西部大开发中的岩土力学问题

西部大开发中的岩土力学问题 !"#$"%&’()%* +","-#.$"(/ )( %),)- %#(*/01%/)#( )( 2"*/"0( 3&)(’ 李 宁!，"，程国栋!，谢定义" （! #中国科学院寒区旱区环境与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 研究所 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 $%&&&&；"#西安理工大学 岩土工程研究所，陕西 西安 $!&&’(） 摘 要：针对西部大开发中广泛的岩土工程问题提炼出四个有代表性的岩土力学问题，就该岩土力学问题的研究现状、存在的困 难、发展方向等进行了探讨，可望对这一问题引起抛砖引玉的深究。 关键词：西部大开发；黄土力学；冻土力学；节理岩体；岩体动力特性 中图分类号：)* ’ 文献标识码：+ 文章编号：!&&& , ’-’(（"&&!）&% , &".( , &- 作者简介：李 宁，男，!/-/年生，西安理工大学岩土工程研究所教授，博导，!//(年入选中国科学院“百人 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ”，移至中国科学院寒 区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室工作，主要从事岩体动力学、冻土力学与工程及岩土工程数值仿真分析等方面 的研究工作。 01 2345!，"，67829 9:;<=;45!，>18 ?345<@3" （! ! "#$% &’% ()*% +,-*#’. /’0*)#’1,’2&$ &’% /’-*’,,)*’- +,.,&)34 5’.2*262,，"4*’,., (3&%,17 #8 93*,’3,.，:&’;4#6 $%&&&&，"4*’&；" ! <*’&’ =’*0,).*27 #8 >,34’#$#? -7，<*’&’ $!&&’(，"4*’&） 45*/0’%/：>4, .2&2, #8 &)2. 8#) 24, .@,3*&$ -,#1,34&’*3 @)#A$,1. 8#) $#,..，8)#;,’ .#*$，&’% B#*’2,% )#3C 1&2,)*&$. ,’3#6’2,),% *’ 3*0*$ 3#’.2)632*#’ *’ 24, D,.2,)’ E,0,$#@1,’2 #8 "4*’&，*. @),.,’2,% &’% %*.36..,% %,,@$7! >4, &624#) A,$*,0,%：（!）24, 1#.2 *1@#)2&’2 ),.,&)34 8#) $#,.. *. 24, 1*3)# .2)6326)&$ 8,&26),. #8 24, $#,..；（"）24, 1#.2 ),$*&A$, ),.,&)34 8#) 8)#;,’ .#*$ .4#6$% A, 24, 86)24,) ,F@,)*1,’2&$ .26%*,. #’ 24, 3#6@$,% A,4&0*#). #8 24, G&2,) 1*-)&2*#’，4,&2 2)&’.8,) &’% 24&G*’- %,8#)1&2*#’ #8 24, 8),,;*’- .#*$ 1&.. *’.2,&% #8 8)#;,’ .#*$ .&1@$,；（%）24, 1#.2 %*88*36$2 &’% 1#.2 ),$*&A$, .26%7 #’ B#*’2,% )#3C 1&2,)*&$. *. 24, %7’&1*3 @)#@,)2*,. #8 24, B#*’2,% 1,%*61 *’.2,&% #8 24, 3#’2*’6#6. 1,%*61 #) 24, .2&2*3 @)#@,)2*,. #8 24, B#*’2,% 1&2,)*&$.；（’）24, 1#.2 6)-,’2 ),.,&)34 .4#6$% A, 24, %7’&1*3 .2&A*$*27 &’&$7.*. 24,#)7 #8 24, 4*-4 &)34 %&1. 6’%,) ,&)24H6&C, $#&%*’-.! 6"7 8#0+*：24, G,.2,)’ %,0,$#@1,’2；$#,.. 1,34&’*3.；8)#;,’ .#*$ 1,34&’*3.；B#*’2,% )#3C 1&..；%7’&1*3 @)#@,)2*,. #8 B#*’2,% )#3C 1&2,)*&$. ! 引 言! 西部大开发，基础建设必先行。西部基础建设中 有哪些特殊的岩土力学问题，是广大岩土力学工作者 关切的话题。首先，我国西北地区广泛分布的黄土，是 一种大孔隙欠压密遇水易湿陷的特殊土体，建在该种 土体上的各种建筑物常常会因地下水位变化、降水入 渗或生活废水排泄不当等造成黄土地基的沉陷，导致 建筑物破坏，因而黄土的力学特性与工程特性是西部 基础建设中将要面对的主要问题之一；其次，西部广阔 寒区的多年冻土、季节性冻土的工程特性、力学特性与 热学特性问题是西部青藏公路、铁路、青康公路、西线 南水北调等大型、超大型水利工程、交通工程将要面临 的又一主要岩土力学问题；第三，西南地区高地震活动 带的岩体动力学问题、强构造区的岩体损伤力学问题 及高地应力区的岩爆问题等，都是西部基础建设中的 特殊的、重要的、有代表性的岩土力学问题。现分别论 述如下。 " 西部基础建设中的黄土力学问题 我国 .’ 万 AB" 的黄土主要分布于西北、华北地 区，在西部大开发的基础设施、生态环境及国防等建设 中，都可能遇到各种常见的黄土病害问题，如：黄土地 基湿陷引起的建筑物的裂缝倾斜，过沟黄土高填方路 基的施工后沉降与不均匀沉降，挖方渠道高边坡的塌 滑，大坝坝肩的湿陷裂缝与管涌，黄土塬边滑坡对铁路 交通的威胁，桩基因黄土湿陷产生的负摩擦作用的破 坏，饱和黄土隧洞围岩失稳，黄土渠库边岸的坍塌等。 广大的黄土力学与工程工作者对黄土的力学性质 与工程特性已经进行了长达半个世纪的研究，以黄土 对水的特殊敏感性及其对黄土的变形、强度和本构关 系的影响规律为中心取得了大量的研究成果［!，"］。试 验研究工作由侧限压缩发展到三轴压缩、到多种复杂 的应力路径；由对浸水湿陷量的研究发展到对湿陷敏 感性的研究，由狭义的浸水饱和湿陷发展到广义的浸 水增湿湿陷，由单调的增湿湿陷变形发展到增湿、减湿 和间歇性湿陷变形；由静荷作用发展到动荷作用；由将 黄土作为线弹性体到非线性弹性体，进一步到弹塑性 体、损伤体；由对黄土的宏观力学特性分析发展到细 观、微观土性、组构的力学特性与物理、化学特性相耦 ! 收稿日期："&&& , &/ , &’ 第 "%卷 第 %期 岩 土 工 程 学 报 C;D#"% 2;#% "&&!年 -月 6E34FGF H;:I4JD ;K 9F;LFME43MJD 84534FFI345 NJ@， "&&! 合的分析，进而从重塑土发展到原状土，再到击实、压 挤密黄土；从饱和黄土发展到非饱和黄土；由总应力的 研究到吸力及有效应力研究等；应用研究也由一点上 黄土的研究发展到黄土地区面上分布规律和经验关系 的研究；由对黄土力学特性的描述发展到对黄土力学 特性的改造并且先后制订和应用了三代湿陷性黄土地 基 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 等等。 最近，基于对原状土、饱和原状土和扰动重塑土的 侧限压缩试验，用浸水、扰动加荷使结构势释放出来进 行量测的方法所提出的量化参数，即综合结构势，是黄 土力学研究的一个新进展［!，"］。然而对黄土特殊的湿 陷变形性质的研究仍没能得到突破性的进展，目前大 都仍在饱和土的范围内做工作，对于工程上常见的非 饱和原状黄土的力学性质的研究仍在起步阶段，它们 离指导工程设计还有相当的距离。 全面深入地研究黄土的增湿变形性质，将土的结 构性因素引入非饱和黄土的本构关系，并对黄土的微 细观结构特性在全面的研究与了解的基础上进行合理 的数理描述。笔者认为在西部大开发中应首先开展的 与黄土力学有关的研究课题有：!黄土结构性机理与 应用型的黄土结构性参数与结构性本构关系；"黄土 中水分迁移、入渗与转移规律及数值分析方法；#黄土 增湿变形的发展规律及其在黄土工程中的分析模型； $黄土的动力特性与黄土工程的抗震稳定性分析；% 深层湿陷性黄土层地基处理的有效途径；&黄土地区 工程建设的经验 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 与技术 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 ! 西部交通建设中的冻土力学问题 我国永久性冻土与季节性冻土区域面积占国土总 面积的 #$%以上。随着国家经济中心发展向西部的 转移，广阔的寒区建设中不可避免地将会遇到越来越 多的冻土工程问题。如建于冻土区房屋基础的冻胀与 融沉，路轨的冻胀隆起，公路路基的融沉、泛浆，交通隧 洞的冻裂与挂冰，等等。 寒区工程的冻害问题主要由冻土的冻胀、融沉作 用造成。这一问题的本质是冻土多孔介质中土骨架、 冰晶体、未冻水与空气这四相物质在温度、土水势、压 力与变形等外界因素作用下的相互运动、迁移、扩散与 相变。国内外不少学者曾研究过多孔多相介质的热、 液、固耦合问题［&，’’］。五十年代以来，已冻土的宏观力 学性质的研究发展迅速。许多学者陆续系统地对冻土 在不同负温、不同土性、不同初始含水量、不同荷载下 的强度与变形性质进行了室内试验研究，并提出了相 应的实验拟合数学力学模型，解决了一些工程实际问 题；以冻土体给工程造成直接危害的冻胀、融沉性质为 核心的现场监测研究也取得了实质性进展，针对冻土 路基的冻胀、融沉问题的经验性寒区路堤设计原则与 设计方法也相继提出；为了探讨土体的冻胀、融沉机 理，对冻土的水、热迁移与成冰过程这一多孔多相介质 带相变的固、液、气、热耦合问题进行了实验探 索［’(，’!］，并在此基础上提出了各种正冻土相变与三场 耦合模型。归纳起来，可将国内外现有的正冻土三场 耦合模型分为：经验模型、半经验模型、流体动力学模 型、刚冰模型和热力学模型五大类。以下将重点介绍 后三种模型。 （’）流体动力学模型 )*+,*-（’./!）首次在非饱和土中水分迁移与非完 全冻结土中水分迁移理论分析的基础上提出了正冻土 中热质与水分迁移相互作用的耦合模型；随后不少学 者在这种思路下提出了各种类似的模型（01233*+4 （’./5），6*-778- 9 )*,4:-（’./.），;<=<4*（’.5(），;<=<4* 9 >*=*?*@*（’.5&）），这些模型的一大缺点是无法描述 冰透镜体产生的离散性。冻胀通常发生在含水量增加 超过了冻土初始孔隙率的条件下，冰透镜体往往就在 冻土中水分迁移流动量最大的区域产生。A?@AB31C、D=21E 等，然而应用此法可 能存在着以下几点缺陷：!无法模拟基岩裂隙节理的 张开、闭合、滑移等几何非线性性态；"无法模拟坝体 施工缝、伸缩缝、温度缝等的动态响应性态及其与裂缝 中的渗透压力、扬压力等耦合作用性状。 笔者在奥地利著名大型岩土工程分析软件 D=21E 平台上开发了一种动接触的界面单元模型［%"］，F@G.将 "H$第 %期 李 宁等 I 西部大开发中的岩土力学问题 其应用于 !"#$#%&’()"*+ 拱坝的施工缝在地震荷载作 用下的动态响应分析中［,-］。 在裂隙岩体介质上的高拱坝动力稳定性分析中， 用时步积分法求解将要面临的动力稳定性问题似可归 纳为： （.）坝体伸缩缝等在动载作用下的张开、滑移与 闭合等动接触性态的数值模拟问题； （-）裂隙岩体介质对地震波的阻隔、吸收或反射 问题及地震波的传播引起的裂隙岩体的动变形与动力 稳定性的数值分析与模拟问题； （,）拱坝与拱座、坝体与坝肩的接触面在地震动 载作用下的开裂、滑移等动强度与动力稳定性的数值 分析与模拟问题； （/）地震作用下库水对拱坝坝面的动水压力荷载 的模拟问题，较理想的水体单元与坝体单元的动态接 触、耦合作用的分析方法与实例尚未见报道，也应是主 攻研究开发的重要课题之一。 参考文献： ［.］刘祖典 !黄土力学与工程［"］!西安：陕西科技出版社， .001 ! ［-］谢定义 !黄土力学特性与应用研究的过去、现在和未来［#］! 地下空间，.000，!"（/）：-2, 3 -4/ ! ［,］齐吉琳 !土的结构性及其定量化参数的研究［$］!西安：西 安理工大学，.000 ! ［/］谢定义，齐吉琳 !土的结构性及其定量化参数研究的新途径 ［#］!岩土工程学报，.000，#!（1）：15. 3 151 ! ［5］"%&’()* $ +! ,-*./0*123&’% .*34053* 06 61)’7 32&).2&*7 40.0)3 .0%8［#］! # 9*04-: ;*3，.041，"!（<0）：05,, 3 05/- ! ［1］=00.’3-*7 #，,325( > ?，@’&-*.34005 A B! >0)41*7 &-*./21C-:C 7.2)1’%C/*%-25’%21 4-*50/*52 ’5 32&).2&*7 6.2%&).*7 40.0)3 .0%83：=)/*.’%21 244.02%-［#］! # 9*04-: ;*3，.04/，$"（<.-）： .15 3 ,2, ! ［2］,-0/23 D ;，D* E! B521:3’3 06 %0)41*7 -*2&，/0’3&).* 257 2’. &.2536*. ’5 2 7*60./2F1* )532&).2&*7 30’1［ #］! 9*0&*%-5’G)*， .005，%&（/）：122 3 140 ! ［4］?.*/057 "，"’88012 "! ,-*./0/*%-25’%21 06 6.**H’5( 30’1 ［B］! A.0%**7’5(3 06 &-* I’J&- K5&*.52&’0521 I:/403’)/ 05 9.0)57 ?.**H’5(［>］! ;0&&*572/：B B <218*/2，.00. ! ［0］L)52.7’5’ M #! D*2& &.2536*. N’&- 6.**H’5( 257 &-2N’5(［"］! +1C 3*O’*.：B/*3&*.72/ 6 PJ60.7 6 =*N E0.8 6 ,08*:，.00. ! ［.7］Q05.27 # "，$)G)*550’ >! B /07*1 60. N2&*. &.25340.& 257 ’%* 1*53’5( ’5 6.**H’5( 30’13［#］! @2&*. ;*30).%*3 ;*3*2.%-，.00,，#" （0）：,.70 3 ,.-/ ! ［..］Q2: < $，A*.6*%& +! I&2&* 06 &-* 2.&：D*2& 257 /233 &.2536*. ’5 6.**H’5( 30’13［B］! A.0%**7’5(3 06 &-* ?’6&- K5&*.52&’0521 I:/40C 3’)/ 05 9.0)57 ?.**H’5(［>］! ;0&&*.72/：<218*/2，.044 !, 3 -. ! ［.-］徐学祖，等 !土体冻胀和盐胀机理［"］!北京：科学出版社， .000 ! ［.,］"2 @，@) R @，*& 21 ! +66*%& 06 3-*2. 3&.*33 3&.*5(&- 257 &-* 2O*.2(* 50./21 3&.*33 05 7*60./2&’05 06 6.0H*5 30’1［#］! A.0(.*33 ’5 =2&).21 I%’*5%*，.002，’（5）：50/ 3 500 ! ［./］L’ =，>-*5 <，>-*5 ? S，*& 21 ! ,-* %0)41*7 -*2&C/0’3&).*C/*C %-25’% /07*1 06 &-* 6.0H*5 30’1［#］! >017 ;*(’053 I%’*5%* 257 ,*%-5010(:，-777，(!（,）：.00 3 -75 ! ［.5］李 宁，程国栋，徐学祖，等 !冻土力学的研究现状与思考 ［#］!力学进展，-777，（.）! ［.1］郭 志 !实用岩体力学［"］!北京：地震出版社，.001 ! ［.2］范景伟，何江达 !含定向闭合断续节理岩体的强度特性［#］! 岩石力学与工程学报，.00-，!!（-）：.07 3 .00 ! ［.4］白世伟，任伟中，丰定祥，等 !平面应力条件下闭合断续节 理岩体破坏机理及强度特性［#］!岩石力学与工程学报， .000，!$（1）：1,5 3 1/7 ! ［.0］朱维申，王 平 !节理岩体的等效连续模型与工程应用［#］! 岩土工程学报，.00-，!%（-）：. 3 .. ! ［-7］凌建明 !节理裂隙岩体损伤力学研究中的若干问题［#］!力 学进展，.00/，#&（-）：-52 3 -1, ! ［-.］孙 钧，潘鼎元 !岩石动力学及其工程应用［B］!岩石力学 新进展［>］!沈阳：东北工学院出版社，.040 !./, 3 .17 ! ［--］周维垣 !高等岩石力学［"］!北京：水利水电出版社，.007 ! ［-,］乔 河，柴华友 !爆炸作用下花岗岩动态本构关系试验研 究［#］!岩石力学与工程学报，.001，!&（增刊）：//1 3 /5. ! ［-/］信礼田，刘建武，何 翔 !高应变速率下石灰岩的力学性质 ［#］!岩石力学与工程学报，.004，!’（增刊）：247 3 24, ! ［-5］尚嘉兰，沈乐天，赵宇辉，等 !花岗岩的动态本构关系［#］!岩 石力学与工程学报，.004，!’（1）：1,/ 3 1/. ! ［-1］吴绵拔 !加载速率对岩石断裂韧度的影响［#］!力学与实践， .041，（/）：-. 3 -, ! ［-2］黄理兴 !动载作用下岩石断裂裂纹的扩展与控制［#］!岩土 力学，.040，!)（.）：5, 3 50 ! ［-4］鞠庆海，吴绵拔 !岩石材料三轴压缩动力特性的试验研究 ［#］!岩土工程学报，.00,，!&（,）：2, 3 47 ! ［-0］李 宁，陈文玲，张 平 !动荷作用下裂隙岩体介质的变形 性质［#］!岩石力学与工程学报，-777，#)（.）：2/ 3 24 ! ［,7］李 宁，陈文玲，张 平 !动荷作用下非贯通裂隙介质的强 度性质［#］!自然科学进展，-777，!)（..）：.7-0 3 .7,/ ! ［,.］L’ =! ? + "07*1’5( 06 &-* #0’5&*7 ;0%8 "233*3 )57*. $:52/’% L027’5(［$］! 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