基于高密度电阻率法的土体干缩裂隙动态发育过程精细监测研究

土体在气候作用下发育干缩裂隙是一种常见的自然现象,裂隙的存在会极大弱化土体的工程性质,诱发许多岩土与地质工程问题。为了实时掌握黏性土中干缩裂隙网络的发展状态,提出了一套基于高密度电阻率层析成像技术（ERT）的土体干缩裂隙动态发展过程精细监测方法。分别开展模型试验及原位试验,利用自行研制的测定系统持续采集电流-电位差数据,随后利用自行开发的有限元法电阻率层析成像（FemERT）系统进行数据处理,获取了裂隙网络在不同发育阶段的空间分布特征。结果表明：（1）ERT可以实现土体裂隙发育过程的精细监测,具备监测三维裂隙网络几何形态的能力,裂隙宽度的识别精度达到毫米级,裂隙深度的识别精度达到厘米级;（2）ERT的感度分布特征解释了裂隙发育对于土体电阻率的影响规律,测定电阻值时程曲线因裂隙产生位置的不同而呈现不同的变化规律;（3）反演电阻率及其相对变化率（Rev）可以直观表征裂隙网络在不同阶段的空间几何形态,凸显裂隙动态发育过程对于土体导电性的影响。     

覆水砂土场地中桥梁群桩基础地震响应离心试验研究

为探究覆水饱和砂土场地中土-群桩基础-桥梁结构体系动力相互作用规律,自主设计并制作了直（斜）群桩基础-桥梁结构物理相似模型,开展了不同地震动强度和不同特性地震波输入下的离心机振动台试验,分析了群桩基础-桥梁结构动力特性指标,探究了覆水饱和砂土地基超孔隙水压力发展规律和桩-土相互作用动力响应特性。研究结果表明：覆水的存在对地基土-桥梁结构体系的基本周期和阻尼影响很小,但会导致直群桩基础桥梁结构的振动幅值增加20%,而斜群桩基础桥梁结构的振动幅值降低10%;斜群桩基础模型阻尼比是直群桩基础模型的2倍。上覆水导致饱和砂土地基由受低频振动液化深度更大变为受高频振动地基液化深度更大,同时导致小震作用下促进超孔隙水压力发展,而大震作用下则反之。上覆水会增大桥梁上部结构的动力响应和桩身弯矩。上述研究结果可为覆水场地中桥梁工程抗震设计提供关键参考依据。     

砂土地基中桩顶竖向-水平加载路径下柔性单桩水平承载力分析

砂土地基中桩顶竖向-水平加载路径下单桩水平承载理论研究较少,且鲜有考虑预先施加的竖向荷载对土抗力p与桩身水平位移y曲线的影响。鉴于此,考虑桩顶预先施加的竖向力对桩周土体产生挤密作用,从而对双曲线型p-y曲线的极限土抗力进行修正。采用余弦函数表征被动侧径向土压力分布,构建了被动侧最大径向土压力与总土抗力的关系式,推导了被动侧的侧阻抗力矩解析表达式。考虑被动侧摩阻力与竖直方向存在夹角β对由摩阻力引起的桩身轴力变化量进行修正,给出了修正计算公式。建立了同时考虑修正的p-y曲线、桩身自重和被动侧摩阻力引起的轴力变化量、二阶效应（即P-Δ效应）以及侧阻抗力矩的桩身挠曲微分方程,通过MATLAB编程求得其数值解。将计算结果与已有模拟和试验结果进行比较,验证了该方法的正确性。在此基础上,探讨了预先施加的竖向力大小对单桩水平承载性能的影响。计算结果表明：推导的桩身轴力变化量计算公式能更准确地表征被动侧摩阻力对桩身轴力的影响,且可用于大变形条件;预先施加的竖向力可以增大柔性单桩的水平承载力,随着预先施加的竖向力的增大,增强效果逐渐减弱。     

侧限条件下密实砂土蠕变的颗粒运动特征

任何构筑物长久安全稳定的重要性使得土的时间效应成为该领域学者最为关心的问题之一。基于3D打印杆件的等效砂土颗粒,通过侧限条件下的蠕变试验,采用近景摄影测量与粒子图像测速（particle image velocimetry,简称PIV）技术,从单颗粒运动与颗粒间接触运动的角度出发,探究密实砂土蠕变的内部颗粒运动特征及其与宏观蠕变变形的关系。试验结果表明,3D打印杆件能够很好地反映密实砂土蠕变的宏观变形特性,侧限条件下蠕变变形随时间的增加而增加,随蠕变应力的增加而减小,蠕变变形呈现出蠕变速率减小并趋于稳定的初始蠕变阶段与稳态蠕变阶段。其原因为蠕变最初阶段颗粒整体向下平动,并发生较大转动,颗粒间孔隙明显减小,蠕变变形主要由颗粒间孔隙的压密提供;而后颗粒间孔隙减小不明显,趋于稳定,颗粒发生不规则方向平动,蠕变变形主要由局部的颗粒位置调整与重排列控制,揭示了宏观的蠕变变形与微观的颗粒平动变化有着密切联系。颗粒间的接触运动随着蠕变时间的增加而明显增大。蠕变过程中,接触滚动和接触滑动同时发生,并逐渐集中在某些易发生移动的接触点上。强运动接触点的平均滑动距离与平均滚动距离存在着良好的线性关系,随着时...     

砂土应力诱发弹性波速各向异性的试验研究

针对砂土弹性模量的各向异性,利用安装在试样上的竖向和水平向弯曲元波速传感器,研究了不同应力状态下丰浦砂试样不同方向的压缩波（P波）和剪切波（S波）波速特征,确定了表征砂土纵观各向异性的弹性刚度矩阵,并探讨了砂土试样中波速各向异性程度随应力状态的演化规律。研究结果表明：在等向应力固结下,丰浦砂试样中不同方向的波速均与围压呈幂函数关系,且存在明显的初始各向异性,试样中沿水平向传播的波速小于沿竖直向传播的波速;在三轴压缩不等向应力固结下,沿竖向传播的弹性波速随竖向应力和水平向应力比值的增加而增加,沿水平向传播的弹性波速随应力比的增加先保持不变后衰减。随着应力比的增加,砂土试样中应力修正后波速的各向异性程度先变化不大后逐渐加剧,这一现象与砂土微观组构的演化有关。     

支持向量回归算法在土体含水率AHFO测试中的应用研究

主动加热光纤法(AHFO)可实现土体原位含水率的分布式测量,但受场地复杂环境的影响,现有含水率计算模型解译获得的测试结果容易发生较大误差。本文在试验研究的基础上,探究了土体干密度对AHFO法含水率计算的影响,并将支持向量回归(SVR)算法引入含水率的计算模型中,与传统计算模型进行了对比。研究结果表明：土体干密度是影响含水率计算模型精度的重要因素,干密度波动越大则传统计算模型的计算误差也越大,土体较高含水率下会降低计算模型的敏感性;与传统的含水率计算模型相比,考虑干密度影响的径向基核支持向量回归方法具有更高的计算精度,建议在含水率AHFO法的测试中推广应用。     

饱和砂土中不同钻探工艺下SPT击数的关系研究

对南昌赣江（南支）与抚河（故道）入湖尾闾河道之间的湖积冲积平原区域内采用冲击钻进和回转钻进所做的SPT击数进行对比分析,得出两类钻探工艺的击数差异;并采用对砂层扰动较轻的静力触探试验（CPT）作为标准贯入试验（SPT）的对比试验,用以检验两种钻探工艺的SPT击数所反映的砂土密实度与真实密实度的差异,同时得到三点认识：（1）在饱和砂层中采用冲击钻进做SPT,对砂层的扰动很大,建议采用回转钻进进行SPT;(2)冲击钻进对粗颗粒砂土的扰动程度大于细颗粒砂土;（3）冲击钻进对浅部砂土的扰动影响较大,随着埋深增大,冲击造成的扰动影响越来越小。最终建立两种钻探工艺不同深度段各砂土的SPT击数经验关系式。     

昆明呈贡石灰岩上覆红黏土干缩裂隙的温度效应

温度是影响土体干缩开裂的重要外部环境因素之一。为研究温度对红黏土干缩裂隙的影响,以昆明呈贡石灰岩上覆红黏土为对象,经风干、碾碎和筛分后,选取2 mm以下的细颗粒,用正方形钢化玻璃容器制备9个厚度为10 mm的饱和泥浆样,分成3组,每组3个平行样,利用控温烘箱分别进行30℃、50℃和70℃的干燥试验,试验过程中定时称重试样和对土样表面进行拍照,然后用PCAS软件对照片进行图像处理。结果表明：红黏土的蒸发过程可分为3个阶段,干缩裂隙的形成和发展可分为5个阶段;温度升高,干燥完成时间减短,常速率阶段的蒸发速率和蒸发量增大,最终含水率降低;初始临界含水率随温度升高而增大;随着土体含水率持续减小,表面裂隙率先缓慢增加,然后快速增大,最后趋于稳定;温度升高,裂隙交点数、裂隙条数、裂隙总长度和土块数减少,裂隙平均长度、裂隙平均宽度、表面裂隙率、土块平均面积、土块最大面积、干缩厚度和干密度增大。温度显著影响红黏土的水分蒸发过程,干缩裂隙的形成和发展,以及表面裂隙结构和形态。     

基于OpenSees的砂土本构模型对比研究

饱和砂土液化是由地震引起的一种最常见的工程地质现象,也是造成重大地震灾害的主要原因之一。由于成因的复杂性和所造成灾害的严重性,饱和砂土液化一直是土动力学和岩土地震工程研究领域的重要课题。针对饱和砂土液化问题,基于开源地震工程数值计算平台OpenSees,对材料库中的4种砂土本构模型进行数值计算。采用二维u-p单元模拟土颗粒位移和孔隙水压力,分析和对比4种模型在循环动力荷载作用下的加速度、超孔隙水压力、位移、剪应力-剪应变和平均有效应力路径方面的响应结果。研究结果表明:(1)砂土对输入加速度表现出一定的放大效应,对于不同的模型,该放大效应存在一些差异;(2) Stress Density模型在循环动力荷载作用下易产生永久变形;(3)在循环动力荷载作用下,PDMY模型和CycLiqCPSP模型的强度逐渐降低,直到完全消失;(4) Stress Density模型和Manzari Dafalias模型在循环动力荷载下表现出明显的剪胀效应。研究成果对砂土液化的数值模拟问题具有重要的理论价值,可为饱和砂土的液化模拟和砂土本构模型的选取提供参考。     

门源M6.9地震诱发地质灾害特征研究

2022年1月8日发生的门源M6.9地震诱发了崩塌、滑坡、砂土液化、地裂缝等多种同震地质灾害。通过对门源M6.9地震地质灾害进行现场调查,得出了地质灾害的分布特征和各类型地质灾害的主要特点,分析了地震地质灾害不发育的原因,并对地震地质灾害的长期效应进行了分析预测。研究结果表明：门源地震诱发地质灾害主要分布在震中附近;崩塌、落石总体规模较小,滑坡多为岩质滑坡,且以冰碛物和表层岩土体的溜滑为主。受表层土体冻结和孔隙水压力消散的影响,饱和砂土液化沿较窄的地裂缝呈串珠状分布,喷出物多为粉细砂。地震形成了4条左旋左阶斜列的地表破裂带,并在极震区内形成了大量的地裂缝。断层破碎带对地震动的阻隔作用、覆盖层薄、地表土冻结可能是造成本次地震地质灾害总体不发育的主要原因;地震产生的大量地裂缝导致斜坡和堆积体的稳定性减弱,在耦合集中降雨、冻融作用等因素后可能诱发滑坡灾害,松散堆积于沟床处的崩滑物作为物源,可能会增加地震影响区泥石流灾害的风险。