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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

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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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

软基中多向受荷大直径单桩桩土相互作用试验研究

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浙江大学学报（工学版） 2024年第3期58卷 570-578页

作者：戴朴修刘开富谢新宇徐越栋浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310058 浙江理工大学建筑工程学院浙江杭州310018 浙江大学温州研究院浙江温州325035

为了研究多向循环受荷大直径单桩的水平变形响应及桩土相互作用机理,开展多向受荷大直径单桩的1g大比尺模型试验,探讨不同竖向和水平循环荷载比下的桩侧受力及变形响应.试验结果表明,施加竖向循环荷载会增大桩身水平位移的发展速率;最... 详细信息

为了研究多向循环受荷大直径单桩的水平变形响应及桩土相互作用机理,开展多向受荷大直径单桩的1g大比尺模型试验,探讨不同竖向和水平循环荷载比下的桩侧受力及变形响应.试验结果表明,施加竖向循环荷载会增大桩身水平位移的发展速率;最大弯矩出现在2.0倍桩径深度处,随着循环次数的增大,桩身弯矩表现出减小的趋势;在循环荷载作用下,最大土抗力所在的位置随着循环次数的增大逐渐从1.5倍桩径深度处向2.0倍桩径深度处移动,循环土体抗力-桩身水平变形(p-y)曲线的退化主要发生在表层土体;施加竖向循环荷载会增大桩土界面的初始刚度,但同时也会加速桩土体系的刚度退化.建议在海上风电大直径单桩的设计中,特别注意竖向循环荷载对长期循环荷载作用下桩身位移及桩土相互作用的不利影响.

关键词： 1g模型试验大直径单桩复杂荷载 p-y曲线桩土相互作用

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考虑刀土摩擦的砂土盾构隧道开挖面支护压力计算方法

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第3期55卷 1082-1091页

作者：应宏伟吕忠泽河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏南京210024 浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310058

确定盾构隧道开挖面极限支护压力是隧道工程中的核心问题之一。现有研究一般忽略盾构刀盘与主动极限状态时开挖面前方失稳土体间的摩擦效应,导致计算结果偏保守。为了解决此问题,首先,基于梯形楔形体模型,考虑盾构开挖掌子面与前方被切... 详细信息

确定盾构隧道开挖面极限支护压力是隧道工程中的核心问题之一。现有研究一般忽略盾构刀盘与主动极限状态时开挖面前方失稳土体间的摩擦效应,导致计算结果偏保守。为了解决此问题,首先,基于梯形楔形体模型,考虑盾构开挖掌子面与前方被切削土体之间的竖向摩擦力、楔形体与上方土柱之间因相对错动引起的横向摩擦力以及隧道埋深对极限支护压力的影响,推导了砂土地层盾构开挖面的极限支护压力计算公式;其次,通过与其他理论方法及试验结果进行对比,验证了本文方法的合理性;最后,讨论了刀土摩擦力在不同工况下对盾构开挖面极限支护压力的影响规律。研究结果表明:在其他参数不变时,开挖面极限支护压力随着刀土外摩擦角增大而逐渐减小,与刀土外摩擦角近似呈线性关系;刀盘土体间摩擦力对维持盾构开挖面稳定具有有利影响,对开挖面极限支护压力的影响不可忽略;适当增大刀盘与前方土体间的外摩擦角可有效增加开挖面的极限稳定性;刀土摩擦力对浅埋情况的盾构隧道开挖面极限支护压力的影响要明显比深埋情况的影响大,在选择盾构掘进刀具时应重点考虑埋深的影响。

关键词：盾构隧道砂土地层支护压力楔形体模型土拱效应

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淤泥质钻渣土碳化造粒方法及强度增长机理试验研究

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中国公路学报 2024年

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交工集团股份有限公司

为实现淤泥质钻渣土低碳与多样化利用，本文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... 详细信息

为实现淤泥质钻渣土低碳与多样化利用，本文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CO2气体，在恒温恒湿(60 ℃，湿度80%)条件下对坯料碳化养护8小时，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CO2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：路基工程碳化造粒淤泥质钻渣土路基填料低碳减排

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双线盾构隧道开挖诱发的地层沉降模型研究

工程地质学报 2024年

作者：史盛朱建才祝凤金徐日庆浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江大学平衡建筑研究中心浙江大学建筑设计研究院有限公司

双线盾构隧道开挖将导致地层原有的应力平衡状态受到扰动，诱发隧道顶部的地层产生沉降，对地表建筑和隧道附近的地下管线等工程产生重要的影响。为了建立双线盾构隧道施工引起的地层沉降模型，本文首先根据国内外文献分析了双线隧道盾... 详细信息

双线盾构隧道开挖将导致地层原有的应力平衡状态受到扰动，诱发隧道顶部的地层产生沉降，对地表建筑和隧道附近的地下管线等工程产生重要的影响。为了建立双线盾构隧道施工引起的地层沉降模型，本文首先根据国内外文献分析了双线隧道盾构掘进过程中诱发的地表及地下不同深度处的地层沉降规律，发现后行线隧道开挖引起的地层沉降受先行线的开挖影响较大，后行线诱发的沉降曲线最大值大于先行线，且偏离隧道轴线，偏向先行线一侧；然后基于随机介质理论，通过引入波的传播模型描述隧道上部地层的沉降机理，根据Fourier变换推导了均质地层中单个隧道开挖诱发的地层沉降模型，基于双线隧道诱发的地层沉降特性定义了双线隧道开挖过程中的扰动影响因子，建立了双线隧道的地层沉降模型；最后采用实际工程监测数据对模型的合理性进行了验证，发现当先行线对后行线的影响较大时，地层总沉降曲线表现为单峰“V”型，而且最大沉降值偏向先行线一侧，当距隧道顶部较远时，先行线开挖对后行线的影响减小，总的沉降曲线表现为双峰值“W”型。本文提出的模型参数较少而且易于确定，不但能够对双线隧道开挖引起的地表沉降进行预测，也能对隧道顶部不同深度处的地层沉降传播规律进行描述。

关键词：双线盾构隧道沉降模型地表沉降地下沉降开挖扰动

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静钻根植桩施工环境效应现场试验研究

土木工程学报 2024年第3期57卷 93-101页

作者：周佳锦马俊杰俞建霖龚晓南张日红浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310058 浙江省城市地下空间开发工程技术研究中心浙江杭州310058 宁波中淳高科股份有限公司浙江宁波315100

静钻根植桩采用先钻孔注浆后植桩的施工技术,可以解决传统预制桩施工过程引起的挤土效应问题。然而,静钻根植桩施工过程中钻孔和注浆过程会对周围土体产生一定扰动,目前没有相关研究。文章通过一组现场试验对静钻根植桩施工过程中的钻... 详细信息

静钻根植桩采用先钻孔注浆后植桩的施工技术,可以解决传统预制桩施工过程引起的挤土效应问题。然而,静钻根植桩施工过程中钻孔和注浆过程会对周围土体产生一定扰动,目前没有相关研究。文章通过一组现场试验对静钻根植桩施工过程中的钻孔、注浆搅拌和植桩阶段对周围土体的扰动规律进行研究。静钻根植桩施工前在钻孔周围土体中埋设土压力传感器,孔隙水压力传感器和测斜管,分别测试静钻根植桩施工过程中周围土体中水平土压力,超静孔隙水压力和深层土体水平位移的变化规律。研究结果表明:静钻根植桩施工过程会对周围土体造成一定扰动,而施工完成后周围土体中的水平土压力、超静孔隙水压力和深层土体水平位移迅速恢复;当水平距离达到4D(D为钻孔直径)时,静钻根植桩施工过程基本不会对土体产生影响;试验结果可以为静钻根植桩在地铁周围等施工位移控制敏感区域的应用提供理论依据。

关键词：静钻根植桩环境效应水平土压力超静孔隙水压力土体水平位移

考虑结构刚度变化的盾构隧道纵向变形计算方法

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工程力学 2024年

作者：甘晓露李文博龚晓南刘念武俞建霖浙江理工大学建筑工程学院浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心

为适应复杂的外部环境，盾构隧道纵向结构刚度有可能会存在突变。以前人研究为基础，提出考虑结构刚度纵向变化的Timoshenko短梁-弹簧盾构隧道模型，并通过Pasternak地基模型和边界弹簧考虑地基土变形连续性和任意隧道边界条件。基于有... 详细信息

为适应复杂的外部环境，盾构隧道纵向结构刚度有可能会存在突变。以前人研究为基础，提出考虑结构刚度纵向变化的Timoshenko短梁-弹簧盾构隧道模型，并通过Pasternak地基模型和边界弹簧考虑地基土变形连续性和任意隧道边界条件。基于有限差分理论推导了外部荷载影响下盾构隧道纵向变形的耦合解答，利用模型退化、数值模型和实际工程案例验证了计算方法的正确性和有效性，并结合参数分析研究了高刚度管片的存在对盾构隧道纵向变形响应的影响。结果表明，局部使用高刚度管片可有效抑制高刚度管片段内的隧道沉降和环缝接头变形，但刚度差异会导致高刚度段两端出现接头变形突增；高刚度管片与常规管片刚度差异越大，高刚度段内的隧道变形越小，但高刚度段两侧接头变形突增的现象更加显著；不同高刚度段长度和结构刚度比组合情况下的隧道变形控制效果存在显著差异，不合理的参数组合甚至会加剧隧道变形。

关键词：盾构隧道结构刚度变化纵向变形环缝接头有限差分法