夯筑土遺址竹木錨固系統(tǒng)界面力學(xué)傳遞機(jī)理研究

夯筑土遺址是土遺址中數(shù)量最多的類型，主要分布于我國西北干旱半干旱區(qū)。夯筑土遺址力學(xué)穩(wěn)定性控制對于其價值的保存與傳播具有重要意義?；趥鹘y(tǒng)材料與工藝科學(xué)化視角，竹木錨固技術(shù)在夯筑土遺址力學(xué)穩(wěn)定性控制中扮演重要的角色，相應(yīng)的錨固性能和機(jī)理基礎(chǔ)性研究對于推動夯筑土遺址保護(hù)加固的科學(xué)化具有重要意義。 基于夯筑土遺址加固中廣泛應(yīng)用的竹木錨固技術(shù)，研發(fā)了土遺址室內(nèi)錨固試驗系統(tǒng)，融合了夯筑材料與工藝、成孔與注漿、拉拔測試系統(tǒng)、應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)等系統(tǒng)，開展了竹/木錨桿基于PS-F、PS-(C F)、燒料礓石-石英砂、燒料礓石-粉煤灰、燒料礓石-石英砂-粉煤灰等五種優(yōu)選漿液的錨固性能和桿體-漿體界面應(yīng)力分布特征；同時，選擇甘肅武威市古浪縣圓墩長城作為試驗現(xiàn)場，開展了以上錨固系統(tǒng)的原位錨固測試。對試驗用竹/木桿材、夯土的物理力學(xué)性能開展了室內(nèi)試驗，對五種漿液的齡期物理力學(xué)特征及漿體的耐久性開展了室內(nèi)試驗，系統(tǒng)查明了試驗用材料的物理力學(xué)特性?；谑覂?nèi)與原位錨固試驗的成果分析，摸索建立夯筑土遺址竹木錨固系統(tǒng)的力學(xué)模型和界面本構(gòu)關(guān)系，并嘗試給出相應(yīng)的模型方程式；開展錨固系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析，確立合理的數(shù)值模擬方法，最終開展影響因子分析，為夯筑土遺址竹木錨固設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。研究表明：（1）竹/木錨桿基于以上五種優(yōu)選漿液在夯筑土遺址中均可獲得良好的錨固性能；可以滿足夯筑土遺址錨固的需求。其中，相同漿液下，木錨桿錨固性能優(yōu)于竹錨桿；相同桿體下，基于燒料礓石漿液的錨固系統(tǒng)性能優(yōu)于基于PS漿液的錨固系統(tǒng)；（2）從應(yīng)用的角度，錨固系統(tǒng)失效于桿體-漿體界面，從而實現(xiàn)桿體在夯筑土遺址中與傳統(tǒng)建造時期的加筋功能相同，達(dá)到良好的兼容性；（3）在拉拔荷載作用下，桿體-漿體界面應(yīng)力分布不均勻，出現(xiàn)單峰值或多峰值現(xiàn)象；隨著荷載的增加，峰值向錨固末端轉(zhuǎn)移；在錨固段的中后部出現(xiàn)軸向壓應(yīng)變現(xiàn)象。（4）受到桿體天然取材而變異性較大的特征，目前確立的夯筑土遺址竹木錨固系統(tǒng)的力學(xué)模型和本構(gòu)關(guān)系具有個體性，暫難以形成概化統(tǒng)一的模型；（5）確實的數(shù)值模擬方法雖然與實際試驗結(jié)果具有一定的差距，但在定性規(guī)律性上是一致的。本課題研究成果從工程力學(xué)的角度證明了夯筑土遺址中竹木桿體錨固的兼容性和科學(xué)性，揭示了五種漿體的耐久性，為錨固系統(tǒng)的長期工作性能評價奠定基礎(chǔ)。此外，研究成果為夯筑土遺址加固中竹木錨固系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范化提供理論支撐。 2100433B

竹木錨固技術(shù)在夯筑土遺址加固中扮演著重要角色，然而相應(yīng)的錨固系統(tǒng)傳力機(jī)理研究還未開展，成為新型錨固技術(shù)研發(fā)的瓶頸，嚴(yán)重制約土遺址保護(hù)學(xué)科的形成與發(fā)展。本項目以在夯筑土遺址加固中應(yīng)用最為普遍和成熟的竹木錨桿錨固系統(tǒng)為研究對象，對兩種錨固系統(tǒng)的力學(xué)傳遞機(jī)理進(jìn)行基礎(chǔ)性研究。具體內(nèi)容包括：室內(nèi)和現(xiàn)場拉拔測試分析受拉狀態(tài)下錨固系統(tǒng)中各界面的力學(xué)傳遞規(guī)律與特征；構(gòu)建夯筑土遺址錨固系統(tǒng)力學(xué)傳遞模型，給出其方程表達(dá)式；篩選、優(yōu)化并確立科學(xué)合適的錨固系統(tǒng)數(shù)值模擬分析方法。本項目旨在揭示夯筑土遺址錨固系統(tǒng)中的力學(xué)傳遞機(jī)理，為錨固設(shè)計與計算、工藝優(yōu)化、桿體創(chuàng)新等奠定理論基礎(chǔ)，同時開拓土遺址錨固技術(shù)基礎(chǔ)理論研究和科學(xué)化運(yùn)用的新局面。

課題以深厚表土立井井筒及大型深部地下工程建設(shè)為背景；針對深部土體特性、土與地下結(jié)構(gòu)接觸面物理、力學(xué)特征以及地下工程力學(xué)行為，采用試樣試驗、細(xì)觀測試、基于離散元法的顆粒流數(shù)值模擬技術(shù)及理論分析等綜合研究方法；考慮土體性質(zhì)、接觸面曲率、結(jié)構(gòu)材料剛度、接觸面粗糙度以及荷載性質(zhì)等諸因素；應(yīng)用超聲掃描顯微（C-SAM）、液氮快速凍結(jié)固樣、三維視頻顯微、顆粒級配分析等細(xì)觀物理特征測試技術(shù)和方法；深入研究接觸面和界面層的幾何特征、界面層內(nèi)土體的細(xì)觀物理現(xiàn)象、接觸面和界面層的宏觀力學(xué)行為以及三者之間的關(guān)系；研究土性、結(jié)構(gòu)面特征以及荷載條件等因素對界面層物理、力學(xué)性質(zhì)的影響及其規(guī)律；建立深部土與地下結(jié)構(gòu)接觸面，特別是界面層的本構(gòu)關(guān)系，基本闡明深部土與地下結(jié)構(gòu)相互作用界面層形成機(jī)理、基本性質(zhì)、影響因素及其力學(xué)效應(yīng)等基礎(chǔ)理論問題，為深入研究深部土與地下工程結(jié)構(gòu)相互作用的宏觀規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

項目以深厚表土立井井筒及大型深部地下工程建設(shè)中的土-結(jié)構(gòu)相互作用問題為背景，針對土-結(jié)構(gòu)接觸面及界面層物理、力學(xué)特性，開展了大量的試樣試驗、數(shù)值模擬及理論分析工作。在理論上克服了經(jīng)典理論中統(tǒng)計平均值不能如實反映材料在相當(dāng)小體積上的強(qiáng)度和變形急劇不連續(xù)變化的缺陷，建立了在傳統(tǒng)塑性理論框架內(nèi)考慮微結(jié)構(gòu)之間的相互作用和應(yīng)變梯度效應(yīng)的接觸面本構(gòu)方程。首次研發(fā)了可考慮不同結(jié)構(gòu)面曲率的土-結(jié)構(gòu)相互作用試驗系統(tǒng)以及異形土樣制備器，彌補(bǔ)了常規(guī)直剪儀只能用于研究相對低應(yīng)力條件下土與平面結(jié)構(gòu)相互作用的不足。采用C 語言設(shè)計開發(fā)了基于面向?qū)ο蟮脑囼炦^程控制、數(shù)據(jù)采集及后處理軟件，實現(xiàn)了試驗過程的自動化和可視化。采用自行研制的土-結(jié)構(gòu)相互作用試驗系統(tǒng)，進(jìn)行了大量不同性質(zhì)的土與不同曲率、不同粗糙度結(jié)構(gòu)面在不同法向應(yīng)力條件下的相互作用試驗，得到了不同法向壓力條件下土-結(jié)構(gòu)接觸面及界面層的物理力學(xué)特性及其受結(jié)構(gòu)面曲率、粗糙度及土性等因素的影響規(guī)律。當(dāng)法向應(yīng)力σ≤3.2MPa時，剪切強(qiáng)度隨結(jié)構(gòu)面曲率的增加而增大，即具有明顯的曲率效應(yīng)，隨著法向應(yīng)力的增加，曲率效應(yīng)逐漸弱化直至消失。結(jié)構(gòu)面粗糙度與土顆粒平均粒徑的比值即相對粗糙度對不同法向壓力下的接觸面及界面層物理力學(xué)特性有顯著影響，剪切強(qiáng)度與相對粗糙度關(guān)系曲線呈“三段”式，存在極限相對粗糙度 與穩(wěn)定相對粗糙度 兩個拐點(diǎn)。當(dāng)相對粗糙度小于極限相對粗糙度時，剪切強(qiáng)度隨相對粗糙度的增加而增大；而當(dāng)相對粗糙度大于穩(wěn)定相對粗糙度時，剪切強(qiáng)度基本不再隨相對粗糙度的增加而變化。顆粒流數(shù)值模擬中對PFC2D進(jìn)行了二次研發(fā)，對具有相同參數(shù)的顆粒試樣采用半徑擴(kuò)大法、重力沉積法及分層振動法三種不同制樣方法獲得的試樣孔隙比進(jìn)行比較，結(jié)果表明，半徑擴(kuò)大法可獲得孔隙比分布范圍最廣的數(shù)值試樣，而分層振動法獲得的孔隙比分布范圍最小。通過對土-結(jié)構(gòu)剪切過程顆粒分層比較，分析了每層顆粒的平均水平行程和豎向變位，獲得了不同試驗條件下土與結(jié)構(gòu)面剪切的界面層厚度。模擬結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)面相對粗糙度、結(jié)構(gòu)面鋸齒角度是影響界面層厚度的主要因素：界面層厚度隨相對粗糙度的增大呈現(xiàn)先增大后減小，隨鋸齒傾角的增加呈非線性增大。課題研究大大深化了對土-結(jié)構(gòu)相互作用細(xì)觀機(jī)理的認(rèn)識，為地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工、質(zhì)量控制以及工程災(zāi)害的預(yù)測與治理提供了借鑒與指導(dǎo)，具有重要的理論意義及工程應(yīng)用價值。 2100433B

排土場巖土物理力學(xué)性質(zhì)研究

影響排土場邊坡的主要因素包括基底軟層及排棄物的強(qiáng)度,因此有必要對其進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)研究,以便進(jìn)行計算分析。

1　地基土物理力學(xué)性質(zhì)

排土場區(qū)內(nèi)普遍覆蓋一層厚度不大的第四系表土,其力學(xué)強(qiáng)度較低,是排土場穩(wěn)定性研究必須考慮的因素。為此在地基土中采集有代表性的巖土試樣進(jìn)行土的物理力學(xué)性質(zhì)試驗。

2　散體物料物理力學(xué)性質(zhì)研究

排土場散體物質(zhì)組成是決定排土場堆料的力學(xué)性態(tài)的主要依據(jù)。為此采用精度高的篩分法,結(jié)合攝影法和直接量測法,來測定巖石的粒度組成。除了在排放中的隨機(jī)因素外,各塊度級別沿邊坡高度分布存在著明顯的規(guī)律性,由上而下,塊度逐漸增大,總的趨向是小塊集中在上部,大塊在下部,中間部分各種塊度參差不齊,但以中等塊度居多。

散體物料物理力學(xué)性質(zhì)的測定分以下3組:

①含細(xì)顆粒( d < 5 mm)較多,一般位于排土場上部;

② 含細(xì)顆粒中等,含中等顆粒較多,一般位于排土場中部;

③大塊巖石,一般位于排土場中下部及下部 。