花岗岩巷道岩爆过程红外辐射时空演化特征室内模拟试验研究

通过含孔花岗岩的双向加载试验模拟巷道岩爆过程,以红外热像仪为观测手段,利用红外热像和最低红外辐射温度作为监测指标,研究岩爆过程中的红外辐射温度时空演化特征。结果表明：岩爆过程红外辐射时空演化特征与岩爆孕育、发生过程具有良好的同步性。岩爆发生前红外热像上出现低温嵌套于高温条带间的温度场,其在空间上的延伸扩展则是岩爆孕育和发展过程在温度场中的反映,其出现的位置对应着岩爆发生的区域。最低红外辐射温度呈现出上升-短暂下降-上升-下降4个阶段性特征,岩爆发生前最低红外辐射温度出现3个突变转折点。试验结果对于巷道岩爆灾害的时空预测具有一定的理论意义。     

含孔岩石加载过程的热辐射温度场变化特征

选择含圆孔岩石作为试样,利用单轴加载试验系统和红外热像仪,并结合数值模拟分析手段,对模型受力及破裂过程的热辐射时空演化特征进行了试验研究。结果表明：含圆孔岩石在加载过程中压、拉应力呈对称分布,导致热像的升温和降温区对称分布,即压应力区升温,拉应力区降温,应力场与红外辐射温度场之间呈很好的对应关系。试件加载后期发生破裂,破裂的性质与红外辐射温度变化有密切关系,剪性破裂辐射温度升高,而张性破裂辐射温度无明显变化。试件最终呈剪性破裂,而该区域的带状升温是岩石破裂失稳的重要红外前兆。试验结果再次揭示,利用热成像技术可以监测岩石的应力与灾变现象。     

桩坑附近桩靴二次就位过程中滑移载荷研究

自升式平台在遗留桩坑附近就位时，桩靴的滑移风险对于平台结构安全具有重大威胁。基于耦合欧拉?拉格朗日方法，建立了遗留桩坑附近插桩过程的有限元模型，对加载速率和网格密度等进行参数分析，确定了合理的模型参数，并进一步研究了相关参数的影响规律。结果表明，滑移载荷产生的主要原因在于桩靴贯入过程中土体破坏面的不对称；峰值滑移载荷随桩坑坡度、深度和直径的增大而增大；减小桩靴底面坡度可以有效减小桩靴上的滑移载荷。研究揭示了桩坑和桩靴几何参数对滑移载荷的影响机制及其规律，对于深刻认识“踩脚印”问题和有效指导桩坑附近二次就位作业具有科学意义。     

青藏铁路冻土路基温度场随机有限元分析

从一阶Taylor展开式入手,结合冻土温度场计算有限元法,推导了冻土路基温度场随机有限元方程及有关计算公式,并对青藏铁路北麓河试验段冻土路基温度场进行了随机有限元分析,结果表明温度标准差与温度场的分布趋势大致相同,在垂直方向上,最大值都出现在路基上部,向下逐渐减小,但两者分布范围略有不同,路基内部标准差的分布范围明显较大,在一定深度处达到均化。     

黏性土中静压桩沉桩过程现场试验及桩土界面桩侧土压力分析

为了揭示黏性土中静压桩贯入过程中桩土界面桩侧土压力的受力特性,依托山东东营某桩工程开展了现场足尺试验,得到了静压桩沉桩过程中桩土界面桩侧土压力随贯入深度的变化规律,分析了贯入过程中不同土层桩侧土压力的分布特性,明确了桩侧土压力在沉桩过程中存在明显的退化效应,探讨了桩土界面桩侧土压力与桩侧上覆土体竖向土压力的比值关系。结果表明：桩土界面桩侧土压力与土层性质密切相关;随着传感器贯入深度的逐渐增加,桩侧土压力逐渐增大,并且增大幅度随土层的不同而不同;在同一贯入深度处,桩土界面桩侧土压力存在明显的退化现象,粉土中的退化幅度明显小于粉质黏土中的退化幅度;同一土层中桩土界面桩侧土压力与桩侧上覆土体竖向土压力的比值为常数,并且粉土中的比值明显大于粉质黏土中的比值。     

复合桩基重复加卸载过程中侧向约束桩变位规律试验研究

复合桩基上堆载可能引起侧向约束桩侧移,导致侧向约束桩和复合桩基失稳破坏。采用室内模型试验研究复合桩基重复加、卸载过程中侧向约束桩水平变位规律。结果表明：（1）复合桩基上加载时,侧向约束桩的桩身侧移沿深度先增大、后减小、存在峰值,峰值随加载增大而增大,出现在距离地面0.4倍地面以下桩长处,峰值位移与桩顶（或地面）处位移的比例系数和发生侧移的桩身长度随荷载增大而增大;（2）复合桩基上重复加、卸载时,侧向约束桩的桩顶侧移随桩间距增大而增大,弹性变形则变小。中桩侧移比边桩大。桩顶侧移增长率随重复加载次数增加而减小。若荷载超过首次加载的最大荷载,侧向复合地基上加载-桩水平位移曲线将回到首次加载曲线的延长线,具有记忆效应。第 次卸载曲线与第i次卸载曲线线型相似且相互平行。每次卸载的初、中期,荷载的减小不影响桩顶侧移,只有卸载到最后1～2级时,侧移才开始减小,直到永久塑性变形。侧向约束桩的顶部水平位移回弹曲线特征与岩石或土在垂直加、卸载作用下的回弹曲线相似。     

红外热像技术在滑坡物理模型试验中的应用

将红外辐射成像技术引入滑坡物理模型试验中,通过红外热像仪与三维激光扫描仪所搭建的监测系统,对滑坡模型坡体表面变形破坏全过程进行温度与位移的监测。基于滑坡表面监测数据,将原始红外热像监测图形进行数据修正与差值处理,采用处理后获得的温度场数据,将其与模型坡表位移演化规律进行对比分析。结果表明,滑坡模型在进入加速变形阶段前,潜在破裂区域温度随荷载的增大而均匀上升,破裂带内、外温差较小;滑坡模型进入加速变形阶段后,会在潜在破裂区域的红外热像上出现条形的高温异常区域,破裂区域的破裂带内、外温差迅速拉大,两者相差最高为0.49°C,整体滑动失稳前夕,平均红外辐射温度-时间曲线上再表现出破裂带内温度陡增后降低的规律。研究结果表明,红外热像技术可以应用于滑坡模型试验,利用温度可对滑坡进行预测预报提供参考。     

强震作用下液化场地群桩动力响应及p-y曲线

为研究液化场地中群桩在强震作用下的动力响应特征及桩侧土抗力-桩土相对位移（p-y）曲线规律,依托海文大桥实体工程,基于振动台模型试验,开展了0.15g～0.35g地震动作用饱和粉细砂土层不同埋置深度下的砂土孔压比、桩身弯矩及p-y曲线动力响应研究。结果表明：地震动强度达到0.25g时,不同埋置深度下的饱和粉细砂土层孔压比均大于0.8,产生液化现象,且随埋置深度增加,孔压比增长时刻明显滞后;不同埋置深度下,桩身弯矩最大值均位于液化土层和非液化土层分界面处;同一埋置深度时,随地震动强度的增大,p-y曲线所包围的面积逐渐增大,其整体斜率逐渐变小,说明桩-土相互作用动力耗能逐渐增大,桩周土体刚度逐渐减小;随埋置深度增加,p-y曲线所包围的面积逐渐减小,其整体斜率逐渐增大,说明桩-土相互作用动力耗能逐渐减小,桩周土体刚度逐渐增大。因此,液化场地桥梁群桩抗震设计时,应综合考虑液化土层与桩基础的相互位置关系,确保桩基础在液化土层与非液化土层分界处的抗弯承载能力。     

珊瑚砂地基中膨胀混凝土桩竖向受压承载性能研究

为研究珊瑚砂地基下膨胀混凝土桩竖向承载特性，开展了室内单桩竖向静载模型试验，分析了膨胀混凝土桩的单桩荷载-位移曲线以及轴力、桩侧摩阻力等沿桩长分布特性，与PLAXIS 3D软件数值模拟结果进行对比并探究了线膨胀率对承载特性的影响。结果表明：珊瑚砂中膨胀混凝土桩的荷载位移曲线呈现缓变型，在加载过程中，荷载主要由桩侧摩阻力承担，轴力随着深度的增加而减小，桩侧摩阻力随深度先增加后逐渐减小，随荷载的增加逐渐发挥作用。随着膨胀剂用量的增加，桩身线膨胀量逐渐增加，桩-土相互作用更加明显。添加25% HCSA型膨胀剂可提高近20%的极限承载力和56%的极限侧阻力，提高桩体线膨胀率可以有效提高桩的极限承载力和侧摩阻力。该研究可为珊瑚砂桩基工程设计提供参考。     

软土地层桥梁群桩基础桩土共同作用性状的非线性有限元分析

通过对某高速铁路特大桥群桩基础进行三维非线性有限元分析,并结合现场试验得出的规律进行相应的对比分析,研究了软土地层桥梁群桩基础桩身轴力、桩侧摩阻力、基底土体附加应力、孔隙水压力分布、超孔隙水压力消散和群桩基础荷载沉降规律。计算结果表明,基桩所承受的轴力,角桩＞边桩＞中心桩,角桩和边桩的轴力沿桩身减小的幅度较大,而中心桩的轴力沿桩身减小的幅度稍小;各基桩桩侧摩阻力的发挥情况,侧摩阻力值总体上呈角桩＞边桩＞中心桩,相对滑移量基本呈上大下小的形态,即桩身上部桩-土之间产生的相对滑移量较中下部要大;外荷载作用下产生的土体附加应力和超孔隙水压力主要集中在承台底以下土体的一定范围内,其衰减梯度沿深度方向逐渐降低,随着固结时间的延长,群桩基础沉降达到稳定。     

东北地区地温和冻结深度时空特征的细化分析

根据东北地区144个国家气象站1951—2016年的地温和土壤冻结深度资料,采用实测资料统计及统计建模推算的方法,对东北地区地温和冻结深度时空特征进行了细化分析。结果表明：东北地区地温整体由南到北逐渐降低,冻结深度逐渐增大。各层年平均地温呈向北2个纬度降低1 ℃左右,年平均最大冻结深度为向北2~3个纬度加深30 cm左右,极端最大冻结深度为向北2个纬度加深30 cm左右。地温和冻结深度与纬度关系显著,与经度和海拔也有一定相关性,但在东北北部的多年冻土区基本不受后两者影响。不同深度的地温季节特征不同,地表温度季节特征与气温一致,160 cm以下深度四季温度从高到低为秋、夏、冬、春。地表夏季与冬季温差达到33.5 ℃,而320 cm深处最热季与最冷季的温差仅为7 ℃。气候变暖使得东北地区各层地温升高、冻结深度减小、冻结期缩短,尤其在多年冻土区及其临近的高纬度季节冻土区更为显著。相对于下层土壤,地表升温最大。伊春地表升温趋势达到1.16 ℃?（10a）^-1,40~320 cm土层升温趋势为0.60 ℃?（10a）^-1左右,冻结深度减小、冻结期缩短趋势分别达到 23 cm?（10a）^-1、8 d?（10a）^-1,大幅升温不利于多年冻土的存在。     

Thermal analysis of energy piles in sand

The present work investigates the behaviour of geothermal energy piles in sand subjected to thermal loading and the resulting soil-structure interaction, numerically using the finite element software Abaqus and user-defined material subroutines for soil. The stress-strain response of sand has been simulated using CASM constitutive model based on critical-state soil mechanics. Detailed parametric sensitivity studies have been carried out to understand the effects of different end conditions of the pile, relative densities of the soil, coefficients of lateral earth pressure of the ground, lengths and diameters of the pile, thermal loads, coefficients of friction at the pile-soil interface, critical-state friction angles of soil, thermal conductivity of soil, specific heat of soil and thermal conductivity of the pile on the stress response of soil, deformation of the pile and soil, and strains in the pile. The results show that negative shear stress is generated in the soil at the pile-soil interface. In the pile with both ends restrained the lateral earth pressure coefficient in soil increases due to high radial strain generation. Moreover, the lateral earth pressure coefficient in soil increases with the increase in the thermal load, the coefficient of friction at the pile-soil interface and the critical-state friction angle of the soil.     

东北地区冬半年积雪与气温对冻土的影响

利用东北地区121个气象站逐日冻土深度、积雪深度、平均气温、地表平均气温及降水量数据,分析了1964—2017年冬半年冻土的变化特征及气象要素对冻土的影响。结果表明：东北地区积雪深度、平均气温、地表平均气温与冻土深度相关系数较高,降水量相关性不大。20世纪60年代平均气温、地表平均气温及负积温最低,最大冻土深度为历年代最深;随着气候变暖,最大冻土深度以6.15 cm?（10a）^-1的速率显著减小。冬半年平均最大冻土深度为123 cm,呈显著纬向分布,自辽东半岛向大兴安岭北部递增;随纬度和海拔高度的增加,平均气温和地表平均气温降低,负积温增加,且由北向南地气温差增大。最大冻土深度全区有90%以上的站点减少,减少速率以0.1~10 cm?（10a）^-1为主。冻土持续时间随纬度升高而增加,月最大冻土深度和积雪深度最大值分别出现在3月和1月,最大冻土深度的增加要滞后于积雪深度的增加。由于积雪对地温的保温作用,积雪深度较浅时,冻土深度增加较明显,随着积雪深度的增加,冻土深度变化较小,积雪对冻土起到了保温的作用。对于高纬度地区站点,30 cm左右为积雪的保温界限值;对于沿海站点,积雪保温的界限值在5 cm左右;在相同地形下,冻土深度较浅区域积雪的保温值因海拔高度、气候特点而异。最大冻土深度对地表平均气温升温的响应更为显著,地表平均气温和平均气温每升高1 ℃,最大冻土深度将减小8.4 cm和10.6 cm,负积温每减少100 ℃?d,最大冻土深度减少4.9 cm。     

负温对基坑悬臂桩水平冻胀力影响的模拟研究

寒冷地区基坑悬臂桩支护工程,在桩后土体水平冻胀力作用下,易出现桩体倾斜、水平裂缝、剪断等问题.负温是水平冻胀力产生的关键因素,采用数值模拟方法,分别模拟粉质黏土、黏土在一定的负温变化下,桩体水平冻胀力的大小和分布模式,结果表明：负温越低,土体冻结速率越大,水平冻胀力越大;桩身范围内,水平冻胀力大致呈上下小、中间大的抛物线型分布,最大值出现在基坑的中下部,为开挖深度的0.5～0.8倍,力值约为冻胀前土压力的2～15倍,同时拟合出最大水平冻胀力与温度、桩顶位移之间的关系公式;此外,桩体水平位移随负温增加而增加,桩顶位置处,冻胀引起的水平位移为开挖引起位移量的0.88～11.38倍.     

灌注桩套管高频振动贯入过程中挤土效应研究

随着全套管振动取土灌注桩施工工艺的发展,灌注桩在工程中的应用越来越广泛,但关于灌注桩套管高频振动贯入机制,特别是套管贯入引起的挤土效应研究还不全面。全面介绍了套管高频振动贯入全过程的有限元-无限元耦合模型的建立过程后,对地表隆起、土体侧移及超孔隙水压力等挤土效应的变化规律进行了详细研究。研究结果表明：水平向的挤土位移随套管贯入深度的增加而增大,竖向挤土位移随着套管贯入深度的增加,浅层土表现为隆起量增大,而深层土表现为下沉量增大;最大挤土位移与套管贯入深度存在滞后效应;浅层土体的隆起为水平向应力加载引起竖向应力增加所致,且隆起分界面深度随着动力荷载幅值增大而增大,随振动频率的增大而减小;超孔隙水压力随套管贯入深度增加而增大,随径向距离增大呈指数型衰减。     

混凝土的入模温度和水化热对青藏直流输电线路冻土桩基温度特性的影响

施工过程中混凝土的入模温度和水化热对多年冻土区桩基施工期间的热稳定性具有重要影响. 针对该问题,利用有限元方法定量研究了±400 kV青藏直流输电线路冻土区锥柱基础入模温度、水化热和含冰量对桩基回冻过程、温度场变化和桩底融化深度的影响规律. 结果表明：水化热影响下,桩基中心温度在第3天达到最高,桩底滞后1 d,基坑表面受其影响较小,主要受环境温度影响;第24天,桩底出现最大融化层,随着入模温度增加,融化层厚度相应增加,入模温度为6℃时融化层厚度为34 cm,15℃时为55 cm;入模温度越高,回冻时间越长,当入模温度为6℃时,完全回冻需经历52 d,15℃时,回冻时间将增加7 d. 含冰量对桩底融化深度有影响,含冰量越大底部融化深度越小;冻土年平均地温是影响桩底融化深度的重要因素,少冰高温（-0.52℃）、低温（-1.5℃和-2.5℃）冻土条件下,最大融化层厚度分别为38 cm、34 cm和25 cm. 基于上述结果,在多年冻土地区的桩基工程,建议混凝土入模温度为6~8℃,底部碎石垫层至少40 cm.     

Seismic response of pile foundations in liquefiable soil: parametric study

The performance of pile foundations in liquefiable soil subjected to earthquake loading is a very complex process. The strength and stiffness of the soil decrease due to the increase in pore pressure. The pile can be seriously destroyed by the soil liquefaction during strong earthquakes. This paper presents the response of vertical piles in liquefiable soil under seismic loads. A finite difference model, known as fast Lagrangian analysis of continua, is used to study the pile behavior considering a nonlinear constitutive model for soil liquefaction and pile?Csoil interaction. The maximum lateral displacement and maximum pile bending moment are obtained for different pile diameters, earthquake predominant frequencies, Arias intensities, and peak accelerations. It is found that the maximum lateral displacement and the maximum pile bending moment increase when the predominant earthquake frequency value decreases for a given peak acceleration value.     

Annual variations in the surface radiation budget and soil water and heat content in the Upper Yellow River area

Measurements taken between July 2006 to May 2007 at the Maqu station in the Upper Yellow River area were used to study the surface radiation budget and soil water and heat content in this area. These data revealed distinct seasonal variations in downward shortwave radiation, downward longwave radiation, upward longwave radiation and net radiation, with larger values in the summer than in winter because of solar altitudinal angle. The upward shortwave radiation factor is not obvious because of albedo (or snow). Surface albedo in the summer was lower than in the winter and was directly associated with soil moisture and solar altitudinal angle. The annual averaged albedo was 0.26. Soil heat flux, soil temperature and soil water content changed substantially with time and depth. The soil temperature gradient was positive from August to February and was related to the surface net radiation and the heat condition of the soil itself. There was a negative correlation between soil temperature gradient and net radiation, and the correlation coefficient achieved a significance level of 0.01. Because of frozen state of the soil, the maximum soil thermal conductivity value was 1.21 W m⁻¹°C⁻¹ in January 2007. In May 2007, soil thermal conductivity was 0.23 W m⁻¹°C⁻¹, which is the lowest value measured in the study, likely due to the fact that the soil was drier then than in other months. The soil thermal conductivity values for the four seasons were 0.27, 0.38, 0.55 and 0.83 W m⁻¹°C⁻¹, respectively.     

基于红外热成像技术的抗滑桩土拱效应模型试验研究

采用模型试验是研究滑坡及其抗滑结构的一种有效方法,红外热像仪在滑坡模型试验中的应用是基于红外检测和热成像原理,利用红外热像仪对滑坡模型抗滑桩区域坡表温度进行有效、准确、实时地检测并记录,有助于分析滑坡破坏过程中抗滑桩所在区域温度场的变化规律,从能量的角度对抗滑桩土拱效应进行研究。试验结果揭示了滑坡抗滑桩区域温度场的分布规律,从温度场方面证实了土拱效应的存在,并揭示了土拱形成过程及其机制;抗滑桩有效地阻止了滑坡推力向桩前发展,发挥了抗滑效果;滑坡发生过程中岩土体应力场、位移场和能量变化是息息相关的。红外热成像技术的应用为抗滑桩土拱效应的研究提供了一种新的研究方法,使得从能量变化的角度研究抗滑桩等防治结构作用机制成为可能,其可行性和可靠性在模型试验中得到了验证。