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基于混合物理论的饱和孔隙-裂隙岩体本构模型

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浙江大学学报（工学版） 2024年第7期58卷 1446-1456页

作者：胡亚元叶飞浙江大学滨海与城市岩土工程研究中心浙江杭州310058

考虑饱和孔隙-裂隙岩体中固相材料应变与固相材料压力间的关系,完善模型力学参数的取值理论依据,建立新的本构模型.在混合物理论框架内,依据变形特征将固相体应变分解为裂隙骨架体应变、孔隙骨架体应变、岩块材料体应变.假定应变仅取决... 详细信息

考虑饱和孔隙-裂隙岩体中固相材料应变与固相材料压力间的关系,完善模型力学参数的取值理论依据,建立新的本构模型.在混合物理论框架内,依据变形特征将固相体应变分解为裂隙骨架体应变、孔隙骨架体应变、岩块材料体应变.假定应变仅取决于能量方程中的共轭应力,基于自由能势函数构建饱和孔隙-裂隙岩体本构模型,根据模型力学含义推导模型力学参数取值方法.结合达西定律建立流固耦合控制方程.一维固结算例分析表明,相比其他方法确定的参数,所提方法确定参数计算的初始超孔压偏低、初始沉降偏大,孔隙超孔压消散滞后于裂隙超孔压.参数敏感性分析表明,增大渗透系数比会显著提高岩体固结速率,增大形状系数对裂隙超孔压消散和岩体沉降影响较小.

关键词：饱和孔隙-裂隙岩体混合物理论岩块材料变形参数的取值方法一维固结

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循环冲击下预加静载岩石损伤破坏机制研究

煤炭学报 2024年

作者：王汉鹏王伟张冰邱廷麟侯夫斌山东大学齐鲁交通学院山东大学岩土工程研究中心

为研究深部地下工程高地应力静载与采掘爆破施工等循环扰动耦合作用下岩石的损伤破坏机制，利用自主研发的多应变率动静叠加岩石力学试验系统，开展了不同预加静载(0.45σc、0.65σc、0.85σc)叠加循环冲击荷载以及相同预加静载叠加不... 详细信息

为研究深部地下工程高地应力静载与采掘爆破施工等循环扰动耦合作用下岩石的损伤破坏机制，利用自主研发的多应变率动静叠加岩石力学试验系统，开展了不同预加静载(0.45σc、0.65σc、0.85σc)叠加循环冲击荷载以及相同预加静载叠加不同频率(0.5Hz、1.0Hz、2.0Hz)循环冲击荷载的砂岩动静叠加试验。试验结果表明：动静叠加试验中岩石峰值强度小于静载试验，最大变形量大于静载试验，表明动静叠加荷载对岩石损伤具有显著促进作用，且不同动静荷载叠加下岩石强度、变形、破坏等演化规律具有一致性，其中峰值强度、破碎持续时间与预加静载呈线性负相关，与循环冲击频率呈对数正相关；最大应变、裂隙分形维数、碎块分形维数与预加静载呈线性正相关，与循环冲击频率呈对数负相关；不同动静叠加下岩石表面裂隙与碎块粒径分形维数演化趋势基本一致，且前者略大于后者，表明岩石表面及内部裂隙发育的同步性，相比岩石内部三维应力状态，表面更利用裂隙萌生与扩展；不同动静叠加条件下岩样破坏模式发生转变，随着预加静载的增大或冲击频率的减小，破坏模式经历“斜面剪切破坏-竖向拉伸破坏-整体爆裂破坏”的转变，且爆裂破坏位置由底部向整体扩展。为定量表征循环冲击下预加静载岩石损伤机制，结合理论分析与试验数据，建立了综合考虑静载损伤与不同峰值、频率、次数循环冲击损伤以及应变率强化效应的动静叠加损伤因子，进而开展了4组不同参数下的动静叠加试验，理论计算与试验结果对照误差率分别为0.5%、1.8%、0.6%、1.7%，误差均较小；但基于动静叠加损伤因子的理论计算强度均小于试验强度，初步分析这是由于高频循环冲击下损伤发育存在细观滞后性，循环冲击实际产生的累积损伤小于单次冲击损伤的循环次数倍，后期可开展细观测试，探索循环冲击下岩石细观损伤演化规律，进一步完善理论模型。

关键词：岩石力学损伤机制破坏模式循环冲击预加静载

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盐溶液饱和岩土的本构理论及在黏土中的应用

岩土工程学报 2024年第2期46卷 223-234页

作者：胡亚元袁书行浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310058

盐溶液中离子的化学活性会改变饱和岩土的力学性质,诱发其工程性能出现劣化甚至失效等岩土工程问题。为了研究化学活性对饱和岩土水力与变形特性的影响,基于混合物理论与热力学溶液理论,建立了盐溶液饱和岩土材料的本构理论框架。与以... 详细信息

盐溶液中离子的化学活性会改变饱和岩土的力学性质,诱发其工程性能出现劣化甚至失效等岩土工程问题。为了研究化学活性对饱和岩土水力与变形特性的影响,基于混合物理论与热力学溶液理论,建立了盐溶液饱和岩土材料的本构理论框架。与以往研究不同,该理论将固相应变分解为孔隙率变化引起的骨架应变、固相材料变形引起的基质应变以及化学反应等物质交换引起的质量交换应变,用以凸显孔隙率在水-力-化学多场耦合机制中的关键作用;采用溶质的现时质量分数作为化学状态变量来反映化学活性的影响;利用自由能和耗散势分别建立弹性和塑性本构关系。根据该理论框架建立了NaCl溶液饱和黏土的固相、流相本构关系以及溶质的渗流-扩散方程,并得到了已有试验数据的验证,表明该框架可以指导盐溶液饱和岩土的本构建模工作。

关键词：混合物理论盐溶液饱和岩土材料化学活性本构理论等向压缩

局域共振超材料表面波屏障带隙特性与隔振性能

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岩土力学 2024年第3期45卷 750-758,787页

作者：厉超庄培芝李利平张思峰周冲山东建筑大学交通工程学院山东济南250101 山东大学齐鲁交通学院山东济南250002 山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061

为有效解决轨道交通运营引发的地面振动问题,基于声学超材料概念提出一种局域共振超材料表面波屏障(locally resonant metamaterial surface wave barrier,简称LRMB)隔振方法,并采用混凝土和橡胶垫层构造出屏障结构。根据半无限空间弹... 详细信息

为有效解决轨道交通运营引发的地面振动问题,基于声学超材料概念提出一种局域共振超材料表面波屏障(locally resonant metamaterial surface wave barrier,简称LRMB)隔振方法,并采用混凝土和橡胶垫层构造出屏障结构。根据半无限空间弹性动力学理论,推导LRMB带隙计算的解析式,分析橡胶垫、混凝土参数对LRMB带隙特性的影响规律。基于轨道交通地面振动实测数据,探讨LRMB的隔振效果。研究结果表明:LRMB表面波带隙产生主要与其竖向振动有关,基于该模式建立的带隙计算方法是准确的;LRMB橡胶垫厚度增大,带隙起始频率降低,带隙宽度增大;LRMB橡胶垫宽度增大,带隙起始频率升高,带隙宽度减小;LRMB混凝土质量增大,带隙起始频率降低,带隙宽度增大;LRMB原胞数量增多,隔振效率提升,隔振效率达到20~25 dB;以济南轨道交通1号线工程为例,采用LRMB后地面振动衰减可达70%~80%,验证了LRMB的良好隔振性能。

关键词：声学超材料表面波波屏障带隙特性隔振性能

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赤泥基胶凝材料稳定碎石抗裂性能及评价方法

工程科学学报 2024年

作者：邵伟韩瑞凯李召峰游浩山东大学岩土与结构工程研究中心山东大学齐鲁交通学院

路面半刚性基层具有强度高、稳定性好等优点，但在强度形成及后期服役过程中由于内部相对湿度和温度变化会产生收缩应力，当收缩应力超过胶凝材料自身胶结力时，基层会发生干燥收缩裂缝和温度收缩裂缝。作为一种新型路面基层材料，赤泥... 详细信息

路面半刚性基层具有强度高、稳定性好等优点，但在强度形成及后期服役过程中由于内部相对湿度和温度变化会产生收缩应力，当收缩应力超过胶凝材料自身胶结力时，基层会发生干燥收缩裂缝和温度收缩裂缝。作为一种新型路面基层材料，赤泥基胶凝材料可100%代替水泥用于道路基层建设，然而赤泥基胶凝材料稳定碎石抗裂性能的经时演化规律尚不明确。因此，本文以赤泥基胶凝材料稳定碎石干燥收缩、温度收缩性能为研究对象，探究赤泥基胶凝材料掺量、养生龄期等因素对收缩性能的影响规律并运用灰色关联度确定了干缩抗裂性能指标、温缩抗裂性能指标与最大干缩应变、温缩应变的相关性。试验结果表明赤泥基胶凝材料稳定碎石的干缩应变、温缩应变随胶凝材料掺量的增加先降低后升高且干缩应变、温缩应变增长速率随养生龄期的延长逐渐减小，基于灰色关联度分析法确定了干缩抗裂性指数和温缩系数为赤泥基胶凝材料稳定碎石抗裂性能的最优评级指标，确定了赤泥胶凝材料掺量为7%时，赤泥基胶凝材料稳定碎石抗裂性能最优。

关键词：赤泥基胶凝材料半刚性基层收缩抗裂性能灰色关联度

考虑土-膨润土化学相容性的阻隔墙长期服役性能研究

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岩土工程学报 2024年第2期46卷 282-290页

作者：黄博曹林峰李育超浙江大学岩土工程研究所浙江杭州310000 超重力研究中心浙江杭州310000

考虑到填埋场渗滤液中较高Na^(+)和Ca^(2+)浓度会让土-膨润土的渗透系数显著增大,从而加速高危害性污染物击穿土-膨润土阻隔墙,建立了Na^(+)和Ca^(2+)作用下土-膨润土阻隔墙-含水层系统中有机物污染物运移数值模型。该模型可以考虑渗透... 详细信息

考虑到填埋场渗滤液中较高Na^(+)和Ca^(2+)浓度会让土-膨润土的渗透系数显著增大,从而加速高危害性污染物击穿土-膨润土阻隔墙,建立了Na^(+)和Ca^(2+)作用下土-膨润土阻隔墙-含水层系统中有机物污染物运移数值模型。该模型可以考虑渗透系数和水动力弥散系数等参数随Na^(+)和Ca^(2+)浓度的变化。利用有限差分法,获得了该模型的数值解。通过将所建模型的计算结果分别与已有解析解计算结果和COMSOL软件计算结果进行对比分析,验证了模型的正确性。最后基于所建数值模型,以甲苯作为代表性有机污染物分析和讨论了考虑和未考虑土-膨润土化学相容性、水头差和膨润土掺量对阻隔墙长期服役性能的影响。结果表明:考虑土-膨润土化学相容性之后,阻隔墙从不会被击穿变成了服役75 a后被击穿,服役寿命大幅缩短;降低阻隔墙两侧水头差,能够有效延缓污染物的击穿时间;阻隔墙膨润土掺量的下限值应在原先防渗要求的基础上适当提高,以应对污染物作用下墙体防污阻隔性能的削弱。

关键词：化学相容性阻隔墙污染物运移数值模型长期服役性能

基于相似原理的荷载传递模型及桩侧挤密加固效果数值分析

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工程科学与技术 2024年

作者：王衍升李召峰张明林春金吕思忠姚望山东大学岩土结构与工程研究中心山东高速股份有限公司

粉质黏土-粉细砂地层桩侧注浆参数设计和桩基加固效果评价是在役桩基加固的关键和难点。针对在役摩擦桩桩侧注浆加固工程，采用桩基模型试验、有限元模拟及现场试验，揭示了桩侧挤密注浆提升在役摩擦桩承载力的作用机理，提出了粉质黏土... 详细信息

粉质黏土-粉细砂地层桩侧注浆参数设计和桩基加固效果评价是在役桩基加固的关键和难点。针对在役摩擦桩桩侧注浆加固工程，采用桩基模型试验、有限元模拟及现场试验，揭示了桩侧挤密注浆提升在役摩擦桩承载力的作用机理，提出了粉质黏土-粉细砂地层桩侧注浆参数设计方法和桩基承载力分析方法，实现了粉质黏土-粉细砂地层桩基注浆加固。研究结果如下：研发了桩侧挤密注浆模型装置，将注浆加固体假设为沿桩长方向的圆柱体，采用圆柱形气囊的横向膨胀模拟桩侧挤密注浆加固方式。模型试验中注浆孔与桩侧距离应小于15 cm、注浆压力大于0.5 MPa时桩基注浆加固效果明显。基于相似原理，通过桩基模型试验建立了桩侧注浆加固荷载传递模型，并在数值分析软件中嵌入荷载传递模型实现了实际工程条件下桩侧注浆加固数值计算。桩基荷载传递符合指数模型，数值计算承载力与工程静载试验误差小于5%，具有可靠性。进一步分析了加固位置和加固长度对桩基承载力的影响规律。桩长40%-90%处加固效果最好，加固段长4m时承载力提升幅度10.7%-13.7%。随着加固长度的增加，桩基的极限承载力逐渐增加，当加固长度超过16 m（约占桩长的70%）时，能够大幅度提升桩中下部的极限摩阻力。

关键词：摩擦桩挤密注浆荷载传递模型数值模拟承载力

钻爆法机械化施工隧道随钻地震波超前地质探测技术研究

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隧道建设（中英文） 2024年第4期44卷 617-632,I0005-I0020页

作者：李术才王鑫郭伟东田箴言石少帅山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061 山东大学齐鲁交通学院山东济南250061 山东大学未来技术学院山东济南250002

为适应我国隧道建设机械化、智能化、无人化发展趋势,围绕钻爆法机械化施工隧道,提出以凿岩台车破岩振动为震源的钻爆法机械化施工隧道随钻地震波超前地质探测技术。针对凿岩台车多震源连续激发带来的地震数据波场混叠、有效信息难以识... 详细信息

为适应我国隧道建设机械化、智能化、无人化发展趋势,围绕钻爆法机械化施工隧道,提出以凿岩台车破岩振动为震源的钻爆法机械化施工隧道随钻地震波超前地质探测技术。针对凿岩台车多震源连续激发带来的地震数据波场混叠、有效信息难以识别问题开展相关研究,提出VMD-SVD-RobustICA三臂混合先导信号分离方法与脉冲反褶积-小波域互相关地震记录重构方法,可实现三臂混合先导信号的分离与有效反射信号的提取。工程实践证明,利用凿岩台车搭载式无线高精度探测装备,该技术可初步实现“边钻边探”,降低预报环节对钻爆法机械化施工隧道正常施工带来的影响。最后,明确该技术目前存在的问题及解决思路。

关键词：钻爆法隧道机械化施工凿岩台车随钻震源超前地质预报

淤泥质钻渣土碳化造粒方法及强度增长机理试验

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中国公路学报 2024年第6期37卷 217-227页

作者：曹志刚申昆鹏毛天学肖力庄峻淇浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310058 浙江交工集团股份有限公司浙江杭州310052

为实现淤泥质钻渣土低碳与多样化利用,自主研制了温湿控碳化反应釜,对淤泥质钻渣土造粒碳化方法及其强度增长机理开展了系统试验研究。首先使用熟石灰对桩基施工产生钻渣进行改性,并制成粒径12 mm的颗粒状坯料;在反应釜中充入CO_(2)气体... 详细信息

为实现淤泥质钻渣土低碳与多样化利用,自主研制了温湿控碳化反应釜,对淤泥质钻渣土造粒碳化方法及其强度增长机理开展了系统试验研究。首先使用熟石灰对桩基施工产生钻渣进行改性,并制成粒径12 mm的颗粒状坯料;在反应釜中充入CO_(2)气体,在恒温、恒湿(60℃,湿度80%)条件下对坯料碳化养护8 h,实现钻渣土高强度造粒。碳化结束后,对颗粒进行热重分析(TG)、X射线衍射(XRD)、颗粒强度试验,分析了7种不同熟石灰掺量下碳化颗粒强度增长机理。试验表明,碳化颗粒的碳化率能达到80%以上,主要生成物为方解石型碳酸钙晶体,且碳化颗粒强度随熟石灰掺量增加表现为“先缓增-后快增”的两阶段特点;当熟石灰掺量在12%以下时,碳化颗粒强度随熟石灰掺量缓慢增长,当掺量超过12%以后,碳化生成的大量方解石胶黏土颗粒并形成整体骨架,晶粒尺寸也随掺量逐渐减小并膨胀填充孔隙,颗粒强度进入快增阶段;最终颗粒碳化强度可达3.0 MPa以上。此外,水稳定性试验表明,熟石灰掺量达16%以上时,碳化颗粒具备A等水稳定性能。碳排放分析表明本方法制备的碳化颗粒CO_(2)排放相对陶粒减少了42.7%~52.6%,减碳效益显著。本研究为绿色处置钻渣土,实现其在路基层填料、路基台背填料等场景中利用提供了技术方案。

关键词：路基工程淤泥质钻渣土碳化造粒路基填料低碳减排