管幕冻结隧道“顶管?冻土”复合结构力学特性试验研究

拱北隧道暗挖段作为港珠澳大桥珠海连接线的重点工程,首次运用管幕冻结法进行施工。该法综合管幕法和人工地层冻结法的优势,可在隧道断面形成“顶管?冻土帷幕”复合支护体系,有效实现“承载”与“顶管间止水”的双重目标,确保隧道开挖时的稳定与安全。为获得“顶管?冻土”复合结构的温度、变形与力学特性,基于相似理论自主研发构建一套相似模型试验系统并开展试验研究,同时利用有限元软件COMSOL Multiphysics建立数值计算模型进行模拟验证。结果表明:复合结构的冻结温度场因空、实顶管及其内部冻结器的布置形式呈现不均匀分布特征,冻土形成速率在冻结后期明显变缓;土体竖向冻胀变形在60~160 min内急剧增大,且冻胀量随深度增加而增大,整体规律与温度场分布密切相关;土体冻结产生的冻胀力对顶管水平受力影响较大,空顶管相对刚度较小而产生较大水平变形;在加载阶段,顶管受力与变形均以竖向为主。因空、实顶管刚度差异和冻土厚度不均匀的共同影响,空顶管竖向变形包含了“弯曲”与“压扁”并具有非线性特征,其跨中截面底部竖向位移峰值约为实顶管的1.6倍;加载至0.28 MPa时,管间冻土首先发生破坏,进而导致顶管间封水功能失效,实际施工中应重点监测空顶管的变形规律、管间冻土帷幕的温度变化及其完整性。研究成果可为管幕冻结法的施工与监测提供参考,也可为热力耦合数值计算模型提供验证依据。      

水泥基注浆材料析水时变特性量化试验研究

水泥基胶结性材料是注浆工程中最常见的注浆材料,这类材料存在明显的析水效应,获得析水厚度的量化公式有助于提高浆液扩散半径的计算精度。通过试验观察叶腊石粉掺量(0%~35%)、聚乙烯醇掺量(0%~8%)与粉煤灰掺量(0%~90%)3种掺合料在水泥基浆液中的析水过程,获得三者的析水率、结石率、最终析水时间与析水厚度变化情况,认定浆液的析水厚度变化存在一定规律的析水时变特性,并引入皮尔生长曲线模型与幂函数模型,对其进行量化。结果表明:3种掺合料都可以降低析水率,其中,叶腊石粉对水泥基注浆材料析水率的影响程度最大,其次为粉煤灰,最后为聚乙烯醇;3种掺合料都可以增加结石率;叶腊石粉可以有效缩短浆液的最终析水时间,聚乙烯醇在1.5%~8.0%掺量内可以缩短浆液的最终析水时间,粉煤灰在10%~60%掺量内可以缩短浆液的最终析水时间;3种掺合料掺量的变化曲线都呈现半“C”形;采用数学模型对析水厚度数据进行拟合分析,由拟合优度R2评判可知,幂函数模型优于皮尔生长曲线模型,析水厚度变化规律比较符合幂函数模型。研究成果可为改良注浆材料和完善非稳定浆液运移扩散理论提供重要的基础数据。      

石灰改良粉土的冻胀特性试验研究北大核心CSCD

粉土因毛细水发育表现出较强冻胀特性,在冻土区建设中需关注其冻害问题。土中掺入石灰是一种常见的化学土质改良方法,但石灰对粉土的冻胀特性影响尚不清晰。为研究石灰改良粉土的冻胀特性和效果,进行了开敞系统下的一维冻胀试验,分析不同掺灰量下的温度场、变形场和水分场变化规律和机理。研究发现:土样随掺灰量增大,其冻结深度先增大后减小,冻胀量和补水量持续减小,而冻胀率先减小后增大,各指标呈不同变化规律,冻胀特性复杂;一定条件下提高掺灰量可减小冻结深度和冻胀量直至低于素土,土样抗冻性提高;而随着掺灰量变化,石灰改良粉土的冻胀率始终高于素土,土样抗冻性改良不显著。因此,在实际工程中,不能仅通过单一指标评价石灰改良粉土的效果,需结合冻结深度、冻胀量和冻胀率三个指标,综合评价石灰对粉土抗冻性的改良效果。     

基于机器学习的砖砌体房屋震害快速预测方法

由于现有的震害预测方法不能对砖砌体结构做出高效的预测,基于机器学习模型,提出了一种综合考虑地震动特性与结构特性的砖砌体结构震害快速预测方法 .该方法利用机器学习模型,从时域、频域、反应谱和持时4个方面初步选取了能够代表地震动特性的12个参数,从承载力、刚度等方面初步选取了与砖砌体结构破坏相关性较强的7个结构参数;将地震动参数与结构参数相结合作为输入变量,分别给出了基于支持向量机（SVM）、随机森林（RF）、人工神经网络（ANN）三种机器学习模型的砖砌体结构的震害快速预测方法,并进行了性能比较;采用相关性分析对输入参数进行进一步优化,给出了优化输入参数后的最优预测模型.结果表明,当采用19个输入参数时,ANN模型的预测准确率最高,达到91.56%.当采用优化后的12个参数作为输入时,基于RF模型的预测性能更加稳定,预测的准确率也更高,可达到90.01%.优化输入参数后的基于RF模型的预测方法可以实现对砖砌体结构震害的快速预测;与只考虑结构参数或只考虑地震动参数作为输入的方法相比,同时考虑结构和地震动参数作为输入的方法极大地提高了预测的准确性.     

三向地震作用下错距岩质边坡共振特性研究

地震引发的共振往往会对边坡造成严重的破坏,直接影响边坡的抗震性能。为研究错距岩质边坡的共振特性,通过有限元软件ANSYS建立三维边坡数值模型,分析错距对边坡固有频率的影响,并使用谐响应分析对坡面各点的共振响应规律及地震作用频率对边坡应力的影响进行探讨。结果表明：（1）在不同错距条件下均有可能出现共振现象,边坡错距越大,基频越小,坡面的水平共振位移大于竖向共振位移,前坡坡面位移峰值较大,发生共振的频率比后坡小;（2）低阶和高阶固有频率被激发都可引发共振,但高阶共振位移相对较小,前坡和后坡坡面水平位移峰值表现为：坡顶>坡中>坡脚,侧坡则是：坡中>坡顶>坡脚,在高频加载条件下,边坡会出现下部动力响应大于上部的现象;（3）坡体共振时发生的破坏主要以坡脚剪切破坏为主,最大剪切应力和最大拉应力出现的位置与加载频率范围有关,前坡更容易遭受破坏,低频地震动对前坡影响较大,而高频地震动则相反。所得结论可为错距边坡进行抗震设防时确定重点加固部位提供参考。     

铅污染对黄土宏观持水性能和微观结构演化的影响研究

垃圾填埋场渗滤液中的重金属与土体发生物理化学反应,可能导致土体微观结构的改变,重金属等有毒物质得以扩散、运移,威胁人体健康和周边环境。为探究重金属污染对黄土宏观持水性及微观结构的影响,采用轴平移技术测得铅污染黄土的土-水特征曲线。通过扫描电子显微镜（SEM）、压汞（MIP）、X射线衍射（XRD）和Zeta电位试验,阐明细观结构变化特征。结果表明：铅污染黄土的进气值随铅离子浓度的增加而减小,当铅污染浓度由0 mg/kg增加至2 000 mg/kg时,进气值从19.18 kPa下降至12.12 kPa;铅污染导致持水性能降低,渗透系数随铅离子浓度的增加而增加,饱和渗透系数从7.92×10–8 m/s增加到3.73×10–7 m/s;铅污染引起的物理化学反应及Zeta电位的降低导致絮凝结构形成,小孔隙占比减小,中孔隙占比增加;铅污染引起的微观结构演化与宏观持水性和渗透性具有良好的对应关系。该研究结果可为重金属污染场地非饱和渗流及溶质运移等问题的研究提供重要参数。     

考虑沉积角影响的冻结砂土单轴压缩试验研究

寒区工程中的土颗粒在重力作用下沿优势方向沉积排列而形成横观各向同性冻土材料。不考虑沉积方向与荷载方向之间沉积角的影响可能会错误估计实际工程中冻土的变形特征与承载力。然而,现有文献尚未探究沉积角对冻土工程特性的影响。针对这一问题,开展了不同温度条件下沉积角对冻土单轴压缩变形与强度特性影响的试验研究。通过所研发的制样模具制备了具有4种不同沉积角δ的冻土试样（δ=0°、30°、60°和90°）,在设定的4种不同温度T条件下（T=-5、-10、-15℃和-20℃）对具有不同沉积角δ的冻土试样开展了单轴压缩试验,分析了T与δ对冻土的变形模式、破坏特征以及单轴抗压强度的显著影响。根据冻土应力-应变曲线的归一化结果及其软化段斜率的变化规律,将冻土单轴压缩变形模式在T与δ影响下分为变形模式I、II和III。根据结果可知,随着T降低以及δ趋于60°,冻土的变形模式趋于由变形模式I过渡到变形模式III,试样破坏模式由鼓胀的X形剪切带破坏趋于破坏范围较小的单剪切面破坏,而冻土单轴抗压强度随T降低而增大的同时,随δ增加表现出先减小后增大的趋势。     

干湿-冻融循环条件下膨胀土的压缩及渗透特性变化规律

北疆供水一期工程穿越膨胀土区域,历经多次干湿-冻融循环后力学特性衰减严重,易产生渠坡局部浅层滑坡和冻胀破坏等现象。为深入研究其劣化机制,通过干湿-冻融循环条件下的压缩试验、渗透试验和SEM微观扫描试验,从宏-细-微观多角度分析其压缩和渗透指标的变化规律。研究结果表明：随干湿-冻融循环次数的增加,膨胀土整体压缩性增大,其压缩曲线可分为拟弹性段与拟塑性段;随循环次数的增加,回弹指数呈波动趋势,压缩指数与循环次数呈指数正相关,与细-微观裂隙呈线性正相关。黏土颗粒在循环作用下组成“团聚体-孔隙-填充颗粒”形式的较松散的临时结构,絮凝结构增加,各向异性减少;土样承受竖向压力时,膨胀土孔隙间距减少,压缩性较大;压力超过固结屈服应力时,团聚体颗粒扁角化、极角频率增加、孔隙压密,压缩性逐渐稳定。渗透系数在循环过程中变化分为缓慢、迅速、稳定3个阶段;渗透系数在第5次循环变化较大,第7次循环后逐渐稳定,与循环次数及表面裂隙率呈正相关趋势。渗透系数与各项微观参数的灰色关联度均大于0.65,微观孔隙率是最主要的影响因素;循环作用下微观孔隙发育明显,形成新渗流通道,渗透系数与微观孔隙率呈线性正相关。     

粉土改良膨胀土的路用性能与现场试验

为探究粉土对膨胀土的改良效果,对不同粉土占比改良膨胀土进行了胀缩特性、路用性能和微观结构测试。研究表明：掺入粉土改变了膨胀土土体颗粒成分及结构,抑制了膨胀土的胀缩潜势;随着粉土颗粒的增加,膨胀土的密实度和无侧限抗压强度均先增大后减小,最大干密度在粉土占比为40%时达到1.889 g/cm³,无侧限抗压强度在粉土占比为10%时最大,加州承载比(CBR)值持续显著提高,回弹模量呈下降趋势,均满足规范要求;验证了粉土改良膨胀土的可行性,确定了最佳配合比为粉土掺量40%。为便于现场施工,并考虑现场拌和均匀程度,先掺入3%低剂量石灰对膨胀土进行“砂化”,降低膨胀土黏性使其破碎。在此基础上,采用粉土掺量40%对膨胀土进行改良后用于高速公路路堤填筑,并开展了现场压实度、CBR值、弯沉值等测试。现场试验结果表明：现场填筑联合改良试验段和单一石灰改良对照段整体压实质量良好,但试验段压实度易受粉土均匀程度影响而降低;试验段路基CBR值和路基弯沉与对照段相当,粉土改良有效弥补了相对于对照段减少的2%石灰所提供的强度。     

循环加载频率对饱和珊瑚砂液化特性的影响

人们对循环加载频率f对饱和石英砂液化特性的影响已进行大量的不排水循环试验研究,但循环加载频率f对饱和珊瑚砂液化特性的影响尚未引起重视。为探究f对饱和珊瑚砂液化特性的影响,针对中密、均等固结的饱和珊瑚砂试样,开展了f=0.01～1.00 Hz、循环主应力路径90°跳转的系列不排水循环剪切试验。试验表明：孔压比ru和广义剪应变γg的增长速率随f增大而降低,到达初始液化所需的液化次数N_L随f增大而增大;不同循环加载方式引起的广义剪应变幅值γ_ga与峰值孔压比r_umax存在事实上的唯一性关系,且γga可表示为以r_umax为自变量的正切函数;f的增大会减弱试样的剪胀性。引入单元体循环应力比USR作为施加于试样的循环应力水平指标,USR-N_L关系曲线随f的增大而移向右上侧,不同f的USR-N_L关系曲线均服从相同形式的负幂函数。这意味着饱和珊瑚砂的抗液化强度随f的增大而增大。