基于透明相似模型试验的主控裂隙边坡变形破坏演化机制研究

岩质边坡灾害孕育期的变形破坏发展过程通常受其内部长大裂隙（主控裂隙）控制,揭示主控裂隙边坡变形破坏演化机制对滑坡灾害防治具有重要意义。基于透明相似模型试验技术,选取2种典型主控裂隙（后缘陡倾角裂隙和前缘缓倾角裂隙）边坡为研究对象,在自研设备上开展了主控裂隙边坡内部变形破坏演化过程的模型试验研究;分别以位移速率和应变速率作为边坡变形和裂隙扩展的表征量,以无裂隙边坡变形破坏演化规律为参照,对比分析了后缘和前缘主控裂隙影响下边坡内部变形破坏的时空演化机制。结果表明：（1）通过模拟无裂隙边坡内部变形累积以及破裂萌生、扩展与贯通的渐进过程,验证了所采用的试验方法在研究边坡内部变形破坏演化过程方面的可靠性;（2）主控裂隙边坡内部变形破坏过程与无裂隙边坡相似,可分为变形累积、破裂带萌生/初始裂隙起裂、破裂带/裂隙扩展调整、破裂带/裂隙快速扩展贯通等4个阶段;（3）在初始主控裂隙滑移变形的作用下,后缘陡倾角裂隙尖端因受推移作用而发生拉张-剪切混合型起裂并向下扩展,前缘缓倾角裂隙尖端因受牵引作用而发生拉张型起裂并向上扩展,裂隙扩展速率随扩展长度的增加而呈指数型增长;（4）裂隙扩展类型随边坡变形与裂隙扩展...     

盾构下穿高铁路基变形规律模型试验研究

为了探究盾构下穿施工对高铁路基U型槽结构和地层的变形影响规律,以拟建的石家庄市轨道交通4号线下穿京石高速铁路路基为工程背景,基于几何相似比配制了地层和结构模型试验材料,设计了试验监测系统,采用φ1 200 mm小型盾构机进行了盾构隧洞顶距路基管桩底不同距离的2组室内模型试验。结果表明：随着距离盾构隧道拱顶距离的增大,地层沉降减小,盾构施工对地层的影响范围约为2倍洞径,显著影响区为1倍洞径;随着埋深的增大,盾构施工引起结构下方地层的沉降减小,距盾构隧道顶距离分别为0.5倍洞径和1倍洞径时沉降最大差值为10%;U型槽结构与相邻地层间产生脱空,盾尾脱出阶段发生的地层沉降占比大于74%。建议管片拼装完成后采用保水性好且有一定早期强度的注浆填充材料,以控制沉降变形,同时进行地层深孔注浆,及时充填松动地层孔隙,增加地层密实度。     

无砟轨道聚氨酯碎石防水联结层单元模型试验研究

基于无砟轨道基床表层水力损伤病害产生机制,提出一种在基床表层上设置聚氨酯碎石防水联结层的水力损伤控制措施。通过建立级配碎石组(J-0)、透水型聚氨酯碎石组(J-5)及致密型聚氨酯碎石组(J-10)3组试验模型,研究聚氨酯碎石防水联结层的静动力特性、疲劳特性与防水特性。结果表明：静力加卸载作用下,J-10残余应变为2.6×10–6,最大位移约为1.0 mm,与下部基床表层级配碎石层变形适应性良好,耗能效果明显,在列车动力荷载水平作用下,可减小基床表层动变形与动应力幅值,增大动应力扩散范围;在长期动力循环荷载作用下,J-0与J-5在注水后结构层动力响应显著增大,而J-10动力响应在加载次数1～2万次后基本保持稳定;试验过程中J-10能够有效防止水分进入基床表层级配碎石层,而J-0与J-5水分不断下渗,引起级配碎石细颗粒损失。研究成果对整治多雨地区无砟轨道基床表层水力损伤病害具有重要的应用价值。     

软弱覆盖层上土石坝动力离心模型试验研究

在覆盖层上筑坝时其抗震稳定性是工程关键技术难点。为揭示覆盖层中的地震动传播规律和大坝失稳现象,依托某原型工程,先后输入场地波和加窗正弦波开展了离心机振动台模型试验。研究发现,在场地波目标峰值加速度0.53g激震时,因能量损耗和软弱覆盖层的滤波效应,地震动传播到坝顶的加速度峰值为0.773g,加速度放大系数为1.39,小于规范建议值2.0;在输入加窗正弦波的试验中,坝顶加速度放大系数为1.46,同样表明软弱覆盖层对地震动传播有一定衰减。两次试验揭示的大坝震陷变形现象符合一般规律,但因软弱砂层厚度大,总体震陷率较高,其中第1次试验后坝体没有明显的破坏,第2次试验出现大量堆石滚落、坝顶沉陷、坝坡挤压拱起、心墙开裂等现象。尽管受试验条件的限制,模型的尺寸效应和边界效应对试验结果可能存在一定影响,但该研究结论可为覆盖层上的坝体动力数值分析提供参考依据。     

三峡库区降雨型滑坡入渗特征及变形机制——基于一维和二维模型试验研究

强降雨诱发古滑坡的浅层变形是三峡库区最为严重的地质灾害,因此,探索暴雨作用下滑坡土体的入渗规律及其浅层变形机制具有重要的研究意义。以三峡库区的降雨型滑坡为研究对象,统计了降雨型滑坡土体的渗透特性分布特征,考虑强降雨作用,分别开展一维土柱入渗试验和二维滑坡模型试验,研究了不同降雨强度条件下滑坡土体的入渗特征以及对应的滑坡浅层变形机制。降雨入渗试验结果表明：降雨入渗土体的速度取决于降雨强度与土体渗透系数的相对大小,当降雨强度小于或等于土体渗透系数时,入渗能力随降雨强度增大而增大。当降雨强度大于土体渗透系数时,入渗能力反而随之减小。模型试验结果表明：强降雨入渗时,会造成地表土体暂态饱和,表层土体以下非饱和区内的气体被暂态封闭并受到表层孔隙水压力作用而压缩,导致孔隙气压力随降雨入渗迅速增大。对于三峡库区的降雨型滑坡,短时的暴雨会产生瞬态饱和区。封闭气体,这也是影响强降雨入渗能力的主要原因;同时封闭气体传递水压使得浅层土体的孔隙水压力骤增,这也是许多滑坡发生浅层变形和破坏的主要原因。     

煤矿井下原位磁控多向保压取心原理与技术

获取煤岩体原位物理力学参数是煤炭资源开发的首要任务,瓦斯原位参数精准测量是实现煤矿安全开采的基本保障。针对煤矿原位瓦斯参数测不准的技术难题,结合煤矿井下取心的技术特点,创新提出基于磁力控制的多向保压取心技术构想。基于复合磁场特性,自主设计了磁控自触发保压控制器,优化了取心触发及密封结构,关键保压构件实现磁控非接触式自触发及自密封,提升保压触发的容错率。自主研制了多向保压取心性能测试平台,基于该平台验证了保压控制器在不同取心角度的良好触发能力及自密封能力。集成磁控保压模块,形成多向保压取心装备,通过实验室测试验证了该装备可在多个方向实现保压取心,且保压能力可以达到6 MPa,满足煤矿保压取心条件。研究成果为深部煤矿多向保压取心提供了技术支持,为保压控制结构设计提供了全新思路。     

非极限状态非饱和土主动土压力试验及理论分析

目前土压力研究大都以极限状态下的土体为研究对象,且假定土体处于饱和或干燥状态,未考虑墙体位移与土体非饱和特性对土压力的影响,在实际工程的应用中有局限性。鉴于此,开展主动平动模式下墙后不同含水量砂土的刚性挡墙土压力室内模型试验,并采用渗压计和土压力盒分别量测不同深度处土中的基质吸力和土压力,以及利用DIC图像关联技术观察不同挡墙位移时的土体位移情况。试验结果表明,当墙后土体处于非极限状态时,土体破坏面始终通过墙踵,且其形态接近于平面;其次,在此基础上,结合非极限状态下墙土摩擦强度发挥特性和非饱和土强度准则,提出位移相关的非饱和土强度模型,并建立非极限状态下非饱和土主动土压力计算模型,以及与室内试验结果对比验证了该模型的合理性;最后,针对提出的计算方法探讨了墙体位移和土体基质吸力对主动土压力的影响。参数分析结果表明,非饱和土主动土压力随挡墙位移量的增大而逐渐减小,而随着基质吸力的增大呈现先减小再增加的趋势,且存在一极小土压力值,朗肯土压力值和Fredlund扩展朗肯土压力值分别为该模型在饱和与非饱和情况下位移达到极限状态时的特殊值。     

挡墙限制型散粒体斜坡堆积特征模型试验

散粒体斜坡是川藏铁路交通廊道常见的不良地质现象,对其堆积特征开展研究对散粒体斜坡表层溜滑防灾减灾具有重要的现实意义.针对挡墙限制型散粒体斜坡,通过室内物理模型试验,利用分形维度控制试验碎屑配比,模拟斜坡源区岩石风化碎屑产物持续补给,研究散粒体颗粒堆积发育成坡过程中自然坡角的变化、斜坡表面与内部的颗粒分布特征,以及颗粒在斜坡上的运移堆积特征.试验结果表明：挡墙限制型散粒体堆积成坡过程可分为挡墙后堆积阶段、斜板堆积阶段、斜坡增长阶段和成坡阶段;斜坡最大堆积坡角随着分形维度增大而减小;随着分形维度增加,斜坡表面粗糙程度降低;粗颗粒易堆积在斜坡下部,细颗粒更易堆积于斜坡上部;同一粒组颗粒,在分形维度越大的斜坡表面上运移距离越长;相同分形维度的散粒体斜坡上,粗颗粒相较细颗粒在斜坡上的运移距离更长;颗粒在斜坡上的运移方式有腾跃和滚动两种,大粒径颗粒在分形维度越小的斜坡表面的腾跃高度越高;反之,小粒径颗粒在分形维度越大的斜坡表面的腾跃高度越低.     

分层土中裙式吸力基础吸力沉贯特性模型试验研究

针对一种新型海上风电基础形式-裙式吸力基础,开展模型试验,研究其在分层土地基中的沉贯特性。讨论了土层分布形式（砂土、黏性土、上层砂土及下层黏性土（简称上砂下黏）、上层黏性土及下层砂土（简称上黏下砂））、沉贯方式的影响。研究表明：裙式吸力基础在分层土中具有良好的沉贯性能。与传统吸力基础相比,裙式吸力基础在砂土、黏性土、上砂下黏和上黏下砂地基中最终沉贯深度较传统吸力基础分别增加10.0%、2.3%、3.0%和9.6%,沉贯最大吸力值分别增加0.9%、14.4%、66.2%和92.2%。黏性土层位置和厚度对基础沉贯特性影响显著。上黏下砂地层中,基础最大吸力值出现在土层分界面处,最大吸力值随土层分布系数t（上层土厚度与土体总厚度的比值）的增加而逐渐增大,最终沉贯深度随土层分布系数增加而逐渐减小。上砂下黏地层中,裙式吸力基础最大吸力值出现在最大沉贯深度处,吸力最大值随土层分布系数的增加而逐渐减小,最终沉贯深度受土层分布系数影响较小。此外,同时抽吸主桶和裙结构内水体进行沉贯,最终沉贯深度大于只抽主桶情况。在砂土、黏性土、上黏下砂（ 0.4）和上砂下黏（ 0.4）等4种地基中,裙式吸力基础采用同时抽主桶和裙结构的沉贯方式,最终沉贯深度较只抽主桶情况分别增大了13.8%、3.4%、16.4%和4.6%。研究成果为进一步阐明吸力基础在分层土中沉贯机制及指导工程实践,具有借鉴意义。     

刚性挡墙后非饱和土破坏模式及主动土压力计算

目前主动土压力计算方法多仅针对土体处于饱和或干燥状态,忽略了其从非饱和到局部饱和,或饱和到非饱和的渐变过程,进而导致计算结果失真。鉴于此,首先开展了一系列刚性挡墙非饱和砂土主动土压力模型试验,揭示了墙后土体的破坏规律：（1）墙后土体顶部出现了近似竖直裂缝,且其发展深度随墙面粗糙度和含水率的增加而变大;（2）墙土界面摩擦对塑性区形状影响较小,且在挡墙移动过程中,墙后土体塑性区形状始终近似保持为平面。在试验基础上,引入广义有效应力原理,基于极限平衡分析建立了考虑吸应力效应的非饱和土主动土压力计算方法,理论与试验实测值表明,所提方法相比其他方法,更接近于试验值。分析了各主要因素对非饱和土压力分布规律的影响,结果表明：主动土压力随有效内摩擦角值增加而减少,而界面摩擦角对其分布影响较小;相比于无吸力情况,考虑吸力时主动土压力更小;随着进气值增加,吸应力对主动土压力的贡献减少,最终趋于恒定。