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岩土力学
中国科学院武汉岩土力学研究所
岩土力学

中国科学院武汉岩土力学研究所

白世伟

月刊

1000-7598

ytlx@whrsm.ac.cn

027-87198484

430071

湖北省武汉市小洪山中科院武汉岩土力学研究所

岩土力学/Journal Rock and Soil MechanicsCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊是全国中文核心期刊、美国《工程索引》（EI）收录期刊，同时也是中国科学引文数据库、中国科技论文统计源期刊，且为《中国期刊网》、《中国学术期刊（光盘版）》、《万方数据库》、重庆维普全文收录，欢迎读者通过期刊网查阅本刊内容。本刊主要报道岩土力学与工程研究和工程获得的新理论、新成果、新方法。
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    基于分形理论的岩体粗糙裂隙中溶质运移预测模型研究

    苗柯韩黄勇马晓凡王超琦...
    2527-2538页
    查看更多>>摘要：为研究裂隙面粗糙度对粗糙裂隙中溶质运移过程的影响,以及粗糙度对水动力弥散系数DL和溶质运移速度Vt的控制作用,基于分形理论计算了不同裂隙的粗糙度和定水头下的水力开度,讨论了裂隙面粗糙度对粗糙裂隙中溶质运移过程的影响以及不同分形维数裂隙的渗流量和流速.通过耦合Navier-Stokes方程和对流-扩散方程(advection-diffusion equation,简称ADE)获得了裂隙中溶质运移穿透曲线,利用ADE经典解析解耦合直接模拟的穿透曲线,得到了水动力弥散系数DL和溶质运移速度Vt,讨论了 DL和Vt对溶质的控制作用及其与粗糙度的相关性,建立了基于分形理论的粗糙裂隙中溶质运移预测模型,并将该模型与直接模拟和基于几何特征的预测模型进行了对比验证.研究结果表明:分形维数D和幅度参数Kv表征裂隙面粗糙度的效果较好,DL和Vt与分形参数DKv的相关性较高,所建立模型对于岩体粗糙裂隙中的溶质运移模拟具有很好的适用性和准确性.

    岩石力学粗糙岩体单裂隙溶质运移裂隙粗糙度分形理论

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    复杂应力路径下的花岗岩洞室开挖损伤区研究

    王贵宾刘桓兑唐明豪杨春和...
    2539-2553页
    查看更多>>摘要：在储库的建设与运行过程中,复杂的应力路径是控制围岩损伤的主要因素.然而在围岩的损伤区研究中,应力路径仍未得到充分考虑,特别是忽略了主应力轴旋转在围岩损伤中的作用.基于岩石扭剪仪开展岩石主应力轴旋转试验,利用断裂力学理论对裂隙的尖端应力场进行了分析.结果表明,应力旋转会提高裂隙尖端的拉应力以促进裂隙的进一步发育,从而导致岩体强度的降低,且降低幅度与旋转角度呈明显的正相关关系.基于上述结果提出了一种考虑应力旋转的损伤演化表征法,在岩体最大偏应力超过第一次起裂应力后,对主应力轴任意方向的旋转角度进行累加,得到累计有效旋转角度.利用其随深度变化规律实现开挖损伤区(excavation damage zones,简称EDZs)的圈定,同时利用损伤区的最大深度和超过第2次起裂应力的偏应力范围划定剥落区.该方法综合考虑了应力路径中主应力的幅值与旋转角度的变化,更加全面地反映了围岩损伤演化机制,并通过Mine-by隧道数值模型与现场监测数据的对比进行了有效性验证.本研究可以为理解围岩损伤机制和预测围岩损伤范围提供新思路.

    应力路径开挖损伤区(EDZ)花岗岩起裂应力应力旋转

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    碳酸酐酶增强微生物矿化固土效果的试验研究

    刘鹏曹源兴程钰白云波...
    2554-2564页
    查看更多>>摘要：为了提升微生物固化砂土的效果,从自然界微生物主动参与碳循环、激发碳化现象中得到启发,利用碳酸酐酶(carbonic anhydrase,简称CA)能显著提高CO2水合反应速率(提高108倍),促进脲酶(urease,简称UA)分解尿素生成的CO2迅速水合形成大量CO32-的特性,设计并进行了碳酸酐酶增强微生物矿化固化砂土试验,综合宏观物理力学试验和微细观检测,系统分析了碳酸酐酶对微生物固化砂土的增强效果及增强机制.结果表明:(1)碳酸酐酶能够显著提高砂土微生物加固过程中的胶结物产量,碳酸酐酶菌掺量在4％左右达到最佳,与常规微生物诱导碳酸盐沉淀(microbial-induced carbonate precipitation,简称MICP)相比,胶结物生成量提高了 105.3％.(2)碳酸酐酶的掺入提高了固化体的抗压强度和抵抗变形能力,在0.25％～4.00％掺量范围内,固化土样的无侧限抗压强度随碳酸酐酶菌掺量的增加而增大.当掺量为4.00％时固化土样的强度达到1.915 MPa,为常规MICP固化试样强度的8.54倍.(3)碳酸酐酶没有改变MICP过程的产物,仍是方解石.但在添加了 CA后,方解石的晶粒尺寸更大,六面体形状更规范,力学性能也更好.(4)在MICP过程中,脲酶和碳酸酐酶相互协同沉淀碳酸钙固化砂土.碳酸酐酶可以显著加速脲酶分解尿素生成的CO2水合并形成HCO3-和CO32-的速率,为矿化物沉降提供更有利的条件.

    碳酸酐酶微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)矿化脲酶水合反应力学性能

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    考虑级配影响的粗粒土-格栅最优网格尺寸试验研究

    蒋明杰李泽懿吉恩跃刘宇菠...
    2565-2572,2582页
    查看更多>>摘要：土工格栅作为土石坝常用的加筋材料,根据颗粒级配采用适合的格栅网格尺寸可显著提高土石坝抗震性能,探究级配影响下最优网格尺寸变化规律具有工程意义.基于连续级配的级配方程,通过改变最大粒径dmax和级配面积S,设计15组级配土料,采用4组不同网格尺寸La对各个土料加筋,做成60组加筋试样.利用大型直剪仪对各个试样进行循环剪切试验,从而定量研究级配与能使加筋粗粒土抗震性能达到最优的土工格栅网格尺寸之间的关系.试验发现,当dmax及La一定时,级配面积存在一个最优值使抗震性能达到最佳,将此定义为最优级配面积Sopt;当网格尺寸一定时,Sopt随dmax增大而增大,两者之间呈明显的对数关系;当dmax一定时,Sopt随La增大而减小,两者之间也呈明显的对数关系.建立定量描述dmax和La对最优级配面积Sopt的耦合影响的计算模型,并结合工程实际,提出基于室内试验结果预测现场粗粒土原级配对应最优网格尺寸的经验公式.

    粗粒土土工格栅颗粒级配循环剪切最优网格尺寸

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    基于孔内剪切试验的游离氧化铁对红黏土抗剪强度影响研究

    冉宇玲张文博柏巍孔令伟...
    2573-2582页
    查看更多>>摘要：游离氧化铁的胶结作用及其与土颗粒形成的特殊结构与红黏土力学性能密切相关.为了研究原位状态下游离氧化铁对红黏土力学性质的影响,采用连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-重碳酸钠(dithionite-citrate-bicarbonate,简称DCB)溶液对红黏土中的游离氧化铁进行选择性溶解,再结合孔内剪切试验(borehole shear test,简称BST)获得了不同除铁效果下各深度处的红黏土抗剪强度指标.结果表明,游离氧化铁含量FIOC(free iron oxide content)与DCB溶液浸泡时间具有较好的相关性,其特点是除铁速度前期快、后期慢.由BST试验得到红黏土应力-位移关系曲线呈应变硬化变形特征;在同一测试深度下,红黏土抗剪强度随着浸泡时间的递增而降低,浸泡4 d的抗剪强度降幅已达整个试验降低幅度的79.0％左右,再继续浸泡其抗剪强度降低幅度逐渐趋缓;在同一浸泡时间和测试深度下,红黏土的抗剪强度随着法向应力的增大而增大;在同一浸泡时间和法向应力下,红黏土的抗剪强度随着深度的增加而增加;随着浸泡时间的增加,以"包膜"、"桥"或"单粒"的形式赋存的游离氧化铁逐渐被去除,微观上表现为红黏土结构性被破坏,原本致密、紧凑结构出现孔隙、裂隙、疏松的情况,宏观上表现为红黏土力学强度的降低.

    孔内剪切试验游离氧化铁红黏土抗剪强度

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    单轴压缩下薄喷裂隙红砂岩力学性质与裂纹扩展特征分析

    韩勇李树忱袁超冯现大...
    2583-2594页
    查看更多>>摘要：选取红砂岩为研究对象,采用水泥基薄喷材料,制作完整和裂隙红砂岩薄喷岩石试样,研究在单轴压缩条件下薄喷材料对完整和裂隙红砂岩强度、变形和能量演化特征的影响;采用颗粒流PFC3D软件,分析薄喷材料对不同裂隙倾角试样裂纹扩展特征的影响.结果表明:薄喷红砂岩试样的峰值强度和应变较无薄喷红砂岩均有提高,裂隙试样的提升系数高于完整试样;峰后阶段薄喷岩石试样内部岩石发生破坏,表面薄喷材料出现拉伸裂纹,但整体未松散.薄喷红砂岩在破坏时的总能量、弹性应变能和耗散能均高于无薄喷试样,且薄喷材料使外部输入的总能量更多转化为破坏过程所需的耗散能.PFC3D模拟结果表明,薄喷材料增强了不同倾角的裂隙试样的起裂应力和峰值强度.薄喷材料对不同裂隙倾角试样的破坏模式影响程度不同,当裂隙倾角为15°,薄喷材料可以限制峰后拉伸裂纹扩展;但当裂隙倾角为75°,有无薄喷试样的裂纹扩展模式大致相同.该研究可为薄喷材料在工程应用提供一定的参考.

    薄喷材料裂隙红砂岩强度特征能量演化破坏模式裂纹扩展

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    基于非线性Hvorslev面的超固结土层隧道掌子面稳定性分析

    石修松周高涨刘磊磊
    2595-2610页
    查看更多>>摘要：受沉积历史的影响,天然土层通常表现出一定程度的超固结特性,对土体强度具有显著的影响.然而,传统分析方法无法直接反映土体的超固结特性对隧道掌子面极限支护力的影响.引入非线性Hvorslev面描述地层土体的强度特性,通过切线技术得到土体的等效的摩尔-库仑强度参数,将其应用在修正后的三维坍塌机制分析,得到了超固结比随深度变化的黏土层中隧道掌子面的极限支护力.通过将模型退化形式与经典的模型计算结果进行对比,验证了所提方法的合理性.超固结土层中隧道掌子面极限支护力σc与土层超固结比、隧道直径D、回弹曲线斜率κ*与压缩曲线斜率λ*之比κ*/λ*、孔隙水压系数ru、侧压力系数K0、隧道深径比C/D和临界状态应力比M等因素相关.计算结果表明,随着超固结比增大,掌子面坍塌范围和相应的极限支护力σc减小.当土体超固结比OCR不变时,σc与D、κ*/λ*和ru呈正相关,而与K0、C/D和M呈负相关.当土体超固结比较高时,σc受κ*λ*的影响较为显著;当超固结比较低时,σc对C/D和K0的敏感度较高.在超固结土层中设计隧道掌子面支护力时,应根据实际工况综合考虑土体的应力历史、超固结比、隧道尺寸和埋深等因素.

    隧道掌子面极限支护力非线性Hvorslev面超固结比极限分析

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    阳离子交换量对膨润土层间水化影响的试验研究

    郝丰富马田田于海文韦昌富...
    2611-2620页
    查看更多>>摘要：膨润土因其具有强烈的膨胀性、极低的渗透性通常被用作防渗以及缓冲材料.阳离子交换量是影响膨润土的微观结构一个重要参数,进而会改变膨润土的膨胀性能以及水力和扩散特性.通过将改性后的锂基膨润土加热到不同温度,制备了一系列阳离子交换量逐渐降低的减电荷膨润土.采用核磁共振技术和X射线衍射技术获得了减电荷膨润土在不同含水率下的孔隙水分分布特征以及层间距变化,分析了阳离子交换量对膨润土层间水化的影响机制.研究表明,随着阳离子交换量的减小,可膨胀层的数量减少,导致膨润土的液限降低.根据核磁共振获得的横向驰豫时间乃分布曲线提出了一个确定可膨胀层比例的初步方法,该方法获得的结果与可交换阳离子降低的比例是非常接近的.

    阳离子交换量减电荷膨润土层间水化可膨胀层数量核磁共振

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    岩体暴露面图像中裂隙全自动提取方法研究

    吴金吴顺川孙贝贝
    2621-2632页
    查看更多>>摘要：裂隙显著影响岩体物理与力学性质,针对从岩体暴露面图像中自动提取裂隙存在的提取结果不完整、信噪比低,以及提取方法经验参数多、鲁棒性差等问题,提出一种全自动裂隙提取优化程序.首先,通过引入广义伽马校正初步提升裂隙与岩壁面对比度;其次,考虑裂隙路径像素间相互影响,设计灰度传递算法提升裂隙连续性;最后,通过改进Frangi滤波器提取裂隙并充分抑制噪音像素响应.结果表明:该程序充分融合了裂隙低灰度和高线型两大特征,图像增强与裂隙提取两阶段协同运作,显著改善了裂隙对比度不均问题,在较完整提取裂隙的同时还能够有效防止噪音与伪裂隙的产生,对多种岩体暴露面图像均具有很高的鲁棒性.将该方法与常用的裂隙识别算法进行比较,展现了该算法流程在处理低对比度、高噪声岩体裂隙图像方面的显著优势.

    岩体暴露面裂隙自动提取数字图像处理灰度传递算法Frangi滤波

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    裂隙煤岩组合体单轴压缩力学响应及失稳机制

    陈光波唐薇李谭王创业...
    2633-2652页
    查看更多>>摘要：煤岩系统中煤层与岩层之间的层间薄弱带是裂隙分布的主要区域,这些裂隙贯穿于两岩层,严重影响着煤岩系统的力学性质与工程稳定.为探究贯穿裂隙对煤岩系统力学性质的影响,对5种裂隙长度、5种裂隙角度的裂隙煤岩组合体开展轴向加载试验,结果表明:(1)随裂隙长度的增加,抗压强度、弹性模量、峰值能量、冲击能量指数呈线性减小.随裂隙角度的增大,抗压强度、弹性模量、峰值能量、冲击能量指数先减小后增大.(2)试样破坏声发射活动均经历平静期、活跃期、剧烈期3个阶段.随裂隙长度的增加,声发射累计能量先增加后减小.随裂隙角度的增大,声发射峰值能量和累计能量先增大后减小.(3)裂隙长度和角度对翼裂纹、次生倾斜裂纹、次生共面裂纹、斜裂纹、次生衍生裂纹、翼裂纹衍生裂纹、远场裂纹以及剥落现象有一定影响.(4)随裂隙长度的增加,黏聚力和内摩擦角逐渐降低.随裂隙角度的增加,黏聚力和内摩擦角先减小后增大.(5)构建了考虑裂隙长度和裂隙角度的Drucker-Prager强度准则,合理性验证发现:试样误差在1.367％～5.055％合理范围之内.(6)基于耗散结构理论,分析了组合体失稳破坏机制,组合体破坏主要经历了准稳态、亚稳态、失稳、新稳态4个阶段;构建了裂隙煤岩组合体能量运移模型,分析了裂隙煤岩组合体失稳破坏过程中的能量运移规律.裂隙两端是能量积聚的主要区域,煤组分裂隙端破坏时,一部分能量运移到岩石组分裂隙端,以岩石组分破坏或变形的形式释放出去.研究结果可为探究深部煤岩力学性质、揭示煤岩动力灾害发生机制提供有益参考.

    预制裂隙煤岩组合体力学响应能量运移试验研究

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