侧装式弯曲元测量软黏土剪切波速的试验研究

判断剪切波到达时间并计算相应的剪切波速是弯曲元试验的关键问题之一。受到试验仪器差异和研究者波速判断主观性的影响,很难客观地、准确地获得土体的剪切波速。针对该问题,提出采用侧装式弯曲元测试系统测量剪切波传播时间和土体的剪切波速,利用上海典型的淤泥质黏土进行试验,分别采用初达波法、特征值法和互相关法计算土体的剪切波速。试验结果表明,（1）初达波法在信号判定过程主观性较大,土体剪切波速受发射信号频率的影响明显;（2）采用第二峰值点（特征点法）得到的试验结果波动性较小;（3）在满足相似性的前提下,互相关法在一定频率范围内（20～30 kHz）提高了确定剪切波速的客观性,降低了因试验者或激发频率的不同对试验结果产生较大影响的可能性。     

环境湿度可控的土体小应变刚度试验系统

为研究脱湿过程中饱和度改变对土体小应变刚度的影响规律,自主研制了一套非饱和土小应变刚度试验装置。该装置由3部分构成：相对湿度控制系统、变形测试系统和波速测试系统。相对湿度控制系统可分级提供环境室内相对湿度,通过称重模块记录土样质量变化;变形测试系统利用图像采集结合数字图像处理技术获得土样体变;波速测试系统采用压电陶瓷元件制作的波速传感器,可同时测试土样脱湿过程中压缩波及剪切波波速。试验结果表明：该装置能够分级稳定控制相对湿度环境、间接测量土样体积变化及实时测试弹性波波速,进而研究波速表征的小应变刚度随饱和度的变化规律;土样剪切波速及小应变剪切模量随饱和度的降低逐渐增加,压缩波速及小应变体积模量随饱和度的降低先减小后增加。该装置结构简单,便于操作,为研究非饱和土小应变刚度特性提供了科学有效的测试方法与试验手段。     

高压条件下土的冻融试验装置研制及应用

深部土体冻融后的物理力学性质对深部人工冻结工程意义重大. 针对该问题, 在以往土的冻融试验装置的基础上, 设计出适用于高压条件下土的室内冻融试验装置, 并给出了高压条件下土的冻融试验方法. 基于该装置, 对有压条件下兰州黄土在不同冷端温度下的单向冻结特征进行了试验研究. 结果表明: 无压单向冻结过程中土的变形以冻胀为主, 而高压情况下则主要表现为压缩变形. 在有压单向冻结过程中, 试样内部仍然存在着明显的水分重分布过程. 试验分析表明, 该试验装置能够为高压条件下土的冻结特征及冻融作用后土的物理力学性质研究提供技术支持.     

适用于检测冻土的超声波测试系统的设计与研制

超声波波速测试作为一种无损检测已经广泛应用到岩土工程行业,该测试方法也是获得岩土体物理力学参数的有效方法.目前鲜有关于冻土的声波测试的技术和方法的报导,已有的冻土声波测试都是在垂直方向上忽略换能器的质量并在常温下快速测试声波通过时间,难以满足测试精度.鉴此,在购置常温声波测试主机的基础上,充分考虑冻土对温度敏感的特性、换能器在水平方向的测试以及土样与换能器之间的耦合程度,设计了一种适用于多种类型的冻土超声波换能器支架和恒温箱的测试系统,恒温箱意在提供适合不同温度下土体的测试环境（-30℃～+30℃）,换能器支架可供低温、提供多种尺寸冻土试样的横波和纵波的测试平台.为避免垂直测试中换能器和土样自身对测试的影响,除了支架提供水平测试平台外,在调节换能器与土样接触距离的螺杆顶端放置应变片测试冻土样与换能器之间的接触程度以提高冻土声波波速的测试精度.利用该测试系统对不同负温下冻土样品进行测试,数据结果证明了该测试系统的实用性和良好的测试精度.     

原状黄土遇水及饱和后软化特征研究

黄土由于特殊的结构性导致其水敏性,以往相关研究多采用室内试验的方法。文章以动三轴弯曲元试验系统对原状黄土和饱和黄土在各级围压下的剪切波速与轴向变形进行了测试,并对兰州市西固区某饱和黄土场地进行了现场钻孔及原位试验。室内及现场试验结果表明,黄土遇水模量软化,饱和黄土更具有触变性。进一步对比饱和粉土与砂土的剪切波速与标贯击数统计关系,发现饱和粉土由于触变性导致标贯击数较小,而剪切波速为小应变无损测试,最终表现为剪切波速相同的饱和粉土与砂土,粉土标贯击数显著小于砂土。     

冻融粉质黏土的剪切波速与动态回弹模量及其转换关系

动态回弹模量作为评定路基性能及进行路面设计的重要参数,受土体自身物理力学状态及外部环境的显著影响而复杂多变,亟需一种高效简便的针对性监测方法。以压实粉质黏土为研究对象,开展了不同含水率、压实度和冻融循环次数下粉质黏土动态回弹模量和剪切波速试验,获得了冻融黏土的动态回弹模量、剪切波速及两者之间的转换关系。结果表明：土体动态回弹模量和剪切波速均与其物理状态紧密相关,二者都随含水率和冻融循环的增加而急剧下降,随压实度的增加而有所提升;土体的动态回弹模量还受到应力状况的影响,随围压增大而增大,随循环偏应力增大而减小,应结合实际受力状况选取相应动态回弹模量代表值反映路基的性能;采用三参数复合模型回归确定了冻融粉质黏土动态回弹模量预估模型,并建立了冻融粉质黏土剪切波速预估模型;据此构建了冻融粉质黏土动态回弹模量与剪切波速的转换关系,为实现基于剪切波速确定路基土动态回弹模量提供了理论支持。     

直墙拱形巷(隧)道岩爆试验及劈裂与剪切分析

针对岩爆试验及监测研究的不足,开展了直墙半圆拱形巷（隧）道岩爆单轴压缩试验、声波监测及岩爆破裂的劈裂与剪切分析。结果表明,巷（隧）道围岩呈现起伏粗糙破裂面和劈裂后的薄块体,试样整体也呈现出明显的劈裂岩爆现象;波速可以很好地反映围岩内部损伤演化进程,将围岩波速由持续不变到开始变小点作为临界损伤点,可以通过监测波速变化进行围岩岩爆的预测预报;通过监测声波波形尤其是对波形稀疏、周期变长的监测,可以很好地掌握围岩内部的全程发展变化情况;通过综合监测声波的波速、波形稀疏、周期变长,达到定性、定量相结合,及时、准确地预测、预报岩爆,以保障人员、设备安全;得出了由应力强度比和压拉比来判定劈裂岩爆发生的综合表达式以及与应力强度比岩爆烈度分级标准相对应的压拉比数值;劈裂岩爆发生的应力强度比即应力判据在0.27～0.80之间（R为10～30时）;随着满足劈裂岩爆发生的应力强度比的增大,其越接近满足剪切破坏条件,破坏主要形式将向剪切破坏方向发展。     

常规土类剪切波速与埋深经验公式的可靠性评价

国内常规土类剪切波速与埋深的统计关系公式(刘红帅等《常规土类剪切波速与埋深的关系分析》一文中,表2—5中的幂函数和一元二次函数模型公式)作为全国性经验公式,已成为地区经验公式检验对比的重要参考,但缺乏较系统的可靠性评价。为此,选取国内典型地区(北京、鲁西、成都、天津、常州、武汉6个区域)的剪切波速与埋深的统计经验公式,检验全国性常规土类剪切波速与埋深经验公式的可靠性。结果表明:幂函数模型预测的剪切波速随深度增大而增大,符合定性认识,而一元二次模型有可能出现不合理的回弯反常现象,不应继续采用。全国性剪切波速经验公式在不同地区的预测精度差异显著,在大多数地区对于绝大数土类预测的相对误差总体在±20%以内,在少数地区对于大数土类预测的相对误差超过±20%,仅在近地面20 m内的相对误差较大,最大可达40%左右。建议优先选择适合当地的剪切波速经验公式;当缺乏本地公式,需选用全国性剪切波速幂函数型经验公式时,应先经过本地实测资料检验确认后方可使用;20 m范围的剪切波速最好以实测为准,这有助于降低全国性剪切波速经验公式带来的显著误差。     

砂土应力诱发弹性波速各向异性的试验研究

针对砂土弹性模量的各向异性,利用安装在试样上的竖向和水平向弯曲元波速传感器,研究了不同应力状态下丰浦砂试样不同方向的压缩波（P波）和剪切波（S波）波速特征,确定了表征砂土纵观各向异性的弹性刚度矩阵,并探讨了砂土试样中波速各向异性程度随应力状态的演化规律。研究结果表明：在等向应力固结下,丰浦砂试样中不同方向的波速均与围压呈幂函数关系,且存在明显的初始各向异性,试样中沿水平向传播的波速小于沿竖直向传播的波速;在三轴压缩不等向应力固结下,沿竖向传播的弹性波速随竖向应力和水平向应力比值的增加而增加,沿水平向传播的弹性波速随应力比的增加先保持不变后衰减。随着应力比的增加,砂土试样中应力修正后波速的各向异性程度先变化不大后逐渐加剧,这一现象与砂土微观组构的演化有关。     

基于偏振特性的下孔法剪切波到时判别问题探讨

基于偏振特征的剪切波到时判别在下孔法波速测试中被广泛应用，然而实际测试中时有发现压缩波初动出现反相的现象，因此针对压缩波不偏振而剪切波偏振的理论基础进行论证很有必要。通过三维有限元分析模型模拟了地表敲击下孔法波速测试，并基于时域逐步积分动力有限元方法求解了地表正反向水平敲击下不同深度观测点振动响应。结果表明：地表水平正反向激励下，各深度观测点中与激励方向平行的水平分量中压缩波也出现反相。为进一步探讨这与实际工程的认知相悖的现象，数值模拟了荷载倾斜、探头旋转、探头倾斜等实际测试可能出现的情形。结果显示：荷载倾斜与探头倾斜的综合影响会导致正反向敲击激励下压缩波的初动相位不反相。进一步，提出了一种剪切波旅时计算新方法以减少每次敲击之间敲击角度、探头偏转和倾斜变化带来的影响，数值计算得到基于新方法求解的剪切波速接近模型介质剪切波速值，其优于利用峰－峰法和互相关法确定旅时而得到的波速结果。     

有载冻融作用对深部重塑黏土抗剪强度影响的试验研究北大核心CSCD

深厚表土层冻结法凿井工程中,深部土体由于经历了高压冻融作用,导致其工程性质变化,认识冻融作用对其强度与变形影响,对于冻融病害防治有一定意义。本文通过室内试验对深部重塑黏土进行了有载冻融,并对不同干密度、围压、冻结温度和融化温度条件下的深部冻融重塑黏土进行三轴剪切试验,探讨有载冻融作用下深土重塑土抗剪强度的变化规律。研究结果表明:冻融作用使深部重塑黏土的偏应力-应变关系由软化型转变成硬化型;同时,经冻融作用后其抗剪强度与割线模量都产生了一定的下降,在本试验条件下,抗剪强度最高下降了48.8%,割线模量E_()最大下降了72.0%。通过对各影响因素的显著性分析,发现初始干密度对抗剪强度和割线模量影响最为显著,围压对两者的影响最弱。     

上海典型黏土小应变剪切模量现场和室内试验研究

土体小应变剪切模量在基坑、隧道等地下工程的计算分析中有着重要作用,越来越受到人们的关注。虽然上海地区地下工程项目的建设规模不断扩大,但关于上海典型黏土层的小应变剪切模量的研究相对较少。分别采用现场波速测试和室内弯曲元试验对上海典型黏土层的初始剪切模量进行了研究。试验结果表明：在减小土样扰动、保持土样应力状态与原位土体等效的基础上,弯曲元试验得到的初始剪切模量与现场波速测试相一致;考虑了土体应力状态和孔隙比的经验公式能够合理地描述上海典型黏土层初始剪切模量的变化规律,并给出了各土层的经验参数。试验结果可为上海地区地下工程计算分析中小应变剪切模量的估算提供参考。     

冻结黏土空心圆柱试样制样方法

冻土空心圆柱仪是室内研究冻土在车辆荷载等复杂应力路径下力学特性的主要仪器,试验中为实现主应力轴方向在垂直于径向平面内连续旋转,其试样多采用薄壁空心圆柱试样,但由于空心圆柱试样薄壁的特点,增加了制样的困难,成为制约冻土空心圆柱试验研究进展的主要阻碍。为此,借鉴冻土三轴试验的制样方法,基于实验室现有的制样条件,设计了一套重塑冻结黏土空心圆柱试样的制样装置,可提高制样效率,减小制样过程中人为因素的影响;随后,基于该制样装置,提出了一种冻结黏土空心圆柱试样的制样方法,给出了制备重塑冻结黏土的制样步骤。最后,通过对所制备试样的物理力学性质测定,发现采用该制样方法可以制备含水率及干密度均匀、力学性质稳定的重塑冻结黏土试样;同时对两个平行制备的冻结黏土试样的不同主应力轴方向的定向剪切试验结果进行了比较,证明了所提出的制样方法具有良好的可重复性,且所得的冻土力学特性与已有研究成果吻合较好,可用于进一步系统研究复杂条件下冻结黏土的静、动力学特性。     

基于荧光素和图像追踪技术的冻融循环作用下土体水汽迁移量测装置系统研究

寒区高铁路基中粗颗粒填料水汽迁移可能是路基冻胀变形的来源,直观追踪冻融循环作用下土体水汽迁移过程,有助于研究水分迁移规律,为冻胀机理提供理论依据。基于此,提出采用荧光素示踪和图像处理技术方法,直观观测土体中水汽迁移的规律。首先开展荧光素示踪、蒸发试验及图像处理技术的研究,证明示踪剂可实现冻结锋面及外界液态水迁移的追踪;而后通过改进试样筒,加入液态水隔离装置等实现可视化装置系统的研发;最后通过开放和封闭条件下水汽混合迁移和气态水迁移试验,实现了水汽迁移过程的可视化追踪。验证性试验结果表明：在开放条件下,该试验装置能够有效追踪外界水迁移的时程变化;在封闭条件下,该装置能够实时监测冻结锋面的变化过程。在粗粒土中,气态水迁移是存在的,且水分重分布主要由气态水迁移引起。     

深埋硐室高围压条件下的围岩动力学响应

地下硐室开挖过程中,应力波对硐室周围围岩位移及其应力应变变化规律起着十分重要的作用,准确分析应力波对硐室围岩的影响规律,不仅可以作为检验施工设计的依据,而且可以预测预报围岩的稳定性和调整开挖方式、支护设计等,从而合理地指导施工。利用三维快速拉格郎日法(Flac3D有限元分析程序),以冬瓜山铜矿某破碎硐室为实例,在硐室围岩模型的上边界施加动力载荷,以模拟外界动力扰动对硐室围岩稳定性的影响,再通过加载峰值,来考察动载强度对硐室围岩的影响,得出了硐室围岩在不同时刻的应力和塑性区分布情况。研究表明:当扰动应力波来自硐室围岩竖直方向时,其对硐室拱顶和底板围岩的稳定性影响较大;当扰动应力波来自硐室围岩水平方向时,其对硐室侧壁围岩的稳定性影响较大。     

冻土三轴蠕变特性试验研究及平面冻土墙厚度的确定

主要是对冻土的三轴蠕变特性进行分析研究,从而进一步确定具有明显流变特性的平面冻土墙的厚度。通过对冻土的流变特性进行理论分析,建立了冻黏土在复杂应力状态下的对数型蠕变方程。采用“低温箱-三轴压力室”轻型试验设备系统对人工配制的冻黏土试件进行了三轴蠕变试验,获得了冻黏土在复杂应力状态下的蠕变曲线。根据试验结果,对冻黏土的对数型非线性蠕变方程进行回归分析,得到了冻黏土对数型蠕变方程参数的数值。根据冻土流变理论和所建立的蠕变方程,以及平面冻土墙的厚度计算公式,利用Visualc++ 6.0和Matlab 6.0技术开发了冻土墙厚度计算的计算机应用软件。分析研究了平面冻土墙厚度与跨度、基坑暴露时间、基坑开挖深度的关系。平面冻土墙厚度随时间的延长在短期内具有急速增长的趋势,而后随时间的延长逐渐趋于稳定;平面冻土墙厚度受其跨度的影响较小,但随基坑开挖深度的加深具有逐步增长的趋势;温度对平面冻土墙厚度的影响显著,温度越高,厚度越大,所以,控制温度是平面冻土墙设计中的关键。从而为蠕变变形较大的平面冻土墙的厚度确定提供了依据。     

冻融循环作用下宽级配砾质土的渗透特性

针对西北地区特殊的气候条件和砾质土料源丰富的实际情况,提出采用宽级配砾质土代替黏土作为土工合成材料膨润土垫(GCls)的保护层共同构成垃圾填埋场复合防渗系统的构想。文中选取宁夏银川地区冲-洪积作用形成的天然砾质土料,经人工掺和制配成满足规范对GCls防渗垫保护层渗透系数要求的宽级配砾质土样,在实验室对该土样进行了冻融循环作用下的渗透性能试验研究。结果显示,随着冻融次数的逐渐增加,土样的冻胀率逐渐变大,渗透系数也相应增大,经过12次冻融循环后,渗透系数约增大1～2个数量级;冻融循环初期,冻融作用对土样的影响最为剧烈,随着冻融循环次数的增加以及时间的延续,土样性状逐渐趋于稳定。由于宽级配砾质土对冻融循环作用的敏感性小于粉质黏性土,故采用宽级配砾质土作为Cls/GM的保护层共同组成填埋场复合防渗系统是值得期待的。     

人工冻土黏弹塑性本构参数反分析研究

通过大量的人工冻结黏土蠕变试验研究,获得在高偏应力下人工冻结黏土具有显著的蠕变特性：当应力水平较低时,人工冻土发生黏弹性蠕变变性;当应力水平较高时,人工冻土发生黏塑性蠕变变性。因此,以西原模型为基础,增加一个黏弹性元件项和用抛物线屈服函数代替塑性屈服项,构建了高应力下抛物线型黏弹塑性蠕变本构模型。改进的西原模型可以较好描述人工冻土剪切蠕变特性。基于小生境技术的遗传算法和人工冻土黏弹塑性模型有限元理论,在FEPG（有限元程序生成器）自动生成平台上研发了位移反分析程序。利用现场实测数据对深井冻结井筒开挖过程进行了位移反分析,获得了与试验相一致的冻土本构力学模型参数,数值分析结果与实测数据之间的误差在6%以内,反演结果验证了模型的可行性。冻结井筒开挖过程的位移反分析获得的人工冻土本构模型参数,能反映冻结壁施工过程和有效冻结范围内冻土本构参数平均值,因而具有广泛的代表性,对冻结壁应力场、位移场和稳定性预测具有重要工程意义。