上海典型黏土小应变剪切模量现场和室内试验研究

土体小应变剪切模量在基坑、隧道等地下工程的计算分析中有着重要作用,越来越受到人们的关注。虽然上海地区地下工程项目的建设规模不断扩大,但关于上海典型黏土层的小应变剪切模量的研究相对较少。分别采用现场波速测试和室内弯曲元试验对上海典型黏土层的初始剪切模量进行了研究。试验结果表明：在减小土样扰动、保持土样应力状态与原位土体等效的基础上,弯曲元试验得到的初始剪切模量与现场波速测试相一致;考虑了土体应力状态和孔隙比的经验公式能够合理地描述上海典型黏土层初始剪切模量的变化规律,并给出了各土层的经验参数。试验结果可为上海地区地下工程计算分析中小应变剪切模量的估算提供参考。     

基坑土体自承支护的基本原理

本文从地下工程围岩收敛约束曲线出发，在总结现代围岩支护理论的基础上，导出了基坑土支护位移曲线，阐述了基坑土体自承支护的基本原理。     

考虑热水力耦合效应土体波动理论的研究进展

岩土介质的热水力耦合效应被广泛应用于水利水电工程、岩土工程、地下工程等诸多领域,是岩土力学及相关领域研究的热点问题,成果显著。笔者就岩土热水力耦合动力响应及波的传播理论等问题,较为全面地论述国内外考虑多场耦合条件下土体波动理论的主要研究成果和最新进展,并对热水力耦合作用机理以及今后研究方向等提出了一些见解。     

土体微观结构研究与土力学的发展方向——若干进展与思考

土体的结构性研究是土力学研究中的前沿课题之一.工程土体在宏观上所表现出来的非连续、不均匀、各向异性和非确定性等复杂性特征, 从根本上取决于土体微观结构的非连续性和非确定性.可以说土体的复杂性是其介质结构与组分非线性的直接体现.因而, 对土体结构及其模型的研究, 成为土力学的核心问题之一.科学建立土体演化的结构控制模型, 进而建立基于土体微观结构演化机制的土力学模型和本构关系是土力学理论发展的新方向.从土体微观结构研究的进展出发, 探讨了土体结构演化机制和结构模型的特点, 进而指出土力学理论建模的新思路.      

土体抗拉张力学特性研究进展

在传统土力学的观念中,土体通常不主动作为抗拉材料使用,土的抗拉强度很小,因而土体的抗拉强度往往被忽略或几乎视为零,造成土体抗拉强度理论远落后于抗剪强度理论。实际上,土体的抗拉张力学特性在土体变形与破坏的过程中起着非常重要的作用。总结了土体抗拉张力学特性试验的发展过程及发展特点,介绍了土体抗拉张力学试验的最新进展,并结合非饱和土力学及其抗拉强度理论的研究热点,认为对非饱和土合理统一的"吸力"认识仍然是非饱和土抗拉张特性研究的关键。然后,从岩土破坏模式角度,总结了岩土拉剪耦合破坏规律的8类破坏模式,分析了土体在此研究领域的现状,最后阐明了土体尤其是非饱和土的抗拉张力学特性研究现状的5个特点,展望了土体抗拉张力学特性新的重要研究方向。     

注浆抬升地层的机制、解析解及数值模拟分析

注浆抬升地表是地下工程施工控制地层和邻近建筑物沉降的常用工法。目前,注浆设计主要依靠现场监测和工程经验。数值方法模拟注浆效果通常是通过提高注浆区域的土性参数来实现的,但该方法忽略了注浆抬升对地层的补偿作用。通过研究注浆引起的土体体积膨胀的机制,将注浆体积、土体体积应变增量、位移大小三者联系在一起。采用了一种模拟注浆抬升地层的数值方法。在该数值方法中,给出了土体体积应变的计算方法,提出了施加“虚拟”膨胀压力来增加单元体积,并通过判断单元体积应变增量是否达到土体体积应变增量来控制模拟注浆的过程。其方法的优点在于：施加在单元上的膨胀压力可以是一个虚拟的压力,而无需是实际注浆压力。通过解析解与数值解对比分析,验证了这种数值方法的正确性和可行性。     

基于GIS的地下工程选址技术与应用

为解决常规地下工程选址方法工作量大、成本高且受时间、地域、地形限制,勘测选址不便的问题,通过深入分析地下工程与地质背景的依存关系,研究并提出了基于GIS的地下工程选址技术。结合工程实践与实测试验研究构建了地下工程选址所需的工程技术指标与遥感指标集之间的数学映射关系模型。以GIS为分析平台,利用多因素交叉耦合选址理论实现地下工程选址评价,有效提高地下工程选址的时效性与工作便捷性,同时还可节约前期勘察成本。经青藏高原西部某地区初步应用,取得较好的应用效果。     

地下工程中岩土结构面的影响分析

研究已表明岩土体中都存在结构面,工程岩土体的变形破坏一般受结构面控制。本文依据结构面 (断层 )优势指标综合值 (Ri)的量化比较,可得出各结构面 (断层 )对隧道稳定影响程度的大小,从而针对各结构面 (断层 )采取不同的工程措施。本文分析还表明,结构面和地下工程中的水害、瓦斯突出、岩体质量好坏等也有密切关系。     

浅埋隧道开挖引起的土体水平位移分析

对于浅埋隧道开挖引起的土体位移规律很多学者进行了研究,但对于其水平位移规律的研究却不多。在总结比较现有3种地层沉降公式的基础上,结合其中一种地层沉降理论以及土体不可压缩的假设推导出了浅埋隧道上方土体的水平位移公式,使用该公式对相关文献中的实测数据以及有限元模拟结果进行了拟合对比,证明提出的公式能够较好地预测和描述浅埋隧道开挖引起的土体水平位移规律;另外,基于所推导的地层水平位移公式以及地层沉降理论公式,得出了该方法下的土体位移矢量角公式,并与O’Reilly 和New提出的方法进行了比较,所得结果与相关学者的研究结论一致,证明了该土体位移矢量公式的适用性。此研究成果可为相关实际工程中土体水平位移的计算和控制提供理论参考。     

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。     

侧限压缩条件下土体的侧应力松弛试验研究

侧向应力松弛是侧限压缩土体的重要流变性质之一。通过在改装的固结仪上进行的土体侧限流变试验表明,在恒载侧限压缩条件下,土体的侧应力松弛曲线与竖向蠕变曲线同步出现不稳定、稳定、急剧变化3个阶段。将试验结果结合土的结构颗粒定向排列理论和强度理论探索了土体侧应力松弛的机制并得出结论：侧应力松弛曲线的3阶段特征是由于土体结构连接的压密恢复与剪切破坏相互作用所致;而侧应力松弛稳定的极限状态是由土的抗剪强度控制。此外,较高的应力水平将会使土体侧应力松弛程度相比低应力水平时更为显著。该分析结论为进一步研究地基长期承载力和地基沉降的关系奠定了基础。     

岩溶地下工程地质环境影响区范围划定初步研究

在大量建设城市地下轨道交通及城市更新工程的背景之下,我国城市岩溶地质灾害日趋严重。文章以深圳市3个岩溶地面塌陷事件为例,开展岩溶地下工程地质环境影响区的划定研究。首先运用高频岩溶地下水气压力监测技术对工程影响实际范围进行监测分析,然后结合工程施工参数、岩溶塌陷主要影响因素与水文地质试验参数,采用定性分析和量化计算的综合研究方法,推导出岩溶地下工程地质环境影响范围理论计算经验公式。结果表明:岩溶地下工程影响范围主要与渗透系数、工程深度成正比,与土层厚度成反比,推导的半定量理论公式适用于岩溶承压水条件下,可快速为缺乏地下水监测资料的岩溶地区地下工程安全建设及城市防灾减灾工作提供依据。      

上海典型黏土小应变特性的试验研究

在小应变水平下土体的刚度特性明显不同于常规试验得到的土体刚度,正确评价土体的小应变特性对于基坑、隧道等地下工程的变形分析具有重要作用。采用装有霍尔效应局部应变传感器的三轴试验和配有弯曲元的共振柱试验,研究上海典型天然黏性土的小应变特性。研究表明,随着土体深度的增加,土体剪切模量增大;第(2)~(5)层的小应变刚度衰减规律基本一致,第(6)层土因其明显的超固结特性,其刚度衰减速率明显大于其他土层;共振柱试验给出了各层土样的初始剪切模量以及归一化剪切模量比与剪应变的关系;三轴和共振柱试验均揭示了上海典型黏性土的剪切模量在小应变范围内随剪应变增加呈非线性衰减的规律。     

基于直剪试验的土体变形时间效应及状态类别分析

开展了不同剪应力水平下土体剪切位移的时间效应特征分析,提出了随剪应力水平增加,土体变形状态对应呈现快速稳定、缓慢稳定、缓慢破坏和快速破坏4种演化类别。通过粉质黏土蠕变直剪试验,对不同压实度下与剪应力水平相对应的土体剪切位移时间效应的4种状态类别进行了研究。采用幂函数拟合剪切位移时间历程试验数据,将幂次值作为划分变形状态类别的理论判据,基于幂次值与剪应力水平对应关系的曲线形态特征,得到了土体4种变形状态对应的3个剪应力水平阈值,提出了基于Coulomb强度公式表达的相应变形状态强度参数及其与极限状态强度参数的关系式。针对高速铁路无砟轨道路基工后沉降控制须满足毫米级变形的特殊要求,明确了应将土体变形时间效应控制于快速稳定状态作为路堤填料选择及压实标准的设计原则和技术条件。所得成果对构建高速铁路路基土工结构变形状态控制设计技术提供了理论和试验依据。     

土体龟裂力学机理及理论模型研究进展

土体龟裂是一种常见的自然现象,它对土体的物理力学性质有重要影响,是许多工程地质及环境地质问题的重要诱因。开展土体龟裂研究,探讨其形成机理并构建相应的理论模型,一直是本课题的研究重点和难点。根据近年来国内外围绕土体龟裂所取得的研究成果,着重对土体龟裂的力学机理及相关理论模型研究进展进行了归纳和总结,并依据各模型的理论基础及其特点进行了分类和评价,得到如下主要认识:学界关于龟裂的形成机理尚未有统一认识,主流观点认为龟裂是土体张拉破坏的一种表现形式,张拉应力和抗拉强度是控制龟裂形成的两个关键力学指标,但上述力学机理不能解释所有的土体龟裂现象。与土体龟裂相关的理论模型总体上可以分为4大类:（1）以断裂力学为理论基础的模型:代表性的有线弹性断裂力学模型、弹塑性断裂力学模型和基于线弹性断裂力学的有限元模型;（2）以张拉破坏为理论基础的模型:代表性的有线弹性力学模型、剪切破坏模型、弹性力学模型和黏性开裂模型;（3）以土体干缩变形过程为基础的含水率-体积变化模型;（4）以土体固结理论为基础的应力路径分析模型。在此基础上,进一步对各模型的适用条件及不足之处进行了评价。最后,笔者对该课题今后的研究重点和方向提出了建议,包括:蒸发过程中土体微观结构变化及微观力学分析;蒸发过程中孔隙水的迁移过程、分布特征及赋存状态研究;土体收缩研究;土体抗拉强度研究;裂隙发育宽度及深度预测理论模型研究;龟裂发育几何形态特征预测理论模型研究。     

考虑渗流影响的盾构出洞灾害机制研究

对盾构出洞口涌水、涌砂灾害问题作了分析,建立了地下水绕加固土体下卧层及井壁间隙渗流计算模型,利用半承压含水层渗流理论对一算例进行研究,结果表明,假定在井外加固土体完全隔水情况下,洞门涌土灾害的发生与否受到土体加固范围、井外地下水位及井壁间隙宽度等因素影响;土体加固长度的增加对工程安全有利,但成本较高;土体加固深度应根据具体工况经计算后确定,过深并不合理;井壁与加固土体之间的间隙控制也是工程安全进行的关键。各因素相互制约,需综合考虑工程安全性、经济性和工期等来确定合理的施工参数。     

滨海新区浅层软土卸荷变形性状试验研究

天津市滨海新区的城市开发建设正步入高速发展阶段,出现了大量的深基坑工程等地下工程,工程建设的需要使得针对滨海软土各种性状尤其是卸荷性状的研究成为必然。通过对天津市滨海新区浅层淤泥质粘土原状饱和试样进行的一系列ko固结不排水三轴卸荷试验,研究土体卸荷路径下的变形特性。试验表明,滨海新区浅层土体的变形性状与应力路径密切相关。在侧向及竖向卸荷条件下土样的应力-应变曲线均可用双曲线函数模拟,且土体初始卸荷模量随固结围压的增加而增加;侧向与轴向卸荷条件下,滨海新区浅层软土均有着比较明显的归一化性状,其应力-应变关系随着固结围压线性变化。     

地下工程开挖面空间效应特征研究及应用

地下工程开挖面对围岩变形具有约束作用,在该约束作用下开挖面表现出显著的空间效应。通过开展地下工程开挖面空间效应现场试验,获得了开挖面空间效应特征。根据现场试验结果,提出了描述开挖面空间效应的双曲正切函数经验公式。利用上述经验公式,开展了洞室围岩稳定性控制研究,获得了不同预警等级条件下拱顶沉降值控制标准。研究发现,对某特定断面,空间效应最显著时并非开挖面透过该断面时;地下工程围岩稳定性越差,开挖面空间约束效应越不明显;若采用常规先开挖再监测的方法,不能监测到围岩全部位移,从而影响参数反分析的准确性;利用开挖面空间效应原理可以获得地围岩稳定性位移控制标准。研究结果为深入了解地下工程空间效应和开展地下工程稳定性控制提供了借鉴和参考。     

破碎岩体压实特性的三维离散元数值计算方法研究

研究破碎岩体的压实特性是矿井地下工程的基础工作之一,由于破碎岩体所处环境的隐蔽性与危险性,常采用实验室测试和数值计算的研究方法。提出了一种三维破碎岩体模型构建方法,即在3D Voronoi建立完整岩体数值模型的基础上,通过预定孔隙率,随机删除完整岩体中的块体反演破碎岩体结构,测定破碎岩体的压实特性。该方法可较真实地反映破碎岩体的块度特征、碎胀特性与压实特性,与现有研究方法有较高的吻合度,为矿山地下工程的安全控制提供了新的有效的研究方法。     

盾构施工引起地表固结沉降问题的研究

将隧道周围土体视为均质连续各向同性的饱和弹性介质,采用保角变换的方法将含有隧道的半无限平面映射为同心圆环计算域。根据Terzaghi-Rendulic二维固结理论,建立隧道在不透水的情况下周围土体超孔隙水压力分布的控制方程。然后,采用分离变量法计算得到土体超孔隙水压力分布的解析解,最后,根据弹性理论计算得出隧道中线上方地表固结沉降的计算公式。结合算例,分析盾构施工扰动程度、土体渗透系数、土体弹性模量及隧道埋深等因素对隧道中心上方地表处固结沉降的影响。研究结果表明,地表固结沉降的增加值与隧道外侧初始超孔隙水压力值C0的变化量成正比例关系,施工扰动程度越大所引起的固结沉降越大;土体的渗透系数越大固结沉降速度越快,但土体的渗透系数与最终的地表固结沉降量无关;土体的弹性模量越大,最终的地表固结沉降量越小;隧道埋深越深,地表固结沉降所需时间越长,最终的地表固结沉降量也越大。