非饱和土与特殊土力学的基本理论研究



陈正汉
（后勤工程学院建筑工程系，重庆 401311）
摘 要：对非饱和土与特殊土开展了持久深入的研究，取得了系统的创造性成果：在国内率先研制成非饱和土固结仪、直剪仪、渗气仪、标准三轴仪、温控三轴仪、多功能三轴仪和土工CT–三轴仪等一系列仪器设备，揭示了非饱和土与特殊土的水气运动规律及变形、强度、屈服、水量变化、湿陷、湿胀、细观结构演化、温度效应等许多重要力学特性规律；构建了岩土力学的公理化理论体系与多种组合形式的非饱和土的应力状态变量；提出了各向异性多孔介质的有效应力理论公式与非饱和土的有效应力理论公式；建立了非饱和土、湿陷性黄土和膨胀土的本构模型谱系（包括非线性、弹塑性、结构性损伤与热力耦合模型）与分别考虑密度、净平均应力和偏应力影响的广义土–水特征曲线模型谱系；创立了非饱和土三维固结理论及其固结模型谱系；自主研发了分析固结问题的系列软件，求得一维固结问题的解析解和二维固结问题的数值解，形成了完整的理论体系。应用研究成果解决了多项工程的疑难问题，表明所建理论能够指导实践，为工程决策提供理论支持和科学依据。
关键词：非饱和土；特殊土；公理化体系；应力理论；固结理论；本构模型；广义土–水特征曲线模型

不同围护结构变形模式对坑外深层土体位移场
影响的对比分析
郑 刚^1，2，邓 旭^1，2，刘 畅^1，2，刘庆晨^1，2
（1. 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室（天津大学），天津 300072；2. 天津大学建筑工程学院，天津 300072）
摘 要：对某深基坑开挖全过程中围护桩的水平位移进行了实测，由于水平支撑提供的支撑刚度不同，不同位置处的围护桩可产生不同的水平位移分布模式，且最大水平位移值也存在明显差别。通过建立考虑土体小应变的有限元模型，针对4种典型围护结构变形模式引起的坑外深层土体位移场变化特点进行分析，结果表明：即使围护结构最大水平位移相同，由于侧移分布模式不同，基坑外地表和深层土体的竖向及水平位移场均可存在较大差别，从而可能对环境产生不同程度的影响。围护结构在内凸型和复合型模式下，坑外深层土体竖向变形可分为凹槽形沉降区、三角形过渡区和隆起区，而深层土体水平位移场可分为弓形变形区、变形过渡区以及悬臂形变形区；悬臂型模式下坑外深层土体竖向位移场只存在三角形变形区和隆起区，而水平位移场则全部呈悬臂形；踢脚型模式下的竖向位移和水平位移影响范围均为最大。在实际工程中除控制围护结构最大变形值外，尚应根据周围环境特点合理控制围护结构变形模式，并尽可能避免出现踢脚模式变形。
关键词：围护结构；变形模式；位移场；变形特点；影响范围

海上风机部分埋入群桩水平–摇摆振动与结构共振分析
黄茂松^1，2，钟 锐^1，2
（1. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；2. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092）
摘 要：对于海上风机部分埋入群桩基础，风机结构的高度将导致基础承受较大的倾覆力矩，因而在风机振动分析中需要考虑到基础的摇摆特性。为避免发生共振，风机结构第一阶自振频率应避开风轮转动频率（1P频率）和叶片通过频率（3P或2P频率）。目前关于风机结构动力特性的研究常常以底部刚性固定为假定，忽略了地基基础的影响，因而可能带来误差。结合既有研究成果，推导简化解析方法研究了部分埋入群桩基础的水平–摇摆耦合振动特性以及基础阻抗对风机结构共振特性的影响。首先，推导了采用动力Winkler地基模型的部分埋入群桩基础水平–摇摆动力阻抗，与精确解进行对比，验证了方法的正确性；其次，考虑基础阻抗的作用，推导了风机结构水平–摇摆振动方程；最后，通过简化方法和频域有限元方法对不同地基条件下某风机结构的共振特性及基础阻抗进行了计算和对比，研究了基础阻抗对结构共振特性的影响，并验证了简化方法的正确性。
关键词：风机；部分埋入；群桩；水平–摇摆；阻抗；Winkler模型

非饱和土耦合本构模型的三维化
马田田^1，2，韦昌富^1，2，3，颜荣涛³，魏厚振^1，2，田慧会^1，2



（1. 中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071；2. 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；
3. 桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西 桂林541004）
摘 要：非饱和土本构关系模型通常是建立在修正剑桥模型的基础上，并采用了广义的von Mises准则，以描述非饱和土在一般应力状态下的本构行为。该准则假设在π平面上屈服面是个圆形，高估了土体除三轴压缩以外的强度，在平面应变中也会错误估计中主应力比。空间滑动面破坏准则（SMP）考虑了第三应力不变量的影响，屈服面在π平面上为曲边三角形，可以较好地描述一般应力状态下土体的剪切屈服和破坏特性。采用变换应力方法，将SMP准则应用到最近建立的非饱和土耦合本构模型中使其合理的三维化，能够有效地将模型从轴对称应力状态扩展至一般应力状态。根据与试验结果对比表明，改进后的模型在不增加任何参数的情况下，能够较好地模拟非饱和土在三轴伸长等一般应力状态下的行为特性。
关键词：非饱和土；耦合本构模型；空间滑动面破坏准则；变换应力；三维化
利用CPTU进行自升式钻井平台砂土插深预测分析研究
李 飒¹，王耀存¹，吴秋云²，姜 华²，周杨锐²
(1. 天津大学建工学院岩土所，天津 300072；2. 中海油服物探事业部，天津 300451)
摘 要：随着海洋工程的发展，自升式钻井平台被应用于水深更大，环境条件更加恶劣的海域。在这种情况下，自升式钻井平台桩靴的插深预测就成为钻井平台设计计算的重点和难点。原有的计算方法已经不能满足实际工程的需要。为了提高预测精度，根据桩靴贯入砂土的特点，采用球孔扩张理论模拟了桩靴贯入过程中的应力场变化，推导出了该条件下球孔扩张的极限扩孔压力的理论解。在此基础上对钻井船桩靴与静力触探探头受力进行了对比，推导了利用孔压静力触探试验数据计算桩靴承载力的理论表达式。为了验证公式的可靠性，选取中国南海6个实际工程，分别利用传统方法以及本文公式对插桩深度进行了预测，并将预测结果与实测结果进行对比，结果显示方法和实测结果吻合较好。
关键词：桩靴；静力触探；球孔扩张；插深预测
地震作用下堆积体边坡振动台模型试验及抛出现象分析
刘婧雯¹，黄 博^1*，邓 辉²，凌道盛¹，郭晓光²，高美奔²
(1. 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；2. 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059)
摘 要：国道213线都江堰–汶川段普遍发育着堆积体边坡。在“5.12汶川地震”中，此类边坡更易发生滑坡灾害，并伴有独特的山石抛出现象。结合堆积体边坡实例进行振动台模型试验，研究堆积体边坡在多次地震作用下结构损伤累积并最终发生失稳的特征及边坡破坏模式。试验结果表明：堆积体边坡中上覆堆积体与下部基岩存在动力响应差异，边坡滑坡形式不同于静力失稳，表现为裂缝一旦出现便迅速扩展，边坡坡肩处部分小块体在水平和垂直向动力耦合作用下与原结构脱离抛出，这与汶川地震后边坡调研中发现的抛出现象一致。分析了模型边坡块体抛出现象与裂纹形成角度的关系，只有当裂纹角度和竖向加速度组合满足一定的触发条件时，才可能出现抛出现象。
关键词：堆积体边坡；物理模拟；地震破坏机制；抛出现象
中尺度复杂岩体应力波传播特性的微震试验研究
彭府华¹，李庶林^2*，程建勇³，贾宝珊³
(1. 长沙矿山研究院，湖南 长沙 410012；2. 厦门大学，福建 厦门 361005；3. 洛阳栾川钼业集团股份有限公司，河南洛阳 471500)
摘 要：采用全数字型多通道微震监测系统，对深部复杂采空区岩体和上部露天台阶絮渣岩体分别进行了现场爆破应力波传播特性试验，利用P波触发时间和传播距离组成的离散点进行线性拟合，得出应力波传播速度，结果显示深部复杂采空区岩体和上部絮渣岩体明显出现两个层状速度模型。利用应力波振幅和传播距离组成的离散点进行曲线拟合，并对应力波信号进行频谱分析和滤波处理，研究应力波的衰减特性。试验结果表明，应力波振幅随传播距离的增加而减小，且在数值上呈乘幂衰减；应力波衰减系数和应力波频率成正比，数值上呈三次多项式关系，高频成分应力波衰减更加明显。利用试验数据，分别计算出深部复杂采空区岩体和上部絮渣岩体的平均品质因子，计算结果分别为4.055和2.478，两者远小于一般原岩的岩体品质因子，说明复杂采空区和絮渣的存在对应力波的传播有很大影响。
关键词：微震试验；复杂岩体介质；波速；衰减特性；Q值
湿陷性黄土地区桥梁桩基工后沉降计算方法研究



刘争宏，郑建国，张继文，戚长军
（机械工业勘察设计研究院，陕西 西安 710043）
摘 要：针对高速铁路工后沉降要求严格，湿陷性黄土地区桩基由于浸水引起的附加沉降计算研究不充分的现状，以现场大型桩基浸水试验结果为基础，分析了桩基浸水附加沉降的产生机理，提炼出湿陷性黄土地区高速铁路桥梁桩基工后沉降计算模型，提出了工后沉降计算方法。研究表明，浸水附加下沉是湿陷性黄土地区桥梁桩基需主要考虑的工后沉降，工后沉降可能比工前沉降大得多，桩身压缩沉降是沉降的主体，混凝土蠕变在沉降计算中不可忽略；通过荷载传递理论计算浸水前桩身轴力分布，假定浸水后桩侧阻力和桩端阻力同步发挥获得浸水后的桩身轴力分布，据此可分别计算构成工后沉降的桩身弹性压缩、桩身蠕变和桩端沉降。
关键词：高速铁路；湿陷性黄土；桩基；工后沉降；桩基浸水试验
Pb(II)、Cu(II)、Cd(II)在黄土上二元竞争吸附特性研究
刘晶晶¹，唐晓武¹，王 艳^{2 *}
(1.浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心，浙江杭州 310058；2.宁波大学建筑工程与环境学院，浙江 宁波 315211)
摘 要：铅、铜、镉是3种具有代表性的重金属污染物，可用于模拟多重离子复合污染情况。研究了离子浓度、土水比等因素对3种元素在黄土上二元竞争吸附特性的影响。等温吸附模型Langmuir、Freundlich和D-R模型都能在一定程度上解释Pb(II)-Cu(II)、Pb(II)-Cd(II)、Cu(II)-Cd(II)在黄土上的竞争吸附性能。黄土对Pb(II)、Cu(II)、Cd(II)的选择顺序为Pb(II)＞Cu(II)＞Cd(II)。相比单一吸附，黄土对每种离子的吸附容量均有不同程度的下降。溶液的初始浓度越大，3种离子在单位黄土上的最大吸附量也随之增大，吸附效率随之降低；适当增大土水比可提高离子的去除效率。试验结果为黄土作为防污屏障和污水处理材料提供了依据。
关键词：Pb(II)；Cu(II)；Cd(II)；黄土；重金属污染；竞争吸附
下穿隧道–土–地表邻近框架结构相互作用体系
地震响应初步分析



王国波¹，于艳丽²，何 卫²
(1. 武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070；2 武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070)
摘 要：在中国城市轨道交通快速发展的推动下，隧道等地下结构近距离下穿地表建筑物的案例越来越多。对于相互穿越工程，较多的关注在于隧道等地下结构动态施工对地表建筑物安全的影响，而忽视了隧道建成后对被穿越的地表临近建筑物抗震性能的影响。拟结合某实际工程，建立盾构隧道–土体–地表邻近框架结构相互作用体系二维数值计算模型，对比分析隧道与邻近框架结构相互之间地震响应影响规律。计算分析表明：①隧道的存在使隧道两侧土体表面出现一个地震响应放大区；②下穿隧道对地表框架结构的地震响应有部分影响，但影响程度有限；③地表结构的存在对隧道结构地震响应的影响较小，可忽略不计。研究成果可为地下结构的规划以及地表结构与地下结构的抗震设计提供参考。
关键词：盾构隧道；穿越工程；隧道–土体–框架结构相互作用体系；地震响应
内含空腔围岩中气体渗流动力学问题的解析计算与
试验研究
钟 巍，田 宙，王铁良，王占江
(西北核技术研究所，陕西 西安 710024)
摘 要：以内含空腔的围岩为研究对象，考虑围岩中裂隙度、孔隙度和渗透率等主要因素的影响，忽略次要因素的影响，进行了气体渗流问题的理论研究。基于达西定律，经分析推导，得到了计算内含空腔围岩中气体渗流问题中气体渗透量和气体渗流到达时间等重要参数的解析公式。开展了花岗岩气体渗流试验，将TNT炸药置于花岗岩内部空腔中引爆，以气体产物CO作为示踪气体，测量了其在围岩中的渗透量和渗流到达时间。使用推导的解析公式对试验进行了计算，计算结果表明，解析公式能够快速而准确地计算从内部空腔渗流到围岩介质中的气体体积和气体渗流到达时间。使用推导的解析计算公式估算围岩中气体渗流问题，计算方便快捷，对于实际工程遇到应急问题时，具有较好的实用性。同时，基于理论分析得到的解析计算公式，可以为数值模拟结果的验证和试验研究的设计提供有益的参考。
关键词：内含空腔围岩；气体渗流；达西定律；解析计算；花岗岩渗流试验
高吸力下高庙子钙基膨润土的土水–力学特性
孙文静，孙德安，刘仕卿，方 雷
(上海大学土木工程系，上海200072)
摘 要：高庙子钙基膨润土具有明显的湿胀干缩特性，吸力变化会引起持水状态和孔隙比的变化。用蒸汽平衡法测得高吸力段（3～287 MPa）高庙子钙基膨润土的土水特性和变形特性。分析比较了吸力路径、试样初始孔隙比、应力加载历史以及土体结构对土水特性、变形及吸力应力的影响。研究表明，脱湿和吸湿过程中孔隙比的差异会引起体积含水率和饱和度的滞回。饱和度与吸力间关系受试样初始孔隙比和孔隙结构影响较大，与应力加载历史无直接关系。由吸力引起的吸力应力随吸力的增大而非线性增大，并在较高吸力时趋向于一定值。吸力应力受吸力路径、初始孔隙比以及孔隙结构的影响。
关键词：高庙子钙基膨润土；蒸汽平衡法；土水特征曲线；吸力应力；平均骨架应力
列车移动荷载下高速铁路板式轨道路基动力性态的
全比尺物理模型试验
蒋红光¹，边学成^1*，徐 翔¹，陈云敏¹，蒋建群²



(1. 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；2. 浙江大学水工结构和水环境研究所，浙江 杭州 310058)
摘 要：列车移动荷载下高速铁路板式轨道路基的振动特性和动力荷载传递规律对高速铁路的设计和运行维护十分重要。介绍了一种全比尺的高速铁路板式轨道路基模型和可模拟真实列车荷载高速移动的分布式加载系统，最高模拟列车速度可达360 km/h。基于该模型试验平台，对中国高速列车以不同速度运行下板式轨道路基的振动和动应力特性进行了试验研究。结果表明轨道结构的振动随着车速的提高近似呈线性增加的趋势；路基结构的振动存在阶段性，列车速度低于180 km/h时振动速度增长缓慢，而后随着速度的增加迅速增大；基床表层的碎石层对振动在路基中的传播有很好的吸收作用。试验发现，尽管无砟轨道路基表面的动应力水平远低于有砟轨道，但无砟轨道路基动应力沿深度的衰减速度要缓于有砟轨道。试验进一步发现，无砟轨道路基动应力的增长模式与列车速度和土体所处深度均有关，基于试验结果提出了用于预测高速铁路路基动应力的经验表达式。
关键词：高速铁路；全比尺模型试验；分布式加载系统；振动速度；路基动应力
端锚式锚杆–围岩耦合流变模型研究
王 刚^1，2，刘传正¹，吴学震^1，2
（1. 山东省土木工程防灾减灾重点实验室（山东科技大学），山东 青岛 266590；2. 矿山灾害预防控制省部共建国家
重点实验室培育基地（山东科技大学），山东 青岛 266590）
摘 要：针对端锚式锚杆–围岩结构体在长时条件下支护作用的演化机制，建立了端锚式锚杆–隧洞围岩耦合作用的结构模型。进行了结构模型的基本假设：①圆形隧洞；②深埋；③各向等压原岩应力；④均质且各向同性黏弹性围岩模型；⑤一维黏弹性锚杆模型；⑥锚杆对围岩作用力整体为面力。基于基本假设建立了端锚式锚杆–围岩耦合流变理论模型。假设围岩和锚杆均为Maxwell模型时，求解了圆形隧洞围岩应力和位移的径向分布随时间变化的解析解，获得了锚杆轴力随时间演变的理论公式。基于锚杆（索）流变模型，进行了FLAC^3D数值模拟软件的二次开发；并通过数值模拟与理论计算的对比分析验证了理论模型的合理性，分析了端锚式锚杆–围岩耦合流变规律及其影响因素。该模型对于研究地下隧洞的流变力学行为，分析锚固支护结构的长期稳定性，指导工程支护设计具有重要的基础理论价值。
关键词：流变模型；锚杆支护；圆形隧洞围岩；黏弹性；解析解
基于强度试验的五轴水泥土搅拌桩新技术研究
赵春风^1，2，邹豫皖^1，2，赵 程^1,2，谢晓东³，周玉石³
（1. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；2. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；
3. 上海城地建设股份有限公司，上海 200062)
摘 要：针对中国国内水泥土搅拌桩施工工艺存在的问题，研究开发了五轴水泥土搅拌桩新技术。该技术在施工过程中具有机械化程度高、成本低、工期短、环境污染少等特点，为了分析五轴搅拌桩加固软土地基以及基坑围护中的处理效果，在同一场地进行了五轴水泥土搅拌桩和二轴、三轴水泥土搅拌桩取芯检测和室内无侧限抗压强度试验。试验结果表明，在各土层中，三轴水泥土搅拌桩的桩身强度值较低，且离散性较大，二轴水泥土搅拌桩的强度较好，但不同龄期的强度值离散性变化较大，而五轴水泥土搅拌桩的强度值最高，离散性也较小，具有良好的推广和应用前景。
关键词：五轴水泥土搅拌桩；施工工艺；取芯检测；无侧限抗压强度
围岩稳定性评判方法适用范围探讨
李 宁^1，2，张承客¹，刘乃飞¹
(1. 西安理工大学岩土工程研究所，陕西 西安 710048；2. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000)
摘 要：基于修正芬纳公式建立了围岩稳定性评判新方法，该方法基于轴对称模型建立径向位移解析表达式。轴对称的基本假定就是圆形洞室，静水压力和均匀初始应力场，各向同性和均匀围岩条件。通过系统分析轴对称假定条件的偏差范围对围岩稳定性判断方法的适用范围进行研究。基于经典的遵循莫尔–库仑屈服准则理想线弹塑性围岩中的洞室开挖问题，分析了各项异性和非均匀性的初始应力场及城门洞型洞室对洞壁变形的影响。研究结果对围岩稳定性评判方法的合理使用范围、精度与轴对称围岩条件提出了量化评价范围。
关键词：地下洞室；稳定性评判方法；非均匀初始应力场；各向异性初始应力场；非圆形洞室
温度梯度冻土蠕变变形规律和非均质特征
赵晓东，周国庆
（中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008）
摘 要：采用K₀DCGF（K₀固结—保持荷载冻结—形成温度梯度—再试验）方法，开展不同温度梯度冻结饱和黏土三轴蠕变试验，研究冻土蠕变变形规律和温度梯度诱导的冻土非均质特征。结果表明：K₀DCGF模式中温度梯度冻结饱和黏土蠕变曲线由瞬时蠕变、衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变4个阶段组成；温度梯度冻土径向蠕变速率小于轴向蠕变速率；温度梯度冻土最小轴向蠕变速率与蠕变应力之间满足指数函数关系，而长期强度极限与蠕变破坏时间之间则满足对数函数关系；梯度温度冻结过程中的水分场重分布和试验后冻土变形的非均匀分布是K₀DCGF蠕变试验中“温度梯度诱导的冻土非均质性”的重要体现；蠕变试验后温度梯度冻土冷端含水量最高，密实度最大；蠕变试验后温度梯度冻土宏观径向变形/试样高度沿试样高度方向分布随蠕变应力增加由先增加后降低规律逐步演化为持续增加规律，这一现象与冻土初始瞬时蠕变速率密切相关。
关键词：温度梯度；冻结饱和黏土；蠕变变形；非均质
基于透明土材料的沉桩过程土体三维变形模型试验研究
曹兆虎^{1, 2}，孔纲强^{1, 2}，刘汉龙^{1, 2}，周 航^{1, 2}



（1. 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 210098；2. 河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098）
摘 要：为了对沉桩过程中桩周土体内部的变形特性进行非插入式测量，利用正十二烷、十五号白油混合液和玻璃砂合成透明土，并在此基础上设计了沉桩模型试验系统；该系统包括激光器、线性发生器、CCD（charge-coupled device）相机、沉桩加载仪和计算机等。激光经线性发生器转化后将透明土样切分，形成土体内部颗粒切面，CCD相机连续拍摄沉桩过程中该切面的图像，并通过计算机中图像处理软件进行分析，得到该切面变形前后的变形位移场。通过与数值模型的对比分析，验证模型试验结果的可靠性。对多个切面变形前后的位移场进行分析，从而得到沉桩过程中土体变形的完整三维变形场。试验结果表明，试验条件下沉桩水平挤土位移影响范围为8R；与常规模型试验方法相比，方法实现了土体内部变形的三维测量，有助于了解土体在各种荷载条件下的变形机理。
关键词：透明土；模型试验；沉桩；三维位移场