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隧道围岩块体垮塌声发射与自振频率演化特征试验

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中国公路学报 2024年第8期37卷 191-203页

作者：胡杰张延欢吴威涛刘洪亮贺鹏潘浩岚徐一帆南京理工大学安全科学与工程学院山东大学岩土与地下工程研究院南京理工大学机械工程学院山东科技大学土木工程与建筑学院

隧道围岩垮塌灾害防控技术对隧道安全建设具有重要意义，监测预警技术是隧道灾害主动防控的重要手段。针对传统位移、应力等监测指标对隧道围岩突发块体灾害难以有效响应的难题，从块体垮塌灾变机制出发，分析灾变过程的声发射和自振频... 详细信息

隧道围岩垮塌灾害防控技术对隧道安全建设具有重要意义，监测预警技术是隧道灾害主动防控的重要手段。针对传统位移、应力等监测指标对隧道围岩突发块体灾害难以有效响应的难题，从块体垮塌灾变机制出发，分析灾变过程的声发射和自振频率演化规律。首先基于理论推导，从简化二维应力状态的角度对块体失稳过程进行简化分析，建立了隧道围岩块体振动模型，分析了不同失稳模式下规则方形块体自振频率与应力、接触面积、摩擦力等要素的对应关系。同时基于自研的新型块体垮塌过程模拟试验系统，设计开展了室内块体失稳大尺度物理模拟试验，研究了应力状态、接触面积等因素对块体失稳过程自振频率的影响，进一步研究了块体失稳过程滑移面摩擦声发射信号的演化规律。研究成果表明：滑动型块体自振频率随着侧压力的增加而增大，当侧压力由0.1 MPa增加至0.5 MPa和1 MPa时，自振频率分别增加了16.18 Hz和25.79 Hz。接触面积减小，自振频率随之减小，块体自振频率可以有效反映滑动面对关键块体的约束作用；岩块滑动过程声发射主频分布带宽相对较小，但集中分布的频段较多，绝大部分声发射信号集中于0、20、40、50、150 kHz频带附近，与侧压力大小无关。该研究成果可为隧道围岩块体垮塌灾害的“声-振”联合监测预警方法提供必要的理论支撑。

关键词：隧道工程灾变演化模拟试验块体垮塌声发射自振频率

MICP修复重金属污染溶液及矿化垃圾土试验研究

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土木与环境工程学报（中英文） 2024年第5期46卷 117-126页

作者：许耀东章荣军黄小松郑俊杰华中科技大学岩土与地下工程研究所武汉430074 武汉大学土木建筑工程学院武汉430072

大量非正规垃圾填埋场面临超负荷运营困境,衍生出系列亟待解决的环境问题。重金属含量较高的垃圾渗滤液易对填埋场周边水体造成污染,填埋场开采扩容产生的矿化垃圾土也存在Cd、Pb、Zn和Cr(Ⅲ)等重金属超标现象,在资源化利用过程中容易... 详细信息

大量非正规垃圾填埋场面临超负荷运营困境,衍生出系列亟待解决的环境问题。重金属含量较高的垃圾渗滤液易对填埋场周边水体造成污染,填埋场开采扩容产生的矿化垃圾土也存在Cd、Pb、Zn和Cr(Ⅲ)等重金属超标现象,在资源化利用过程中容易造成二次污染,因此,垃圾填埋场重金属污染问题亟待解决。近年来,微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)固定重金属的能力被广泛探究,其中巴氏芽孢杆菌因环境适应性强、脲酶表达量高而备受关注。但相关研究中的修复对象主要为污染溶液和普通污染土壤,其与垃圾渗滤液以及矿化垃圾土在污染成因和化学成分等方面明显不同。鉴于此,开展巴氏芽孢杆菌修复重金属污染溶液和污染矿化垃圾土试验,探究巴氏芽孢杆菌生物修复重金属的可行性,分析生物修复前后矿化垃圾土中重金属形态变化以及修复机理。结果显示,巴氏芽孢杆菌对溶液中Cd、Pb、Zn和Cr(Ⅲ)修复率可分别达到95%、84%、5%和98%,对矿化垃圾土中可交换态Cd、Pb和Zn修复率亦可分别达到74%、84%和62%,可交换态Cr(Ⅲ)修复处理前含量几乎为0;经生物修复,矿化垃圾土中可交换态和碳酸盐结合态重金属含量降低,铁锰氧化物结合态和残渣态重金属含量增加;同时,矿化垃圾土中含Fe和Al成分以及MICP过程产生的碳酸钙沉淀共同促进重金属向更稳定形态转化。

关键词：矿化垃圾土重金属生物修复巴氏芽孢杆菌修复率

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基于触发式黏塑性元件的黏性土黏弹塑性动本构模型

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岩土力学 2024年第2期45卷 502-510,524页

作者：赵程斌骆亚生范全孟智田孙哲西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100

基于黏性、弹性和塑性元件构造的动本构模型往往存在预测效果较差,不能完全反映黏性土的黏性、弹性、塑性的缺点。通过引入一种触发式的黏塑性元件Ψ,以残余变形为切入点,提出了一个考虑振动稳定和振动衰化现象的黏性土黏弹塑性动本构模... 详细信息

基于黏性、弹性和塑性元件构造的动本构模型往往存在预测效果较差,不能完全反映黏性土的黏性、弹性、塑性的缺点。通过引入一种触发式的黏塑性元件Ψ,以残余变形为切入点,提出了一个考虑振动稳定和振动衰化现象的黏性土黏弹塑性动本构模型,并通过动三轴试验进行了验证。该动本构模型不但能够描述动荷载作用下黏性土残余应变的发展规律,且能合理地预测动应变的发展情况。结果表明,试样在动荷载作用下,存在元件Ψ的黏滞系数随振动周期增长而衰减的现象,且衰减情况和含水率密切相关。最优含水率是影响振动稳定和振动衰化现象的重要参数,当含水率小于最优含水率时,试样变形表现为振动稳定,此时元件Ψ黏滞系数的变化可以忽略不计;当含水率大于最优含水率时,试样变形表现为振动衰化,此时元件Ψ黏滞系数的变化不可忽略。

关键词：触发式黏塑性元件残余变形振动稳定振动衰化黏弹塑性动本构模型

某越江综合管廊河谷场地液化流滑侧向扩展研究

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防灾减灾工程学报 2024年第3期44卷 670-677页

作者：李孝雄赵瑞兴庄海洋赵凯南京工业大学岩土工程研究所江苏南京210009 华东交通大学土木建筑学院江西南昌330013

液化引起河流阶地横向流滑会对长江下游的自然环境和建筑环境造成巨大破坏。然而,长江下游宽河谷场地尺寸达几千米,场地存在厚且松软的沉积层,土层分布极不均匀。土壤的非线性和千米级横向变形限制了该类场地数值模拟的可计算性。针对... 详细信息

液化引起河流阶地横向流滑会对长江下游的自然环境和建筑环境造成巨大破坏。然而,长江下游宽河谷场地尺寸达几千米,场地存在厚且松软的沉积层,土层分布极不均匀。土壤的非线性和千米级横向变形限制了该类场地数值模拟的可计算性。针对长江下游宽河谷场地地形的复杂性和地层的特殊性,并结合实际工程所在场地地质剖面,建立了长江下游宽河谷场地精细化模型。采用已建立的砂土液化大变形粘弹塑性本构模型和ALE方法,解决了该类场地流滑大变形模拟困难。考虑地震波类型和强度的影响,分析了宽河谷微倾斜场地液化分布特征和侧向流滑规律。结果表明:微倾斜可液化场地坡底处土层的液化程度最为严重,微倾斜岸坡场地河床发生了明显的液化侧向扩展地震破坏,揭示了宽河谷微倾斜可液化岸坡场地侧向扩展的空间变位特征,上述原因主要是由于宽河谷不同位置处土单元应力状态差异性所造成;通过与场地液化侧向扩展震害等级评价标准进行对比,进一步明确了该长江下游宽河谷微倾斜岸坡场地液化流滑侧向扩展的震害特征及其程度。

关键词：宽河谷场地长江岸坡土层液化侧向扩展震害特征

复杂温度路径下非饱和土的热-水-力耦合响应特性

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应用基础与工程科学学报 2024年第5期32卷 1294-1306页

作者：陈佩佩金铭张桓伟郭志光白冰诸瑞松北京建筑大学理学院北京建筑大学土木与交通工程学院中国建筑土木建设有限公司北京交通大学土木建筑工程学院

复杂温度路径下非饱和土热-水-力多场耦合研究在交通岩土和工程地质等方面有着重要的意义.考虑孔隙比和温度影响效应修正经典土水特征曲线模型，从而更准确地确定热-水-力耦合数值建模所涉及的关键耦合参数.通过与室内模型试验结果的对... 详细信息

复杂温度路径下非饱和土热-水-力多场耦合研究在交通岩土和工程地质等方面有着重要的意义.考虑孔隙比和温度影响效应修正经典土水特征曲线模型，从而更准确地确定热-水-力耦合数值建模所涉及的关键耦合参数.通过与室内模型试验结果的对比验证，证实了数值模型的精度和可靠性.针对周期循环和指数增长两类典型的温度路径作用下非饱和土热-水-力多场耦合响应特性开展分析，研究结果表明：周期温度荷载作用下温度和饱和度循环变化过程呈现出与温度荷载相同的周期；且其周期变化中均有相位延滞和波幅衰减现象，且距离热源越远，波幅衰减越大；测点总位移亦随温度荷载发生相同周期的循环变化，然而并未出现相位延滞情况，距离热源越近，总位移的波幅越大.在指数增长温度路径下，各测点的饱和度和温度具体表现为先减小后增大，越靠近热源的测点，减小的程度越大且越早达到极低点，而后迅速抬升到稳定阶段；然而总位移曲线却呈现为与温度曲线不同的演变特征.

关键词：复杂温度路径 VG模型修正热-水-力耦合试验验证数值分析

埋置移动荷载作用下三维黏弹性半空间的动力响应

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岩土工程学报 2024年第S2期46卷 145-149页

作者：李怡君胡安峰李聪马玉喜徐浩武汉轻工大学土木工程与建筑学院湖北武汉430048 浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310058 浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室浙江杭州310058

采用积分变换方法对埋置移动荷载作用下三维黏弹性半空间地基振动的衰减规律进行了理论研究。首先,基于理想弹性介质的动力Navier方程,利用Helmholtz分解定理及傅里叶变换方法,在直角坐标系中求得了变换域内弹性介质动力响应分量的表达... 详细信息

采用积分变换方法对埋置移动荷载作用下三维黏弹性半空间地基振动的衰减规律进行了理论研究。首先,基于理想弹性介质的动力Navier方程,利用Helmholtz分解定理及傅里叶变换方法,在直角坐标系中求得了变换域内弹性介质动力响应分量的表达式。结合相应的边界条件及连续条件,得到了埋置移动荷载作用下黏弹性半空间地基动力响应的积分形式解。当荷载埋深为零时,埋置移动荷载退化为地表移动荷载,对比发现退化解结果与已有结果吻合较好。最后,采用IFFT法对地基土体动力响应进行数值求解,分析了移动荷载埋深、速度等因素对地基振动的分布衰减规律以及频谱分布的影响。

关键词：埋置移动荷载黏弹性半空间动力响应振动衰减

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

煤–过渡层–岩组合体物理力学特征试验及数值模拟研究

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岩石力学与工程学报 2024年第1期43卷 184-205页

作者：姚文杰刘学伟刘滨范瑛朱磊郑志湖北工业大学土木建筑与环境学院湖北武汉430068 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 广西大学土木建筑工程学院广西南宁310030

深部煤系地层中,漫长成岩过程使得部分煤层与岩层之间存在一个岩性过渡区,过渡区与上下岩层、煤层共同组成了一个组合结构。为研究过渡层高度对煤岩组合体变坏特征的影响,首先提出煤、岩石及过渡层3种人工材料的配比设计及煤–过渡层–... 详细信息

深部煤系地层中,漫长成岩过程使得部分煤层与岩层之间存在一个岩性过渡区,过渡区与上下岩层、煤层共同组成了一个组合结构。为研究过渡层高度对煤岩组合体变坏特征的影响,首先提出煤、岩石及过渡层3种人工材料的配比设计及煤–过渡层–岩(CFR)组合体试样的制作方案。在此基础上,开展不同过渡层高度的人工CFR组合试样的单轴压缩试验。基于离散元数值模拟软件PFC,采用刚性簇和球颗粒分别表示过渡层中的煤和岩石颗粒,通过其比例变化构建一种过渡层和CFR组合结构PFC表征模型。结合试验结果,对模型参数进行标定并验证算法的有效性。试验与数值模拟结果表明:随着过渡层高度增加,试样强度、峰前耗散能和声发射b值呈现先降低后增加的趋势,弹性应变能呈现逐渐增加的趋势。数值模拟的微裂隙角度分布范围也随着高度增加先缩小后增大,微裂纹萌生区域逐渐由煤层转移到过渡层,声发射定位则逐渐集中至煤与过渡层界面处。研究结果表明过渡层的存在显著改变了煤岩组合结构的物理力学特性。

关键词：岩石力学煤–过渡层–岩组合强度特征数值模拟破坏机制

基于速凝浆液流–固相变特性的裂隙岩体注浆扩散机制

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岩石力学与工程学报 2024年第5期43卷 1190-1203页

作者：张连震黄长鑫张庆松裴妍李志鹏杨文东刘军王晓晨中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院山东青岛266580 山东大学土建与水利学院山东济南250061 山东交通学院交通土建工程学院山东济南250357 山东建筑大学土木工程学院山东济南250101

速凝类浆液流–固相变特性对裂隙岩体注浆扩散过程具有显著影响。为揭示速凝浆液裂隙岩体注浆扩散机制,以水泥–水玻璃浆液(C-S浆液)作为典型速凝浆液,提出采用基于屈服应力、黏度均随时间变化的Bingham流变本构模型描述速凝浆液流–固... 详细信息

速凝类浆液流–固相变特性对裂隙岩体注浆扩散过程具有显著影响。为揭示速凝浆液裂隙岩体注浆扩散机制,以水泥–水玻璃浆液(C-S浆液)作为典型速凝浆液,提出采用基于屈服应力、黏度均随时间变化的Bingham流变本构模型描述速凝浆液流–固相变特性,并通过室内试验获得C-S浆液的屈服应力、黏度时变方程,在此基础上建立速凝浆液裂隙注浆扩散过程理论模型。开展恒定注浆速率下的C-S浆液裂隙注浆模拟试验,获得注浆压力–时间关系与浆液压力空间分布情况,并对理论计算结果进行正确性验证,揭示速凝浆液屈服应力与黏度的时空分布特征,以及静水阻力、流体相阻力、固体相阻力三者在注浆扩散过程中的变化规律。研究结果表明:在C∶S体积比为1∶1,2∶1,3∶1三种工况下,C-S浆液的剪切应力–剪切速率关系均符合Bingham流变本构关系模型,随着C∶S体积比的增加,浆液流–固相变起始时间与结束时间均显著缩短,浆液屈服应力与黏度峰值均显著增加;相比试验结果,基于屈服应力与黏度均随时间变化的Bingham模型、屈服应力固定的Bingham模型、Newton模型的注浆压力计算结果最大误差分别为12.73%~19.62%,20.12%~29.44%,21.84%~31.35%,说明前1种模型优于后2种模型;在整个裂隙注浆扩散过程中,浆液流体相阻力先由0%快速增加至峰值,然后缓慢下降,固体相阻力在整个注浆扩散过程中一直呈近似线性增加趋势。不同C∶S体积比对注浆结束时刻的流体相阻力占比、固体相阻力占比影响不显著,注浆结束时刻的流体相阻力占比为81.7%~82.9%,固体相阻力占比为15.7%~17.3%。

关键词：岩石力学速凝浆液流–固相变特性裂隙注浆流变本构关系模拟试验