大相似比模型试验用超高强相似材料配比试验研究

物理材料相似模拟试验是岩土工程领域中一种常用的研究手段,选择合适的相似材料并确定其配比是成功模拟原型工程的关键。现有相似材料多是针对几何相似比较小(1∶250～1∶25)的相似模拟试验研制,其强度普遍较小(0.2～7.6 MPa),难以满足较大相似比模型试验的需求。因此,为配制出强度在10 MPa以上的适合较大相似比模型试验的超高强相似材料,选择河砂、重晶石、石膏及不同强度等级的水泥作为模型试验的相似材料原料,以骨胶比、水泥石膏比、重晶石含量及水泥强度等级为正交试验的4个因素,共设计25组不同材料配比方案。根据试验要求制备各类相似模拟试件并开展相应的岩石力学试验,获得不同配比相似材料的基本物理力学参数。结果表明：试验所得相似材料力学参数变化区间较大,抗压强度为3.017～48.179 MPa,能满足较大相似比下超高强度相似模拟试验的需求;通过直观分析法分析各因素对相似材料物理力学参数的敏感性和影响规律,发现重晶石含量对相似材料密度起主要控制作用,骨胶比对相似材料抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内摩擦角起主要控制作用,水泥石膏比对相似材料黏聚力起主要控制作用;运用SPSS软件对相似材料配比...     

预应力锚索格构模型试验加载系统设计

预应力锚索格构复合结构广泛应用于边坡防护及滑坡治理中。但其设计计算理论还有许多问题需要进一步深入研究。因此,开展该复合结构的模型试验非常必要。针对锚索的锚固方向,模型试验需要对格构节点斜向施力,斜向加载系统设计成为该试验成败的关键环节。在分析现有实验条件的基础上,针对预应力锚索格构梁的受力特点,对预应力锚索格构复合结构模型试验的加载系统进行了设计。该设计包括加载千斤顶可转动底座的设计、斜向反力网架设计计算等。巧妙地解决了加载方向与边坡夹角需要灵活变化的关键技术问题以及千斤顶位置随意移动问题。这对于有相同技术要求的其他工程无疑具有借鉴和指导作用。     

地质力学电磁场模型试验相似理论研究

地质力学磁力模型试验是利用电磁力模拟重力、电磁力场模拟重力场的原理建立的地质力学模型试验理论与方法。其试验相似判据可根据相似理论的3个基本原理推导。用量纲分析和方程推导均可得到各参数相似判据为 , , , , , , 。在模型中,时间t、几何尺度l缩小n倍,重力加速度g扩大n倍,而材料的其他基本物理力学参数? 、? 、? 、? 、E、c、k、v、q、? 的相似比均为1,从理论上说可采用结构的原型材料进行地质力学磁力模型试验,这在模型试验的操作上十分方便。     

多级框架锚索和抗滑桩联合作用下边坡抗震性能的振动台试验研究

基于原型边坡设计了大型振动台模型试验,通过监测锚索轴力、桩身土压力、坡体加速度和坡面位移时程,研究多级锚索框架梁与双排抗滑桩组合结构加固含软弱夹层岩质边坡的地震动力特性。试验结果表明:在0.15g El Centro地震波激振时锚索预应力产生损失,最大损失比为23%,建议对变形等级要求较高的边坡在锚索抗震设计时适当提高预应力初始值1.2~1.3倍;沿边坡不同高度布置的锚索其轴力响应峰值几乎同一时刻到达,而峰值增加比例呈现出空间非一致性,在锚索抗震设计时应以坡体中部抗滑桩为界将边坡分为上、下区分别考虑;坡脚抗滑桩受荷段、锚固段土压力均随着输入地震波峰值加速度的增加而增大,主动土压力分布规律将由"上小下大"转变成"上大下小"的形状,被动土压力Ⅰ、Ⅱ区的分界点将向桩体下部发展;锚索与抗滑桩在地震时表现为协同工作机制,工程设计中要充分考虑地震效应对桩锚下滑力分担比的影响。该研究成果可为更加合理地考虑地震区锚索框架梁与抗滑桩组合支护结构的设计提供指导。     

穿越断层隧道振动台模型试验研究

以西藏某复杂隧道工程为背景,开展了穿越断层隧道振动台模型试验研究。从试验模型相似比、模型箱设计和边界处理、模型制作、测点布置及地震波加载等方面,详细地介绍了试验方案。试验重点观察在地震作用下穿越断层隧道动力响应规律及特征。试验结果分析表明,穿越断层隧道和均质围岩隧道地震动力响应规律有相似之处,随着地震波的向上传播,岩土体地震响应增大;断层处衬砌破坏严重;断层对地震波在岩土体内的传播有一定影响。     

框架锚杆支护黄土边坡大型振动台模型试验研究

设计并完成了相似比为1:10的框架锚杆支护黄土边坡的大型振动台模型试验,通过加载不同波型、加速度峰值和持时的地震波,探讨了地震作用下模型边坡的动力响应规律,并对框架锚杆支护结构的抗震性能进行了评价。试验结果表明：框架锚杆支护结构加固黄土边坡的抗震效果是显著的,在进行框架锚杆支护结构抗震设计时需要输入不同的地震波来验证其可靠性。框架锚杆支护结构作用下,黄土边坡对地震波具有明显的滤波作用和频谱放大作用,边坡加速度响应具有临空面放大作用和垂直放大作用,随着输入地震波峰值的增大,PGA放大系数呈减小趋势,在地震输入加速度峰值较小的情况下,加速度响应出现“衰减”现象;在框架锚杆支护下,黄土边坡的位移得到了有效的约束,动土压力分布曲线呈现“双曲线型”变化,动土压力大小沿高程方向从坡脚至坡顶呈倒三角形分布。试验结果可为框架锚杆支护结构加固黄土边坡的抗震设计提供一定的参考。     

不同含水状态堆积体边坡地震响应特性大型振动台模型试验

堆积体边坡动力响应特性复杂,影响因素众多。已有的大型动三轴试验结果表明,含水状态对堆积体的动剪切模量比与阻尼比有重要影响。针对含水状态这一因素,开展了2组不同含水率的1:12比尺的大型振动台堆积体边坡模型试验,对比分析了其在连续地震荷载序列作用下的加速度响应特性与坡顶位移发展趋势。试验结果表明：2组边坡模型均表现出第一阶自振频率随着加载序列递减、阻尼比随着加载序列增大的现象,但含水率为6.6%时,边坡第1阶自振频率与阻尼比均大于含水率为0.7%的堆积体边坡。堆积体边坡含水率为6.6%时的输入地震动峰值加速度（PGA）放大系数大于堆积体边坡含水率为0.7%时的工况。2组模型坡顶水平响应加速度的傅里叶频谱特征相似,均表现出输入地震波的特征频率越接近模型第1阶自振频率,坡顶水平加速度放大效应越明显,而且从低频侧接近第1阶自振频率的响应比从高频侧接近的要显著。含水率为6.6%的堆积体边坡在多级地震荷载作用下的坡顶永久位移均大于含水率为0.7%的边坡,堆积体边坡含水率为6.6%,坡顶永久位移对输入地震波的频谱特性更敏感。研究结论有助于增强不同含水状态对堆积体边坡动力响应规律影响的认识。     

锚索框架梁加固平面滑动型边坡地震动力响应

设计并完成了一个缩尺比例为1:20的锚索框架梁加固平面滑动型边坡的振动台试验,通过改变输入地震波类型和峰值,研究了边坡体及支护结构的动力响应特性。试验结果表明：锚固边坡体的整体稳定性较好,地震造成的破坏主要为滑体顶部震碎和无约束坡面岩土体剥蚀、掉块;地震波在经过软弱夹层时存在能量聚集效应,不同地震波下滑体重心处加速度放大系数的差异性随输入地震波峰值的增加而减小;锚索在地震时表现出协同工作的特性,预应力损失最先发生在坡顶,然后向坡体中下部转移;在锚索框架梁的抗震设计时,应考虑边坡体上部的加速度放大效应和锚索预应力损失对边坡整体稳定性的影响。试验结果为合理考虑预应力锚索框架梁的抗震设计提供有益的参考。     

盐岩蠕变相似模型及相似材料研究

相似材料模型试验是研究岩土工程的重要手段之一。基于相似理论,应用量纲分析法,推导考虑盐岩蠕变特性的相似模型,得到相关参数的相似判据,并以不同粒径的工业盐、精铁粉为骨料,环氧树脂、乙二胺为黏合剂构成相似材料,经过大量的材料配比力学试验,得到了一种基本满足金坛盐岩蠕变相似模型要求的材料配比,为开展盐岩地下油气储库建造及运营期的变形、破坏相似材料模型试验打下了坚实的基础     

岩溶桩基振动台试验中岩体相似材料的配比研究

振动台模型试验是现阶段研究地震条件对工程实际影响的有效手段,而选择合适的材料配比是成功模拟原型工程的关键。依托渝黔铁路周家湾大桥,基于分离相似设计方法,采用正交试验以及二次细化试验相结合对模型所需的岩质材料进行配比研究。试验选用重晶石粉、石英砂、铁精粉、石膏以及松香酒精溶液为配比材料,正交试验以岩体密度、重力加速度、几何尺寸为控制指标,通过极差分析法确定各试验材料含量对模型岩体主要参数的影响程度。再利用二次试验进行细化分析,确定最终的材料配合比例。结果表明:（1）各配比材料的比重均会对材料的变形模量、黏聚力及内摩擦角等主要参数造成不同侧重、不同程度的影响。（2）分离相似设计方法可以很好地选择出相似试验中各个部件的主要参数,正交试验和二次细化试验能够快速高效的对主要参数进行设计和测试,最终找出满足模型试验要求的最佳配合比。     

自适应锚索锚固岩质边坡地震动力响应分析

强震作用下常规锚索往往会因材料变形能力不足导致应力过载而被拉断,一旦锚索失效将直接危及整个锚固结构的安全。为研究自适应锚索的动力响应规律以及在自适应锚索支护下锚固边坡的动力特性,以新型抗震锚索为原型,设计自适应锚索锚固岩质边坡试验模型,并利用振动台试验系统对试验模型进行加载。试验中采用正弦波、天津波、EI波以及Taft波等4种地震波进行研究,监测锚索的应变和边坡动力响应。结果表明：锚索的轴力和地震波幅值、类型、地震激励频率等因素密切相关;锚固边坡坡面加速度及位移沿边坡高程均有不同程度的放大,相对于无锚索支护边坡,锚固边坡坡面加速度和位移峰值均有减小;自适应锚索随着预设滑移恒阻力的不同,锚索会产生不滑移、瞬间滑移、逐步滑移3种工况,对应的锚索应变时程曲线和锚固边坡动力安全系数时程具有显著不同的特征;自适应锚索滑移工况下,滑体的安全系数虽然有局部减小的阶段,但是锚固结构的安全储备较大,可适应边坡大变形和瞬态冲击荷载的作用。试验结果可为强震区路堑边坡的支护和自适应锚索抗震设计提供一定参考。     

地震作用下预应力锚索边坡的稳定性分析

稳定性分析对边坡工程具有重要的意义。为探究地震对预应力锚固边坡的影响,基于预应力锚索具有安全储备的特点,分析了地震作用下边坡的分阶段模型。在传统Newmark法的基础上,采用拟动力计算,推导了顺层岩质边坡的位移、锚固力和安全系数计算公式。结合工程两个算例,探究了不同锚索模型和地震累积作用下的边坡变形规律。由结果可知,当锚索锚固力取固定值时,边坡计算位移偏大,随时间呈线性增长。当考虑锚索的安全储备时,位移增长速率随时间逐渐减小,最后趋近于定值。不同锚索模型对位移影响较大,锚索储备作用不可忽略。同时地震会对预应力锚固边坡产生永久性影响。当再次发生扰动时,其表现为临界滑动阈值的提升,位移增长率与受震经历的加速度幅值呈反指数变化。以露天矿区边坡为背景,在抗震设防标准下确定最佳支护方案。     

高温下混凝土水力、热及变形耦合数学模型

针对受高温载荷的混凝土提出了一个水力-热-变形耦合的数学模型,模型中采用了3种不同的连续介质：水蒸汽与干燥空气的混合气体相,液态水以及固态混凝土骨架。在连续介质的Navier-Stokes方程基础上,推导了各相介质的质量守恒方程、动量守恒方程以及混合物整体的能量守恒方程。为了简化问题,引入了若干假设,给出了基于文献资料数据拟合的某些变量的用基本未知量表达的经验公式,建立了基于物理定律的各类运动学变量与其热力学共轭力的本构关系,并给出了系统偏微分方程。     

滑坡治理工程中钢筋混凝土格构梁设计理论研究

钢筋混凝土格构锚固是滑坡治理的一种有效措施,在三峡工程地质灾害治理中应用广泛。在钢筋混凝土格构梁与预应力锚索复合结构受力分析的基础上,提出了格构锚固的力学模型,将格构梁简化为受集中力作用的弹性地基上的梁,并按无限长梁和有限长梁上受一个集中力和多个集中力作用,分别推导出变形和内力分布表达式,讨论了格构梁工程设计的基本要求,提出了格构梁工程设计的步骤和方法。以三峡工程库区巴东县太矶头滑坡为例,系统介绍了该滑坡治理设计的实施过程。     

Seismic Retrofit of Gravity Retaining Walls for Residential Fills Using Ground Anchors

Failure of several gravity retaining walls in residential areas built on reclaimed land, during the October 23, 2004 Chuetsu earthquake in Niigata Prefecture, Japan, determined the authorities to consider the seismic retrofit of the walls in order to mitigate future similar disasters in the urban environment. This study addresses the effectiveness of ground anchors in improving the seismic performance of such retaining structures through a sliding block analysis of the seismic response of an anchored gravity retaining wall supporting a dry homogeneous fill slope subject to horizontal ground shaking. Sliding failure along the base of the wall and translational failure along a planar slip surface of the active wedge within the fill material behind the wall were considered in the formulation, whereas the anchor load was taken as a line load acting on the face of the gravity retaining wall. The effects of magnitude and orientation of anchor load on the yield acceleration of the wall-backfill system and seismically induced wall displacements were examined. It was found that for the same anchor orientation, the yield acceleration increases in a quasi-linear manner with increasing the anchor load, whereas an anchor load of a given magnitude acting at various orientations produces essentially identical yield accelerations. On the other hand, the computed earthquake-induced permanent displacements of the anchored gravity retaining wall decrease exponentially with increasing magnitude of anchor load. Additionally, the influence of backfill strength properties (e.g., internal friction angle) on the seismic wall displacement appears to diminish considerably for the anchored gravity retaining wall. A dynamic displacement analysis conducted for the anchored gravity retaining wall subjected to various seismic waveforms scaled to the same peak earthquake acceleration revealed a good correlation between the calculated permanent wall displacements and the Arias intensity parameter characterizing the input accelerogram.     

框架式预应力锚固系统分阶段可靠性分析

将框架梁在张拉阶段或工作阶段时纵梁与横梁的破坏、梁的正截面与斜截面的破坏以及锚杆的破坏等主要失效模式视为串联系统,提出了框架预应力锚索的分阶段系统可靠性计算模型。在张拉阶段,将锚索力按照位移协调和静力平衡的原则分配在纵、横梁上,然后按Winkler弹性地基梁模型分别计算单片梁的内力;在工作阶段,将侧向土压力系数视为随机变量,框架梁视为土压力作用下的简支梁来计算其内力。基于各失效模式功能函数之间的相关系数矩阵,导出了预应力锚索框架的系统可靠性计算方法并编制了计算程序。对某工程实例的计算结果表明,预应力锚索框架的失效概率主要由纵梁在工作阶段和张拉阶段的正截面失效概率及锚杆的失效概率三者共同决定,而假设此3种失效模式相互独立的系统失效概率与考虑失效模式相关性的系统失效概率误差为8.1%。     

深部厚顶煤巷道让压型锚索箱梁支护系统布置方式对比研究

针对深部厚顶煤巷道围岩变形特点,以“先控后让再抗”为支护理念,设计了让压型锚索箱梁支护系统横梁、纵向单梁、纵向双梁及纵横组合4种不同布置方式的支护方案。数值试验结果表明,纵横组合方案具有最好的围岩控制效果,横梁方案支护效果相对较差。对让压型锚索箱梁支护系统的4种方案进行了现场试验,监测结果显示,纵横组合方案作用下的围岩变形量最小,其两帮移近量和顶板沉降量仅为120 mm和90 mm,同时该方案支护反力最大;锚杆、锚索受力与巷道围岩控制效果相对应,且锚索让压环作用明显;设计制作的测力箱梁监测表明,箱型支护梁受力合理协调,材料性能发挥充分。对让压型锚索箱梁支护系统及其不同布置方案的作用机制进行了探讨。综合分析表明,深部厚顶煤巷道中,优先选用让压型锚索箱梁支护系统中的纵横组合与纵向单梁方案,可有效地控制巷道围岩变形,满足支护要求。     

预应力锚索锚固力损失与岩土体蠕变耦合效应研究

因预应力锚索锚固力损失而导致锚固失效的工程事故屡屡发生,锚索锚固力损失与岩土体蠕变之间存在复杂的耦合效应关系,建立二者之间的耦合效应模型,确立二者之间的计算关系式,为预应力锚固工程的设计、施工、安全运行管理以及锚固力损失的控制与补偿技术提供理论基础和技术手段。通过理论分析和模型研究,在岩土体常用流变模型基础上建立了基于应变相等的耦合效应计算模型,并进行了模型验证。研究结论：（1）建立了与工程实际相符合的锚索锚固力变化和岩土体蠕变的耦合效应计算模型,正确反映了预应力锚索锚固力损失和岩土体蠕变之间的关系,推导出了其本构方程、松弛方程和蠕变方程,从理论上解决了锚固力变化与岩土体蠕变之间的计算关系。（2）通过耦合效应计算模型的蠕变方程,在材料参数已知的情况下,可以计算出边坡蠕变影响引起的锚索锚固力损失量,并结合实际工程中监测到的锚索应力数据进行对比分析,就能够准确地了解、评价锚索锚固力的异常变化情况,指导实际工程中的设计和施工,保证工程建设过程中的安全性。（3）通过耦合效应计算模型的松弛方程,可以对预应力锚索受力状态的监测数据进行分析整理,通过对锚索锚固力损失量的数据进行反分析,分析岩土体的蠕变参数,根据蠕变介质的材料特性,计算岩土体蠕变量,根据蠕变量判断预应力锚索锚固工程的安全性和可靠性,指导锚固工程的安全运行管理。     

Dynamic Response of Shallow-Buried Small Spacing Tunnel with Asymmetrical Pressure: Shaking Table Testing and Numerical Simulation

A series of shaking table tests were designed and carried out to study the seismic behaviors of a shallow-buried small spacing tunnel with asymmetrical pressure. The key details to shaking table model test, including test equipment, model similarity relation, similarity constant, model box, physical model, layout of transducers, seismic waves, and loading system were presented. The numerical simulation of the shaking table test was also carried out by using a finite element simulation software. The results show that: (1) the Fourier spectrums in the vertical direction and horizontal direction are different at the same measuring point. The structure of tunnel transforms the Fourier spectrum of horizontal direction. (2) The stability of middle rock pillar is poor under seismic wave action. The anchor plays an important role in strengthening the stability of middle rock pillar. The dynamic strain of anchor has accumulative effect. (3) The numerical simulation results are in significant agreement with the shaking table test results. (4) Compared with type of seismic wave, peak seismic wave has a significant effect on acceleration response of tunnel. The peak acceleration response of the tunnel is linear with the peak seismic wave, in the horizontal direction. The peak acceleration response is nonlinear in the vertical direction. (5) The axial force of cross section at arch foot is larger than other position. The shock absorption effect of 10 cm seismic isolation layer is better than 5 and 20 cm.