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关键词： 堤坝加固   高聚物防渗墙   渗透系数   约束随机场   可靠度分析  

摘要： 在堤坝工程中，高聚物防渗墙作为一种创新性防渗加固方法，因其高效安全性而被推广应用，并取得了显著成效。然而，由于试验、量测及施工等客观条件或人为因素的影响，堤坝材料参数存在一定的随机性，这对堤坝渗流计算分析的影响不容忽视。当前，在高聚物防渗墙堤坝模拟研究中，随机参数模型通常采用完全随机场方法进行构建。该方法使用统计学信息构建，忽略了测点的位置信息，可能偏离实际的工程情况，从而限制堤坝安全评估的准确性。针对现有研究的不足，基于不确定性理论对高聚物防渗墙堤坝渗流性态进行深入研究。采用渗透系数的约束随机场模型分析高聚物防渗墙堤坝的渗流性态，并基于模糊分析方法展开渗流可靠度分析，揭示了渗透系数约束随机性对高聚物防渗墙堤坝渗透破坏概率的影响规律，为堤坝的安全防护提供了更为科学、准确的理论依据。主要研究工作及结论如下:　　(1)针对当前研究中坝体渗透系数空间结构和分布趋势考量不足的问题,利用参数场模型深入探讨了两种随机场方法，阐明了充分利用参数信息来建立约束随机场的重要性。首先，通过随机场的离散、抽样方法与自相关函数的选择等步骤，构建了完全随机场模型;再采用Kriging法得到条件参数插值场，并与完全随机场相结合构建约束随机场模型，实现了考虑各向异性条件下的堤坝参数场模拟。研究表明:水平方向变异性大于垂直方向的各向异性随机场模型更符合分层碾压施工的一般均质土坝情况。约束随机场通过引入测点信息，显著增强了对全局参数的约束，从而得到更加精确的参数结果。相比完全随机场的全局无差别随机，约束随机场方法更加适用于已知存在薄弱部位的堤坝工程情况。　　(2)针对完全随机场模型在分析参数变异性影响时的局限，通过渗流指标的对比，验证了考虑约束随机性的必要性，并揭示了渗透系数变异性对渗流性态的影响。基于完全随机场和约束随机场方法，分别对有无高聚物防渗墙的土质堤坝模型进行渗流计算，探究了渗透系数变异性对渗流性态的潜在影响，并分析了高聚物防渗墙在参数变异性条件下的防渗性能。通过对比两种随机场方法的渗流模拟结果，阐明了不同随机场方法的差异性和适用情况。研究表明:当坝体渗透系数变异性较小时，两种随机场方法均可能为有效方法，但在变异性较大且具备可靠测点信息的情况下，建议使用可靠性更强的约束随机场。此外，渗透系数变异性对堤坝的渗流场影响较为显著，但对高聚物防渗墙的防渗效果几乎无影响。　　(3)针对未定量分析高聚物防渗墙堤坝的渗流安全可靠度及其除险效果的问题，基于渗流模拟结果，考虑模糊性开展了堤坝渗流安全与高聚物防渗墙除险加固效果的量化评价。通过对比常见的参数估计与非参数估计方法，建议以适应性更强的Kernel密度估计来模拟坡降概率密度函数。对比传统失效概率计算方法的结果，分析了模糊分析方法对不同随机场方法的适用性以及渗流评价结果的合理性。通过比较有无高聚物防渗墙的堤坝失效概率量化了高聚物防渗墙的除险加固效果，并依据整体和局部的渗透破坏失效概率得出相关结论。研究表明，在渗流安全评价中，约束随机场堤坝模型采用模糊分析方法更加合理，而完全随机场模型只能使用传统的失效概率计算方法，模糊分析方法失效。此外，对于坝体渗透系数变异性引起的渗透破坏风险，高聚物防渗墙具有显著的防护作用。但在防范局部风险时，应当进一步采取针对性手段，如坡脚处需要配合下游排水设施或设置多层防渗墙以增强防护效果。

关键词： 拉森钢板桩   高压旋喷桩   基坑变形   渗流效应   数值模拟  

摘要： 富水地区的基坑支护结构需要同时考虑挡土和止水两个方面,支护桩与止水帷幕的联合作用是一种常见的基坑设计方案。拉森钢板桩与高压旋喷桩复合支护结构可以有效解决基坑支护和施工过程的止水问题。但在现行的研究中,对联合体中止水帷幕的挡土作用和拉森钢板桩止水的叠加作用研究较少。为提高工程的经济效益和施工安全,需深入研究拉森钢板桩与高压旋喷桩复合支护结构对基坑支护与止水效应。本研究以邯郸市赵王大街地下综合管廊深基坑工程为背景,采用理论分析、现场监测、有限元模拟相结合的手段,开展高压旋喷桩与拉森钢板桩联合作用下对基坑支护与止水效应研究。主要内容及结论如下: (1)监测现场数据并与模拟结果进行对比分析。根据工程概况进行数值模拟,结合实际监测结果验证了模型的有效性,研究高压旋喷桩止水帷幕和拉森钢板桩联合作用下水平位移、地表沉降、钢支撑轴力及土压力的变化规律。 (2)基坑和钢板变形研究。优化高压旋喷桩的参数,模拟分析研究高压旋喷桩的排数、深度以及高压旋喷桩与拉森钢板桩之间的距离对基坑和拉森钢板变形的影响规律。结果表明:改变高压旋喷桩的排数,对基坑支护和抑制基坑变形的效果明显;调整高压旋喷桩的深度,对基坑支护的效果不明显,抑制基坑变形效果一般;改变高压旋喷桩与拉森钢板桩的不同间距,对基坑有一定的支护效果,抑制基坑变形的效果不明显。 (3)基坑渗流场和渗流效应研究。优化高压旋喷桩的设计参数,模拟分析高压旋喷桩设计参数变化对基坑降水的止水效果,研究高压旋喷桩和拉森钢板桩联合体对渗流场和基坑渗流效应的影响规律。结果表明:从零排桩到单排桩,渗流效应减少,但继续增加排数,对基坑的渗流影响减弱;调整高压旋喷桩深度,对基坑的渗流产生积极影响,渗流效应减少,但达到17m后,止水效果平稳;改变高压旋喷桩与拉森钢板桩的不同间距,在从0.9m增加到1.2m时,对基坑的渗流产生积极影响,超过1.2m对基坑的渗流产生消极影响,渗流效应增强。

关键词： 堆石混凝土   施工缝   自密实混凝土   抗剪强度   界面过渡区  

摘要： 堆石混凝土(Rock-Filled Concrete,RFC)由堆石体形成的骨架和自密实混凝土(Self-Compacting Concrete,SCC)填充的基体两部分组成。作为大体积混凝土,堆石混凝土通常采用分层浇筑的方式分解施工,层间的施工缝处理成为了堆石混凝土工程施工中的重点,如果不能妥善处理会严重降低结构的安全性和耐久性。层间堆石和自密实混凝土的胶结面均是影响施工缝层面的力学性能的重要因素。为此,本文结合室内试验和数值模拟,选取层间浇筑间隔时间、层间堆石及其放置角度和露出高度等层间特征变量,开展了堆石混凝土施工缝层间力学性能试验。主要研究内容及研究成果如下: (1)制备含有施工缝的堆石混凝土和自密实混凝土试样,进行单轴压缩试验和直接剪切试验,获得层间堆石特征和自密实混凝土胶结面特征的变化对施工缝层间抗压强度和抗剪强度的影响规律。结果表明:施工缝的抗压强度和抗剪强度因层间堆石的加入均得到提升,但随着层间堆石放置角度的增加和层间浇筑间隔时间的增大均有所下降,且抗剪强度的下降趋势更为明显。当间隔时间超过约10小时或层间堆石放置角度超过40°后抗剪强度开始低于不含施工缝的SCC试样。 (2)利用三维重建技术得到剪切后的施工缝界面,并选取三维节理面粗糙度系数的表述方法进行形貌分析,剖析层间堆石放置角度对施工缝破坏形态的影响。结果表明:施工缝界面粗糙度随着层间堆石放置角度增大而提升,主要表现为层间堆石剪切面离预制施工缝水平面的距离逐渐加大,以及层间自密实混凝土胶结面受到磨损剪碎的程度加重。堆石剪切面的脱离使得堆石受剪面积减小,界面过渡区受剪面积增加,从而促使抗剪强度下降。 (3)建立堆石混凝土剪切试验模型并对材料参数赋值,基于对数值模型的可靠性验证,探究了层面堆石露出高度比例对堆石混凝土施工缝抗剪强度的影响,结果表明:施工缝的抗剪强度随着层面堆石露出高度的降低而减小,堆石高度降至1/4后,其抗剪作用被界面过渡区替代。 (4)通过对剪切数值模拟试验的应力、损伤和能量耗散结果进行分析,厘清层间堆石放置角度和层间堆石露出高度对施工缝剪切行为的影响机理。结果表明:堆石混凝土内部的弱结合面包括上下层自密实混凝土之间的胶结面和堆石骨料与自密实混凝土之间的界面过渡区,层间堆石放置角度和露出高度均通过诱发界面过渡区的断裂,阻碍层间堆石抗剪能力的发挥,从而降低施工缝抗剪强度。

关键词： 带冷缝混凝土   能量演化   硫酸盐侵蚀和干湿循环   浇筑间隔   剪切破坏   侵蚀机理  

摘要： 大体积混凝土建筑物(如桥梁、水电站、大坝、路面等)在实际施工过程中,由于其施工组织、施工工艺的要求及诸多不可避免的因素(如混凝土原材料供应中断、施工操作不当,恶劣天气等),可能会无法实现混凝土的连续浇筑,新老混凝土的浇筑间隔超过了老混凝土的初凝时间,致使预制混凝土的质量较差,出现了不完美的施工缝,即所谓的冷缝,广义上来说,带冷缝混凝土就是短浇筑间隔的新老混凝土。而冷缝面作为此类混凝土结构中的薄弱面,会直接影响其耐久性能。因此,本文针对硫酸盐环境下带冷缝混凝土细观侵蚀机理及冷缝面剪切特性演化规律进行相关探究,主要结果如下: (1)制作了不同浇筑龄期间隔的混凝土试样,基于单轴压缩试验,分析了硫酸盐侵蚀和干湿循环作用下带冷缝混凝土受荷作用时的能量演化规律。基于能量计算原理’研究了硫酸盐侵蚀和干湿循环对带冷缝混凝土强度和能量演化规律的影响。结果表明:带冷缝混凝土强度及损伤应力与峰值应力处弹性应变能和耗散能均随硫酸盐干湿循环周期的增加呈先增大后减小的趋势,随着新老混凝土浇筑龄期间隔的增加呈现减小的变化趋势;定义损伤应力处弹性应变能Uead和峰值应力处弹性应变能Uea比值为带冷缝混凝土损伤应力处储能水平Kad,Kad可以作为带冷缝混凝土破坏的预警指标。随着硫酸盐干湿循环次数的增加,损伤应力处储能水平Kad先增大后减小,带冷缝混凝土发生破坏先难后易,即损伤应力处储能水平Kad越高,带冷缝混凝土抵抗损伤破坏的能力越强。 (2)在富含硫酸盐的环境中,带冷缝混凝土的抗剪强度及其组成成分随硫酸盐侵蚀和干湿循环周期的演变规律对于评估新老混凝土之间的界面质量显得尤为重要。因此,本文针对不同浇筑龄期间隔和硫酸盐干湿循环次数下的带冷缝混凝土试件进行直接剪切试验和微观电镜扫描,分析二者对混凝土抗剪强度和破坏模式的影响机制。结果表明:硫酸盐干湿循环侵蚀和浇筑龄期间隔对冷缝面抗剪强度及其组成成分存在显著影响;随着硫酸盐干湿循环次数的增加,带冷缝混凝土试件在直剪作用下的剪胀率呈现降低的变化趋势,短浇筑间隔(0～0.25 d)试件的内摩擦角先增大后减小,长浇筑龄期间隔(0.25～28 d)试件的内摩擦角呈非线性降低。随着浇筑间隔的增加,试件的剪胀率增大,内摩擦角呈非线性减小;在硫酸盐干湿循环作用下,试样剪切强度准则由侵蚀前的双线性摩尔库伦退化为为侵蚀后期的线性摩尔库伦准则。 (3)结合带冷缝混凝土宏观力学性能的变化规律,通过探究其硫酸盐侵蚀和干湿循环作用下细观孔隙结构的变化规律及微观侵蚀产物的分布,阐述了硫酸盐侵蚀和干湿循环作用下带冷缝混凝土的侵蚀机理。结果表明:浇筑龄期间隔和硫酸盐干湿循环侵蚀都会对带冷缝混凝土内部孔隙结构产生显著影响。硫酸盐干湿循环作用下,由于侵蚀产物在前期的“孔隙填充效应”和后期的“致裂效应”,带冷缝混凝土内部毛细孔占比存在先降低后增大的变化趋势。浇筑间隔较短时(0～0.5d),冷缝面作用效应不甚明显,硫酸盐干湿循环侵蚀对试样孔隙结构的变化起主导作用;当且浇筑间隔增大时(0.5～28d),仍是硫酸盐干湿循环侵蚀起主要作用,但此时冷缝面已经对初始试样的孔隙结构存在一定影响,二者耦合作用下,混凝土孔隙内部毛细孔与大孔所占比例显著增大。冷缝结构面的存在使得混凝土试样存在一定的初始损伤,降低了基体强度和相对动弹模量等力学性能指标,增加了试样内部有害孔数目;并为SO42-等有害离子提供额外的入侵路径,加快了混凝土结构在硫酸盐侵蚀和干湿循环作用下的损伤进程,且新混凝土与老混凝土浇筑间隔越久,冷缝结构面对混凝土的损伤行为越严重。

关键词： 振动压路机   非线性振动   激励参数   双参数分岔   压实能力指标  

摘要： 路基修筑是公/铁路铺建所必备的重要环节,而路基的修筑离不开振动压实技术。伴随着公/铁路里程和智能技术的高速发展,智能压实系统逐渐被提出,现有智能压实对工作参数的智能决策研究仍很欠缺,智能压实的发展离不开基于物理模型的理论研究。本文通过构建振动压路机-路基耦合系统动力学模型,分析振动轮与路基的非线性耦合响应特征,对振动轮的全参数域压实能力进行全阶段分析,为智能压实系统激励参数的选用策略进行了理论研究。 首先,为研究振动轮-路基定向压实的振动&振荡耦合响应特征,建立六自由度振动压路机-路基振动&振荡压实动力学模型。依据振动轮和路基的力学接触关系,推导振动轮与路基的动态接触力方程,将振动轮与路基的关系表征为非线性的自耦合关系。基于振动轮与路基的几何接触关系,提出振动轮与路基的纵向动态接触力系数。采用平均法计算振动轮和路基线性接触工况下耦合系统的解析解,并验证解析解的正确性。采用基于时间序列的最大Lyapunov指数思想,建立压实系统振动轮稳定性的判别方法。对全压实周期都采用恒定的激励参数,探究不同压实阶段振动轮-路基的非线性振动响应特征,为进一步分析建立研究基础。 其次,为研究不同压实阶段下,不同激励参数对振动轮耦合响应特征的影响。采用非线性动力学中的分岔理论,通过振动轮的双参数分岔图,结合不同激励参数下的单参数分岔截面图。系统地分析激励参数致耦合响应特征的影响。结果表明,该方法可以从非线性振动角度解释施工工程经验中的参数组合,即压实初期激励参数宜使用低频率高振幅组合,压实后期激励参数宜使用高频率低振幅组合。 最后,为研究不同压实阶段压实系统激励参数的优选策略,依据振动轮-路基耦合运动的压实幅度,提出振动轮的压实能力指标。依据振动轮响应特征分析,结合双参数分岔图,以及压实能力指标,联合确定不同压实阶段激励参数的选用策略,进而为智能压实系统激励参数的使用依据提供一种的优化方法。综合分析表明,激励参数致振动轮的非线性振动现象存在于路基压实的整个作业周期。在压实中期之前,20Hz以下容易使振动轮进入混沌运动,这会增加振动轮的压实能力并提高压实效率。在中后期,低的激振频率易产生更为剧烈的混沌运动,增大路基反压实的风险。增加激振频率(25Hz以上)可以抑制这类现象,但过高的激励频率会使振动轮丧失振动压实能力。

关键词： 流固耦合   围岩稳定性   弱胶结软岩   FLAC3D   数值模拟  

摘要： 随着煤炭产能逐步向西、北部优势地区集中,由此,内蒙古、陕西、宁夏等地逐步经历大规模的煤矿新井建设;与中、东部矿井建设相比,其具有斜井开拓为主、直径大、水文地质条件复杂、岩层遇水软化和砂化等特点;相较于传统的施工方法,TBM工法在掘进效率、破岩能力、施工质量、经济效益等多方面都呈现出显著的优势。针对斜井工程“深埋超长、连续下坡、遇水泥化、地层多变”条件,如何设计安全高效支护体系,是保障TBM法快速建井的关键课题。本文以陕西榆林可可盖斜井穿白垩系洛河组弱胶结砂岩为工程背景,采用室内试验、理论分析、数值模拟等方法,分析了水-岩耦合作用下围岩稳定性影响因素,揭示了该类条件下围岩失稳机理,提出相应的控制对策。主要研究成果如下: (1)采用SEM、核磁共振、XRD等方法对洛河组砂岩的胶结特征、孔隙性、成分、渗透性等进行了测试,结果表明:洛河组砂岩颗粒呈多层状、细棱晶体,具有较大的楔形错列层理构造;胶结成分以亲水性矿物为主,与空气、水接触后胶结成分快速发生水化作用,形成泥状充填物充填孔隙。天然岩样在静水压力下,具有较好的水力渗流特性;开挖与空气接触后,水化作用则将导致洞壁处岩体孔隙受泥质充填而降低渗透性。 (2)试验研究了洛河组弱胶结砂岩不同偏应力下的力学行为,结果表明:洛河组砂岩强度与围压近似呈线性相关,单轴强度均为0.424 MPa,3 MPa围压作用下强度可达13.54 MPa;三轴加载应力-应变曲线反映出其具有显著的弹性阶段,破坏失稳表现出一定塑性变形特征;弱胶结砂岩天然岩样本身具有一定的自稳能力。 (3)建立了考虑流固耦合作用下基于弹塑性损伤力学理论的力学模型,推导得出斜井围岩的应力分布规律以及损伤区半径与孔隙水压力之间的关系式。分析表明,中间主应力对临界水压力有较大影响,曲线表现为类抛物线形式。当中间主应力为0.8时达到最大值10.0 MPa,在考虑中间主应力时D-P准则与MC准则相比更能发挥出岩石的力学性能。 (4)采用流-固耦合数值计算方法,研究了斜井弱胶结围岩在不同支护参数下的稳定性,分析了应力场、渗流场分布规律,优选了合理的TBM施工主斜井支护参数。 图[45]表[9]参[86]

关键词： 膨润土   重金属   运移   解析解   吸附   土柱试验  

摘要： 工业废水及垃圾渗滤液中常含有大量的重金属离子态污染物,有效的阻隔防渗技术对重金属污染的源头防控具有重要意义。膨润土水化后具有极低的渗透系数,土与膨润土混合土常被用于垂直防渗体系中,离子态重金属在膨润土系防渗墙中的运移规律是检验和提升重金属污染防治技术的基础。考虑Zn(Ⅱ)的毒性小且适用于试验研究,本文以Zn(Ⅱ)在膨润土系防渗墙中的运移机理研究为目标,考虑Zn(Ⅱ)的对流、吸附和扩散过程,建立重金属离子在膨润土复合防渗墙中的一维运移解析解;在查阅分析大量文献资料的基础上配制了具有代表性的复合渗滤液,并开展Zn(Ⅱ)在掺不同吸附剂的改良黏土-膨润土防渗墙中的运移土柱试验;利用Geostudio软件对土柱试验进行了建模分析,进一步剖析Zn(Ⅱ)在防渗墙中的运移规律。通过理论、试验和数值三部分对比分析,全面深入地揭示Zn(Ⅱ)在改良黏土-膨润土防渗墙中的运移机理。本文主要的工作内容如下: (1)考虑土工膜存在缺陷的实际情况,建立重金属污染物在黏土-膨润土混合土和土工膜组成的防渗屏障中一维运移模型,采用拉普拉斯变换对模型进行推导并解析求解。利用解析表达式,对影响重金属离子运移的渗滤液水头、土工膜孔洞频率、防渗墙厚度和土工膜与墙体接触条件等参数进行了定量分析。 (2)开展复合渗滤液中Zn(Ⅱ)在掺不同吸附剂的改良黏土-膨润土混合土中的运移土柱试验,试验过程对湿润峰发展规律和不同位置处Zn(Ⅱ)的浓度变化规律进行了测试分析。试验结果与重金属离子的运移解析解进行对比证实了规律的一致性,同时发现掺1%EDTA-2Na的改良膨润土材料对Zn(Ⅱ)阻滞效果显著提升,而提高膨润土掺量比后,会使Zn(Ⅱ)的运移速度明显降低。 (3)对运移土柱试验过程进行数值建模,计算分析Zn(Ⅱ)在考虑对流、扩散和吸附作用情况下的运移浓度等势图、污染物通量等势图、污染物浓度曲线和污染物不同时间的运移距离等。探讨膨润土系防渗墙的吸附参数对Zn(Ⅱ)运移过程的影响,综合对比分析理论、试验和数值三部分结果,揭示Zn(Ⅱ)在改良膨润土系防渗墙中的运移机理。