南水北调中线工程上第三系膨胀性硬粘土的工程地质特性研究

上第三系硬粘土在中国东部新生代沉积盆地具有广泛的分布 ,因其性质复杂而成为中国区域性特殊岩土研究的重要对象。纵贯于南阳盆地和华北盆地西缘的南水北调中线工程长距离地开挖在不同的上第三系硬粘土中。本文在对南阳盆地、方城—宝丰、邯郸—永年三渠段上百个原状样的物质组成、物理性质、物化性质、膨胀性和收缩性、强度特性系统测试分析的基础上 ,总结了各类硬粘土的工程地质特性及其形成机理和变化规律 ,并根据不同湿度、围压状态下的试验结果分析了硬粘土的工程环境效应 ,这对于认识上第三系硬粘土在开挖运营条件下的变形破坏机理有着重要的理论和实际意义。     

基于纳米压痕的页岩微观力学性质分析

通过引入纳米压痕技术研究了川南龙马溪组页岩的微观力学性质。定量化研究了页岩脆性颗粒和有机粘土复合体以及不同纹层的弹性模量和硬度,分析了影响其微观力学性质的主控因素。研究结果表明:页岩中不同矿物、不同纹层之间的力学性质差异较大,其微观力学性质的差异性来自于自身的成分、构造以及强烈的非均质性。其中脆性矿物颗粒的弹性模量和硬度最大,有机质粘土复合体颗粒的最小;纹层的力学性质介于两种颗粒之间,富含碎屑颗粒的纹层要高于富含粘土颗粒的纹层;页岩中矿物颗粒的弹性模量与硬度之间存在正相关性,而纹层的弹性模量随硬度的增大呈非线性增大。影响页岩力学性质的因素可分为两类,分别是软组份和硬组份两类,弹性模量和硬度与软组份之间存在负相关性,与硬组份呈正相关。     

裂隙岩体中非饱和渗流与运移的概念模型及数值模拟

探讨了裂隙岩体中非饱和地下水渗流与溶质运移的几种概念模型的构造及数值模拟问题 ,如裂隙网络模型、连续体模型、等效连续体模型、双孔隙度 (单渗透率 )模型、双渗透率模型、多组份连续体模型等。在裂隙岩体中 ,非饱和地下水的渗流可能只局限于岩体中的岩石组份、或裂隙网络 ,也可能在裂隙和岩石中同时发生 ;对前一种情形只需考虑单一连续体中的流动 ,而后一种情况则需要包括地下水在岩石和裂隙之间的交换。岩体中的裂隙网络往往是溶质运移的主要通道 ;但当溶质在裂隙与岩石之间的渗透和扩散是重要的运移机制时 ,就需要考虑岩石与裂隙界面处的溶质交换。为了模拟岩石与裂隙之间地下水和溶质的交换 ,就需要了解岩石与裂隙之间相互作用的模式和范围 ,使得这类问题的概念模型较单一连续体模型多了一层不确定性、其数值模拟也变得更为困难。因为在实际问题中不易、甚至根本不能判别非饱和渗流的实际形态 ,具体采用哪种模型主要取决于分析的目的和对现场数据的掌握程度。不论哪种模型都会受到模型及参数不确定性的影响 ,因此必须考虑与其他辅助模型的比较.     

二维裂隙渗流等效渗透系数张量的一种近似算法

地质体裂隙渗流十分复杂,通常可用等效渗透系数张量来描述其渗透特性. 本文基于无限延伸的多组平行裂隙的等效渗透系数张量的叠加算法,通过引入裂隙的贯通系数概念,并结合随机裂隙网络生成技术,发展了一种可用于估算二维裂隙等效渗透系数张量的叠加算法.     

作用在岩体裂隙网络中的渗透力分析

从岩体裂隙网络渗流的特点出发, 以单裂隙渗透力分析为基础, 分析了二维及三维情况下岩体裂隙网络渗流对岩体裂隙壁施加的两种作用力: 垂直于裂隙壁使裂隙产生扩容的法向渗透静水压力以及平行于裂隙壁和裂隙水流方向一致的切向动水压力, 推导出二维及三维情况下裂隙单元因这两种作用力而产生的等效结点力, 并应用算例定量分析了岩体裂隙网络渗透静水压力和动水压力共同作用对岩体应力的影响, 结果显示: (a)渗透力作用下裂隙上部岩体压应力减小, 而裂隙下部岩体压应力增大, 最大压应力增大 10 .5 3%; (b)渗透力作用下裂隙岩体拉应力增大, 最大拉应力增大 9.0 9%; (c)裂隙渗透力使岩体剪应力增大, 最大值达 2 3.75 %。     

攀枝花地区冰期膨胀土的工程特性研究

攀枝花地区冰期膨胀土生成于二冰期晚期中更新统冰期,通过室内和现场物理力学试验和分析,揭示攀枝花地区冰期膨胀土的物理力学性质具有很大的离散性,其性质受土体的矿物成分、含水率、裂隙面、埋藏深度、级配、试验条件等因素、条件的影响。试验研究表明:膨胀土中的裂隙面按光滑程度不相同,可分为两种类型,即光滑裂隙面和光滑擦痕裂隙面; 粗粒矿物对胀缩性影响不大,而细粒矿物对胀缩性影响较大; 裸露或近地表,土层风化剧烈,裂隙较发育,膨胀力度就稍大; 同一地区的膨胀土,蒙脱石含量愈高,自由膨胀率愈大,其膨胀等级就愈高; 不同场地内的膨胀土其物理力学性质指标存在一些差异,但差异性较小; 攀枝花冰期膨胀土层的黏粒含量并不大; 不同场地内的膨胀土抗剪强度值变化较大,同一场地内的膨胀土抗剪强度值有起伏; 攀枝花冰期膨胀土多数呈硬塑-坚硬状,自然状态下其抗压变形能力较好,在浸水饱和状态下,膨胀土的承载力几乎成倍数下降。     

玄武岩中裂隙分布形式对声波传播的影响

复杂岩体含有大量的裂隙,这些裂隙尺寸及其分布形式等对弹性波传播都有很大的影响.本文加工了含单个裂隙、双裂隙和三个裂隙的玄武岩岩样单元对其进行组合,进行了25kHz、 50kHz、 400kHz、 600kHz和1000kHz 等5种频率的声波测试.通过考虑垂直或平行波传播方向的裂隙长度,来探索裂隙分布形式和不同裂隙长度对弹性波传播的影响,研究玄武岩的频散效应和波的衰减.结果表明:裂隙方向与波传播方向夹角对弹性波传播有很大的影响.当裂隙方向与波传播方向垂直时,散射效应最大;而当裂隙方向与波传播方向平行时,影响最小.上述结果可为理论模型和数值分析提供依据.     

裂隙岩体非稳态渗流数值模型及其应用

为解决裂隙岩体非稳态渗流问题, 发展了一种新的数值模型. 对于单裂隙渗 流求解, 其控制方程是基于一定假设的简化Navier-Stokes方程, 数值方法采用有限差分法 和流体体积法. 在裂隙网络中, 交界处渗流可以由专门的控制方程求解. 计算结果表明, 该 数值模型既可以大幅提高非稳态渗流的计算效率, 还可以避免孤立裂隙所带来的影响. 最后, 通过两个工程算例验证该数值模型的适用性.     

岩体裂隙网络分数维计算机模拟

岩体裂隙网络的研究是一个方兴未艾的课题,而用分形几何来研究岩体裂隙网络是一种行之有效的手段,本文将介绍由笔者编制的计算机裂隙网络分数维求解方法及程序,以达到快速、便捷而又准确地求解复杂网络的分维数。     

双重孔隙介质THMM耦合模型及其有限元分析

建立了一种饱和-非饱和遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场、裂隙渗流场和孔隙浓度场、裂隙浓度场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响;并开发了相应的二维有限元程序.针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体为非饱和双重孔隙-裂隙介质和放射性核素泄漏的情况进行了数值分析,考察了岩体中的温度、负孔隙水压力、饱和度、地下水流速、核素浓度和主应力的状态.结果显示:孔隙和裂隙中的负水压力及核素浓度呈现不同的变化、分布;尽管裂隙水饱和度平均仅为孔隙水饱和度的1/10,但因裂隙的渗透系数比孔隙的渗透系数大4个数量级,故裂隙中地下水的流速约是孔隙中相应值的3倍;孔隙和裂隙中核素浓度的量值接近.     

桂林地区红土砾石层的工程地质特征及其应用

桂林地区的红土砾石层以其独特的工程地质特征引起了许多中外学者的注意, 对它的成因至今还存在争议。本文主要讨论红土砾石层的工程应用, 即不仅可作为一般低层建筑物的天然持力层, 而且可以作为沟、塘等低洼地带的回填土料 ;而且厚度较大的红土砾石层坚硬部分可作为桩端持力层。     

海相沉积软土蠕变BP神经网络本构模型

海相沉积软土具有很强的蠕变特性,传统分级构建蠕变本构模型方法不实用,且很难真正反映岩土流变的非线性特性。为此,本文引入具有超强非线性映射和容错能力的BP神经网络模型,通过改进BP算法,根据江门软土的室内直剪蠕变试验结果,建立了海相沉积软土BP神经网络蠕变本构模型,避免了传统方法为满足试验曲线变化规律和蠕变特性而需要建立复杂的本构数学表达式。最后,利用上海地区软土蠕变实验结果对本文提出的方法进行了验证,并对BP神经网络蠕变模型在描述软土流变方面的特点进行了讨论。结果表明,本文建模方法简单,并能很好地描述软土的非线性蠕变问题。     

经典弹塑性力学体系下岩土材料的本构方程

剑桥模型,修正剑桥模型以及近年来出现的适用于砂土和黏土的统一硬化模型在岩土工程中有重要的科研和实用价值．在经典弹塑性力学框架下重新推导了以上这些岩土材料本构方程,对岩土工程中常用的本构模型和经典弹塑性理论框架下的岩土本构模型进行了对比,将两个体系下的相关量建立了联系．     

某公路路基填土工程地质性质研究

盱眙地区软土成因复杂,矿物成分特殊,本文通过对其矿物成分、化学成分、颗粒分析、物理指标、膨胀性、压缩性等试验研究,对该软土的工程性质取得一些认识。结果认为该类软土中粘土矿物含量高、亲水性强,填土液塑限高、有机质含量高;在含水量高时碾压成饼状,含水量低时坚硬难以破碎,不能直接做路基填料,采用常规的掺灰处理效果不理想,是一种特殊性软土。     

某软土深基坑工程时间效应有限元分析

软土地区的深基坑因土体的固结作用和流变性而具有了时间效应。本文以Biot固结有限元法为基础,用三元件模型中的第一个线性弹簧模拟固结作用,弹性模量考虑了开挖应力路径和应力历史的影响;另外一部分(KELVIN模型)来模拟土体的流变性,以实际变形的反演来得到两个参数的大致取值,再对基坑的变形情况以及进一步开挖进行分析。假定为正常固结饱和粘土,平面应变问题。通过对某饱和软粘土地基深基坑开挖工程实例的分析,得到的挡墙水平位移曲线与实测曲线很吻合,表明程序较好地反映出基坑的时间效应。     

深厚黏土层冻结壁冻结压力实测与数值分析

为了研究深厚黏土层冻结壁冻结压力的变化特征,根据现场实测结果获得冻结压力随温度变化的发展趋势. 结合对现场实测数据的分析和ADINA 有限元法的数值模型,能够很好地模拟人工冻结地层应力场的变化规律,为工程实践提供参考.     

Law of nonlinear flow in saturated clays and radial consolidation

It was derived that micro-scale amount level of average pore radius of clay changed from 0.01 to 0.1 micron by an equivalent concept of flow in porous media.There is good agreement between the derived results and test ones.Results of experiments show that flow in micro-scale pore of saturated clays follows law of nonlinear flow.Theoretical analyses demonstrate that an interaction of solid-liquid interfaces varies inversely with permeability or porous radius.The interaction is an important reason why nonlinear flow in saturated clays occurs.An exact mathematical model was presented for nonlinear flow in micro-scaie pore of saturated clays.Dimension and physical meanings of parameters of it are definite.A new law of nonlinear flow in saturated clays was established.It can describe characteristics of flow curve of the whole process of the nonlinear flow from low hydraulic gradient to high one.Darcy law is a special case of the new law.A math- ematical model was presented for consolidation of nonlinear flow in radius direction in saturated clays with constant rate based on the new law of nonlinear flow.Equations of average mass conservation and moving boundary,and formula of excess pore pressure distribution and average degree of consolidation for nonlinear flow in saturated clay were derived by using an idea of viscous boundary layer,a method of steady state in stead of transient state and a method of integral of an equation.Laws of excess pore pressure distribution and changes of average degree of consolidation with time were obtained.Re- suits show that velocity of moving boundary decreases because of the nonlinear flow in saturated clay.The results can provide geology engineering and geotechnical engineering of saturated clay with new scientific bases.Calculations of average degree of consolidation of the Darcy flow are a special case of that of the nonlinear flow.     

上海深部硬土渗透特性试验研究

上海深部硬土层的沉降显著滞后于水位变化, 本文通过一系列渗透试验进行了相关问题的研究, 包括初始水力坡度, 结核对渗透性的影响, 压力对渗透性的作用, 以及孔隙比与渗透系数之间规律的研究。结果表明硬土的渗透速率与水力坡度之间符合良好的线性关系, 满足达西定律; 大量的致密结核对渗透性影响微弱; 应力增加导致渗透性降低, 渗透系数与孔隙比呈指数规律变化。基于试验成果评价了1989～2007年天然硬土的渗透性变化, 此期间硬土层边界水位下降了近30m, 硬土层的沉降造成了该层渗透性的降低, 但土层的平均渗透系数改变不大。     

结构性黏土模型在FLAC中的二次开发及应用

FLAC软件广泛应用于岩石及岩土工程数值分析中,但内置材料模型库的不足影响了其应用范围及分析结果的精细化。本文基于FLAC程序提供的二次开发平台,以结构性黏土边界面模型为例,在FISH编译环境下实现了复杂本构模型的开发与应用。首先,介绍了FLAC的关键开发技术和具体实施方法;其次,给出了结构性黏土边界面模型的基本原理及应力积分方法;然后,通过FLAC单元测试与FORTRAN程序计算结果的对比,验证了FLAC二次开发在多种应力路径下的正确性;随后,通过FLAC排水平面应变剪切试验模拟剪切带的形成,测试了二次开发模型的多单元模拟能力,同时验证了其网格依赖性问题;最后,通过对土坡开挖的模拟,测试了结构性黏土模型FLAC二次开发的工程适用性。