洞群模型试验中微型多点位移计的设计及应用

地质力学模型试验是研究大型地下洞室群围岩稳定性状况的重要方法,但是,许多制约因素使得这类试验难以达到预期效果,其中包括试验过程中物理量的量测问题。以双江口水电站地下洞群稳定性为研究对象,开展了模型试验为准确量测三维应力状态下洞群模型试验中围岩内部的微小位移,设计、制作和安装了高精度微型多点位移计,获得了围岩在开挖全过程中的位移变化规律曲线,同时,还开展了与模型试验相对应的数值模拟。将试验结果与数值模拟结果进行了对比分析。研究结果表明,设计成功的微型多点位移计能够广泛应用在各类岩土工程模型试验之中。     

基于分离相似概念的地铁异形基坑三维开挖模型试验

以厦门吕厝站地铁基坑开挖工程为工程原型,采用分离相似设计方法确定了模型试验所需要关键参数的相似比,制作了异形基坑试验模型,并设计了合理的监测系统。通过模拟基坑实际的开挖过程,根据取得的监测数据,分析了地表沉降、地连墙变形和受力等变化规律。结果表明:与基坑边缘距离越大,地表沉降影响越小,且墙体边长及开挖深度越大沉降越显著;地表沉降曲线形式与沉降数值大小有关,基坑开挖表现出明显的空间效应和角隅效应,地表沉降主要发生在坑内土体开挖阶段;随开挖的进行,土层卸荷对地表沉降影响逐渐减小,地连墙弯矩大小与开挖深度呈正相关,最大弯矩值出现在基坑最深开挖面附近。     

岩溶区嵌岩基桩室内模型试验系统的开发

为了对岩溶区嵌岩基桩的承载特性开展更深入的研究,自行研发了岩溶区嵌岩基桩室内模型试验系统。该系统主要由模型箱、加载系统、测试系统以及溶洞模拟技术等组成。鉴于较少开展岩溶区嵌岩基桩室内模型试验,提出了试验用岩溶地基制备以及试验操作方法,通过室内模型试验证明了该方法的可行性。另外,与现场实测结果进行对比,表明利用该试验系统进行嵌岩基桩室内模型试验是可行的。     

软弱土层复合土钉支护试验研究

复合土钉支护是从土钉支护基础上发展起来的、应用范围更广的一项基坑支护新技术。笔者通过模型试验，研究了复合土钉支护的作用原理，为其设计和施工提供了参考依据，促进了这项技术快速发展。基坑模型采用“相似模型的长度与变形的时间成反比”的相似法则设计，相似比为1:10。试验模拟现场分步开挖与支护的过程，测试内容包括土体位移、地表沉降、基底隆起、地面裂缝及超挖引起的破坏形态。试验结果表明：复合土钉支护能够充分调动周围土体共同作用，有效地控制基坑变形；复合土钉支护中止水帷幕的插入深度和强度对控制边坡变形与失稳有较大作用；复合土钉支护效果明显优于一般的土钉支护。     

盾构隧道推进对邻近地下管线影响的物理模型试验研究

以上海地铁11号线某区间盾构工程为背景,采用相似物理模型试验研究盾构隧道开挖对上方垂直于隧道轴线的地下管线的影响,并将试验结果与数值解对比。采用量纲分析法推导出文中模型试验的相似准则,并基于该相似准则设计出盾构机和隧道模型,分别通过管线刚度试验和模糊数学综合评判方法选定模型管线和配制相似土材料。研究结果表明,自主开发的半自动盾构掘进装置能较好地模拟盾构的开挖过程,较人工开挖扰动更小;下方盾构隧道开挖使管线产生的竖向变形关于隧道轴线呈对称分布,其形态符合高斯曲线的特征,最大竖向变形位于隧道轴线正上方处,竖向变形反弯点出现在与隧道轴线水平距离约一倍隧道直径的位置处;隧道开挖对管线的影响范围随管隧间距的增加而减小,管线竖向变形曲线的反弯点位置随管隧垂直间距的增大而有所内移;管线刚度对管线竖向变形的影响相对较小。     

物理模型试验光纤传感测试方法应用进展

室内模拟试验是岩土力学与工程地质领域科学研究的重要手段之一。光纤传感测试是一种高精度、实时性、分布式和并行式的测试技术,构建物理模型试验光纤传感测试方法,推动了模拟试验技术的进步,为现场工程可以提供更可靠的指导。本文列举了常用模型试验光纤传感测试技术,综述了岩土力学与工程地质在5个方面应用模型试验光纤传感测试的进展,并对光纤传感器的结构形式、温度补偿、传感器标定、布设工艺等应用关键问题进行了总结,探讨了光纤与模型材料变形同步、协调和相容的关系。表明基于光纤传感技术的多尺度、多源信息模型试验研究将成为未来岩土力学与工程室内试验的热点。     

试验模型位移场中的几种光学测量方法比较

详细地分析了几种光学测试方法在模型试验中的使用情况。自动网格法在模型表面布置网格点容易,由于开挖或裂缝等原因去掉网格点,改进后的程序仍能自动编码,必要时可通过人机对话手工编码。散斑互相关法,在模型表面布置散斑较容易,改进后的程序在开挖情况下也能自动处理,但在散斑场遭受严重破坏情况下无法比较相关性。其他光学测试技术由于受试验条件的限制,而不适合使用。     

粗粒土的离心模型试验与数值模拟

岩土工程数值计算中粗粒土常采用邓肯-张本构模型,为了验证该模型在轴向加载、卸载、侧向加载等复杂应力路径条件下的适用性,进行了粗粒土的三轴试验获取其力学特性及本构模型参数;根据相似性原理制作了堆石坝的离心模型试样,并采用与三轴试验同样级配与粒径的粗粒土进行复杂应力路径的堆石坝离心模型试验,试验中通过改变离心加速度模拟加载、卸载,利用上游蓄水模拟坝体的侧向加载;采用ABAQUS对离心模型试验进行三维数值模拟,并研究了模型箱侧壁摩擦系数与土体的初始应力对数值结果的影响。通过比较离心模型试验与数值模拟成果,表明土体的初始弹性模量对计算结果影响较大,初始应力应选择自重作用下的应力场;邓肯-张本构模型能较好地描述堆石坝的加载应力路径,而模拟卸载应力路径有一定的差异,需要改进邓肯-张本构模型中卸载模量的确定方法。     

地质力学磁力模型试验原理及其在工程中的应用

地质力学磁力模型试验借鉴土工离心模型试验中利用离心力模拟重力的思想。在均匀梯度磁场中,掺有铁磁材料的相似材料会受到均匀的磁力作用,由此可以利用均匀的磁力场模拟重力场。根据电磁学基本原理和磁路设计原理,设计并制造了一台2 000匝线圈的均匀梯度磁场发生装置。该装置在220 V电压情况下,能够产生0～16 A电流,在1.2 m×1.2 m×1.0 m试验空间内,可将磁性相似材料的重度提高10～30倍。以锦屏一级电站左岸高陡边坡为例,进行地质力学磁力模型试验。试验结果表明,在一定的电流作用下,可以使模型所受体力的提高倍数达到相似比的要求,并与数值模拟结果进行了对比,试验结果与计算结果基本一致。在增加通电电流时,试验设备可以模拟边坡的超载过程,进而可以求出边坡的超载安全系数。     

一种节理围岩巷道开挖物理模型试验方法及其应用

物理模型试验是研究矿山巷道开挖稳定性问题的重要方法,特别是对于深部节理岩体相似模型的制作,难度高,周期长,工艺复杂。为解决这一技术难题,提出了一套节理围岩巷道开挖的物理模型试验方法,依托金川矿区典型的菱块状围岩巷道进行了试验,详细介绍了模型搭建和开挖过程,并将模型试验与现场调查结果进行了对比,主要得到以下几点结论:(1)提出了一种浇-砌混合搭建方法,在模型内圈采用砌块堆砌的方式,外圈选择浇筑的方式,既能体现出节理围岩的结构特征,又能提高试验效率;(2)自主研制了一种巷道开挖装置,通过螺旋牵引拉出预埋模具的方式完成开挖,巷道成型好,扰动小;(3)以金川矿区巷道为原型进行的物理模型试验,真实还原了工程中巷道的变形破坏特征,证明了该方法的科学性、实用性和高效性,为类似模型试验的设计和制作提供了技术参考。     

含瓦斯煤相似材料研制及其突出试验应用

采用相似物理模拟试验研究煤与瓦斯突出机制和规律是目前有效的方法,含瓦斯煤体相似材料是突出定量模拟的关键因素。研制出一种新型的含瓦斯煤体相似材料,该相似材料以一定粒径分布的煤粉为骨料,以腐植酸钠水溶液为胶结剂,混合压制成型后干燥。大量正交配比试验表明:在成型压力15 MPa下,相似材料的重度、孔隙率趋于稳定并与原煤十分接近;相似材料抗压强度高,可调范围达0.5~2.8 MPa,与胶结剂浓度近似呈线性正比关系;吸附解吸试验表明,相似材料的吸附性良好,其与原煤的吸附等温线一致;并且具有材料价格低廉、无毒副作用、配比简单、性能稳定和各物理力学参数调节方便等特点,可用来模拟不同强度原煤。采用相似材料制作的型煤开展了煤与瓦斯突出试验,成功模拟了煤与瓦斯突出现象和过程,证明该相似材料能很好地模拟具有吸附解吸特性的含瓦斯煤体。     

软岩流变相似材料的研制及物理模型试验应用

目前能合理模拟软岩流变效应的相似材料很少,而采用模型试验法研究软岩工程的长期流变效应也处于探索阶段。为给软岩流变模型试验提供合适的相似材料,研制出一种以铁粉、重晶石粉和石英砂为骨料,松香酒精溶液为胶结剂,液压油为黏滞剂的软岩流变相似材料。该相似材料强度低,流变性强,不仅可模拟软岩的瞬时弹塑性性质,也能较好模拟软岩的流变特性。假定骨料比例恒定,调节松香酒精溶液浓度m和液压油含量w,开展了一系列梯度配比试验。研究表明：（1）该相似材料的主要瞬时强度变形参数和西原模型流变参数均受m和w两因素的双重影响;（2）松香酒精溶液浓度越大,试样强度越大,流变性越小;（3）液压油含量越大,试样强度越小,流变性越明显;（4）相比松香酒精溶液浓度m,液压油含量w对西原模型各参数的影响更大,起主控作用。最终,将该相似材料应用于神华新街软弱砂质泥岩煤矿盾构斜井的长期流变模型试验中,试验结果表明：该材料瞬时力学性能和流变特性均达到试验要求,为试验取得良好结果提供了材料保证。     

深基坑SMW工法模拟试验研究及工作机理分析

通过主动侧加载模拟开挖卸载,进行了基坑SMW工法围护结构与型钢围护结构的室内模型对比试验。试验结果表明：SMW工法相对于单独型钢围护结构,由于水泥土对型钢的围箍作用,使型钢、水泥土成为一整体,共同协调工作,提高了型钢的刚度,同时有效地起到了减小水平位移的作用。SMW工法结构内力相对于单独型钢围护结构内力,由于水泥土的作用,其内力明显要小,与工程实测规律一致。从不同角度探讨了SMW工法的工作特性、型钢-水泥土组合结构的相互作用机理。     

Three‐dimensional finite element modeling of tire/ground interaction

Tire/ground interaction has been an important issue in terramechanics, transportation and pavement engineering. Characterization of tire/ground interaction has been majorly investigated based on empirical approaches and field tests. So far very few dynamic tire/ground interaction models have been presented. This paper presents a three‐dimensional finite element model for tire/ground interaction. The rubber material is modeled as nearly incompressible finite strain hyperelasticity instead of being modeled as a rigid wheel. The tire is also modeled as bias type and steel rebars are embedded within the tire structure. The tire model is combined with the ground model to form a tire/ground interaction model. Both single tire/ground interaction and four‐tire vehicle/pavement interaction models are presented, which allow us to investigate a lot of issues easily and accurately, such as compaction, pavement response and pavement damage. Numerous simulations are carried out to demonstrate that the dynamic tire/terrain interaction model can be used to predict the dynamic ground response due to moving vehicle. Different tire rolling conditions can be easily incorporated into the tire/ground interaction model, which further substantiates the broad application of the model in transportation and pavement engineering. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

上海磁悬浮列车工程基岩水准标设计与施工

磁悬浮列车是当今世界上最为现代化的陆上交通工具,其对工程沿线地面沉降控制要求严格,对沉降监测的测量基准点的稳定性也有严格要求.上海磁悬浮列车工程专门设计施工了两座基岩水准标,作为沉降监测的测量基准.该基岩标较以往监测标志有重大改进,并兼有高程控制与平面位置控制的作用.本文介绍其设计原理、结构特点与施工技术.     

EPS颗粒轻质混合土的蠕变模型研究

EPS颗粒轻质混合土是一种新型轻质填土材料,相比EPS泡沫块体,具有更广泛的应用前景。EPS颗粒轻质混合土的基本物理及力学性质已得到了较多的研究,但其蠕变特性研究较少。通过不同围压下EPS颗粒轻质混合土的三轴不排水蠕变试验,采用三种常用的经验模型：Singh & Mitchell模型、Mesri模型和Findley模型对EPS颗粒轻质混合土的蠕变变形进行模拟,结果表明：Singh & Mithcell模型和Mesri模型能反映蠕变趋势,但是不能拟合应变初始快速上升段,用来描述EPS泡沫块体的Findley模型在应力水平较高时,拟合效果最好,某种程度上说,EPS颗粒轻质混合土的蠕变性与EPS泡沫块体相似。推导出了一种新的半经验半理论蠕变模型,用元件模型描述弹性变形部分,用经验模型描述塑性变形部分,拟合结果表明,不管应力水平的高低,新推蠕变模型都不仅能够很好地反映EPS颗粒轻质混合土的初始快速上升段变形,也能够比较准确地拟合长期变形,即蠕变性。     

软弱围岩隧道取消系统锚杆的现场试验研究

在软弱围岩隧道中,提出初期支护结构由钢架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆+纵向连接筋组成,即取消系统锚杆用钢架联结处的锁脚锚杆代替。以包家山隧道为依托工程,采用现场试验的方法,选取2个试验段,进行锁脚锚杆取代系统锚杆后,有、无拱部锚杆的对比试验研究。对比试验的内容包括：隧道初期支护的净空收敛、围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、锚杆轴力和纵向连接筋应力等。研究结果表明：2个试验段初期支护变形趋于稳定,结构受力安全,说明取消系统锚杆不影响初期支护结构的安全与稳定;拱部锚杆有受拉,也有受压,但受力都不大,最大拉应力仅为钢材极限强度的11.8%,其支护作用不明显;锁脚锚杆大部分受拉,最大值达到191 MPa,钢架支护作用明显,在支护体系中发挥着重要作用。取消系统锚杆减少了施工工序,降低了工程造价,缩短了工序循环时间,有利于及早封闭围岩以形成完整的支护结构。经济价值和社会效益显著。     

A comparative study of different model families for the constitutive simulation of viscous clays

The simulation of the viscous behavior of some clays is of high importance in many geotechnical problems. The literature offers a vast amount of constitutive models able to simulate the rate dependence observed on these materials. Although most of these models are calibrated to very similar experimental observations and share similar definitions of material parameters, some discrepancies of their response have been detected, which are related to their mathematical formulations. In this work, the causes of these discrepancies are carefully studied. To that end, four different model families are analyzed, namely, nonstationary flow surface (NSFS) models, viscoplasticity with overstress function (OVP), viscoplasticity with Norton's power law (NVP), and visco-hypoplasticity (VHP). For the sake of a fair comparison, single constitutive models using the same set of material parameters, and following other requirements, are developed for each model family. Numerical implementations of the four resulting models are performed. Their response at different tests are carefully analyzed through simulation examples and direct examination of their constitutive equations. The set includes some basic tests at isotropic stress states and others as responses envelopes, undrained creep rupture, and an oedometer test with loading, unloading-reloading, creep, and relaxation. The article is concluded with some remarks about the observed discrepancies of these model families.     

上海第4层黏土力学特性的弹塑性本构模拟

上海第4层黏土是典型的结构性海相软土,用一个本构模型统一地模拟不同应力路径下的力学特性对数值计算具有重要意义。对UNIFIED模型的结构性及超固结发展函数进行了改进,并提出了一种确定原状土材料参数和初始状态的方法。为了验证修正模型的正确性,用块状取土法取得上海第4层原状土样,进行了固结试验和三轴排水、不排水剪切试验。通过比较试验结果和本构模拟结果,明确了新的本构模型仅用一组材料参数就能统一地模拟上海第4层黏土在固结、排水及不排水三轴试验得到的应力-应变关系。模拟结果揭示了上海第4层黏土的结构比较稳定,即使在经历三轴剪切发生35%轴应变后仍能保持较高位的结构性。     

Localization patterns in sandbox-scale numerical experiments above a normal fault in basement

The finite element program ELFEN is used to study the effect of basement fault dip on the evolution of shear band patterns in unconsolidated sand. The material properties and boundary conditions of the model were chosen to correspond to generic sandbox experiments.Model results reproduce the range of structural styles found in corresponding sandbox experiments. With a basement fault dip of 60° and lower, a graben structure is formed, composed of a synthetic shear band followed by one or more antithetic shear bands. With a basement fault dip of 70° and steeper, a reverse (precursor) shear band forms first, followed by a synthetic, normal shear band that accommodates all further displacement. The dip of the synthetic shear band is close to the basement fault dip. For basement fault dips between 60° and 70°, we observe a transition in localization patterns. An analysis of the stress fields and velocity vectors in the model explains the first-order aspects of the relationships observed.We consider the observed ‘precursor-dominated’ and ‘graben-dominated’ structural domains to be important components of normal fault systems in which the first order structural style and deformation patterns are only weakly dependent on the details of the rheology of the model materials and explore the interesting problem of the change in structural style from ‘precursor-dominated’ to ‘graben-dominated’ structural domains above a normal fault in basement. We find similar structural domains in sandbox experiments for the same set of boundary conditions but with slightly different material properties, suggesting that the modeled patterns are robust within these two structural domains, (i.e. will occur over a range of similar material properties and boundary conditions).The results of this study contribute to our ability to validate numerical models against experiments in order to finally better simulate natural systems.