夯筑土遺址竹木錨固系統(tǒng)界面力學(xué)傳遞機(jī)理研究結(jié)題摘要

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(guó)西北干旱半干旱區(qū)。夯筑土遺址力學(xué)穩(wěn)定性控制對(duì)于其價(jià)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(duì)于推動(dòng)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(yàn)系統(tǒng)，融合了夯筑材料與工藝、成孔與注漿、拉拔測(cè)試系統(tǒng)、應(yīng)變監(jiān)測(cè)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(shí)，選擇甘肅武威市古浪縣圓墩長(zhǎng)城作為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，開展了以上錨固系統(tǒng)的原位錨固測(cè)試。對(duì)試驗(yàn)用竹/木桿材、夯土的物理力學(xué)性能開展了室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)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(yàn)，系統(tǒng)查明了試驗(yàn)用材料的物理力學(xué)特性?；谑覂?nèi)與原位錨固試驗(yàn)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(jì)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(shí)現(xiàn)桿體在夯筑土遺址中與傳統(tǒng)建造時(shí)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(gè)體性，暫難以形成概化統(tǒng)一的模型；（5）確實(shí)的數(shù)值模擬方法雖然與實(shí)際試驗(yàn)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(zhǎng)期工作性能評(píng)價(jià)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(jì)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(xiàng)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(duì)象，對(duì)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(chǎng)拉拔測(cè)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(xiàng)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(jì)與計(jì)算、工藝優(yōu)化、桿體創(chuàng)新等奠定理論基礎(chǔ)，同時(shí)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(duì)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(yàn)、細(xì)觀測(cè)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(jí)配分析等細(xì)觀物理特征測(cè)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(duì)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(xiàng)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(duì)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(yàn)、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(jì)平均值不能如實(shí)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(yàn)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(duì)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(yǔ)言設(shè)計(jì)開發(fā)了基于面向?qū)ο蟮脑囼?yàn)過程控制、數(shù)據(jù)采集及后處理軟件，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過程的自動(dòng)化和可視化。采用自行研制的土-結(jié)構(gòu)相互作用試驗(yàn)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(yàn)，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(shí)，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(duì)粗糙度對(duì)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(duì)粗糙度關(guān)系曲線呈“三段”式，存在極限相對(duì)粗糙度 與穩(wěn)定相對(duì)粗糙度 兩個(gè)拐點(diǎn)。當(dāng)相對(duì)粗糙度小于極限相對(duì)粗糙度時(shí)，剪切強(qiáng)度隨相對(duì)粗糙度的增加而增大；而當(dāng)相對(duì)粗糙度大于穩(wěn)定相對(duì)粗糙度時(shí)，剪切強(qiáng)度基本不再隨相對(duì)粗糙度的增加而變化。顆粒流數(shù)值模擬中對(duì)PFC2D進(jìn)行了二次研發(fā)，對(duì)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(dòng)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(dòng)法獲得的孔隙比分布范圍最小。通過對(duì)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(yàn)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(duì)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(duì)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(duì)土-結(jié)構(gòu)相互作用細(xì)觀機(jī)理的認(rèn)識(shí)，為地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量控制以及工程災(zāi)害的預(yù)測(cè)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(jià)值。 2100433B

排土場(chǎng)巖土物理力學(xué)性質(zhì)研究

影響排土場(chǎng)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(duì)其進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)研究,以便進(jìn)行計(jì)算分析。

1　地基土物理力學(xué)性質(zhì)

排土場(chǎng)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(chǎng)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(yàn)。

2　散體物料物理力學(xué)性質(zhì)研究

排土場(chǎng)散體物質(zhì)組成是決定排土場(chǎng)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(cè)法,來測(cè)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(jí)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(cè)定分以下3組:

①含細(xì)顆粒( d < 5 mm)較多,一般位于排土場(chǎng)上部;

② 含細(xì)顆粒中等,含中等顆粒較多,一般位于排土場(chǎng)中部;

③大塊巖石,一般位于排土場(chǎng)中下部及下部 。