密度计法试验精度及效率较低,无法满足对细粒土颗粒级配曲线的精准测定需求,以尼龙布为筛网的湿筛析法为解决这一问题提供了科学合理的技术手段。通过改造标准检验筛,提出一种全新的湿筛析试验方法,并以甘肃兰州细粒黄土为研究对象,对该试验方法中涉及的关键试验指标进行了探索,初步得到了关键试验指标建议值;针对所得到不同粒组的黄土颗粒,开展扫描电镜试验的颗粒微观形貌研究及粒度分布对比分析,证明了所提出湿筛析方法的适宜性。在此基础上,开展全级配条件和不同粒组条件下的密度计法和湿筛析法试验的对比研究。结果表明:所提出的湿筛析法可以实现对不同粒组黄土颗粒的物理分离,其在测定细粒黄土颗粒级配方面是合理的;通过该方法测得的细粒黄土中的黏粒含量远高于密度计法测试的结果,以往传统密度计法得到的黏粒含量结果偏低。研究成果可为土工精确测试提供有益的参考。

为了探究能兼顾计算效率与力学合理性的爆破块度的精细化数值仿真方法,首先比较了不同类型方法在爆破块度预测方面的优劣与工程适应性,并通过开展现场试验揭示爆破块度的形成特性,并阐明不同级配范围内的爆破块度数值模拟方法选择必要性,进而提出一种基于LS-DYNA+DDA耦合的连续-非连续爆破块度数值模拟方法。在炮孔近区采用基于LS-DYNA的连续介质数值模拟,提高粉碎区计算效率,中远区采用基于DDA的非连续方法进行模拟,实现爆破块度的非连续表征,并比选了将应力和速度分量作为耦合参量的准确性。最后基于舟山绿色石化矿山的开采爆破实践,对耦合方法进行了验证,结果表明:小粒径块度主要集中于炮孔附近很小的范围内,使用连续方法可以高效地模拟小粒径块度的分布;采用DDA方法模拟中大粒径块度的破碎更加合理,采用峰值速度作为不同方法之间的耦合分量可以减少计算传递时的压力亏损;所提的新方法预测爆破块度的准确性有所提高,在兼顾爆破块度力学机理的合理性和计算效率方面有其优越性。研究成果对于工程技术人员在爆破块度的精细化数值仿真方面有一定参考价值。

土体渗透系数是量化流体在土壤中渗透能力的关键参数,能直接影响边坡稳定性分析、地基处理及防渗工程设计。当前,粗粒土渗透系数能基于一些常规参数准确估算,而黏性土在这方面的研究相对缺乏。传统的柯森-卡门方程为粗粒土渗透系数估算提供了有效途径,但在黏性土渗透系数预测上表现不佳。基于此,利用统计方法,结合土体液限构建土体总孔隙比与有效孔隙比的关系,进而对柯森-卡门方程进行改进,得到了适用于黏性土的渗透系数计算方法。选用大量黏性土的相关参数,分别利用原方程及改进方程对黏性土渗透系数进行计算,并与实测值进行对比。研究结果表明,传统的柯森-卡门方程的预测可靠度为56.2%,柯森-卡门改进方程的预测可靠度高达81.9%,相比于原方程精度提高了25.7%。孔隙比和液限是影响黏性土渗透系数预测结果的关键参数。黏土矿物类型对建立的计算模型性能影响不大,建立的计算模型对渗透系数实测值在10^-9、10^-10 m/s数量级的预测效果具有更好的适用性。提出的柯森-卡门改进方程能为岩土工程实践中黏性土渗透系数的估算提供可靠的理论参考。

探究地应力环境下碎裂花岗岩的软化特征对地下软岩工程的建设和服役具有重要的意义。通过自主研发的TAXW-5000多场耦合真三轴模拟系统开展了不同最小主应力条件下碎裂花岗岩的真三轴压缩试验,分析了不同最小主应力对碎裂花岗岩的力学特性和软化扩容特征的影响。研究结果表明:最小主应力从1 MPa增大至10 MPa,碎裂花岗岩的峰值应力从48.98 MPa增加至80.42 MPa,残余应力从27.17 MPa增加至75.67 MPa,且峰值应力和残余应力均与最小主应力满足线性相关关系;碎裂花岗岩的软化模量与最小主应力之间满足负相关关系。随着最小主应力的增大,碎裂花岗岩软化阶段的剪胀扩容系数减小,碎裂花岗岩的变形特征由脆性破坏向延性破坏转变。而残余阶段剪胀扩容系数整体较大,且随着最小主应力的增大,表现出先增大后减小的变化趋势。研究结果将为地下软岩工程的建设和服役安全提供重要的试验和理论支撑。

在真空预压处理疏浚淤泥时,免滤膜秸秆排水体(NSD)具有无需滤膜和防淤堵的优势,应用前景良好。然而,目前秸秆滤层的渗透特性及其孔隙特征尚不清楚,影响了其推广运用。通过室内渗透试验,探究了免滤膜秸秆排水体滤层的渗透系数随真空预压时间、滤层厚度及疏浚淤泥初始含水率变化的规律,并结合CT扫描进一步探讨了不同处理条件下,免滤膜秸秆排水体孔隙结构演化对其渗透特性的影响。结果表明:①初始NSD内部存在纵横连通的缝隙排水通道,这些通道通过连接孔隙构成连续的渗流网络,使NSD具有优越的渗透性能。其中空隙占NSD总体积的31.42%,缝隙结构体积是孔隙结构体积的14倍。②秸秆滤层在渗透性能上优于传统土工织物滤膜。自反滤层-免滤膜秸秆排水体(NSD-Reverse,NSD-R)反滤体系的渗透系数随真空预压时间增长先快速下降后趋于稳定,在30 min后稳定在10^-5 cm/s这一数量级,相较于滤膜过滤黏土的反滤体系渗透系数10^-6 cm/s高一个数量级。滤层厚度的增加会导致反滤体系渗透系数减小,疏浚淤泥初始含水率较高的NSD-R反滤体系渗透系数较大。③真空预压时间增长使NSD-R反滤体系中的秸秆滤层空隙结构发生变化。随着真空预压时间的增长,NSD滤层空隙率迅速下降,厘米级缝隙结构占比明显减少,有效阻断细颗粒连续迁移,随后毫米级孔隙结构增多,既提升了保土性能,又确保了透水效率,从而实现了“保土-透水”功能的平衡。

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。