土体水分特征曲线(SWCC)有效反映了土中水吸力与水分含量的关系,但传统测试方法难以适用原位水动力参数的标定。为探寻更便捷、经济和可靠的原位测试手段,推导提出了土体等效介电常数-基质吸力特征曲线评价模型。采用重塑云南省6个地区红黏土的平均干密度进行模型验证,系统分析了红黏土等效介电常数-基质吸力特征曲线的预测精度,并深入探讨了电磁波介电理论参数间接评价红黏土水分特征曲线的可行性。结果表明:不同地区红黏土水分特征曲线满足Fredlund模型关系,拟合精度具有地区性差异;不同地区红黏土等效介电常数与基质吸力的拟合精度均≥95%,且基质吸力理论反演曲线与介电理论预测曲线之间有较好的对称性;对比分析红黏土水分特征曲线计算值与实测值,发现两者变化趋势较为接近,平均相对误差为6.42%。因此,该模型应用于红黏土水分特征曲线评价具有较大潜力,可为拓展电磁波技术和快速评价土体水力学特性研究提供理论模型参考。

为量化分析预制桩帷幕一体化支护齿墙减载作用特性,基于预制桩帷幕一体化支护齿墙减载机理,假定滑裂面为旋轮线型,采用水平薄层微分理论,提出墙后土体滑动条件下齿墙减载作用计算方法,在算例验证的基础上,进一步分析齿墙结构参数、土体强度参数、墙土界面强度参数的变化对土压力减载作用的影响。结果表明:提出的计算方法能有效解决预制桩帷幕一体化支护齿墙减载作用量化分析问题。齿墙在减小墙后滑动土体土压力方面效果显著,其减载比例可达50%;增大齿墙宽度可显著提升减载作用,减小齿墙间距亦有助于减载作用的发挥,而增加齿墙厚度的改善效果有限;土体强度较高时,增设齿墙对支护性能的提升更有利;墙土间作用强度增加也有助于增大齿墙的减载比例,但墙土间黏聚力的增大影响更为显著。研究成果可为该类新型复合支护技术的设计提供理论参考。

泥石流是山区常见的地质灾害,通常以连续阵次的形式发生,其运动过程中会在坡底形成残留层。针对阵性泥石流残留层减阻现象,开展水槽模型试验,模拟不同固相含量(40%、50%、60%)泥石流的连续释放过程,探讨阵性流物理过程,定量揭示残留层对后续阵次冲击效应的放大规律,提出以冲击力比F^*(后续阵次相对首阵的冲击力放大)与动量比 R(总动量通量相对龙头动量通量的放大)为核心的评价指标,用于解释残留层放大后续阵次泥石流破坏性的动力学机制。结果表明:①残留层厚度的增长是渐进的过程,残留层的存在使阵性泥石流流态由惯性力主导逐渐转向重力作用主导;②后续阵次泥石流的冲击力较首阵明显增大,且随残留层厚度增加而放大,并最终趋于稳定;③残留层的存在提升了总动量通量,进一步放大了后续阵次的破坏性。研究结果揭示了残留层与阵性泥石流的相互作用机制,并基于冲击力和动量通量量化了破坏性放大效应,为工程防治提供了科学依据。

常规灌浆工艺在对抽水蓄能电站上水库全强风化花岗岩地层进行防渗处理时易出现塌孔、漏浆、不起压等问题,处理难度极大。相较常规灌浆工艺,频压灌浆工艺能够根据被灌地层特性和灌浆反馈情况无级调整灌浆压力与进浆流量,可避免低强度地层在浆液作用下发生过度劈裂而出现漏浆、浆液扩散距离不可控、耗浆量大等问题。为了探究频压灌浆技术在全强风化地层的防渗处理效果,以某在建抽水蓄能电站上水库全强风化花岗岩地层为研究对象,对比分析了灌浆工艺(恒压灌浆法和频压灌浆法)、灌浆孔距(60、120、180 cm)、灌浆材料(纯水泥浆液和水泥膨润土混和浆液)对此类地层灌浆防渗效果的影响。现场试验结果显示,频压灌浆处理后的全强风化地层渗透系数数量级从10^-3降低到10^-5,防渗能力极大提高,表明该工艺对全强风化地层进行防渗处理具有可行性,可望部分或全部替代传统的防渗墙方案,从而简化防渗处理,节省工程造价,减少地层开挖量。研究成果可供全强风化地层进行灌浆加固时参考。

含水率对湛江组结构性黏土触变强度恢复有显著影响,为探讨其影响规律及作用机制,以重塑湛江组结构性黏土为研究对象,开展为期150 d的触变试验,对不同初始含水率(30%、33%、36%、39%)和不同触变时间(0、1、10、30、60、100、150 d)的试样,分别进行无侧限抗压强度试验、直接剪切试验及扫描电镜试验(SEM)。结果表明:试样强度随触变时间的延长逐渐恢复,其中无侧限抗压强度和黏聚力的恢复过程均呈现快速明显(0~30 d)和缓慢平稳(30~150 d)两阶段。含水率越高,触变强度恢复速率越快。对比基于无侧限抗压强度和黏聚力的触变强度比率,由于剪切作用使土体颗粒沿特定方向排列,使黏聚力表现出更高的触变强度比率。触变过程中,孔隙参数(孔隙度、丰度)和颗粒参数(概率熵、分布分形维数)随触变时间增加而减小。土体颗粒通过自适应调整,定向性有序性增强,在范德华力作用下团聚程度提高,团聚体间和团聚体内孔隙减少。水分通过改变颗粒相对位置、扩宽迁移通道等方式增强了颗粒活动能力,加速了触变强度恢复速率。研究成果可为具有触变性的黏土地基稳定性评价提供参考依据。

管幕法是超浅埋隧道施工过程中常用的一种超前预支护方法,准确确定管幕变形是安全施工的重要保障,但已有计算方法大多忽略了荷载传递机理及开挖引起的应力释放与扰动效应。鉴于此,首先考虑了隧道拱顶土拱效应及管间环向微拱效应,提出了耦合管幕法隧道荷载传递机理的拱顶竖向荷载计算方程;引入Pasternak弹性地基梁理论,采用荷载释放系数,考虑掌子面后方应力释放效应;通过改变扰动段与支护未封闭段基床系数,表征开挖扰动效应与初期支护延滞特性,进而提出了一套耦合“多效应”的超浅埋隧道管幕变形计算方法。将所提计算方法应用至某管幕法隧道工程,对比了管幕变形现场监测数据与既有理论计算结果,验证了所提计算方法的合理性与准确性。最后,应用所提计算方法,分析了掌子面前方土体基床系数、开挖进尺、支护未封闭段长度等敏感性参数对管幕变形影响规律。结果表明:适当提高掌子面前方土体基床系数和降低开挖进尺,可有效控制管幕变形;改变支护未封闭段长度对管幕变形影响甚微。所提计算方法可为准确预测超浅埋隧道管幕变形提供理论指导。

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。