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。

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。