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。

南京九乡河拓浚工程需在与之交叉的既有地铁4号线隧道上方大范围卸土,采用压板结构对隧道进行加固。为分析加固工程基坑开挖对盾构隧道的影响,并评估加固结构对隧道隆起的抑制作用,建立三维有限元模型进行数值计算。分析不同工况下隧道的变形情况,并针对加固结构施工的最不利工况,计算隧道曲率半径以及内力分布。结果表明:采用桩-墙-板结构对抑制隧道的隆起变形具有较好的作用;基坑采用分部抽条开挖,可有效控制地层扰动,从而控制隧道变形;土体满堂加固对抑制隧道隆起变形效果明显;隧道内配重能抑制隧道隆起变形,但作用有限。

为探究冻融循环条件下石灰固化盐渍土的力学性能与损伤演化规律,重点分析了石灰掺量、养护龄期和冻融循环次数对其无侧限抗压强度的影响,并建立基于统计分布的损伤本构模型,预测冻融环境下固化盐渍土的应力-应变响应与性能退化。以吉林西部镇赉县盐渍土为研究对象,分别添加3%、6%和9%的石灰作为固化剂,在最优含水率(20%)和压实度(90%)下制备试样,分别养护7 d和28 d并进行0~60次冻融循环。通过无侧限抗压试验和扫描电镜(SEM)测试分析宏观力学性能和微观结构变化。基于Weibull分布函数,利用试验数据建立损伤演化模型。结果表明:最优石灰掺量为6%,养护28 d时无侧限抗压强度达835.01 kPa,是未处理土的4倍以上;未经处理与固化盐渍土在冻融后均表现为应变软化型和脆性破坏;随冻融次数增加,固化土强度逐渐下降,但仍显著高于素土;SEM图像显示,石灰处理有效减少裂隙发育,改善微观结构完整性;所建立的Weibull损伤模型可准确模拟不同冻融次数下的应力-应变全过程,冻融次数越多,拟合效果越好。综上,石灰固化可显著提升盐渍土的强度和抗冻融性能,在6%掺量和28 d养护条件下效果最优。基于Weibull分布函数的损伤模型能够有效表征固化盐渍土在冻融过程中的力学行为与损伤演化。研究成果为寒区盐渍土固化处理提供了理论与技术支持,创新点在于将微观结构变化与宏观力学响应相关联,并建立了适用于冻融条件的统计损伤预测模型。

岩体结构面的聚类分析是进行岩体工程稳定性评价的重要基础。而传统的聚类方法存在对初始聚类中心敏感、分组结果较差且效率低下的问题,因此,本研究提出了一种基于改进麻雀算法(SSA)和K-medoids算法相结合的不连续面聚类算法(KS-SSA)。首先,利用SPM混沌映射初始化麻雀种群;然后,利用改进的SSA算法确定初始聚类中心,以此作为K-medoids算法的初始聚类条件对结构面产状数据进行分组,引入轮廓系数(SC)确定最优聚类组数;最后,通过人工数据和现场实测数据验证了该方法的有效性。并将该方法应用于怒江某岩质边坡的结构面分组。结果表明:新算法对结构面的聚类结果良好,具有较强的鲁棒性。研究成果可以为随机裂隙网络的模拟提供数据支撑。

为研究多级等幅循环荷载下应力幅值对红砂岩力学行为和断裂模式的影响,通过MTS-816岩石力学试验机和声发射监测技术,分析了循环荷载过程中红砂岩的强度和变形行为,总结了不同应力幅值下声发射参数的演化规律以及试样最终破坏模式。结果表明:较低的应力幅值对砂岩试样有强化作用,而高应力幅值下砂岩的损伤劣化则较为严重;应力幅值的增大对砂岩有硬化作用,循环荷载下红砂岩的刚度和弹性应变能整体上有所提高;在单个疲劳阶段中,声发射信号随循环次数的增加逐渐由活跃趋于稳定;在较大应力幅值下,试样破坏时的声发射振铃计数更加活跃,对应声发射累计曲线中的突增现象更明显;随着应力幅值的增大,试样破坏时的裂纹贯通和岩块脱落现象更显著。研究成果有助于揭示循环荷载对致密红砂岩力学特性和断裂行为的影响机理。

近年来,极端气候事件频发,西北地区夏季昼夜温差加剧,白天高温持续时间延长,导致水汽迁移对路基湿度的影响愈加显著。采用自制的一维土柱模型试验装置,开展了边界加热条件下黄土土柱的水汽迁移试验,分析了昼夜温差循环与持续加热2种高温作用方式下一维封闭土柱的水汽迁移规律,并探讨了不同加热作用对土柱温湿度分布特性的影响。结果表明:在升温阶段,土柱温度沿高度呈线性分布,升温速度先快后慢,且2种加热方式下土柱温度分布最终均趋于稳定。土柱湿度受水分迁移、液态水汽化、气态水迁移及蒸汽压超饱和时的凝结作用等共同影响。2种加热方式下土柱含水率分布呈现反“S”型曲线,昼夜温差循环加热时土柱上部22.5 cm含水率高于持续高温加热。2种加热方式下土柱湿度均能达到平衡状态。

为实现工程弃土资源再利用,达到“以废治废、变废为宝”的目标。以红砂岩渣土为研究对象,采用生石灰、煅烧煤矸石粉、粉煤灰和煤渣粉4种固体废弃物为固化剂,通过单掺和正交试验得出多源固废各材料最优配比,按最优配比对红砂岩渣土进行改良固化,研究不同掺量和龄期下7 d无侧限抗压强度和水稳定性系数变化,最后结合XRD和SEM扫描结果对比改良前后的微观形貌特征,并以此分析固化机理。结果表明:多源固废各材料间交互作用对试样的无侧限抗压强度影响显著,生石灰、粉煤灰、煅烧煤矸石、煤渣粉的最佳配合比为4∶8∶8∶7;红砂岩改良土抗压强度随固化剂掺量增加呈先增后降趋势,最优掺量为12%;研究得到的红砂岩改良土具有良好的力学性能和水稳定性,最优掺量下改良土样的7 d无侧限抗压强度达到1.659 MPa,为素土试样的16倍,水稳定系数提升65.90%;多源固废复合固化剂机理是以石灰为基础的协同固化反应,土体骨架结构随着龄期的增加愈发完善。研究多源固废复合固化剂的作用机理,为后续固化红砂岩渣土研究提供科学参考。

深竖井作为水工岩土工程中一种常见的地下工程型式,其应力变形及安全性问题受到广泛关注。依托某引调水工程,对临近水库的双筒深竖井应力变形规律展开研究分析。首先借助多种软件平台,开展交互式建模,构建能反映实际复杂条件下的双筒深竖井三维数值模型,继而分别研究了不同施工因素对双筒竖井结构应力变形的影响规律,并对不同影响因素展开参数敏感性分析。研究结果表明:地连墙分幅是双筒竖井施工过程中的最敏感因素,地连墙嵌固深度次之,施工顺序和分节开挖高度对施工的影响较小。在竖井施工过程中,尤其要注意地连墙分幅的影响。研究成果可为类似水工岩土工程的应力变形研究提供有益的参考。

为改善电渗法加固效果,提高其工程实用性,开展了间歇通电下电渗-CaCl₂加固淤泥质黏土的室内模型试验。试验结果表明:加入CaCl₂溶液使电渗排水量提高49.3%,土体平均抗剪强度增大约2.4倍,显著提升了电渗加固效果,但同时阳极腐蚀量增加6.6%,电渗能耗增大12.0%;采用间歇通电方式能够显著降低CaCl₂溶液引起的电极腐蚀程度和电渗能耗,且降低幅度与通/断电时长有关;通过对比发现通电时长、断电时长分别为5 h和1 h的电渗-CaCl₂加固效果最佳,排水量比常规电渗法增加了55.7%,阴极土抗剪强度增大4.0倍,而单位体积排水能耗比持续通电降低6.7%,阳极腐蚀量减少4.7%。间歇通电下电渗-CaCl₂加固方法可在有限的损耗范围内取得良好加固效果,有助于推动电渗法在软土加固领域的应用。

针对珠江口重大工程建设中浅层气砂土渗流灾害防控的迫切需求,旨在建立基于物理机制的非饱和水力特性高效预测方法,以解决传统试验周期长、成本高的技术瓶颈,基于珠江口含浅层气的典型储气层砂土,开展压力板仪SWCC测试以及非饱和渗透试验测试。基于等效毛细管模型理论,将土体抽象为多级连通孔隙网络,在由小到大的基质吸力作用下,孔隙通道由大孔径到小孔径依次排水,然后假设孔隙半径与基质吸力满足Young-Laplace 方程,建立砂土粒径分布数据与土水特征曲线、非饱和渗透系数之间的关系,提出基于土体粒径分布的砂土土水特征曲线与非饱和渗透系数的预测方法。最后将非饱和渗透系数预测结果与实测数据进行对比,初步验证了预测方法的合理性。研究成果可为滨海工程防灾减灾提供技术支撑。

水库水位在运行期每年周期性涨落,已有研究表明,大坝堆石体后期变形主要是水循环荷载长期作用的结果。为详细了解水库水位周期性变化对坝体长期变形的影响,采用定性分析与定量分析相结合的方法,对水布垭面板堆石坝近17 a的变形监测资料进行分析。定性分析主要研究库水位变化对大坝内部和下游坝面的变形影响,定量分析主要利用交叉相关分析法研究水位变化与最大坝高断面沉降之间的相关性。结果表明:①坝体后期沉降变形主要集中在坝体上游中部和下游上部,坝体下游上部的沉降增量和水平位移增量收敛较慢;②坝体的后期变形主要由库水位波动引起,并且坝体内部不同高程的大部分测点的沉降演化曲线都随水位波动产生同频的波动并滞后于水位波动;③计算坝体沉降增量与库水位之间的相关系数,验证了坝体沉降与库水位具有很高的相关性;④坝体下游坝面的沉降增量和水平位移增量主要集中在最大坝高断面坝顶部位,并且随着高程的升高,受库水位变化的影响逐渐增大。研究成果对类似工程的后期变形和安全控制具有借鉴意义。

为了提高疏浚粉土地基密实度并消除其液化风险,开展了气动振杆密实法处理疏浚粉土地基的现场试验。根据施工全过程的孔隙水压力监测结果,计算出单个振点的有效加固范围,确定了采用正三角形布置时的振点间距。研究结果表明,气动振杆密实法处理后土层含水率降低了5.9%~25.7%;孔隙比降低了6.1%~23.9%,各土层标准贯入试验击数提升1倍左右,CPT锥尖阻力提升39%~75%,面波波速提高18%左右。此外,与无填料振冲法和降水强夯法对比可知,气动振杆密实法的处理效果是无填料振冲法的1.5倍左右;降水强夯法在8 m深度以浅处理效果较好,但在其他土层,气动振杆密实法的处理效果约是降水强夯法的2~5倍。综上所述,气动振杆密实法可有效加固疏浚粉土地基,具有良好的推广应用前景。

为了探究以羟基铝改性膨胀土(CSS)替代天然非膨胀性黏土(CNS)作为膨胀土包边材料的可行性,开展基本物理力学、化学分析和微观结构试验。试验结果表明:羟基铝通过吸附、离子交换、絮凝团聚作用降低膨胀土的亲水性和分散性;改性后膨胀土的卷曲状薄片结构基本消失,颗粒之间相互团聚呈现粗糙化和致密化,宏观基本物理性质、力学强度以及膨胀性能得到明显改善,塑性指数下降了43.5%,渗透性提高了1~2个数量级,膨胀性降低了37.5%~50%左右。综合来看,CSS的整体性能与CNS基本相当,且CSS含有比CNS更高浓度的K⁺、Na⁺、Ca²⁺等离子成分,具备作为膨胀土包边覆盖层的潜力。研究成果可为后期开展CSS覆盖层技术的应用研究提供参考。

针对盾构隧道开挖引起邻近桩基竖向响应的问题,提出一种能够考虑土体参数竖向空间变异性的概率模型,实现对桩基附加响应的随机分析。首先采用两阶段分析法模拟盾构隧道开挖引起邻近桩基的竖向响应,然后采用随机场模型来表征土体抗剪强度指标的竖向变异性。结合两阶段分析法和随机场模型,开发了一种蒙特卡洛自动化模拟程序,形成了随机两阶段分析模型。基于该模型,研究了土体参数的竖向变化对隧道开挖引起邻近桩基桩顶附加沉降、桩身最大附加轴力和桩顶附加沉降失效概率的影响。结果表明,不排水抗剪强度的相关长度和变异系数对桩顶附加沉降和桩身最大附加轴力的均值和标准差均具有显著影响,且桩顶附加沉降失效概率随土体参数竖向变异性增强而增大,同时地层损失和桩顶荷载会明显增强该效应。研究表明,在处理复杂的隧道-土-桩相互作用问题时,表征土体参数的竖向变异性具有重要意义,从而为后续相关工程提供借鉴。

水利枢纽工程区受河谷地形的影响显著,应力场分布复杂。针对东庄水利枢纽工程,采用三维水压致裂法进行地应力测试,结合应力场反演分析,揭示了深切河谷区岩体的应力分布规律,探讨了地质特征对应力场的影响。对比二维水平应力和三维空间应力特征,空间主应力与水平主应力矢量存在较大的夹角,在地形复杂工程中三维地应力测试更具代表性。泾河河谷区应力场具有明显的分区特征,靠近河谷位置主应力明显偏大,属应力集中区,主应力方向与河谷走向呈大角度相交;而地下厂房区最大主应力与自重应力接近,应力方向主要受西北两侧边坡地形的联合影响,处于应力平稳区。同时,河床底部高程地下水长期连通流动产生溶蚀作用,形成了厂房区底部相对集中的溶孔、溶隙等形迹,为应力释放提供了通道,导致局部应力降低和不均匀分布。

针对排水体联合真空预压处理疏浚淤泥时常出现淤堵问题,探索性提出自反滤层—免滤膜秸秆排水体。通过开展免滤膜秸秆排水体真空预压处理疏浚淤泥模型试验,研究了该排水体处理疏浚淤泥的效果和机理。结果表明:免滤膜秸秆排水体处理疏浚淤泥的含固率及加固后的颗粒分布与塑料排水体相近,但出水量较塑料排水体提高7.8%~22.2%,加固后的土体平均含水率较塑料排水体降低6.9%~13.8%。免滤膜秸秆排水体具有优良的排水特性以及全降解的生态特性,为解决真空预压处理疏浚淤泥提供了新的思路。

大量基坑工程实践及研究表明,非对称开挖基坑的深挖侧支护结构弯矩与水平位移明显大于浅挖侧,与对称开挖基坑两侧支护结构均向坑内变形的情况显著不同。采用现行规范的支撑不动点调整系数法进行计算时,存在不动点调整系数λ取值范围大和难以进行量化等不足;且当非对称开挖显著导致内支撑上不存在位移不动点时,不动点调整系数法计算结果与实际相差较大。采用支护结构土压力-水平位移双曲线模型,考虑基坑开挖与支撑施工过程,建立基坑支护结构受力与变形的增量迭代法计算流程。基于该计算流程,根据内支撑支护结构支撑左右端点处的受力平衡条件和变形协调关系,提出了非对称开挖基坑内支撑支护结构受力与变形的计算方法,并在MATLAB平台上实现了其数值化求解,克服了现行规范计算方法中不动点调整系数λ无法量化的难题。工程实例计算结果表明:本文计算方法得到的深挖侧支护结构的最大水平位移为23.15 mm,实测值为25.83 mm,两者相差10.4%;浅挖侧支护结构的最大水平位移计算值为8.75 mm,实测值为8.99 mm,两者相差仅2.67%;采用传统弹性支点法计算深挖侧支护结构的最大水平位移仅为12.93 mm,与实测值相差接近50%。采用传统弹性支点法易高估深挖侧的支撑刚度、低估深挖侧的水平位移,本文计算方法得到的深挖侧、浅挖侧地下连续墙的水平位移曲线与工程实测曲线分布规律及数值大小基本一致,可供类似基坑设计计算参考。

为研究钢塑型土工格栅-黄土界面摩擦特性,利用自主研发的土工合成材料拉伸拉拔试验系统,在不同法向应力、拉拔速率、含水率下开展一系列钢塑型土工格栅-重塑黄土室内拉拔试验。试验结果表明:筋材的拉拔力峰值随着法向应力增大而增大,随含水率的增大而减小,最大值为18.143 kN;最大剪应力随含水率增大而减小,随法向应力增大而增大;界面黏聚力在最佳含水率时,最大为11.043 kPa;似摩擦系数随含水率增大而减小,随法向应力增大而减小,在法向应力为105 kPa时,似摩擦系数约为规范建议值的1/3~1/2。拉拔特性试验表明,在进行工程设计时,应充分考虑含水率、上覆荷载等工程应用条件。研究结果可为黄土高边坡结构设计提供参考。

为探究南疆盐渍土在不同补给条件下的水盐迁移及变形特性,依据南疆某市实际环境,选取粉砂土为研究对象,人工配制硫酸盐渍土,开展盐渍土补给与盐溶液补给条件下的盐渍土水盐迁移及变形试验,分析不同补给条件下盐渍土水盐迁移及变形规律。结果表明:与盐溶液补给相比,盐渍土补给条件下土体温度敏感性较大;两种补给条件下,土体水盐迁移均在3次循环后达到平衡;盐渍土补给条件下,土体竖向变形与循环次数呈线性分布关系,基本表现为冻胀融沉;盐溶液补给条件下,盐溶液浓度影响土体竖向变形,补给液浓度为5%时影响最大;盐溶液补给条件下土体水盐迁移与变形破坏趋势均快于盐渍土补给。盐渍土上设置非盐渍土可有效达到抑制土体变形的目的,但非盐渍土土层厚度应大于温度影响较大的深度,对于粉砂土这类易产生沉降的土体,覆盖至一定盐渍化的土体上,可抑制土体沉降。工程中应做好相关措施降低地下水位,减少一定土层深度中的盐分,可避免土壤次生盐渍化扩张。研究成果可为南疆地区次生盐渍化研究与工程防治研究提供理论支撑。

为实现红砂岩渣土在工程中低碳循环利用的目标,提出了采用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术制备轻质红砂岩固化土的方法,开展了对轻质红砂岩固化土固化机理的研究,分析了发泡聚苯乙烯(EPS)质量掺量和胶结液浓度对轻质红砂岩固化土强度的影响,并在此基础上探究了轻质红砂岩固化土压缩破坏特征,从强度分析与破坏特征两方面验证了轻质红砂岩固化土的胶结机理。研究结果表明:轻质红砂岩固化土中的CaCO₃晶体在EPS颗粒上沉积较少,在土颗粒间形成的大范围胶结起到支撑轻质红砂岩固化土强度的主要作用;当EPS颗粒质量掺量为0.375%、胶结液浓度为1.5 mol/L时,轻质红砂岩固化土重度为14.3 kN/m³,抗压强度达到0.76 MPa,满足泡沫轻质土工程规范;EPS质量掺量的增加使轻质红砂岩固化土破坏特征从剪切破坏转化为鼓胀破坏。