,还能有效排除土中的可溶性盐,减少高含盐量对后续施工的影响,为处理高含盐土体提供了新思路。

颗粒形状对强度和变形具有显著的影响,但影响规律尚不清楚。利用高强度的α-半水石膏粉制备类岩石颗粒,采用中压三轴仪固结排水试验,结合布拉斯谢克形状参数,研究形状系数对土石混合料的力学特性的影响规律,揭示颗粒形状对土石混合料力学特性的影响机制。结果表明,随着颗粒形状系数Y的增大,试样的峰值偏应力逐渐增大,后趋于平稳。随着试样中颗粒形状系数Y的增大,内摩擦角和初始抗剪角φ₀逐渐减小,黏聚力随之增大,抗剪角增量Δφ先减小后增大。形状系数通过改变骨架颗粒的应力传递路径,促使大粒径颗粒优先破碎。当Y从0.63增至0.73时,破坏模式由边缘破损向局部破裂、最终向完全碎裂转变。椭球状颗粒(Y≥0.69)因长轴端部应力集中,破碎集中于剪切带区域,形成局部断裂;而近球形颗粒因应力均匀分布,呈现表面剥落。揭示土石混合料形状对力学特性的影响机理,可为土石混合料路基沉降的预测与设计提供科学依据。

为了解决地下水模型反演的高耗时问题,提出了一种可快速识别非稳态渗透系数的耦合反演算法。该算法将参数反演过程与降阶模型训练相耦合,用降阶模型替代原始模型从而减少总反演耗时。为了使降阶模型能准确捕捉原始模型在时域上的响应特征,采用均匀策略法对时间步快照进行采集。基于耦合反演算法的特点,通过计算最优参数对应的降阶解在时域内各节点的相对误差,以最大误差值小于预设阈值为迭代终止条件。以一个二维抽水井模型为例,将该方法与基于原始模型的反演方法进行了对比。结果表明: 在取得相当的反演精度的前提下,该方法可节省约95.38%的计算耗时。此外,在不同观测误差、网格密度及反演维数条件下,该方法的反演结果与原始模型一致,而计算耗时均小于原始模型的5%,且对“维数诅咒”问题具有更强的鲁棒性。因此,该方法显著提升了参数反演的计算效率,具有良好的工程应用前景。

工程中难以获取粗粒土不同密实度条件下的原状样,而相对密度是影响粗粒土卸载-再加载模量的重要因素。因此利用原位试验判别粗粒土相对密度,进而预测不同密实度条件下卸载-再加载模量具有重要意义。研究针对0.40、0.55、0.70、0.85这4种相对密度粗粒土,分别进行了重型动力触探模型试验和大直径三轴试验。分析了动力触探指标、卸载-再加载模量随密实度变化的特性,并建立了动力触探指标和相对密度,以及相对密度和卸载-再加载模量的关系。在此基础上,以相对密度为中间变量,建立了基于动力触探指标直接预测粗粒土卸载-再加载模量的模型,定量描述了动力触探指标与粗粒土卸载-再加载模量的关系。并结合现场试验及相关文献数据验证了模型的正确性和适用性。研究成果可为粗粒土地基工程变形特性分析提供参考。

反粒序堆积体在降雨条件下易引发地质灾害,为深入了解反粒序堆积体渗流特性及致灾机理,以塔合曼堆积体为研究对象进行室内渗流试验,研究了在不同细颗粒含量、干密度、入渗水头条件下各堆积层渗透性的变化规律以及细颗粒的迁移特征。结果表明:细颗粒含量、干密度、入渗水头等因素对上层岩土体渗透性的变化影响最大,其次是中层岩土体,对下层岩土体渗透性的变化影响最小。细颗粒含量越高,上层及中层岩土体中细颗粒越容易发生积聚与沉积,导致土体的渗透性下降;入渗水头不同时,上层岩土体的渗透性出现上升或下降2种不同的变化,而中层及下层岩土体的渗透性都呈现下降的趋势;不同因素影响下,下层岩土体的渗透性都呈现下降的趋势。细微颗粒(<0.075 mm)在中、上层岩土体内有明显的迁移流失、沉积过程,岩土层的位置越靠下,能够截留住细微颗粒的粒径就越小。

在复杂应力状态下岩石具有非线性强度特征,在剪切破坏过程中存在应力跌落现象并保留部分的残余强度。为了探究炭质页岩力学特性,开展了炭质页岩的常规三轴压缩试验,并基于连续介质损伤力学方法建立新的岩石损伤模型来描述其应力-应变曲线。该模型首先采用非线性的指数强度准则描述岩石的微元强度,考虑岩石材质的非均匀性,假定微元强度服从Weibull统计分布规律,并将其累积破坏比例视作岩石的损伤量。随后,根据修正Lemaitre应变等价性假设得到考虑应力跌落效应的全应力-应变关系,并采用极值法来确定模型的主要材料参数。最后,采用多种岩石的常规三轴压缩试验结果来验证该模型的有效性。结果表明:建立的岩石损伤模型能够准确地描述岩石试样在不同围压下的全应力-应变关系,在峰后变形阶段,受应力跌落效应影响,岩样的剪切强度会快速下降并最终趋近于其残余强度,此时岩样发生完全损伤破坏;指数强度准则普遍适用于不同类型的岩石材料,但其峰值强度对应轴向应变和残余强度与围压之间则近似满足线性关系。建立的岩石指数型损伤模型具有良好的理论应用前景。

加筋土复合体凭借优异的承载性能已被广泛应用于承重式加筋土桥台中。为了进一步研究加筋土复合体的极限承载性能,设计并开展了9组土工织物加筋土复合体平面应变试验,探究了不同填料级配和加筋间距对加筋土复合体的极限承载性能的影响。试验结果表明:与不加筋相比,加筋可以显著提高加筋土复合体的极限承载力,且加筋间距越小,加筋土复合体的极限承载力越大,同时也表现出更大的刚度;在加筋间距相同,且填料粒径介于1~8 mm范围内时,填料级配对加筋土复合体极限承载力的影响很小,但对加筋土复合体刚度有一定影响。此外,现有加筋土复合体的承载力计算方法严重低估了复合体承载力,当填料级配不满足FHWA推荐值时,不宜直接采用该计算方法评估加筋土复合体承载力。研究成果为较小粒径填料在工程建设中的应用提供了参考。

土的阻尼比是地基土体动力响应特性中的重要参数之一。为了探究杭州湾松散粉细砂在脱水路径下的阻尼比演化特性,基于自主改进的非饱和土共振柱,开展不同饱和度下的小应变动力特性试验,探讨了不同应力状态下阻尼比随饱和度的变化规律。结果表明:粉细砂土在饱和度相同条件下,净应力越大,阻尼比越小;随着饱和度的降低,初始饱和粉细砂的阻尼比基本不变;随后迅速衰减,在最优饱和度S_ropt处达到最小值;当饱和度低于最优饱和度后,阻尼比呈现略微增加趋势;依据土-水特征曲线(SWCC)和内部孔隙水形态的演化,可将阻尼比随饱和度的变化分为边界效应阶段、过渡阶段和残余饱和阶段这3个阶段。研究成果有助于揭示饱和度对粉细砂阻尼比的影响机理。