盾构扩挖地铁车站结构地震反应特性振动台试验

开展了近远场地震动作用下盾构扩挖地铁车站结构的振动台试验,分析了砂土模型地基的水平位移、地表变形、加速度、土压力反应及模型结构的加速度、应变等。结果表明：模型地基-结构体系的地震响应对中低频成分发育的地震波反应更为强烈;强震作用下地铁车站结构具有明显的空间效应,地下结构的存在将会改变模型地基表面变形的分布模式。小震时模型结构中柱的加速度反应自下而上逐渐增加,而大震时其反应规律变成先增大后减小;车站结构中板的加速度反应最大、底板次之、顶板最小;小震时,同等深度处模型结构的加速度反应与模型地基土的加速度反应大小相当,侧墙的动土压力自下而上逐渐增大;大震时,模型结构的加速度反应明显大于同深度处模型地基土的加速度反应,动土压力的最大值发生在扩挖隧道的拱肩和中间部位。基于震后模型结构的宏观现象和拉应变幅值,给出了砂土地基中盾构扩挖车站结构的地震损伤演化机制。     

强震作用下含软弱夹层顺层岩质斜坡动力响应规律试验研究

青藏高原东南三江流域沿江分布着数以万计的古滑坡和潜在滑坡,对在建的川藏铁路构成严重的威胁。通过振动台模型试验研究了强震作用下含软弱夹层顺层岩质斜坡的动力响应规律。分析不同地震动参数、输入波类型和软弱结构面对斜坡动力响应规律的影响。试验结果表明：斜坡的自振频率随着输入地震波次数的增加而逐渐降低,振动强度为0.3g和0.6g是斜坡启裂和失稳的临界动力条件。斜坡具有明显的高程效应,加速度放大系数沿坡表呈现先增加、后减小、再增加的趋势,在1/4坡高和坡顶处较大。坡内竖直向加速度放大系数随高程增加呈现线性增加的趋势。频率对斜坡动力放大响应影响较大。斜坡对低频地震波的放大效应不明显,甚至有抑制作用。随着频率的增加,斜坡的动力放大效应越来越明显。随着幅值的增加,斜坡加速度放大系数呈现先增大后减小的趋势,在振动强度为0.3g～0.4g时达到最大值。不同类型地震波作用下,斜坡对天然波的放大作用高于人工合成波。软弱夹层的存在使输入的地震波出现了明显的放大,并通过快速傅里叶变换（fast Fourier transform,简称FFT）发现,软弱夹层的位置对输入地震波的频段的敏感程度不同。该试验揭示了含软弱...     

含陡缓倾结构面反倾岩坡折断面演化特征的离心试验研究

为研究含陡缓倾结构面的反倾岩坡在自重条件下的折断面演化特征,以苗尾水电站右坝肩倾倒变形体为地质原型,通过在坡体内不同部位预置切割岩层的非贯通裂缝开展离心模型试验,模拟反倾岩坡在自重条件下的折断面演化特征。研究表明：（1）含陡缓倾结构面的反倾岩坡破坏以折断面的形成为标志,折断面的形成分为3个阶段：初期（0～40g,g为重力加速度）为局部岩层断裂阶段,以岩层局部断裂及后缘岩层前倾为主要破坏特征,坡体表面位移变化量较小;中期（40g～80g）主折断面形成阶段,坡体深部结构面自上而下断裂扩展连接形成主折断面,坡体表面位移变化量约占总位移量的3/4;后期（80g～120g）为多级折断面形成阶段,以坡体内部断裂岩层应力重分布为主要变形特征,坡体表面位移基本保持不变。（2）结构面间岩桥断裂具有瞬时性,但折断面的形成是渐变发展的过程,主要受陡倾结构面控制,主折断面处裂缝应变量最大,受力方式最为复杂,次级折断面处裂缝应变量次之。（3）基于断裂力学,简化了复杂应力状态下含结构面的反倾岩坡压剪断裂判据和岩层不平衡力公式,揭示了主折断面处岩层不平衡力呈现由坡体高度1/3处向坡底和坡顶两侧变小的规律,折断面的形...     

动力扰动作用下多功能岩石结构面剪切试验装置研制与应用研究

动力扰动是导致岩石结构面滑动失稳进而触发地震、岩爆等强动力型地质灾害的重要诱因。为研究动力扰动作用下岩石结构面力学响应及其活化致灾机制,自主研制了动力扰动作用下多功能岩石结构面剪切试验装置。该装置主要包括用于施加准静态荷载、多种法向边界条件、复杂波形宽频率动力扰动荷载（0.5～50 Hz）及宽频剪切速率（0.000 1～10 mm/s）的法向和切向加载系统,施加冲击动力扰动荷载的摆锤冲击系统,开展循环往复剪切试验的剪切盒,数据采集和控制系统。通过控制软件编程,可开展不同剪切速率下恒定法向荷载、恒定法向刚度、卸法向荷载、变法向刚度和动态法向荷载条件下岩石结构面单调或循环剪切试验,静载叠加动载剪切试验,速率和应力阶跃试验和摆锤冲击剪切试验等。应用该装置开展了初步的试验研究,验证了试验过程中该装置具有良好的稳定性和准确性。该装置的研发对认识动力扰动作用下岩石结构面的响应特征,深入理解地震、岩爆等强动力型地质灾害的岩石结构面活化失稳触发效应及致灾机制具有重要的科学意义和工程价值。     

基于数据挖掘的土−水特征曲线演化规律研究

土−水特征曲线是非饱和土持水性能和水气运移规律的重要表征,由于其测试过程繁杂、影响因素众多,很难通过系列试验和数学模型全面表达。为探索土的类型和物理状态对土−水特征曲线的影响,以国内外大量试验数据为基础,以反映其形态的3个特征值（进气值、减湿率、残余含水率）为对象,采用数据分析统计方法揭示不同赋存条件对特征值的作用规律,采用机器学习方法探究影响因素的敏感性。研究结果表明：土体的物质组成（颗粒级配、粒径尺度、塑性指数）及赋存状态（密实程度、饱和含水率、干湿循环作用、环境温度）是影响其持水性能的常见分析指标,各影响因素对3个特征值的影响特征既有巨大差异也有相互联系,敏感性成果表明代表黏粒含量的塑性指数和反映密实程度的干密度是影响土体持水性能的最主导因素,给出的特征值分布范围考虑了两个主导因素的影响,具有较强的代表性和借鉴意义。     

类砂质泥岩常规三轴浆压致裂起裂压力试验研究

为深入探究两淮矿区典型砂质泥岩劈裂注浆起裂机制,研制了常规三轴劈裂注浆试验装置,开展了类砂质泥岩浆压致裂起裂压力模型试验,基于试验结果分析了岩石强度与应力状态对注浆起裂压力、裂缝扩展形态影响规律,揭示了砂质泥岩劈裂注浆起裂机制。研究表明：起裂压力与岩石抗压强度呈正相关,且岩石抗压强度越高,劈裂路径越复杂;起裂压力对围压的敏感程度远高于轴压,且应力差 Δσ =σ_V −σ_H越大,裂缝形态越规整;孔压三轴条件下,封闭裸孔段浆压致裂法确定的岩石抗拉强度值约为单轴抗拉强度的 2.5倍。该研究结果可为今后类似岩层劈裂注浆参数设计与施工提供参考。     

基于数字图像分析的土工合成材料加筋砂土拉拔试验研究

由于加筋土界面作用的复杂性,加筋土工程建设中铺设土工格栅时往往采用经验的方法,很大程度上造成了土工格栅的浪费及工程安全隐患,理清不同填料筋土界面作用的影响范围,有助于确定加筋土结构的合理加筋间距。为了揭示不同填料筋土界面作用的影响范围,采用4种不同类型的砂土与格栅在不同法向应力下进行了一系列的拉拔试验,并结合数字图像量测技术,分析了不同类型砂土下界面剪切带厚度、颗粒位移矢量、格栅拉拔阻力峰值及应变等演变规律。研究表明：界面剪切带厚度H随法向应力σ_v与砂土平均粒径d₅₀的增加而增大,通过多变量拟合的方法,得到了H、σ_v与d₅₀三者之间的函数表达式;格栅在拉拔过程中,砂土颗粒位移矢量以土工格栅为界有着显著的差别,格栅上部的颗粒位移矢量明显大于下部颗粒,且在格栅上下一定范围内会形成颗粒位移矢量集中带;拉拔阻力峰值随σ_v及d₅₀的增加而增大;不同类型砂土各区段的格栅应变均表现出由前向后依次递减的趋势。     

黄豆脲酶诱导碳酸钙沉淀多变量试验研究

植物源脲酶诱导碳酸钙沉淀（enzyme induced carbonate precipitation,简称EICP）可以显著改善砂土的工程力学特性,但在具体操作时,参数取值无对应规范,固化效果有待提升。基于黄豆脲酶,研究了温度、脲酶浓度、尿素浓度、钙浓度、pH值、钙源种类等变量对脲酶活性与碳酸钙沉淀的影响,并进行了沉淀物（碳酸钙晶体）的扫描式电子显微镜（scanning electron microscope,简称SEM）与X射线衍射（X-ray diffraction,简称XRD）测试,在此基础上开展了黄豆脲酶固化砂的无侧限抗压强度与固化效果试验研究。结果表明：脲酶活性随脲酶浓度的增加而线性增长,但存在温度阈值,温度超过阈值后,脲酶将完全失活,且阈值随脲酶浓度的增大而降低;尿素浓度与pH值共同影响脲酶活性,二者存在一个最优组合,当尿素浓度在0.1～1.0 mol/L时最优pH值为7,当尿素浓度在1.0～1.5 mol/L时最优pH值为8。脲酶是沉淀反应的催化剂,脲酶浓度越高,反应越完全,碳酸钙沉淀率越高;尿素与钙溶液则主要通过掺入量影响碳酸钙沉淀量,掺量比例宜为1:1,且二者浓度与pH值可通过影响脲酶活性来影响碳酸钙的沉淀情况;不同钙源对碳酸钙沉淀量的影响幅度不大。不同钙源沉淀碳酸钙晶体的成分与密度基本相同,但晶体结构差异较大,氯化钙沉淀碳酸钙晶体以块状为主,表面分布球状、类球状晶体,胶结面大,可作为EICP技术中较为理想的钙源。基于黄豆脲酶和氯化钙钙源固化砂的无侧限抗压强度约为掺粉煤灰砂样的6倍,通过SEM图像可发现,沉淀碳酸钙晶体包裹并黏结砂粒成为整体,固化效果非常理想。     

基于原位双环、试坑浸水试验和数值模拟反演的Q3黄土饱和渗透系数对比研究

为准确获取原状Q3黄土的竖向和水平饱和渗透系数,进行了原位、室内试验测试以及数值模拟反演,并应用大型试坑浸水试验检验了所获饱和渗透系数的可靠性。进行了不同内径尺寸的原位双环入渗试验,获取了竖向饱和渗透系数,并应用室内试验测试了竖向和水平饱和渗透系数以及持水曲线;应用COMSOL软件对双环入渗试验进行数值模拟,检验了所测饱和渗透系数的可靠性,利用正交试验获得了最优的竖向和水平饱和渗透系数取值,并利用反演结果对试坑进行数值模拟,将其水分入渗情况与实测值对比。研究结果表明：在现场进行双环入渗试验时选取较大内径的双环获得的竖向饱和渗透系数更为合理。针对双环入渗试验,数值模拟反演所得最优饱和渗透系数在竖向上接近于原位试验所得竖向饱和渗透系数、水平向上接近室内所测水平向饱和渗透系数,竖向饱和渗透系数比水平向饱和渗透系数更加显著地影响水分入渗过程。通过对大型试坑水分入渗情况的验证,检验了反演所得最优饱和渗透系数的可靠性。     

层状边坡倾倒变形多级折断面分布深度计算模型

针对反倾层状岩质斜坡倾倒变形折断面空间展布缺乏定量判断的问题,以地质原型和变形机制分析为基础,考虑岩层自重、上覆岩层盖重、侧向压力、岩层间的摩擦力等作用,提出了岩板倾倒折断的独立悬臂梁模型和独立简支梁模型。采用板梁的最大拉应力破坏准则,推导出了倾倒变形各阶段岩层的临界折断深度公式。利用地质原型对推导的公式进行了验证,并通过离心试验获取了倾倒变形各阶段的坡形参数,对边坡各阶段折断深度进行了定量评价。研究表明：理论模型可计算倾倒变形层间剪切错动、弱倾倒破坏、强倾倒破坏等各阶段岩层的折断长度;岩层折断长度与岩层分布高程、拉应力、岩梁自身重度呈负相关,与岩层内摩擦角、岩层厚度、抗拉强度呈正相关;根据倾倒变形各阶段力学参数,计算倾倒体各级折断面分布位置,结果与地质原型和离心试验结果吻合。该研究成果对倾倒变形边坡稳定性评价具有一定的理论和实际意义。