降雨条件下崩解炭质泥岩一维渗流特性研究

为研究降雨条件下崩解炭质泥岩一维渗流特性,设计了一种测量崩解炭质泥岩在降雨条件下体积含水率变化规律的装置,通过设置3种降雨强度下崩解炭质泥岩土体的入渗试验,得到崩解炭质泥岩在不同降雨条件下随高程分布的各特征点体积含水率随时间的变化规律。同时,基于Geo-Studio软件中Seep模块对崩解炭质泥岩一维土柱进行数值模拟,验证了崩解炭质泥岩的渗流规律。结果表明:(1)崩解炭质泥岩路堤在降雨条件下沿高度方向的体积含水率变化呈现梯度变化规律,首先含水率由上至下依次升高达到平稳,随后底部土体率先饱和,最后全部土体达到饱和;(2)各特征点含水率达到平稳状态和饱和状态的时间与降雨强度成反比;(3)降雨过程中浸润线高度不断降低,浸润线的下降速度和拟合函数斜率均与降雨强度成正比,降雨强度越大浸润线到达碎石层的时间越短;(4)数值计算所得特征点含水率和浸润线的变化规律与试验结果基本一致,含水率变化更具规律性且浸润线深度在降雨中后期的结果较大。     

裸露岩质边坡覆绿模拟试验研究

通过对裸岩边坡模型的研制,设计边坡坡度、种植槽类型、基质类型和绿植配合类型等模拟条件,建立9组模型并开展试验研究,以获取绿植生长发育的影响因素及相关数据,进而探索岩质边坡覆绿技术。具体试验结果包括:(1)在Ⅰ型种植槽土壤含水率较高、不施基肥时,平度株高随坡度改变的影响不显著,但Ⅰ型种植槽在土壤含水率较低、不施基肥时,45°的边坡坡度下绿植平均株高较60°和75°的坡度下平均株高高出12%～30%。Ⅱ型种植槽无论土壤含水率高或低,在施加基肥时,坡度变化对平均株高的影响均不显著;(2)土壤层厚度不同程度地影响绿植的萌芽与生长,试验表现在土壤层厚度3.5cm左右绿植有较大的平均高度,施加基肥、满足绿植萌芽并生长且土壤含水率不一的情况下,Ⅰ型种植槽模型中绿植平均株高较Ⅱ型种植槽中绿植高8%～147%;(3)Ⅰ型种植槽在三种试验坡度且土壤含水率不一的情况下,施加基肥的绿植平均株高比不施基肥的绿植高10%～163%。     

含水率-温度双因素影响的红黏土力学特性分析

在新的气候环境和工程建设要求下,涉及红黏土的工程问题不断突出,亟待深入掌握残坡积红黏土的力学和工程性质。该文以湖南省内典型红黏土为研究对象,基于不固结不排水直剪试验,开展含水率和温度双因素影响下的残坡积红黏土力学特性研究,重点关注影响红黏土力学性能的最不利条件。研究结果表明:(1)受单因素含水率影响,随含水率的增加红黏土的抗剪强度减小10%～40%;而考虑含水率与温度双因素影响,温度增加时,红黏土的抗剪强度随含水率增加而减小的效果减弱;(2)红黏土的黏聚力同时受温度和含水率的影响,同一温度下,含水率增加,黏聚力减小40%～70%,温度越高,含水率对黏聚力的影响越小;同一含水率下,温度为30℃时,黏聚力最小;(3)非极端温度范围内(10～30℃),红黏土的内摩擦角主要受温度影响,温度增加,内摩擦角增加5%～10%。     

海绵城市道路种植土-碎石绿化带的雨水入渗

种植土-碎石绿化带是海绵城市道路雨水入渗的重要组成部分。为分析种植土-碎石绿化带雨水入渗能力,将负孔隙水压力与相对渗透系数和体积含水率之间的关系简化为指数函数,利用试验数据对其进行了验证。基于非饱和渗流方程和拉普拉斯变换,给出了绿化带雨水入渗的数学模型。利用该模型分析了降雨条件下石家庄汇明路植被土-碎石绿化带雨水入渗特征,讨论了不同降雨条件下雨水入渗的特征和影响雨水入渗的因素。结果表明:(1)负孔隙水压力与有效饱和度和相对渗透系数之间都呈指数函数关系,可以利用负孔隙水压力与有效饱和度之间的关系推测非饱和土的渗透系数;(2)随着雨水入渗,地表处的负孔隙水压力迅速减小,植被土的体积含水率逐渐增加,植被土逐渐从非饱和状态向饱和状态过渡,雨水入渗也由非饱和入渗转变为饱和入渗;(3)随α增加,植被土上部的负孔隙水压力降低更快,表层土更快饱和,然而下部土体的负孔隙水压力降低反而趋缓;(4)降雨强度影响着植被土的设计入渗能力,降雨强度小时,雨水完全入渗,随着降雨强度增大,其设计入渗能力降低,雨量径流系数快速增加;(5)降雨强度和植被耐水湿时间是植被土设计入渗水量的重要参数,给出了植被土设计入渗水量计算方法。     

降雨入渗对边坡暂态饱和区分布特征的影响

针对降雨入渗形成的边坡内部暂态饱和区的形成与分布受多种因素影响的状况,开展了降雨条件下暂态饱和区形成条件及多因素影响下暂态饱和区分布的研究。基于有限元数值模拟方法,开展一维渗流及二维渗流过程计算,得到了暂态饱和区的形成条件及多因素影响下的分布特征。研究结果表明:一维渗流条件下,暂态饱和区生成速度和扩展范围受到降雨强度与降雨时间共同控制,暂态饱和区形成的根本原因是土体表面入渗流速大于土体内部湿润锋出渗流速;降雨条件下,暂态饱和区形成的速度为边坡下部大于边坡上部,降雨停止后,随着雨水的持续下渗,坡面已饱和区域体积含水率随着雨水的下渗逐渐降低,消散速度为边坡上部快于下部;降雨强度、初始边坡表面吸力、边坡土体类型对暂态饱和区形成时间、分布深度将产生一定的影响,且影响程度大于坡比对暂态饱和区的影响;在边坡初始表面吸力相同的条件下,降雨强度越大边坡表面孔隙水压力上升速度越快,在降雨强度相同的条件下,初始表面吸力越大边坡表面孔隙水压力上升速度越快,边坡表面孔隙水压力受坡比影响较小。     

考虑风化与非饱和效应的残积土边坡稳定性分析

为了研究风化程度与非饱和效应对残积土边坡渗流特征及稳定性的影响,该文基于非饱和土抗剪强度数学表达式及考虑时间与深度效应的土体渗流和强度指标数学模型,提出了一种能同时考虑风化与非饱和效应的边坡稳定性极限平衡分析方法,并结合饱和-非饱和渗流计算理论对残积土边坡渗流特征及稳定性进行了分析。得出如下结论:(1)降雨过程中,坡面附近土体体积含水率逐渐升高,其升高幅度、升高速率与降雨强度成正比,进入暂态饱和区的时间与降雨强度成反比;(2)降雨期间,坡面附近土体体积含水率升高幅度、升高速率及进入暂态饱和区的时间受风化程度的影响较小;(3)降雨条件下,边坡暂态饱和区空间分布面积及深度与降雨强度、风化程度及降雨时间成正比,出现暂态饱和区的时间与降雨强度成反比;(4)降雨期间,边坡安全系数下降幅度与降雨强度、风化程度及降雨时间成正比。     

A380轮载作用下刚性机场跑道临界响应研究

为研究A380轮载作用下,刚性机场跑道临界响应,采用高精度单元建立三维有限元模型,对刚性机场跑道的典型加载工况进行数值模拟。结果表明:(1)A380轮载之间的应力叠加效应较小,最大主应力峰值突出;(2)两个主起落架在板两侧加载时,造成中部向上拱起,在正温差和荷载联合作用下,板中部会产生由顶部向下部扩展的纵向裂缝;(3)相邻起落架形成的弯沉盆发生较大程度叠加;(4)板角加载时基层竖向压力峰值最大,而其他加载工况时,水平方向最大压力峰值大于竖向压力峰值。     

降雨条件下包盖法填筑炭质泥岩路堤稳定性分析

为了研究降雨条件下包盖法填筑炭质泥岩路堤稳定性,该文基于饱和-非饱和状态路堤渗流数学模型与稳定性计算理论,采用有限元数值方法对降雨条件下包盖法填筑炭质泥岩路堤渗流特征及稳定性进行了计算。得到如下结论:(1)降雨条件下,坡面附近包边土体积含水率升降的幅度与高程成正比,与距坡面的距离成反比;(2)降雨过程中,黏土包边方案路堤内部土体体积含水率、孔隙水压力的变化幅度最小,粉质黏土包边方案次之,粉土包边方案最大;(3)降雨条件下,路堤内部土体体积含水率、孔隙水压力的变化幅度与包边土体宽度成反比;(4)降雨期间,黏土包边方案路堤安全系数最大,粉质黏土包边方案次之,粉土包边方案最小;(5)降雨开始后,路堤安全系数不断降低,降雨停止后,路堤安全系数缓慢升高,路堤安全系数与包边宽度成正比。     

含水率差异对膨胀性红黏土隧道施工力学行为的影响

膨胀性红黏土因其特殊的水敏性,使得自身遇水膨胀,是造成隧道围岩失稳的重要原因。 为建立含水率与膨胀率的关系,从 而明确含水率变化对大断面膨胀性红黏土隧道及支护结构受力变形的影响,以银西高铁庆阳膨胀性红黏土隧道为研究背景,通过 现场监测确定围岩含水率波动范围;结合室内试验建立含水率与膨胀性和抗剪强度的对应关系;将土体含水率变化条件下的膨胀 关系同材料受热膨胀特性进行联系,利用ABAQUS内置的温度应力场模拟湿度应力场,分析不同含水率作用下隧道围岩压力、衬砌 结构内力与变形量值的重分布规律。 结果表明: 开挖后不同含水率最终趋于饱和时,随着初始含水率的降低,围岩及支护结构受 力增大,仰拱与拱脚处相对位移提高,拱顶、拱腰与边墙处相对位移降低,整体安全系数逐渐降低;对开挖后洞周平均含水率20.7% 而言,最终趋于饱和时围岩压力安全系数为2.2,衬砌安全系数为1.1,围岩相对位移为0.97%;相比于围岩压力和衬砌结构受力, 含水率变化对洞周围岩变形影响最大;基于特殊地质情况,建议将隧道预留变形量提至150~180 mm。     

降雨条件下路基边坡渗流分析

该文依据岩土饱和-非饱和渗流理论,运用有限元分析软件,对降雨条件下路基边坡渗流场以及含水率分布、孔隙水压力变化情况进行了模拟分析。研究结果表明:在不同降雨强度下,当雨强大于土体饱和渗透系数时,入渗深度随时间逐步向下推移,并且推移深度较大;当雨强小于土体入渗能力时,入渗速度较慢,入渗深度小于饱和入渗。裂隙的存在对降雨入渗过程中孔隙水压力和体积含水率分布具有较大影响。     

酸性环境下Q2黄土一维固结蠕变特性

为探究酸污染对Q_2黄土的固结蠕变力学特性的影响,利用高压固结仪对污染试样进行不同竖向应力水平下的一维固结蠕变试验,分析一维固结状态下0.5mol/L、1.0mol/L、2.0mol/L的盐酸浓度变化对黄土应力-蠕变变形量的影响规律。以受酸污染的黄土试样固结蠕变数据为依据,验证了Burgers蠕变模型在描述酸污染黄土应变时间关系上的适用性。研究结果表明:随着酸液浓度的增加,酸蚀黄土的蠕变变形量也逐渐增大,且在高应力作用下,增加量越大;Burgers模型可以较好地描述酸蚀黄土一维固结状态下的衰减蠕变特性,模型简单,适用性强;经酸液侵蚀的黄土,在同一酸液浓度下,高应力作用对Maxwell体弹性模量E_m、黏滞系数η_m和Kelvin体弹性模量Ek有提高作用,随着酸液浓度的增大此三参数数值呈现减小趋势;酸污染对黄土流变特性产生劣化效应,黄土流变性能增强。研究结果可为酸污染土地区环境岩土工程流变问题提供参考。     

酸性溶液对花岗岩力学特性及微观结构的影响

为探究酸性溶液作用下花岗岩力学特性损伤机制，在pH值分别为7、5、3的化学溶液中对花岗岩试件进行72 d饱和处理，然后对饱和试件和自然干燥试件进行三轴压缩试验、核磁共振试验、电镜扫描试验（〖WT５”《TNR》〗scanning electron microscope, SEM〖WT５”ＢＺ〗）及X射线衍射试验，并对比分析不同化学溶液作用下花岗岩试件三轴抗压强度损伤、变形特征及力学参数的变化规律。试验结果表明： 1）花岗岩试件的三轴抗压强度、弹性模量及黏聚力随酸性溶液pH值降低而减小，泊松比随着pH值的降低而增大； 2）在酸性溶液的腐蚀作用下，试件内斜长石及方解石等矿物成分的消耗导致试件内部结构疏松程度增加，强酸作用下伴有微裂隙产生； 3）与自然干燥状态下的试件相比，在围压20 MPa的条件下经pH=3的酸性溶液酸化处理后的试件，其偏应力峰值强度降幅达39.94%； 4）花岗岩在酸性溶液作用下，部分矿物溶解、迁出，使得孔隙结构不断劣化产生大量次生孔隙，且酸性溶液pH值越低，中、大孔隙占比越高。     

循环荷载作用下埋地管道力学与变形性能研究

针对循环荷载作用下埋地管道力学与变形性能开展试验研究,综合分析管道埋深(H)、管壁厚(t)、荷载水平(P)、加载频率(f)和循环次数(n)等因素对管道性能的影响。试验结果表明:同等条件下增加管道埋深可有效减少地表循环荷载对管道径向变形和管周土压力影响,管顶土拱效应使管顶竖向土压力明显大于管顶,且管道水平径向距管中心2D～4D范围内水平土压力明显大于竖直土压力;管壁厚增加51. 4%时,管道垂直和水平径向变形比分别减少了43. 3%和35. 7%,且管道上腰部由受压过渡为受拉状态,且过渡区随管壁厚增加而向管顶附近移动;提高循环荷载水平或降低荷载循环频率,管道变形、加载板沉降、管周土压力以及管周应力都明显增加,表明相同循环次数时高水平或低频率循环荷载对埋地管道影响更为显著;随着循环次数增加,管道径向变形比和管周土压力初期迅速增长,加载后期逐渐趋于稳定或出现回落,加载板沉降持续增加,埋地管道向着加载板地基破坏的趋势发展。     

饱和砂层不同的边界排水条件对填土压重法抗液化能力的影响

本文在水平饱和砂层表面有压重作用，四种层面排水条件下，推出了竖向一维排水时考虑孔压扩散消散的超静孔隙水压力计算公式，并据此分析了饱和砂层不同的边界排水条件对填土压重法抗液化能力的影响。     

碱性环境隧道排水管结晶规律室内试验研究

我国西南地区修建的隧道存在着日益突出的排水系统结晶堵塞问题。为研究该环境下排水管结晶规律,基于地下水和结晶物分析结果,在实验室以PVC 管模拟隧道排水管、以纯CaCl2 和NaOH 试剂配制4 种pH 值(8、9、10、11)饱和溶液,分别进行试验管半充水和满充水2 种状态下8 种工况的56 d 结晶生长试验; 通过对晶体质量、XRD 和SEM 图分析,得出结晶规律。结果表明: 排水管结晶量随pH 值增大而增加,但受pH 值和充水状态的耦合影响;当pH 值为8~10 时,半充水管结晶量更高,结晶量受充水状态影响较大;当pH 值为11 时,在试验开始23 d 后满充水管结晶量逐渐高于半充水管,结晶量受pH 值影响较大。结晶体均为方解石,pH 值越大,晶体晶型以纺锤形为主、堆积越紧密、晶粒尺寸越小且均匀。     

包盖法填筑炭质泥岩路堤在降雨条件下的稳定性分析

为了研究包盖法填筑炭质泥岩路堤在降雨条件下的稳定性,基于饱和-非饱和渗流数学模型与边坡稳定性计算理论,对不同降雨强度和饱和渗透系数影响下炭质泥岩路堤渗流特性及稳定性的变化规律进行了分析。得出如下结论:(1)降雨过程中,坡面附近土体体积含水率升高速度快,其升高幅度和高程、距坡面的距离成反比。降雨停止后,坡面附近土体体积含水率降低缓慢,其降低幅度和高程、距坡面距离成正比。(2)随着降雨时间的增加,降雨强度越大,路堤土体孔隙水压力升高越明显,包边土体中正孔隙水压力区域范围也越大。(3)在降雨过程中,路堤饱和渗透系数越大,路堤土体孔隙水压力升高幅度越小。包边土体中正孔隙水压力区域范围也越小。(4)降雨期间,路堤安全系数逐渐降低;降雨停止之后,路堤安全系数缓慢升高。路堤安全系数的大小和降雨强度、饱和渗透系数成反比。     

季冻区路基土抗剪强度指标变化规律研究

对试验路路基土进行室内不同条件下的快剪试验,分析含水率、压实度和冻融循环次数对3种不同类型土体抗剪强度指标的影响。结果表明:冻融循环作用能够使土体粘聚力降低,内摩擦角增大,其中粉质粘土的粘聚力受冻融作用影响最大,且各类土内摩擦角值在冻融作用下的增幅不大,经过6次冻融循环后,各类土体的抗剪强度指标趋于稳定;随着压实度的增加,各类土粘聚力和内摩擦角值都有不同程度的增加,且压实度对砂性土粘聚力和低液限粘土内摩擦角的影响最为明显;随着含水率的增加,土体粘聚力和内摩擦角都会降低,且粉质粘土的粘聚力和内摩擦角受含水率的影响最大。     

软弱围岩隧道锁脚锚管力学特性现场模拟试验

锁脚锚管在软弱围岩隧道安全施工方面应用广泛,其力学作用机理及合理支护参数的研究对维持结构安全稳定意义重大。以黄延高速公路扩能工程剪子岔隧道为依托,通过现场模拟试验,对软弱破碎围岩条件下隧道锁脚锚管的受力特性和变形分布规律进行了系统研究。本试验根据自主研发设计的隧道钢架-锁脚锚管相互作用模拟试验装置,分析了不同打设角度下锁脚锚管的实测应变及对应的弯曲应变,研究了锁脚锚管的内力分布及荷载响应情况,并结合不同打设角度下锁脚锚管端部位移和试验前后锚杆的变形情况,揭示了锁脚锚管的力学作用机理并提出了锁脚锚杆的合理打设长度和角度。现场试验结果表明:(1)大角度打设的锁脚锚管受力更均匀,且可以将端部荷载传递到围岩更深部位置;(2)锁脚锚管主要靠管口附近部位抵抗弯矩,且锁脚锚管在端部竖向荷载作用下主要依靠其竖向抗弯刚度提供承载力;(3)当荷载相同时,锚管端部水平位移随着打设角度的不同而不同,当打设角度为45°时其水平位移为最大,打设角度为0°时其水平位移为最小;(4)孔口围岩的塑性变形和剥离破坏集中在锚管下方部位,主要由锚管的竖向挤压变形引起。     

砂土层中盾构隧道竖向土压力的转移机理及其计算

开展了Trapdoor试验来模拟砂土层中盾构隧道的开挖,研究了Trapdoor上部竖向土压力的转移机理,总结了国内外土拱区侧压力系数K的取值,与试验结果进行了对比并给出其建议值。分析结果表明,隧道上覆土体通过拱效应把作用在衬砌管片上的部分竖向土压力传递到两边不动土体,从而导致竖向土压力明显减小,而水平向土压力有所增加;当土拱效应充分发挥时,按侧压力系数K=1计算得到的Trapdoor上部竖向土压力与试验结果比较接近。     

装置材料对防水试验中密封垫性能的影响

为研究管片密封垫防水试验中不同装置材料下密封垫性能的差异,采用弹性力学理论对钢制装置和混凝土装置下密封垫的耐水压力和装配力进行研究。以管片接缝密封中常用的三元乙丙密封垫为研究对象,对钢制装置和混凝土装置下的密封垫进行防水试验,研究2种不同装置下密封垫的装配力和耐水压力与张开量的关系。研究结果表明:1)钢制装置下密封垫的竖向应力比混凝土装置下密封垫的竖向应力大,导致其耐水压力高于混凝土装置;2)2种装置得出的装配力-张开量和耐水压力-张开量曲线变化规律相似;3)采用钢制装置代替混凝土装置进行混凝土管片密封垫的防水试验时,应将张开量减小一定的数值;4)在密封垫的防水试验中应尽量采用混凝土装置进行测试;5)采用钢制装置代替混凝土装置进行混凝土管片密封垫耐水压力测试时,应对试验数据进行平移转换。