夯筑土遗址竹木锚固系统界面力学传递机理研究

夯筑土遗址是土遗址中数量最多的类型，主要分布于我国西北干旱半干旱区。夯筑土遗址力学稳定性控制对于其价值的保存与传播具有重要意义。基于传统材料与工艺科学化视角，竹木锚固技术在夯筑土遗址力学稳定性控制中扮演重要的角色，相应的锚固性能和机理基础性研究对于推动夯筑土遗址保护加固的科学化具有重要意义。 基于夯筑土遗址加固中广泛应用的竹木锚固技术，研发了土遗址室内锚固试验系统，融合了夯筑材料与工艺、成孔与注浆、拉拔测试系统、应变监测系统等系统，开展了竹/木锚杆基于PS-F、PS-(C F)、烧料礓石-石英砂、烧料礓石-粉煤灰、烧料礓石-石英砂-粉煤灰等五种优选浆液的锚固性能和杆体-浆体界面应力分布特征；同时，选择甘肃武威市古浪县圆墩长城作为试验现场，开展了以上锚固系统的原位锚固测试。对试验用竹/木杆材、夯土的物理力学性能开展了室内试验，对五种浆液的龄期物理力学特征及浆体的耐久性开展了室内试验，系统查明了试验用材料的物理力学特性。基于室内与原位锚固试验的成果分析，摸索建立夯筑土遗址竹木锚固系统的力学模型和界面本构关系，并尝试给出相应的模型方程式；开展锚固系统的数值模拟分析，确立合理的数值模拟方法，最终开展影响因子分析，为夯筑土遗址竹木锚固设计奠定理论基础。研究表明：（1）竹/木锚杆基于以上五种优选浆液在夯筑土遗址中均可获得良好的锚固性能；可以满足夯筑土遗址锚固的需求。其中，相同浆液下，木锚杆锚固性能优于竹锚杆；相同杆体下，基于烧料礓石浆液的锚固系统性能优于基于PS浆液的锚固系统；（2）从应用的角度，锚固系统失效于杆体-浆体界面，从而实现杆体在夯筑土遗址中与传统建造时期的加筋功能相同，达到良好的兼容性；（3）在拉拔荷载作用下，杆体-浆体界面应力分布不均匀，出现单峰值或多峰值现象；随着荷载的增加，峰值向锚固末端转移；在锚固段的中后部出现轴向压应变现象。（4）受到杆体天然取材而变异性较大的特征，目前确立的夯筑土遗址竹木锚固系统的力学模型和本构关系具有个体性，暂难以形成概化统一的模型；（5）确实的数值模拟方法虽然与实际试验结果具有一定的差距，但在定性规律性上是一致的。本课题研究成果从工程力学的角度证明了夯筑土遗址中竹木杆体锚固的兼容性和科学性，揭示了五种浆体的耐久性，为锚固系统的长期工作性能评价奠定基础。此外，研究成果为夯筑土遗址加固中竹木锚固系统的设计规范化提供理论支撑。 2100433B

竹木锚固技术在夯筑土遗址加固中扮演着重要角色，然而相应的锚固系统传力机理研究还未开展，成为新型锚固技术研发的瓶颈，严重制约土遗址保护学科的形成与发展。本项目以在夯筑土遗址加固中应用最为普遍和成熟的竹木锚杆锚固系统为研究对象，对两种锚固系统的力学传递机理进行基础性研究。具体内容包括：室内和现场拉拔测试分析受拉状态下锚固系统中各界面的力学传递规律与特征；构建夯筑土遗址锚固系统力学传递模型，给出其方程表达式；筛选、优化并确立科学合适的锚固系统数值模拟分析方法。本项目旨在揭示夯筑土遗址锚固系统中的力学传递机理，为锚固设计与计算、工艺优化、杆体创新等奠定理论基础，同时开拓土遗址锚固技术基础理论研究和科学化运用的新局面。

课题以深厚表土立井井筒及大型深部地下工程建设为背景；针对深部土体特性、土与地下结构接触面物理、力学特征以及地下工程力学行为，采用试样试验、细观测试、基于离散元法的颗粒流数值模拟技术及理论分析等综合研究方法；考虑土体性质、接触面曲率、结构材料刚度、接触面粗糙度以及荷载性质等诸因素；应用超声扫描显微（C-SAM）、液氮快速冻结固样、三维视频显微、颗粒级配分析等细观物理特征测试技术和方法；深入研究接触面和界面层的几何特征、界面层内土体的细观物理现象、接触面和界面层的宏观力学行为以及三者之间的关系；研究土性、结构面特征以及荷载条件等因素对界面层物理、力学性质的影响及其规律；建立深部土与地下结构接触面，特别是界面层的本构关系，基本阐明深部土与地下结构相互作用界面层形成机理、基本性质、影响因素及其力学效应等基础理论问题，为深入研究深部土与地下工程结构相互作用的宏观规律奠定基础。

项目以深厚表土立井井筒及大型深部地下工程建设中的土-结构相互作用问题为背景，针对土-结构接触面及界面层物理、力学特性，开展了大量的试样试验、数值模拟及理论分析工作。在理论上克服了经典理论中统计平均值不能如实反映材料在相当小体积上的强度和变形急剧不连续变化的缺陷，建立了在传统塑性理论框架内考虑微结构之间的相互作用和应变梯度效应的接触面本构方程。首次研发了可考虑不同结构面曲率的土-结构相互作用试验系统以及异形土样制备器，弥补了常规直剪仪只能用于研究相对低应力条件下土与平面结构相互作用的不足。采用C 语言设计开发了基于面向对象的试验过程控制、数据采集及后处理软件，实现了试验过程的自动化和可视化。采用自行研制的土-结构相互作用试验系统，进行了大量不同性质的土与不同曲率、不同粗糙度结构面在不同法向应力条件下的相互作用试验，得到了不同法向压力条件下土-结构接触面及界面层的物理力学特性及其受结构面曲率、粗糙度及土性等因素的影响规律。当法向应力σ≤3.2MPa时，剪切强度随结构面曲率的增加而增大，即具有明显的曲率效应，随着法向应力的增加，曲率效应逐渐弱化直至消失。结构面粗糙度与土颗粒平均粒径的比值即相对粗糙度对不同法向压力下的接触面及界面层物理力学特性有显著影响，剪切强度与相对粗糙度关系曲线呈“三段”式，存在极限相对粗糙度 与稳定相对粗糙度 两个拐点。当相对粗糙度小于极限相对粗糙度时，剪切强度随相对粗糙度的增加而增大；而当相对粗糙度大于稳定相对粗糙度时，剪切强度基本不再随相对粗糙度的增加而变化。颗粒流数值模拟中对PFC2D进行了二次研发，对具有相同参数的颗粒试样采用半径扩大法、重力沉积法及分层振动法三种不同制样方法获得的试样孔隙比进行比较，结果表明，半径扩大法可获得孔隙比分布范围最广的数值试样，而分层振动法获得的孔隙比分布范围最小。通过对土-结构剪切过程颗粒分层比较，分析了每层颗粒的平均水平行程和竖向变位，获得了不同试验条件下土与结构面剪切的界面层厚度。模拟结果表明，结构面相对粗糙度、结构面锯齿角度是影响界面层厚度的主要因素：界面层厚度随相对粗糙度的增大呈现先增大后减小，随锯齿倾角的增加呈非线性增大。课题研究大大深化了对土-结构相互作用细观机理的认识，为地下结构的设计、施工、质量控制以及工程灾害的预测与治理提供了借鉴与指导，具有重要的理论意义及工程应用价值。 2100433B

排土场岩土物理力学性质研究

影响排土场边坡的主要因素包括基底软层及排弃物的强度,因此有必要对其进行物理力学性质研究,以便进行计算分析。

1　地基土物理力学性质

排土场区内普遍覆盖一层厚度不大的第四系表土,其力学强度较低,是排土场稳定性研究必须考虑的因素。为此在地基土中采集有代表性的岩土试样进行土的物理力学性质试验。

2　散体物料物理力学性质研究

排土场散体物质组成是决定排土场堆料的力学性态的主要依据。为此采用精度高的筛分法,结合摄影法和直接量测法,来测定岩石的粒度组成。除了在排放中的随机因素外,各块度级别沿边坡高度分布存在着明显的规律性,由上而下,块度逐渐增大,总的趋向是小块集中在上部,大块在下部,中间部分各种块度参差不齐,但以中等块度居多。

散体物料物理力学性质的测定分以下3组:

①含细颗粒( d < 5 mm)较多,一般位于排土场上部;

② 含细颗粒中等,含中等颗粒较多,一般位于排土场中部;

③大块岩石,一般位于排土场中下部及下部 。