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2017年 39卷 1期 刊出日期 2017-01-25

黄文熙讲座
论文
短文
 
黄文熙讲座
1 大气-植被-土体相互作用:理论与机理
吴宏伟
植物是天然的工程师,拥有防止浅层滑坡和地表侵蚀的潜能,并具备低投入、易养护、绿色环保和生态平衡等优点。目前国内外的研究和工程实践大多只考虑植物根系的力学加筋作用,而忽略了更为重要的水力作用。植物蒸腾能增加土体吸力,从而降低土体渗透系数且增加抗剪强度,所以能提高边坡稳定性和防止地表侵蚀。笔者的跨学科研究团队结合高等非饱和土力学理论和植物特征,从根本上研究了大气-植被-土体的相互作用机理;提出了新的理论模型,可预测植被土的持水能力;构建了考虑植物根系形状影响的地下水渗流与地表径流耦合运移的新模型;推导了计算植被边坡吸力分布与稳定性安全系数的解析解,引入了指数形、三角形、均布形和椭圆形4种典型的根系形状;并自主研发了用于离心机模型试验的人造根,能够模拟不同形状的植物根系的水力作用和力学加筋作用,并利用其揭示了根系形状对边坡的变形与破坏机理的影响。为保证研究的基础性和实用性,选取了百慕大草和鸭脚木树两种代表性植物,并考虑了种植间距与真菌等因素的影响。主要研究结果揭示:①植物在干燥与降雨条件下均能明显提高土体吸力,提高边坡稳定性;②植物引起的土体吸力可以用叶片面积指数和根表面积系数等植物特征参数量化,并且鸭脚木树的叶片面积指数和根表面积系数之间存在着线性关系;③真菌能显著提高植物根系的抗拉强度,加强植物的力学加筋作用;④所研究的4种根系形状中,指数形根最有利于提高边坡稳定性。上述研究包括室内试验、现场监测、离心机试验和理论建模等方面,建立了一套科学合理的理论框架与测试方法,并为植物护坡的工程实践和“海绵城市”的建设提供科学依据。
2017 Vol. 39 (1): 1-47 [摘要] ( 881 ) [HTML 1KB] [PDF 12313KB] ( 1601 )
论文
48 堆石料的湿化变形模型
迟世春, 周雄雄
堆石料的湿化变形严重影响心墙堆石坝初蓄水时的安全。通过分析堆石料单线法湿化试验数据发现,堆石料的湿化应力水平与湿化轴向应变成双曲线关系,但也有学者认为是指数函数关系,通过比较发现双曲线关系表述更佳。分析大量单线法试验数据发现,湿化过程中体积应变增量与轴向应变增量的比值保持不变。由此并根据非线性弹性理论,提出了一个堆石料的湿化本构模型,给出了湿化割线模量与湿化泊松比的表达式。与改进的沈珠江湿化模型比较,该湿化模型与试验数据拟合的更好。研究显示,采用传统Prandtl-Reuss流动法则计算得到的湿化应变在高湿化应力水平下偏小。
2017 Vol. 39 (1): 48-55 [摘要] ( 512 ) [HTML 1KB] [PDF 848KB] ( 317 )
56 工程缺陷防控冲击地压机理及应用
潘立友, 魏辉, 陈理强, 段大勇, 刘宏军
在对冲击地压显现全面调研的基础上,分析了冲击地压的防控现状与发展趋势,提出了高应力与高能量冲击地压的工程缺陷防控方法。针对冲击地压煤层的工程特性,进行了缺陷的定义与分类,详尽地论述了工程缺陷对冲击地压防控的力学机制;分析了含有缺陷介质体的冲击危险煤层应力分布特征,并结合实例详细阐述了工程缺陷防控冲击地压的机理及具体应用情况,对缺陷体的能量释放范围和程度进行了数值模拟验证,在深部与强冲击能量区域冲击地压治理方面获得了一定的成效。
2017 Vol. 39 (1): 56-61 [摘要] ( 272 ) [HTML 1KB] [PDF 563KB] ( 236 )
62 三维离散元大尺度模拟中变粒径方法的优化及其应用
邓益兵, 杨彦骋, 史旦达, 刘文白
在已有的变粒径建模方法基础上,针对不同粒径区宏观弹性不一致和界面区大小颗粒互相渗入两个问题进行优化。通过在近场核心区域采用小粒径颗粒模拟真实土颗粒,远场边界区域逐级放大颗粒粒径,不同粒径之间采用相同密实度的混合粒径模拟,实现三维大尺度离散元模拟,以减少模拟颗粒数量提升运算速度。基于宏观弹性一致条件,建立静力条件下几何上等比例放大颗粒体系的颗粒材料参数尺度关系,并满足应力、应变和应变能一致性,通过三轴模拟验证了宏观弹性一致性。在变粒径交界处设置密实度与均一颗粒区一致的混合层有效防止大小颗粒互相渗入,变形特性与均一颗粒区趋于一致,并提出了两种粒径颗粒混合生成特定密实度的方法。最后,通过模拟静力触探试验(CPT),表明该方法的有效性。该方法可为三维离散元模拟工程大尺度问题提供新途径。
2017 Vol. 39 (1): 62-70 [摘要] ( 403 ) [HTML 1KB] [PDF 1723KB] ( 929 )
71 荷载频率对动模量阻尼比影响的试验研究
李瑞山, 陈龙伟, 袁晓铭, 李程程
目前荷载频率对动模量阻尼比影响规律尚无较为统一认识,定量结果尚少。采用新型高精度动三轴仪试验,研究不同荷载频率对典型砂土和黏土动模量阻尼比影响问题,并以此为基础从对地震动影响角度讨论考虑荷载频率相关动模量阻尼比必要性。结果表明:对砂土而言,荷载频率对其动剪切模量影响不大,随着加载频率的增大,阻尼比略有减小,但差别基本可以忽略;对黏土而言,荷载频率对其动剪切模量和阻尼比有重要影响,随着振动频率的增加,动剪切模量增大,阻尼比减小;黏土参考剪应变随荷载频率增大而增大,二者呈递增的指数函数,当f≤1 Hz时,影响十分明显,当1 Hz <f ≤3 Hz时,有一定影响,当f > 3Hz时,影响不明显;黏土最大阻尼比随频率的增大而减小,二者呈递减的指数函数,当f ≤10 Hz时,影响较为明显,当f > 10 Hz时,影响程度显著减弱;采用两组频率下模量阻尼比曲线计算黏土层地震动,地表加速度峰值和反应谱差别很大,且随着震动增强而显著增大,说明考虑黏土层动模量阻尼比的荷载频率相关性是十分必要的。
2017 Vol. 39 (1): 71-80 [摘要] ( 411 ) [HTML 1KB] [PDF 1028KB] ( 449 )
81 轮胎与格室加筋路堤性能及承载力研究
李丽华, 崔飞龙, 肖衡林, 马强, 任增乐, 罗诗哲
为研究废旧轮胎与土工格室加筋路堤边坡的性能,分别对废旧轮胎、土工格室加筋路堤边坡开展了室内模型试验,并考虑了填料两种不同相对密度的影响。试验结果表明:相对素土路堤而言,废旧轮胎和土工格室加筋路堤均能有效地提高承载力,增强其稳定性,减小不均匀沉降。加筋后均有效地增大了附加应力的扩散角,使得附加应力分布更为均匀,并且素土路堤与加筋路堤中轴线上附加应力差值随路堤深度增大而减小。中轴线以外的质点侧向位移随路堤深度的增加,呈现出先增大后减小的趋势,几种路堤中,废旧轮胎加筋路堤侧向位移最小。加筋效果随相对密度增大而减小,在低相对密度条件下,加筋后承载力能达到素土路堤2倍以上,而在高相对密度下却不足2倍。最后根据土工格室加筋地基承载力计算方法及对废旧轮胎加筋机理分析,提出了关于废旧轮胎加筋地基承载力计算方法。
2017 Vol. 39 (1): 81-88 [摘要] ( 462 ) [HTML 1KB] [PDF 855KB] ( 378 )
89 空洞对盾构隧道结构受力与破坏影响模型试验研究
王士民, 于清洋, 彭博, 申兴柱
通过将渐进性破坏理论应用到盾构隧道管片衬砌结构病害(尤其是管片开裂)产生的破坏分析中,采用相似模型试验方法,通过超载的形式从管片衬砌结构内力及位移、声发射信息、管片破坏过程方面,分析地层空洞缺陷对盾构隧道管片从材料细观损伤到结构宏观局部破坏再到结构整体失稳的整个渐进性破坏失稳过程的影响。试验结果表明:空洞缺陷的存在对衬砌结构的极限承载能力及破坏模式具有显著影响,首先是会降低管片失稳临界点对应荷载值,临界点对应的最大位移值与隧道半径比值减小,其次降低管片结构开始出现宏观裂缝时的荷载值;对于空洞的分布位置,拱肩位置空洞的存在更容易导致结构的失稳,其次拱腰和拱顶;空洞的存在也会改变衬砌结构失稳起始位置的分布,导致失稳起始位置接近或直接位于空洞位置。
2017 Vol. 39 (1): 89-98 [摘要] ( 368 ) [HTML 1KB] [PDF 1607KB] ( 355 )
99 基于颗粒椭球体理论的隧道松动土压力计算方法
宫全美, 张润来, 周顺华, 唐黎明, 韩高孝
基于颗粒椭球体理论认为隧道上部松动区滑动面为椭圆形,据此推导出受滑动面倾角影响的侧土压力系数计算方法;在椭圆形松动区内竖向荷载沿水平向呈梯形分布,推导出隧道松动土压力计算方法。结果表明:当埋深低于极限椭圆高度时,松动区域为地面线以下的极限椭圆区域;当埋深达到极限椭圆高度时,松动区为整个极限椭圆,松动土压力不再增加。滑动面侧土压力系数是变化的,与滑动面倾角和土的摩擦角有关,随着内摩擦角增大而减小,随着滑动面倾角增大而增大。取值范围为0.2~0.8,介于主动土压力系数和Krynine侧土压力系数之间。本模型计算结果与实测数据较为吻合,可以用于隧道设计和施工中。
2017 Vol. 39 (1): 99-105 [摘要] ( 293 ) [HTML 1KB] [PDF 579KB] ( 260 )
106 土坡稳定性的分位概率法和分项系数法对比
储昭飞, 刘保国, 李旭, 张宁
对于土质边坡稳定性分析,由于岩土参数变异系数波动范围较大,分项系数设计法(PFM)计算结果不够稳定,尚未在工程中广泛推行。分位概率设计法(QVM)是一种新的可靠度设计方法,它以单一的分位概率η进行极限状态设计。将分位概率设计法应用于边坡稳定分析,针对土质边坡,进行了抗剪强度参数(c,f)的分项系数和分位概率的标定和误差分析。分析结果表明:①在土体抗剪强度参数(c,f)的均值、变异系数、坡角和坡高在取值范围内变化时,分位概率值(η)相比分项系数,其标定结果更加稳定;②相比分项系数设计法,分位概率设计法给定的极限状态,其实际可靠度βA更稳定,与目标可靠度βT之间的误差更小,设计更可靠;③分项系数法对各变量分别使用不同的分项系数,而分位概率法对所有变量采用相同的分位概率(η),设计更简洁。
2017 Vol. 39 (1): 106-115 [摘要] ( 338 ) [HTML 1KB] [PDF 1008KB] ( 476 )
116 季冻区典型土类动剪切模量阻尼比计算方法
孙锐, 于啸波, 袁晓铭, 孟上九, 陈卓识, 王淼
采用专门设计的低温共振柱仪进行试验研究,研究典型土类动剪切模量阻尼比随负温的变化规律及计算方法。提出温度影响系数的概念,并以较为符合实际的固结压力和冻结过程,完成了黏土、粉土与砂土在常温及不同负温下的动力试验,给出了这3种典型土类不同负温下初始剪切模量、剪切模量比和阻尼比的计算公式。结果表明:无论何种土类,负温对其初始剪切模量、剪切模量比和阻尼比都有重要影响,相应的温度修正系数按Boltzmann与指数函数变化,均在0℃到-6.0℃快速变化之后趋于平缓,但变化程度和修正公式中的参数均与土类有关;随温度降低,3种土类初始剪切模量增长十分显著,完全冻结黏土、粉土和砂土分别为常温土初始模量的50倍、25倍和13倍;随温度降低,3种土类参考剪应变降低十分显著,但完全冻结后3种土的动剪切模量降低程度接近;随温度下降,3种土类最大阻尼比均显著减小,完全冻结后的黏土最大阻尼比降幅最大,砂土降幅最小,粉土居中。3种典型土类负温下动剪切模量阻尼比修正公式,其反映的现象和规律与国际上近期成果定性相符。
2017 Vol. 39 (1): 116-128 [摘要] ( 408 ) [HTML 1KB] [PDF 1500KB] ( 315 )
129 锤击荷载作用下大直径钢管群桩的动力特性分析
冯世进, 王雷
上海某机械厂有一大直径钢管桩,用于所生产柴油打桩锤出厂前的试用。目前试桩已不满足新生产大吨位柴油打桩锤的试打要求,因此拟增加8根短桩与试桩组成群桩。由于锤击荷载作用下长短组合群桩中荷载的分配及沉降的研究较少,为得到合理的群桩加固型式,采用有限元方法研究锤击荷载作用下群桩的动力承载特性。首先建立单桩有限元模型,分析竖向静荷载作用下钢管桩的沉降,并将模拟结果与现场静荷载试验结果进行对比,验证有限元模型的准确性,再分析锤击荷载作用下单桩的动力响应;其次建立锤击荷载作用下的长短组合群桩有限元模型,分析承台质量、承台埋深、辅桩桩长对群桩桩顶荷载分布及沉降的影响。结果表明锤击荷载作用过程中,角桩、边桩桩顶最大压应力较大,主桩桩顶最大压应力较小;承台埋深越浅,群桩桩顶应力越大,沉降反而越小;承台质量、辅桩桩长对群桩动力特性影响不大。
2017 Vol. 39 (1): 129-137 [摘要] ( 332 ) [HTML 1KB] [PDF 1505KB] ( 290 )
138 施工接缝对缓冲材料水-力特性影响研究进展
陈永贵, 贾灵艳, 叶为民, 崔玉军, 陈宝, 王驹
在详细阐述处置库中施工接缝封闭和自愈合过程的基础上,全面回顾和总结了有关施工接缝对缓冲材料膨胀力、渗透系数、界面水力强度和自愈合性能影响的研究成果。接缝的存在使缓冲材料的膨胀性能及防渗性能明显弱化,特别是在处置库运行初期,接缝作为力学薄弱区极有可能在高水压环境下发生水力劈裂。总体而言,考虑接缝对缓冲材料水-力特性影响的试验研究还远远不够,主要是通过物理试验,采用整体平均化的方法来分析接缝对缓冲材料总体膨胀力和渗透系数的影响,这种方法的不足在于难以表述接缝处真实的水-力特性指标;现有试验仪器不能实时监测接触界面膨胀力和孔隙水压力的分布情况,无法有效揭示界面的应力传递特征与水分传输特性,这也是导致相关机理分析缺乏的一个重要原因。为此,提出在细化影响因素、深入机理分析及数值模拟等方面开展进一步研究的建议。
2017 Vol. 39 (1): 138-147 [摘要] ( 324 ) [HTML 1KB] [PDF 2399KB] ( 294 )
短文
148 多参数统计均质区划分——以马吉水电站为例
阮云凯, 陈剑平, 占洁伟, 曹琛, 宋盛渊, 孙东彦
引入秩和检验非参数统计方法,建立不连续面岩体统计均质区评价模型。文中考虑了不连续面产状、迹长两个参数,在随机数学的基础上提出了一种不连续面岩体统计均质区划分的新方法,即利用秩和检验计算研究区样本之间的相关性,从而合理划分不连续面岩体统计均质区。选取云南省马吉水电站左岸坝肩某两高程4个平硐作为研究对象,首先将产状数据用其法向极点与单位圆上半球被划分为100个等面积四边形小方格的交点来表示;其次,根据迹长从小到大对落入小方格的极点进行编秩;最后,基于秩和检验来分析不连续面落入相应小方格的频率。研究结果表明:PD201和PD251以及PD251和PD253不具有统计相似性,而PD241和PD253、PD201和PD241在不同的比较区域下得到不同的均质区评价结果,这说明统计均质区存在尺寸效应。较Miller仅考虑不连续面产状,本文同时考虑了产状和迹长两个因子,结果更加合理。此外,该方法可以应用到小样本不连续面统计均质区划分中。
2017 Vol. 39 (1): 148-153 [摘要] ( 359 ) [HTML 1KB] [PDF 686KB] ( 217 )
154 非饱和导排结构控制降雨入渗的边坡物理模型试验
吴庆华, 张家发, 武金博, 刘习银
膨胀土渠坡失稳是影响南水北调中线供水工程安全性的重要因素之一,而对其边坡进行防渗处理是解决膨胀土边坡失稳的有效途径。针对传统边坡防渗处理方法(面板与土工布覆盖等)存在生态功能弱以及使用寿命短等不足,开展了非饱和导排结构的边坡防渗效果的物理模型试验研究。利用土壤剖面负压动态监测数据,采用非饱和渗流理论,在不同降雨强度与不同初始含水量条件下,对比分析了两种非饱和导排结构即细/粗粒二元结构和粗粒单一结构,控制降雨入渗边坡的效果。研究结果表明:在降雨强度为4.18×10-4 cm/s的情况下,二元结构能有效阻止降雨入渗;且细粒层初始含水量越低,其储水能力越强,二元结构控制降雨入渗的效果相对越好。在降雨强度为1.72×10-4,4.18×10-4,4.97×10-4 cm/s的情况下,粗粒层单一结构对降雨入渗边坡均具有一定的控制作用,但有5.6%~10.7%的降雨从模型底部排出,存在入渗风险。总体上,从排水-渗流控制效果与生态功能角度考虑,二元结构明显优于单一结构。研究成果可为解决南水北调膨胀土边坡以及其它工程边坡的渗流控制问题提供技术支撑。
2017 Vol. 39 (1): 154-160 [摘要] ( 326 ) [HTML 1KB] [PDF 937KB] ( 316 )
161 泥岩隧道锚承载特性现场模型试验研究
刘新荣, 李栋梁, 吴相超, 李维树, 张锐, 傅晏
为了研究高荷载作用下的软岩(泥岩)隧道锚的变形、破坏及长期稳定性等问题,以在建的某长江大桥为依托,分别针对泥岩隧道锚自然状态(含水率为5.36%)和浸水状态(含水率为7.39%)的情况,开展了缩尺比例为1∶30现场模型试验。研究发现:隧道式锚锭同样适用围岩为软弱围岩(泥岩)的情况,可以承受较高的拉拔荷载,采用设计荷载工作时,具有一定的安全储备,并可以满足长期稳定性要求。屈服荷载作用以后,泥岩隧道锚的破坏优先沿锚体接触面发生剪切破坏,破坏后,会引起较大范围的围岩产生大变形。高拉拔荷载作用下,含水率高的泥岩隧道锚的围岩变形较大。考虑江水位变化带来的影响,建议该长江大桥泥岩隧道锚的长期安全系数取为3.5。研究成果可为类似的工程设计、施工等提供参考。
2017 Vol. 39 (1): 161-169 [摘要] ( 338 ) [HTML 1KB] [PDF 1817KB] ( 391 )
170 油水二相体对油污染土电阻率特性的影响
刘松玉, 边汉亮, 蔡国军, 储亚
为研究油类污染粉质黏土的电阻率特性,室内分别拌制了不同含水率、不同含油率的柴油、煤油污染土试样,采用四电极方法对不同状态下的污染土体电阻率进行了测试。试验结果显示,两种油污染土有相似的变化规律,即在相同的含水率下,均表现为电阻率随着含油率的增加而线性增大;在相同的含油率下,随着含水率、水饱和度的增加而呈幂函数关系减小。为了分析油、水二相体对电阻率的影响,引入了体积含湿率、油水饱和度两个指标,发现在相同的水饱和度下,电阻率随体积含湿率的增加而线性增大;在相同的体积含湿率下,电阻率随油水饱和度的增加而幂函数关系减小。进一步分析表明,电阻率与体积含湿率间存在线性相关关系,与油水饱和度间存在幂函数相关关系,两种油污染土的电阻率与体积含湿率、油水饱和度间的关系可以用同一公式表达。
2017 Vol. 39 (1): 170-177 [摘要] ( 399 ) [HTML 1KB] [PDF 695KB] ( 251 )
178 格子Boltzmann方法在斜坡非饱和带土体大孔隙流研究中的应用
徐宗恒, 徐则民, 王志良
大孔隙结构的建立和大孔隙流的渗流模拟能定性和定量的解释大孔隙流的产生机理及其动态变化过程。采用CT扫描获取斜坡非饱和带大孔隙域,基于不考虑外力项的格子Boltzmann方法,通过确定离散速度模型、平衡态分布函数和分布函数的演化方程三大组成部分,其中边界条件与计算假设依据染色示踪试验设定,定性定量化研究二维大孔隙流的渗流过程,研究结果表明:该方法能清晰定量化描述大孔隙流湿润前锋的推进过程,大孔隙效应明显,渗流场流速随着时间推移逐渐趋于稳定,大孔隙效应逐渐减弱;在连通性较好、孔径较大的区域流体流速较快,且在大孔隙中心流速最大,往两侧逐级递减;下层深度处的流体流量和流速往往受控于上一层大孔隙的孔径尺度。格子Boltzmann方法的应用能为大孔隙流特别是三维渗流过程的研究提供新手段。
2017 Vol. 39 (1): 178-184 [摘要] ( 336 ) [HTML 1KB] [PDF 1951KB] ( 282 )
185 长短桩复合地基工程事故原因分析与预防措施
林志强, 黄伟达, 姜彦彬, 钟贵荣
依托某水泥砂浆长短桩复合地基处理工程质量事故实例,开展现场调查及地基变形监测工作。根据在柔性基础下长短桩复合地基荷载传递机理,对工程质量事故的原因进行分析,找出工程质量事故的主要原因并提出避免类似工程质量事故的预防措施。分析结果表明,由于在大面积堆土荷载作用下桩周软土固结沉降,将主要产生两种地基处理失效模式:如果桩端悬浮在软土层中,桩端将发生向下刺入变形,桩周软土发生塑性变形或塑性破坏,地基处理失效;如果桩端落在硬土层上,桩体将先发生破坏,然后桩周软土破坏,地基处理失效;在大面积堆土荷载作用下桩周软土固结沉降且桩端悬浮在软土层中是本工程质量事故产生的根本原因。研究成果可为类似地基处理工程的设计人员及相关理论研究提供借鉴。
2017 Vol. 39 (1): 185-191 [摘要] ( 363 ) [HTML 1KB] [PDF 655KB] ( 416 )
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