非饱和黄土震陷物理力学机制与主导影响因素

通过分析黄土震陷的物理过程及其力学机制,指出非饱和黄土震陷实质上是土体广义固相介质响应外部动荷载作用的再固结过程。将影响黄土震陷的主导因素归纳为两方面,即土体广义固相介质的强度、体积特征和外部动荷载特征。介质的强度特征可通过引入土工试验获取的参数(粘聚力和内摩擦角)来宏观表征;体积特征可由能够反映土体欠压密程度的孔隙比描述。与非饱和黄土震陷的宏观物理力学机制相适应,粘聚力与内摩擦角主要反映土体的结构性强度(黄土强度特征),孔隙比则反映了土体再固结的潜在性态(黄土沉降量值特征);黄土强度特征对应土体抵御外部载荷的能力,黄土沉降量值特征对应外部载荷作用下的土体沉降能力。     

超深厚覆盖层中深埋细粒土地震残余变形特性振动三轴试验研究

土石坝(超)深厚覆盖层地基中的深埋细粒土抗地震残余变形能力较差,尤其是在土层厚度较大时,覆盖层地基连同坝体在强震作用下可能会产生较大的地震沉陷。针对我国西部某大型土石坝工程,对超深厚覆盖层地基中深埋粉砂层土的地震残余变形特性进行三轴试验研究。研究表明:试验土料级配曲线与相应土层各钻孔平均级配曲线很接近,试验土料的颗粒级配对实际土层的颗粒组成特性具有代表性;试验土料的地震残余变形特性主要受土体密度、固结条件和围压力条件等控制,尤其是固结比对土体地震残余变形特性影响较大;各因素对土体残余体积变形特性和轴向变形特性的影响规律有所差异。     

考虑土体固液二相性质的地下管线地震反应研究

本文将管线周围的土体视为固-液二相介质，采用考虑地震过程中土体内孔隙水压力的增长和消散的有效应力分析方法，并以非线性的土体本构模型模拟土体动力特性的改变以及在孔隙水压作用下的变形，以求接近土体的真实地震反应。研究表明随着土体软化程度的不同，受到土体约束的管线应力亦发生相应变化。文中详细研究了地震动峰值、管线直径、行波波速和入射角度等对管线应力的影响。     

砂土自由场地震响应的离心机试验研究

离心机模型试验是研究岩土地震工程问题的有效手段。本文使用层状剪切箱,通过干落法制备了均匀的砂土模型,进行了离心机振动试验;观测了振动过程中孔隙水压力的发展,土体的加速度响应、侧向变形以及竖向沉降。结果表明,土体的运动和变形与孔隙水压力的发展密切相关,但离心机中的试验现象和现场观测的现象存在显著区别。研究结果增强了对振动过程中土-水之间相互作用机理的理解,同时为自由场地震响应分析方法的验证提供了基础数据。     

饱和土体-地下综合管廊结构地震响应分析

将土体视为固-液两相介质,基于饱和土体有效应力原理,建立饱和土体-地下综合管廊结构体系相互作用动力模型:在地应力平衡的静力状态下采用Duncan-Chang非线性弹性本构模型,在地震波作用的动力状态下采用Davidenkov非线性黏弹性本构模型;考虑饱和土体黏弹性动力人工边界条件,将地震动作用转化为作用在人工边界节点上的动力荷载。模型考察不同地震波时程、地震波加速度峰值、入射角度、孔隙率以及地应力场的影响,得出如下结论:(1)地震波的卓越周期与场地卓越周期相近时引起结构上的变形最大;随着地震波加速度峰值的增大结构变形增大;随着地震波入射角度的增加结构变形增大,地震波斜入射情况下产生的行波效应使得结构变形最大。(2)土体材料的孔隙水压力是影响地震中结构变形的主要因素之一。(3)将土体材料考虑为单相介质时结构上的变形要比考虑为固-液两相介质时大得多,直接将饱和土体场地中得到的地震波等效荷载施加到单相土介质-结构动力相互作用模型上,能够得到与完全基于有效应力法一致的结果。     

基于自然电位法的滑坡监测实验研究

降雨是诱发滑坡最主要的因素之一,认识雨水的渗流过程和地下水位的动态演化对滑坡的监测预警具有重要意义.基于动电机制,孔隙介质中的流体流动可产生自然电位,通过自然电位的观测可反演地下水动力过程,为滑坡稳定性分析及监测预警提供有效信息.本文基于室内小型滑坡控制实验平台,通过施加人工降雨模拟边坡雨水入渗过程,同步测量了在坡体内的自然电位、孔隙水压力和坡面变形数据.实验结果显示:(1)自然电位变化与孔隙水压力变化具有显著的相关性,自然电位的时移剖面可反映水在坡体内部的流动模式的演化;(2)表面变形发生在坡体下部饱和之后,即坡面变形滞后于自然电位与孔隙水压力变化.以上观测结果表明,自然电位在滑坡监测中具有潜在的应用价值.     

土坝地震孔隙水压力产生、扩散和消散的三维动力分析

本文将地震孔隙水压力与土坝(尾矿坝)的变形和固结紧结合起来,引用著名的皮奥(Biot)方程,用空间等参数有限单元法求解位移和残余孔隙水压力;提出了一种用于土坝动力分析的非线性三维有效应力分析力法。该法不仅可计算地震动应力、动应变、加速度,而且可以计算地震期间和地震后孔隙水压力的增长、扩散、消散、液化的发生和发展过程、土的残余变形及其随着时间的变化。文中用加权剩余值法详细推导了有限单元法的计算公式。文末举有算例。     

层状饱水软土地基三维非轴对称动力响应分析方法

将饱水软土地基视为两相介质、考虑水的渗流和土骨架9变形的耦合作用，用Fourier展开和Hankel积分变换分析三维非称对称饱和弹性土层波动方程，用刚度矩阵方法，建立了层状饱和软土地基三维非轴对称动力响应的解析分析方法。以数值算例对比分析了单相土介质与两相饱和土介质三维非轴对称稳态动力响应，结果表明：在饱水软土地基动力响应分析中应该考虑土体中孔隙流体的影响。     

软件ABAQUS在饱和土体动力响应分析中的应用

研究表明:地震作用下土体的动力特性及变形特性与超静孔隙水压力的发展变化密切相关,因此,在土体动力分析过程中考虑孔隙水压的影响是非常必要的。本文通过对基本方程的推导,借助于大型有限元软件ABAQUS,进行了饱和土体在动力作用下孔隙水压变化的数值模拟。计算结果表明,ABAQUS完全适用于此类问题的数值模拟,并且稳定性和收敛性较好。     

孔隙压力对含随机缺陷岩石破坏过程及全部变形特征的影响

对于平面应变压缩条件下含有随机缺陷的岩样,利用FLAC研究了孔隙压力对岩样破坏过程、全部变形特征及前兆的影响。以前编写的若干FISH函数,被用于生成缺陷和计算轴向、侧向、体积应变及侧向应变与轴向应变比值的负值（计算得到的泊松比）。在峰值应力之后,密实岩石单元服从线性应变软化行为及随后的理想塑性行为,而材料缺陷呈现理想塑性行为。当孔隙压力较高时,应力-侧向应变曲线具有一平台;破坏的前兆更明显;变形后岩样的体积总是大于原始体积;在初始加栽阶段、均匀变形阶段及峰后变形阶段,由于明显的侧向膨胀,计算得到的泊松比远大于0．5。当孔隙压力较低时,在峰值应力之前,变形后岩样的体积小于原始体积,体积扩容出现于峰值应力之后,引起了负的体积应变。利用广义虎克定律,解释了平面应变弹性状态下数值结果的合理性。对岩样进行带状区域扫描后,确认随机缺陷的初始分布与岩样的最终破坏形态紧密相关。     

波浪作用下可液化海床最大液化深度

较大的风浪会使海床发生液化,波浪引起的海床液化问题是海岸及近海工程必须考虑的关键问题之一.基于Biot固结理论,同时考虑了振荡孔隙水压力和残余孔隙水压力的液化准则,作者推出了波浪作用下可液化海床最大液化深度的解析表达式.同时分别采用解析表达式和FLAC数值模拟求解了相应的例子,两者得出的液化深度均和例子的基本相等.且从FLAC的结果可看出,加载波浪力时孔隙水压力开始累积,土体有效应力逐渐下降,当有效应力降到零时,海床土层液化,海床土颗粒重组后下沉压实,之后残余孔隙水压力开始消散,土层有效应力逐渐恢复.最后还就不同波高、波长和水深进行了解析解和数值解的对比,两者得出的结果比较吻合,并能较好地反映海床液化深度变化规律.     

孔隙介质弹性波频散—衰减理论模型

储层地球物理学中,孔隙介质的各类弹性波模型常用于了解地层岩石物理性质.本文介绍了含油、气、水等物质的多相孔隙介质弹性波频散和衰减研究进展,给出了流体饱和与部分饱和孔隙介质中波传播的物理模型综述.根据孔隙介质中的固、流体分布情况,从相关基础理论和实验研究工作等方面出发,在宏观、微观和介观尺度上对流体替换、Biot孔隙力学、喷射流、Biot喷射流(BISQ)、等效球体癍块饱和、双重孔隙介质局部流动等现有主要合流体孔隙介质速度频散和衰减理论进行了回顾.研究表明,应力松弛过程是弹性波频散和衰减的基本机理,该过程由平衡特征时间刻画.该特征时间与孔隙介质的渗透率、流体粘性和体积模量紧密相关.当波频较低时,特征时间小于波周期,压力平衡得以发生,可以用等效流体模型描述波速;反之,当波频较高时,局部压差始终保持较高水平。整个骨架体积模量升高,等效模型面临困难,发展出斑块饱和模型.在分析了各类模型理论框架适用性以及所面临困难后,我们对未来研究方向给出了一些有意义的探讨.     

轮胎加筋砂垫层抗液化性能振动台试验研究

将废弃橡胶轮胎内填充散体材料形成加筋土结构,已被应用于地基、挡土墙和边坡加固等工程,表现出较好的减震隔振效果,而轮胎加筋土的抗液化性能尚缺乏研究。开展3组小型振动台试验,通过改变轮胎垫层的排水条件,验证轮胎加筋砂垫层的抗液化效果。结果表明:轮胎加筋砂垫层具有良好的抗液化效果,与刚性垫层相比,超静孔压比峰值差值范围在0.01~0.19,残余超静孔压比差值范围在0.08~0.16,轮胎加筋砂垫层提供的排水通道具有抑制超静孔隙水压力发展和加速超静孔隙水消散的作用,孔隙水会沿着轮胎与下部土体的界面以及胎间的排水通道排出;采用量测侧向动土压力的方法,定义土体液化程度量化指标,进一步验证轮胎加筋砂垫层抗液化效果;振动过程中轮胎加筋垫层表面沉降范围为11.3~15.7 mm,表现出较好的变形协调性能。     

波浪荷载作用下海底隧道-孔隙海床的动力分析

孔隙海床在波浪荷载作用下其有效应力减小、孔隙水压力增加,这将影响孔隙海床中隧道的稳定性,因此,研究在波浪荷载作用下孔隙海床与隧道的动力响应具有重要的工程意义。本文基于Biot的动力固结理论和弹性动力学理论建立波浪荷载作用下孔隙海床与海底隧道的动力分析模型,并同时考虑海底隧道与海床之间的接触效应、边界效应等对海底隧道内力的影响。最后通过变换海床的变形模量、渗透系数和海底隧道的半径、埋深等,观察其对海床土孔隙水压力和海底隧道内力的影响,为海底隧道的设计提供依据。     

饱和黄土动态液化和静态液化机理的差异性研究

饱和黄土在不同外荷载作用下其液化机理具有显著差异.为研究饱和黄土动态液化和静态液化机理的差异性,基于室内动三轴试验和静三轴试验,研究岷县永光饱和黄土动态液化后的动应力与轴向动应变关系、动孔隙水压力比与轴向动应变关系,分析其静态液化后的偏应力与轴向应变关系、孔隙水压力比与轴向应变关系,并结合液化前、后的SEM试验结果,研...     

关于孔隙相互孤立饱和土体弹性模量的讨论

对孔隙相互孤立饱和土体的弹性力学模型的部分观点进行了讨论。按Carroll的力学响应理论重新推导了此类土体的弹性本构关系和体积模量表达式。认为在准静态(很低频率)的波动问题中孔隙流体与固体骨架的相对运动为零,土体渗透系数为零或流体粘性为无穷大的条件是等价的。在此条件下没有必要区分孔隙是否连通,它们遵循相同的规律,而且其土体弹性体积模量的结果与Biot-Geertsma理论的无排水准静态的弹性体积模量相同。     

二维非均匀饱和土体的地震反应分析

将饱和土体视为由弹性骨架和不可压缩流体组成的两相孔隙介质,取固相位移,液相位移,孔隙水压力为场变量。从两相孔介质的动力耦合微分方程出发,利用伽辽金原理和Ｗｉｌｓｏｎ－θ法导出了三场有限元积分方法,该方法可进行二维非均匀饱和土体的地震反应分析,文中通过算例讨论了非均匀饱和土体地震反应的一些特征。     

地震载荷作用下土-结构相互作用的数值分析

用流固两相混合物连续介质理论研究了土-结构物耦合体系的动力响应，采用有限元方法计算了建筑物基础体系受地震波激励的响应问题．给出了随时间变化的变形图和孔隙水压力等值线分布图、某节点位移和某单元剪应力随时间变化的曲线．本项研究加深了对多孔介质耦合性状的认识，本文所提供的方法能有效地应用于从缓慢的准静态到很快的地震激励这样相当广泛的荷载条件．      

地层模量分解及在流体识别中的应用

储层流体识别是确定油气水分布,合理布设井位,提高钻井成功率的关键之一.本文基于流体饱和孔隙介质岩石物理模型,对地震反演的地层体积模量进行分解,获得孔隙流体体积模量,并依据油、气、水(尤其是气-油、气-水)模量的显著差异进行识别.文中简要分析了Gassmann模型和Kuster-Toksz模型的特征,详细讨论了孔隙形态和饱和度对弹性模量的影响,提出了联合Kuster-Toksz方程和Gassmann方程的体积模量分解方法.该方法通过Kuster-Toksz方程从测井数据中反演地层骨架固体和干骨架的弹性模量,再利用Gassmann方程对地层体积模量进行分解,既考虑了孔隙形态,又充分利用了Gassmann方程的易用性.理论模型结果表明方法是可行的.方法应用于西部地区某气田,流体识别与地层含气性预测结果与钻井基本一致,进一步证实了方法的有效性.     

水库诱发地震时空演化与库水加卸载及渗透过程的关系 ——以紫坪铺水库为例

为了解水库蓄水过程中,水库诱发地震活动的动态响应机制,本文建立了针对水库诱发地震(Reservoir-induced seismicity,RIS)定量化研究的数理模型,并以紫坪铺水库为例,对库区地质构造及水文地质结构条件、水库蓄水后库区小震活动时空演化特征进行了详细的研究.在此基础上,利用有限元方法计算了水库蓄水过程中弹性附加应力场、有效附加应力场、孔隙压力和断层稳定性的动态变化,讨论了RIS时空演化与库水加卸载及渗透过程的动态响应关系.结果表明:(1) RIS诱发机制的定量化模型可分为2个层次:一是以孔隙介质为载体的流体渗流对岩体变形和稳定性的影响,由流-固耦合形式的岩体变形与孔隙渗流模型进行描述;二是对断层相关的RIS定量研究可将水库附加水头压力沿断层面(区)的扩散与断层库仑应力变化联系起来.两种形式模型方法的结合能为RIS定量研究提供一个相对宏观的力学框架;(2) 断裂渗透结构对孔隙压力变化下断裂的力学响应具有重要的影响,研究区主干断裂可能属于一种上盘破碎带导水、下盘地层及断层核阻水的"下阻上导型"的渗透结构类型,不同程度的具有使地表水体向深部渗流的通道性.库区深部岩体渗透稳定性的差异在很大程度上导致了诱发地震活动对岩性条件的依赖.(3) 紫坪铺水库蓄水后,小震活动在空间分布上呈现出条带状分布、丛集分布和地震迁移的特点,小震震源深度优势分布在地下4~10 km范围内,在通济场断裂与安县-灌县断裂的深部汇聚区域震源分布最为密集.同时,小震活动主要集中发生在脆性程度高、渗透稳定性低的碳酸盐岩地层中,而在岩性较软弱、渗透稳定性高的三叠系须家河组砂泥岩和煤系地层中很少有地震发生.在水库蓄水后地震活动的时间响应特征上,水库西南侧和东北侧两个丛集区的小震活动可能属于"快速响应型"RIS,而都江堰小震群活动可能属于"滞后响应型"诱发地震活动;(4) RIS的发生与库水加卸载及渗透过程中库底岩体有效应力的变化密切相关.在以挤压为主的构造应力环境中,库体荷载作用的结果一般会使库底断层更趋向稳定,而水库附加水头压力扩散的效应则是促使断层趋向失稳,正是这个矛盾双方相互制约与平衡的动态过程,控制了断层库仑应力变化的取向,从而决定了RIS时空演化的规律.