水泥土细观破裂过程的损伤本构模型

根据对饱水环境中水泥土力学特性的宏观试验和细观破裂过程试验研究,建立了水泥土细观孔隙损伤变量和损伤本构模型,该水泥土的损伤变量不仅与水泥土的初始损伤有关,而且与水泥土微小孔隙中的孔隙水的密度有关,所建立的损伤本构模型与饱水情况下水泥土的单轴压缩试验曲线进行了对比,分析结果表明,所提出的水泥土细观孔隙损伤本构模型与试验值基本吻合,很好地描述了水泥土的损伤演化特性。     

干湿交替作用后砂岩破裂过程实时观测与分析

采用岩石破裂全过程的细观力学试验系统进行了天然状态及干湿交替作用后的完整和含预制圆孔砂岩试件的单轴压缩破裂试验。利用显微镜观察了砂岩裂纹萌生、扩展以及试件的失稳破坏过程。经过干湿交替作用后岩样更容易在较低的应力状态下发生裂纹的扩展,并且裂纹扩展的初始阶段一般表现为拉破裂。完整试件的裂纹是随机性的三维扩展,而有预制圆孔试件一般是从预制圆孔周边开始扩展。天然状态下的预制圆孔试件在起裂时从圆孔的压应力集中区产生剪切裂纹;而干湿交替作用后,起裂时可能先从拉应力集中区产生拉裂纹,并且裂纹演化过程更为复杂一些,破裂形式多样化。与天然状态相比,经过干湿循环作用后的砂岩破坏脆性降低,强度等力学参数也随干湿交替次数增加而逐渐降低。     

化学溶液及其水压作用下单裂纹灰岩破裂的细观试验

采用岩石破裂全过程的细观力学试验系统进行了化学溶液及其水压力作用下单裂纹灰岩压缩破裂试验。通过电镜扫描、X衍射、水质分析等分析方法,对岩石微观形貌、矿物成分等进行研究。采用数字显微系统,对其压缩破裂过程进行实时观测和记录,得到了岩石破裂过程的细观图像;探讨了蒸馏水、不同pH值的0.1 mol/L Na2SO4溶液及其水压力作用对单裂纹灰岩变形和强度特性的影响。研究表明,受化学侵蚀后岩石的结构及成分均发生了不同程度的变化,导致其非均质性增加,而强度、弹性模量等降低,其力学性质劣化的程度与岩石中矿物成分的变化程度相关;孔隙水压的作用改变了岩石内部裂隙面和颗粒间的受力状态,加速了岩石裂纹的扩展,降低了岩石强度,水化学溶液及其水压作用使得岩石的破裂形式变得更为复杂。     

岩石破裂全程数字化细观损伤力学试验研究

设计基于扫描电镜（SEM）的岩石破裂全过程数字化细观损伤力学试验方案,实现了岩石破裂全过程的显微与宏观实时的数字化监测、控制、记录及分析的岩石力学试验。应用于四川锦屏大理岩预制裂纹试样中进行单轴压缩破坏全程的数字化试验,对微裂纹的萌生、生长及贯通过程进行数字化定量分析,得到试样在受荷过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据,从宏细观角度描述了岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制,并分析得出试样单轴受压破坏过程中虽然微裂纹在某些区域集中,但在整个试样中微裂纹的统计分布依然是服从某一指数分布的这一结论。试验研究结果证明了该试验方案的科学性和先进性。     

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。     

单轴压缩下横观各向同性岩石破裂过程的数值模拟

采用基于细观损伤力学基础上开发的RFPA2D数值模拟软件,用2种不同的岩石材料来组成7个不同岩层倾角的横观各向同性的岩石试件,通过单轴加载数值模拟试验,模拟横观各向同性岩石渐进破裂的整个过程,分析了岩层与最大主应力之间的倾角和强度之间的关系,讨论了不同岩层倾角的横观各向同性岩体的不同破裂模式及其破坏准则。     

表水侵蚀地裂缝物理模型试验研究

地表水入渗侵蚀是地裂缝出露地表的一个重要诱发因素。肯尼亚裂谷区因其特殊的构造环境背景,降雨侵蚀地裂缝极其发育。本文以东非肯尼亚裂谷地裂缝为原型,建立了降雨侵蚀条件下隐伏岩土体破裂扩展出露地表的地质模型,通过物理模型试验揭示了地裂缝发育过程中土体内部水力侵蚀破坏的演化规律。试验结果表明：(1)表水侵蚀地裂缝可将其破裂扩展过程分为3个阶段：均匀入渗阶段,侵蚀掏空阶段、塌陷致灾阶段。(2)隐伏岩土体破裂的影响区域是表水入渗的优势通道,该区域水力侵蚀强烈。(3)当侵蚀塌陷形成时,土体内部含水率和孔隙水压力出现同步的陡变。土体内部含水率的突变反映了裂隙的发育以及局部塌陷的形成,从而可以揭示土体内部侵蚀塌陷的进程。此次基于表水入渗的物理模型试验研究可为地裂缝的监测防控提供科学理论支撑。     

应用数字图像分析法评价红砂岩渐进损伤破坏特性

为了分析含水状态下红砂岩渐进破坏行为,在已有的岩石细观加载仪上配置数字显微观测系统,对试件表面的裂纹扩展过程进行多角度的实时全场监测和局部显微放大监测,并将可监视到的图像进行录像和计算机自动采集处理。利用该系统进行了红山窑水利枢纽工程地基红砂岩在不同含水率条件下的单轴压缩破裂过程试验,应用数字图像相关技术处理试样表面细观裂纹萌生、扩展图像灰度分布图,去除伪裂纹,探讨了红砂岩动态损伤状态与其宏观力学响应之间的关联。为了获得试样表面裂纹萌生、扩展的定量描述,引入表观裂损度与损伤张量2个物理量,定量评价含水状态下红砂岩渐进损伤破坏特性,进一步分析单轴压缩状态下岩石裂纹损伤演化规律。     

岩石破裂过程TMD耦合数值模型研究

从岩石的细观结构层次出发,应用损伤力学和热弹性理论,对热力耦合作用下岩石破裂过程中热-应力-损伤相互作用关系进行了分析。初步建立了细观热-应力-损伤（TMD model,thermal-mechanical-damage）耦合数值模型,并在岩石破裂过程分析系统RFPA2D中加实现。运用该数值模型计算模拟均匀与非均匀材料试样在热力耦合作用下的应力分布及破坏形 态,通过与理论及试验结果对比,证明了该数值模型的合理性和有效性。     

含水状态下膏溶角砾岩破裂全程的细观力学试验研究

利用新型岩石细观力学试验系统,对石家庄-太原铁路专线太行山隧道工程6#斜井的膏溶角砾岩在单轴压缩荷载作用下的岩石细观损伤裂纹扩展直至破裂的全程进行了实时观测,得到了不同含水状态下岩石初始损伤微裂纹的萌生、扩展、连接、贯通直至宏观破裂的数字显微和全场实时图像。从岩石细观损伤机制出发,结合同时获得的应力-应变曲线,将损伤破裂过程分为4个阶段,得到了含水状态下岩石损伤发展演化的初步规律,并给出了应力损伤门槛值,发现水环境影响下造成的初始损伤微裂纹是水对膨胀软岩力学性质产生软化作用的重要因素。     

环境侵蚀下水泥土力学特性的时间效应分析

采用模拟试验的方法探讨了在各种环境因素(水、不同化学溶液、不同浓度以及不同pH值等)影响下的水泥土在各个龄期的力学特性,对其相应荷载位移曲线进行了分析和讨论。得到了水泥土在各种侵蚀环境下的力学特性与时间的关系,并对环境侵蚀条件下水泥土的强度增长规律进行了分析。结果显示各种环境因素对水泥土力学性质均有明显的影响。从时间效应看,随着水泥土中水泥的水化和水泥固化体的形成,侵蚀效应在逐渐减弱。     

Research Activities in Geotechnical Sciences for Three Decades

The Institute of Rock and Soil Mechanics was founded in 1958, which is one of the research bodies under the Academia Sinica (National Academy of sciences). Four divisions (of Rock and Soil Dynamics, Rock Mechanics, Soil Mechanics, Electronic and Mechanical Design ) and one factory have been set up in the light of the needs for research tasks. In addition to these units, there is an information research division and a computer department. More than 300 staff are now working in this Institute, about half of the employees are technical staff and scientists. Since founded thirty years ago, more than 220 items of major research topics has been Completed by our Institute. Of which 210 items of major scientific and technical contributions have been obtained. Among them 8 won the national prize, containing 1 piece of national invention prize and 36 won the significant result prize issued by Academia Sinica, HuBei province or ministries. Many results approach or come up to advanced level of the world and much more results reach the national leading level. In order to promote the academic activity and its engineering services, the Institute of Rock and Soil Mechanics takes pleasure inviting international cooperation in the field of geotechnical engineering science.     

我所岩土力学研究30年

中国科学院武汉岩土力学研究所是中国科学院直属的岩土力学专业研究所。自1958年成立至今已有30周年,现已发展成为具有相当规模的从事岩土力学基础研究、应用研究和开发研究的综合性研究所。全所职工300多人,科技人员占2/3,其中,高级研究人员占21%,中级研究人员占43%。我所设有4个研究室和情报室、计算机室及一个实验工厂。30年来共完成220多项较大的研究课题,内含重大岩土工程90项;取得科技成果210多项,其中获国家级成果奖8项,院(省、部委)级重大成果奖36项。我所实行改革以来,无论在科学研究还是在工程实践上都得到了很大的发展,目前正在将改革进一步深化。我所真诚希望与国内外有关单位和同行进一步发展各方面的交流与合作,以共同促进岩土力学与工程事业的发展。     

水泥土芯样强度变形特性及本构关系试验研究

为了研究现场施工工艺下水泥土的强度及变形特性,对水泥搅拌桩钻孔芯样进行了无侧限抗压强度试验与三轴试验,分析了水泥掺量与围压对水泥土芯样强度、变形特性的影响规律。结果表明：随着水泥掺量的提高,水泥土芯样的强度明显增强,变形模量显著增大,但其破坏应变变小,脆性增大;水泥掺量超过18%的水泥土芯样其应力-应变关系表现为软化型,随着围压的提高,其强度增强,破坏应变增大,脆性降低,且应力-应变关系曲线有可能发生转型;不同围压下的水泥土芯样三轴试验先为体缩,后变化为体胀,发生剪胀的应变较破坏应变略小,是由剪切面上颗粒错动引起的,在颗粒错动达到一定程度后抗剪强度才发挥到峰值;水泥土的结构屈服应力比较大,在围压的作用下其胶结结构未发生破损,强度包线满足摩尔-库仑线性强度规律;根据水泥土的强度变形特征,应力-应变全曲线分弹性、塑性、软化3个阶段,可采用Popovics模型对其进行模拟,与试验结果较为吻合。     

污水环境对水泥土渗透性能影响的试验研究

现多数水泥土防渗工程都间接或直接的与地下腐蚀性介质环境接触,会导致水泥土防渗性能的降低甚至失效。因此,通过室内模拟试验,设计了不同的水泥掺入比,进行了在污水和清水环境下水泥土的渗透性能试验,研究了在不同龄期下水泥土的渗透系数变化规律,并同时分析了渗透后水泥土中离子浓度的变化规律。试验结果表明,在清水环境下,随着龄期的增长,水泥土的渗透系数逐步减小,60 d后随着龄期的增加,水泥土渗透系数减小的程度越来越缓慢;在污水养护条件下,龄期在60 d之前,水泥土渗透系数逐步减小,龄期在60 d之后,由于水泥土被侵蚀,致使水泥土随着龄期的增加,水泥土的渗透系数逐步增大;无论是清水还是污水环境,随着水泥掺量的增大,其渗透系数均逐步降低;在污水环境中,随着龄期的增加,其水泥土中的Ca2+,Mg2+,Cl?, 浓度均逐步增大,而清水环境中Mg2+,Cl?, 浓度均逐步减小。其研究成果可为水泥土防渗工程的抗渗性和耐久性设计和应用提供技术参数,具有重要的工程意义。     

桩基动力检测新技术在我室的发展

本文简要地介绍了中国科学院武汉岩土力学研究所岩石动力学研究室自80年代以来,在发展桩基动力检测技术所进行的工作。对桩基动力检测的应力波理论做了系统的研究。其中包括理论分析、数值模拟、模型试验、现场试验和工程应用。无论在理论分析,还是在测量技术和工程应用等方面均获得了一系列重要成果。特别是桩基承载力计算软件 WANG-PCP,是个半解析半数值的计算方法,突破了以前的分析模式,大大地简化了计算过程,易于被广大工程技术人员所掌握,同时提高了计算的精度。桩基完整性快速定量分析软件 WANG-PIP,使桩基完整性快速定量分析成为可能,属国际首创,并已获得美国版权。研制成功了 RAP 型动力验桩仪系列,在加速度和动应变测量方面均已达到定量分析的要求。并已推广应用到十几个省市地区,深受广大用户的好评。同时进行了大量的工程应用和试验,做了上万根桩的动力检测工作,积累了丰富的工程经验,提高了动力验桩测量和分析的水平。     

硫酸侵蚀下水泥土的电阻率特性研究

通过室内试验模拟了水泥土试块受不同浓度硫酸（H2SO4）溶液侵蚀的过程,采用电阻率法研究了电阻率与各参数、无侧限抗压强度之间的关系。结果表明,受H2SO4侵蚀后,水泥土电阻率、孔隙水电阻率、水泥土抗压强度均随着溶液浓度的增加而减小,而水泥土的结构因子和重度均随着溶液浓度的增加而增加,水泥土抗压强度与水泥土电阻率成正比。在试验的基础上,考虑侵蚀因素对水泥土电阻率的影响,通过对Archie法则进行修正,得到了H2SO4侵蚀下水泥土电阻率模型。通过对无侧限抗压强度试验结果的分析,并结合试块表观变化,提出了利用电阻率来评价侵蚀程度的方法。     

雨滴溅蚀下压实黄土变形破坏规律研究

针对工程建设中存在的裸露黄土路堤边坡水土流失现象,为进一步研究降雨条件下雨滴击溅对路堤边坡的破坏作用,本文通过室内模拟单雨滴溅蚀试验,观测试件表面溅蚀坑深度随时间的变化情况,分析不同地表压实度和雨滴击溅速率两种因素作用下压实黄土的溅蚀破坏规律。在此基础上,研究了压实度、含水率对黄土耐溅蚀性的影响,分析了降雨强度与土体溅蚀破坏的关系。结果表明:当溅蚀坑内存在薄层积水时,短历时降雨易使土体发生表层破坏;反之,容易产生二次溅蚀,二次溅蚀易造成黄土路堤边坡的深层破坏。     

环境侵蚀下水泥土的力学效应试验研究

土木工程中广泛使用的软土地基加固方法主要有水泥土搅拌法、旋喷法、注浆法等,其原理主要是形成具有一定强度和稳定性的水泥土加固体。在我国广大地区地下水受工农业、生活以及海水等环境因素的影响,常含有一些具有侵蚀性的离子,如 , , 等。通过模拟试验的方法,探讨了各种侵蚀性的离子在不同浓度和不同pH值条件下对水泥土的力学效应,并对环境侵蚀机理进行了探讨。试验结果表明,水化学作用对水泥土的力学性质具有明显的影响,对水泥土在复杂地质环境条件的设计和工程应用具有重要意义。     

水泥砾质土三轴试验研究

对某水泥砾质土进行了三轴固结排水剪切试验,研究在不同水泥掺入比下水泥砾质土应力-应变关系和强度特性。结果表明：随水泥掺入比的增加,水泥砾质土试样在不同围压下应力-应变关系曲线均表现出不同程度的软化和剪胀现象,尤其在低围压（200 kPa）和高水泥掺入比（8%）下,剪胀性比较明显;在相同水泥掺入比下,峰值强度 随围压的增加近似呈线性增长;与不掺水泥砾质土相比,水泥砾质土的内摩擦角 因掺入不同量的水泥而得到不同程度的提高,黏聚力 随水泥掺入比的增加呈增长趋势,且增幅显著;割线模量 和 均随围压和水泥掺入比的增加而增加。不同高度的心墙堆石坝三维有限元算例的计算结果表明：水泥砾质土作为心墙材料可以显著降低土石坝心墙沉降。