砂-黏土混合物高压压实性能试验研究

利用自行设计高压固结仪对5种不同含砂率的饱和砂-黏土混合物开展一系列高压压缩试验,研究砂-黏土混合物压缩性和渗透性演化规律及其对矿物组分的依赖性。试验结果表明,饱和砂-黏土混合物的孔隙比-压力(e-lgP)曲线随着含砂率增高呈现出指数函数模式向双曲线函数模式转化,而e-P曲线在压力高于8.1 MPa则呈线性变化,其斜率依赖于含砂率。最优含砂率随固结压力的增大而逐渐从75%移向30%。不同含砂率的砂-黏土混合物的孔隙率、固结压力和含砂率存在统一的幂函数关系。渗透系数与含砂率有关,渗透系数与孔隙率符合指数函数关系。从砂-黏土混合物骨架结构和孔隙类型的角度出发,从本质上分析含砂率、固结压力对混合物压缩性和渗透性的作用规律。结合SEM微细观结构观测结果,验证砂-黏土混合物骨架结构与含砂率之间的相关性。     

基于数字图像相关法的砂土细观直剪试验及其颗粒流数值模拟

砂土等天然颗粒材料具有的剪胀性、压硬性、各向异性等特殊力学性质受控于其内部的微细结构及其演化,如何利用试验与数值模拟等手段对砂土细观组构进行量化,对深入研究砂土变形机制尤为重要。基于数字图像相关方法的光学测量技术与土工试验相结合的新手段,通过对直剪仪的可视化改造,开发了能初步实现土体宏细观力学性状联合测量的“砂土变形细观瞬时光学测量系统”,并利用该系统对福建标准砂进行了室内细观直剪试验。随后进行了基于颗粒流软件PFC2D直剪数值试验,提取室内试验还难以获得的细观信息,作为对室内试验的补充。通过对宏观力学性质和位移场、应变场、颗粒定向、速度场、颗粒配位数和接触力链等细观的室内与数值试验结果进行剖析,探讨了砂土力学性质的细观机制。     

化学腐蚀对黄河小浪底砂岩力学特性的影响

利用岩石细观加载仪和数字显微观测系统，进行了黄河小浪底砂岩在不同化学腐蚀下的单轴压缩破裂过程试验，探讨了不同浓度，不同pH值和不同化学溶液对岩石力学特性的影响，分析了在化学腐蚀下岩石的细观破裂行为，给出了部分砂岩荷载位移变化曲线。     

基于SEM图像的岩石细观结构特征研究

从损伤理论出发,构筑一套细观量化试验方法,解决从试验制样、试验设备到试验程序等相关问题。采用扫描电镜对四川锦屏大理岩进行了观测,得到了大量岩石细观结构图片。利用数字图像处理技术对图片进行处理,并编制相关程序实现图像二值化,然后从图像中提取了微裂隙的长度、方位角、宽度、面积和周长等微裂隙细观信息。最后,利用统计学理论对获取到的微裂隙细观信息进行了统计分析,得到各参数的统计规律,为研究岩石的宏观破坏提供了依据。     

干砂强夯动力特性的细观颗粒流分析

通过引进和开发二维颗粒流程序,基于相似理论建立了可以模拟砂土地基强夯加固的细观颗粒流模型,结合小比尺室内细观模型试验,从颗粒细观力学角度入手对干砂在强夯冲击加固过程中的动力反应特性进行了数值模拟。结果表明,数值模拟结果与试验结果有较好的一致性,利用颗粒流模型可以很好地模拟干砂在冲击荷载作用下的锤底动接触应力、颗粒间动接触应力和颗粒位移场分布情况,并可以实时跟踪颗粒的变位及接触应力变化,实现从细观角度揭示干砂强夯动力响应特性,研究工作为今后砂土强夯加固宏细观机制研究提供了一条新的思路。     

塑料排水带地基处理研究

在濒海某场地的塑料排水带地基固结试验中,进行了孔隙水压力、沉降量、侧向位移等原型观测,并按沉降计算固结系数和固结度。固结结束后,用静力触探、十字板剪切仪、标准贯入和平板载荷试验检测处理效果。结果表明：排水带在很短的时间（50 d内）使加固的地基达到固结稳定,说明在濒海软土地区采用排水带固结是有效的加固手段。     

基于数字图像的砂土压缩变形模式的试验研究

基于数字图像处理技术,利用图像分析程序包PhotoInfor分析了侧限压缩条件下砂土各加荷阶段土体位移的产生、发展与演化全过程,发现砂土的位移场类似于抛物线形状,位移等值线呈轴对称分布,位移量最大的区域总是发生在上透水石的下底面中心处。单调加荷条件下,位移增量主要集中在局部变形带附近,其范围有继续延展和贯通的趋势,顶部、中部测点的土体位移与整体压缩量基本呈同步增长;顶部的土体位移量始终大于中部,加荷的中后期差别更加明显。与粉质黏土位移场进行对比试验分析,砂土内部的应力传递、变形模式以及荷载的影响范围均表现出明显的差异。上述研究为深入探讨基底压力的分布规律,利用宏观试验现象研究砂土细观结构变化的定量模型提供了新的思路。     

软土地基电渗固结理论分析与数值模拟

电渗固结是加速软土固结、提高地基承载力的有效技术。传统的电渗固结理论假设土体的物理力学、水力学和电学特性均匀稳定,其理论解答与试验结果差别较大。针对电渗固结处理过程,对土体位移场、渗流场和电场的耦合特征进行了理论分析,根据电荷守恒原理、水流连续原理和Biot固结理论,建立了电渗固结过程的多场耦合控制方程;考虑土体相关特性参数的非线性关系,开发了有限元软件用于分析电渗过程中电场强度、土体位移以及超静孔隙水压力的变化特征。计算结果与理论数据吻合较好,能够反映土体相关特性参数非线性关系对结果的影响。软件能够为电渗固结系统设计提供参考依据。     

岩石变形破坏全过程的变形场和能量演化研究

以白光数字散斑相关方法作为试验观测手段,通过单轴压缩试验对一种红砂岩变形破坏全过程的变形场和能量演化特征进行研究。利用CCD(charge-coupled device)相机记录试验加载全过程的试件表面散斑场图像,采用数字散斑相关方法对试验图像进行分析,计算得到了岩石变形破坏过程中试件表面变形场、变形局部化区域的位移错动量值和试件表面变形能密度量值,并对变形局部化带的位移演化和变形能量演化特征进行分析。从试验结果分析得出：岩石试件变形局部化带的位移演化在加载峰值前基本上保持线性演化规律,而其位移错动加速与加载峰值点相对应,岩石试件加载峰值后阶段的承载力变化主要受变形局部化带的位移演化影响;岩石试件在加载过程中的能量释放和能量积累规律与局部化带的演化有关,体现出局部能量释放和整体能量释放两种形式。     

与医用CT配合使用的冻土三轴仪的研制与应用

针对适用于低温环境下的配合医用CT实时扫描的冻土三轴仪的不足,研制了新的冻土三轴仪,介绍了其组成及其研发过程中需要克服的技术难点。利用该装置可以完成低温环境下试样的三轴加卸载试验,配合医用CT机时可实现整个力学过程的实时动态扫描。进行了冻结兰州黄土三轴加载实时CT扫描试验,试验结果表明,新研制仪器的各项参数均能满足冻土试样在三轴压缩和卸载过程中的实时CT扫描条件,也能够得到的不同载荷条件下的高质量细观结构CT图像,文中对试验结果进行了分析和讨论。该装置的成功研制为建立细观结构和宏观力学性质之间的联系提供一种新的技术手段。     

基于FLAC^3D的三眼峪小流域危险性分析

通过对甘肃省舟曲县城三眼峪特大泥石流灾害的现场调查,采用有限差分FLAC^3D方法对该流域重力条件下侵蚀机理进行了探索,对流域应力场、位移场以及塑性区进行了数值模拟,对流域天然状态下危险性进行分析。结果表明,流域位移主要以压缩变形为主,最大位移主要出现在沟道两侧梁峁顶处的松散碎石土层内,局部区域已经破坏,且表现为竖向位移最大;由于碎石土、灰岩分界面的存在,使其附近区域的最大主应力方向较其他区域变化大而且迅速;流域内以剪切、张拉并存的破坏的塑性屈服模式为主,沟道两侧的表层碎石土层梁峁顶和梁峁坡上部同时处于张拉塑性屈服区和剪切塑性屈服区,破坏程度较为严重。建模方法和模拟结果可为泥石流预测提供科学依据。     

吉林海沟金矿的构造应力场分析与变形期次

对海沟金矿的断层、节理进行野外和井下研究,应用赤平投影方法对节理产状进行统计与分析,确定研究区节理有6 个较为明显的优势产状,构成3 个节理系,并进一步确定了3 期变形作用的构造应力场。海沟金矿早期受到NW--SE 向伸展作用影响,使先存的近EW 向海沟断层发生左行走向滑移,在海沟断层上盘形成NE 向正断层组合,同时伴有含金石英脉的贯入; 中期受到NEE--SWW 向挤压作用,NE 向正断层组合和发育于断层之中的含金石英脉受到压扭性变形作用的改造; 晚期受到 NW--SE 向挤压作用,海沟断层表现为右行走滑的特征,NE 向断层组合再次受到挤压作用改造,同时形成NWW 向和NNW 向走滑断层,使早期形成的断层和含金石英脉受到变形改造而发生空间上的错位。3 期变形作用很可能是自白垩纪以来发生的,与太平洋板块向欧亚大陆的俯冲作用有关。     

青藏高原构造变形与热应力场

自新生代以来,青藏高原构造变形的特点表现为强烈的SN向挤压、逆冲、推覆构造,在后期出现伸展拉张构造。这些构造的形成除了与印度板块推挤有关外,尚与地壳深部温度变化引起的热应力有关。该文计算了由于地壳温度升高引起的热应力场及位移场,指出热应力场及位移场的基本特点,分析了他们在青藏高原构造变形中的作用。考虑到印度板块的推挤、重力和热应力场的共同作用,可以较好地解释青藏高原构造变形的特点及动力学机制。      

基于MatDEM的砂土侧限压缩试验离散元模拟研究

离散元法基于非连续介质力学理论,尤其适用于砂土等离散介质体的数值模拟研究。利用岩土体离散元模拟软件MatDEM的二次开发功能,研发了砂土侧限压缩试验三维离散元模拟器。对三个不同级配砂土试样进行了侧限压缩试验,并且进行了与之相对应的数值模拟,通过分析对比试验结果与数值模拟结果验证了所开发模拟器的有效性。模拟结果表明:离散元法可以很好地反应砂土压缩过程中的配位数变化;每个模拟样品中,粒径较小的单元受到较大的平均压力,导致平均位移较大;数值计算结果的主要误差是由离散元颗粒自身的泊松比引起的。研究突破了常规土力学研究方法的局限性,为今后岩土工程离散元模拟研究提供了参考。      

原状黄土的压缩曲线特性

原状黄土是一种具有结构强度的欠压密土,其侧限压缩变形特性区别于一般土。为研究原状黄土侧限压缩变形的共性,对西安、兰州6个场地不同含水率的原状Q3、Q2黄土进行了侧限压缩试验,得到了相应场地不同含水率原状黄土的压缩曲线,分析了其压缩曲线的形态,通过曲线对应的压缩屈服应力及初始孔隙比,将各黄土不同含水率下的压缩曲线归一化为同一曲线,且形成时代相同的黄土归一化曲线位置相同,并利用复合幂?指数模式分别描述了Q3、Q2黄土归一化的曲线。将文献中试验黄土的初始孔隙比与压缩屈服应力代入归一化曲线的表达式,计算得其压缩曲线和压缩性指标。经对比,与文献实测压缩曲线及压缩性指标很接近,验证了黄土压缩曲线的归一化特性并对其进行了应用。结果表明：试验黄土压缩曲线具有可被其初始孔隙比和压缩屈服应力归一化的特性,此特性为黄土侧限变形性质的分析提供了一条便捷的途径。     

深层水漏斗区开采量组成变化特征与机制

为阐明强烈开采条件下华北平原深层水的开采水量来源及组成问题,以德州地区深层水漏斗分布区为重点研究区,通过基于大量钻孔资料对含水层组及其粘性土夹层或透镜体的分析和野外地下水采样、动态监测及地面沉降测量资料等分析,采用分层、分区计算方法对漏斗中心至外围的各分区弹性释水量、粘性土压密释水量、侧向流入和越流补给量进行均衡计算。结果表明:在强烈开采条件下,深层水开采量中弹性释水量和压密释水量所占比率不是常量,随着深层水位下降的幅度和深度增大、超采释压持续时间愈长、开采层中粘性土夹层或透镜体愈多,则区内弹性释水和压密释水的强度及累积地面沉降量愈大;愈靠近漏斗中心,弹性和压密释水强度愈大,相同降深下平均单位降深的地面沉降量愈小。在深层水开采量中粘性土压密释水占35.5%~61.9%,与地面沉降密切相关。     

根据试验视频确定石灰岩中的位移场

根据室内石灰岩抗压强度试验拍摄得到的彩色视频图像与试验数据,使用数字图像相关分析技术,在对原始彩色视频图像进行可读格式转换、灰度变换、傅里叶变换基础上,利用最大相关匹配技术与小变形假设实现了石灰岩视频图像中不同位置相对位移的计算,通过循环计算得到整个石灰岩试样中的位移场与试样中各点位置的变化过程。本文方法对分析岩石变形和破坏机理具有一定的参考价值。     

Moment tensors of acoustic emissions in shear faulting under plane-strain compression

The study of localized failure under controlled conditions can be accomplished within a laboratory setting with the University of Minnesota plane-strain compression apparatus. The device provides an opportunity to observe shear faulting and to compare displacements from acoustic emission (AE) sources with global measurements. A biaxial compression test on a sandstone specimen was performed with monitoring of AE. The plane-strain test showed that the shear fault was not formed until after peak load. Compaction of the shear fault was observed from the axial and lateral measurements of displacement and the orientation of the failure plane. The AE events were modeled as displacement discontinuities. The complicated deconvolution process for the transducer transfer function was eliminated by using a simplified calibration procedure. The sources of the postpeak events were characterized as being caused predominantly by slip in the direction of the global failure plane, although components of displacement associated with closing were identified. To provide an order of magnitude estimate of the slip, the field observation of a 10⁻⁴ strain drop over the seismic area was assumed. The tangential displacement from 110 AE events was estimated to be 0.01 mm. During the same period of time, the displacement along the shear fault from global measurements was 0.03 mm.     

Dynamic response to fluid extraction from a poroelastic half‐space

In this study, the dynamic response of a poroelastic half‐space to a point fluid sink is investigated using Biot's dynamic theory of poroelasticity. Based on Biot's theory, the governing field equations are re‐formulated in frequency domain with solid displacement and pore pressure. In a cylindrical coordinate system, a method of displacement potentials for axisymmetric displacement field is proposed to decouple the Biot's field equations to three scalar Helmholtz equations, and then the general solution to axisymmetric problems are obtained. The full‐space fundamental singular solution for a point sink is also derived using potential methods. The mirror‐image method is finally applied to construct the fundamental solution for a point sink buried in a poroelastic half‐space. Furthermore, a numerical study is conducted for a rock, that is, Berea sandstone, as a representative example. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.