基于超对偶数微分的无约束应力更新算法

路德春1，石安毓1，周  鑫2，杜修力1

（1. 北京工业大学岩土与地下工程研究所，北京 100124；2. 清华大学土木工程系，北京 100084）

摘  要：加卸载判断和繁琐的解析求导运算一直是制约先进弹塑性模型数值应用的瓶颈问题。研究提出一种基于超对偶数微分方法的无约束应力隐式更新算法，有效解决了上述计算难点。针对加卸载判断问题，新算法利用光滑函数代替弹塑性本构方程组中的Karush-Kuhn-Tucker条件，将受不等式约束的非线性应力积分方程组问题，转化为无约束的最小化问题，计算时无需加卸载判断。针对导数计算问题，新算法利用超对偶数微分方法代替解析求导，获得光滑函数的1阶导数以及塑性势函数的1阶和2阶导数，用于构造非线性计算的迭代公式，以保证局部应力更新迭代和全局平衡迭代的二次收敛速度。数值算例表明，相较于其它数值微分方法，超对偶数微分方法不受截断误差和减法消去误差影响，计算结果等同于解析求导。最后，基于所提算法编写了光滑莫尔库仑塑性模型的UMAT子程序，并通过3个典型边值问题的数值分析，验证了算法的有效性和收敛性速度。

关键词：应力更新算法；塑性模型；超对偶数数值微分；一致性切线刚度矩阵；有限元法

咸水层CO2地质封存储层岩石化学损伤及力学性质劣化试验研究

梁  冰1, 2，李磊磊1，郝建峰2，孙维吉1，秦  冰1，刘  强1，郭春雨2

（1. 辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2. 辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000）

摘  要：为了探究超临界二氧化碳注入咸水层后储层岩石的化学损伤规律，利用自制的恒温恒压超临界CO2-水-岩石热流固化耦合试验系统，测试反应前后储层岩心矿物组分、微观结构、矿物元素及氧化物的变化，分析反应溶液pH值和钙、钾、镁离子浓度的变化规律，研究反应前后储层岩心试样质量、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比等物理力学参数演化规律，揭示超临界二氧化碳注入咸水层后储层岩石的化学损伤特征和力学性质劣化规律。研究结果表明：随着反应时间延长，方解石和钾长石的质量分数逐渐减少，钙元素、钾元素及其氧化物的质量分数也随之减少，试样表面粗糙度增大，产生了溶蚀孔；反应溶液的pH值从7.19降至5.68，方解石溶解速率最快，其次是钾长石，最后是伊利石；反应时间内，试样的质量溶蚀率、泊松比逐渐增大，单轴抗压强度和弹性模量逐渐减小。此外，试样的单轴抗压强度与化学作用时间呈指数函数关系，弹性模量、泊松比与化学作用时间呈三次多项式函数关系，据此建立了化学损伤作用下储层岩石的强度预测模型。以弹性模量为损伤变量，得到了岩心的单轴抗压强度和损伤变量之间的关系，揭示了储层岩石的化学损伤机制。

关键词：超临界二氧化碳；地质封存；矿物组分；化学损伤；力学参数；损伤变量

离心超重力下物质运动试验及降雨模拟分析

凌道盛1, 2，施昌宇1，郑建靖*2，闫子壮2，赵天浩1，赵  宇1, 2

（1. 浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江 杭州 310058；2. 浙江大学超重力研究中心，浙江 杭州 310058）

摘  要：离心机是岩土工程学科开展缩尺模型试验的主要装置，被广泛应用于降雨、滑坡等工程问题。开展了一系列无约束小球运动离心试验，基于双目立体视觉原理还原小球轨迹并验证了离心超重力下质点运动的控制方程。在此基础上对离心降雨模拟进行数值分析并提出4项降雨均匀性指标。分析表明，质量变化与非惯性系耦合作用会使得物体受到一项额外的作用力。离心超重力下the Green Mist喷嘴模拟的降雨的空间和统计分布特征会在空气阻力和非惯性系作用下发生显著改变。降雨均匀性指标对于确定喷嘴阵列布置具有指导意义，以研究工况为例，2×2的the Green Mist喷嘴阵列沿边坡长度和宽度方向的喷嘴覆盖面积重叠率的推荐值分别为60.47%，55.36%。

关键词：非惯性系效应；离心机；降雨模拟；均匀性

微生物砂浆与岩石界面的剪切强度及胶结特性

邵光辉1, 孔祥泰1, 陈海涛2, 黄容聘1, 狄志强3, 刘  鹏1

（1. 南京林业大学土木工程学院，江苏 南京 210049；2. 安徽建工集团股份有限公司，安徽 合肥 230000；3. 江苏诚晖工程技术有限公司，江苏 南京 210037）

摘  要：客土喷播复绿高陡裸岩坡面时喷播土体易于剥落，在裸岩表面喷覆微生物砂浆具有提高喷播土体与岩面附着力和稳定性的应用潜力。为此，开展微生物砂浆胶结石灰岩界面剪切试验，研究微生物砂浆与岩石界面的剪切强度变化规律和胶结作用机理。结果表明，胶结后的微生物砂浆-岩石界面的黏聚力和摩擦角分别可达到45.6 kPa和26.40˚，微生物矿化胶结对界面的摩擦角影响不大。微生物砂浆的崩解率与碳酸钙生成量呈负指数幂相关，当碳酸钙生成量高于2.5%时，微生物砂浆具有较好的水稳定性。岩面上覆微生物砂浆中具有丰富的孔隙结构，界面剪切破坏主要是砂颗粒与碳酸钙结晶体的接触面剥离，以及碳酸钙结晶集合体内部断裂。研究结果可为微生物岩土技术应用于岩质边坡的生态防护工程提供参考。

关键词：微生物岩土；岩质坡面；剪切强度；界面；胶结特性

深埋软岩隧道上中台阶开挖锁脚锚管倾角优化研究

邓祥辉1, 2, 贺海龙1, 王  睿1, 2, 张  轩1, 赵帮轩3, 丁  潇1, 2

（1. 西安工业大学建筑工程学院，陕西 西安 710021；2. 西安市军民两用土木工程测试技术与毁损分析重点实验室，陕西 西安 710021；3. 中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300459)

摘  要：软岩隧道初期支护中，钢架+锁脚锚管联合支护是一种有效控制隧道围岩变形且经济的支护措施。其中，锁脚锚管的打设角度是影响其支护效果的重要参数。在已有的上台阶开挖后钢架+锁脚锚管力学解析模型基础上，推导了上中台阶开挖后钢架+锁脚锚管力学解析模型，以此求出上中台阶开挖后锁脚锚管打设角度和钢架拱顶沉降的理论计算式。同时，基于竖向围岩压力实测分析，通过所求出的上中台阶开挖后锁脚锚管打设角度与钢架拱顶沉降的关系式，并以中河隧道为工程依托确定上中台阶开挖后锁脚锚管的最优打设角度。结果表明：建立的上中台阶开挖后钢架+锁脚锚管力学模型分析得到的隧道拱顶沉降与现场实测值基本吻合；根据钢架拱顶沉降理论公式分析得出隧道中台阶锁脚锚管最优打设角度为60°～70°。本文的研究成果可为深埋隧道分台阶开挖锁脚锚管的倾角优化设计提供理论依据。

关键词：软岩隧道；锁脚锚管；上中台阶；力学模型；打设角度

岩体交叉裂隙几何特征对溶质运移的影响

乔丽苹1, 2，庞利磊1，王者超1, 2，任梦梓1

（1. 辽宁省油气地下储存工程研究中心，辽宁 沈阳 110004；2. 东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819）

摘  要：交叉裂隙溶质运移特征是岩体裂隙网络溶质运移的基础。对流与水动力弥散是非反应性溶质运移的主要控制机制，佩克莱数被用来评估两者在非反应性溶质运移过程中的占比影响。通过改变注入流体的流速，改变交叉裂隙的粗糙度、交叉角、开度比等几何特征，采用有限元数值分析获得了佩克莱数与交叉裂隙几何特征对溶质运移特性的影响规律。研究表明：随流体流速增大，溶质运移由弥散主导转向对流主导，实际工程中全面考虑弥散效应有助于准确评估交叉处溶质的混合程度；粗糙度仅影响溶质到达出口处的运移时间；交叉角、开度比通过影响溶质分子扩散到不同出口分支的概率、优势流的流动路径，显著改变了交叉处溶质的混合程度；不同流量比通过影响交叉处流向出口分支的优势流位置，影响了交叉处溶质的混合。研究结论可为油气地下储存、垃圾填埋、核废料处置等地下工程中地下水污染物的防控治理提供理论依据。

关键词：交叉裂隙；溶质运移；佩克莱数；水动力弥散

基于能量原理的穿越活动断层隧道震害影响分区方法及应用研究

崔光耀1，何子阳1，陈秦泷1，王明年2，王道远3

（1. 北方工业大学土木工程学院，北京 100144；2. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；3. 河北交通职业技术学院路桥工程系，河北 石家庄050035）

摘   要：为提高穿越活动断层隧道的抗震性能，从结构的能量响应出发，引入了断层错动因素，优化了地震作用下穿越活动断层隧道的能量响应计算理论，根据输入能量与结构固有能量之间的关系，提出了地震和断层错动作用下隧道能量响应曲线计算方法，建立了穿越活动断层隧道震害影响区分区方法，依托龙洞子隧道F5活动断层段进行应用研究。结果表明：F5活动断层段隧道在地震10 s左右发生失稳破坏，破坏率最大为58%，根据破坏率对穿越断层隧道进行了震害影响分区；通过汶川地震龙洞子隧道F5和龙溪隧道F8活动断层段现场震害资料分析表明，现场震害类型及震害分布情况与震害影响分区较为符合，这说明提出的基于能量原理的穿越活动断层隧道震害影响分区方法可用于工程实际。研究成果可为穿越活动断层隧道抗震设防设计提供参考。

关键词：隧道工程；能量原理；活动断层；影响分区；破坏率

考虑埋深的黏性回填挡墙抗震转动稳定性上限分析

李东阳1，马志宏1，刘  杰*2，尹吉丽3，孙勃岩3

（1. 中国矿业大学（北京）力学与土木工程学院，北京 100083；2. 河北工程大学土木工程学院，河北 邯郸 056009；3. 国信司南地理信息技术有限公司，北京 100097）

摘  要：在挡土墙抗震稳定性的研究中，往往假定墙体的埋深为零，导致墙前回填土的作用被忽略。基于极限上限分析理论，考虑了埋深因素对黏性回填挡土墙抗震稳定性的影响。采用斜条分法，将墙前与墙后的回填土微分成平行于破裂面的刚性土条。建立了挡土墙绕墙趾转动，墙前与墙后填土分块滑动的墙-土系统。根据功-能平衡方程，推导了挡墙抗震加速度系数的表达式，讨论了地震作用下的填土高度、内摩擦角、填土黏聚力、墙-土摩擦角对挡土墙抗震转动稳定性的影响。结果表明：当墙前回填土高度与墙后回填土高度比值（H2/H1）大于0.15时，地震屈服加速度系数将急剧增大，此时若忽略墙前回填土的作用则会低估挡土墙的抗震稳定性。最后，通过与极限平衡理论的方法进行对比，证实了该方法计算的准确性。

关键词：挡土墙；极限上限理论；埋置深度；地震屈服加速度；转动稳定性

软土深埋大断面类矩形顶管结构受力分析与实测

张中杰1，龙炼彬2, 3，时振昊*2, 3，黄茂松2, 3，吕培林1，卢康明4

（1. 上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200125；2. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；3. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；4. 上海隧道工程有限公司，上海 200032）

摘  要：深埋大断面矩形及类矩形顶管越来越多应用于软土地铁车站等大型城市地下结构建设，该新型结构水土荷载特征及结构受力性能对保障城市地下空间长期安全具有重要作用，然而相关研究仍较为有限。本研究依托上海轨道交通14号线静安寺车站工程，结合现场实测与理论分析，研究了软土深埋大断面类矩形顶管结构水土压力与受力响应的空间分布特征，对比分析了不同土压力理论及土-结构相互作用模式对顶管结构内力响应的影响方式，开展了设计理论的适用性评估。主要结论为：①结构顶部竖向土压力的实测值接近土柱理论的计算值，且基于土柱土压力计算的结构弯矩与实测较为吻合，反映出本工程中顶管顶部土拱效应可能较弱；②类矩形顶管的弯矩呈“蝴蝶状”分布，表明结构变形模式为竖向内凹及横向外凸，其中横向外凸可进一步诱发地层水平抗力；③地层水平抗力对大断面类矩形顶管结构内力可产生显著影响，现有设计规范较多忽略这一因素，可导致结构弯矩被严重高估（如依托工程中顶管腰部弯矩的计算误差可达2倍）。

关键词：矩形顶管；软土；土压力分布；结构受力分析

上海黏性土水平基床比例系数m的反演取值及工程验证

顾晓强1, 2，周赫宸1, 2，何  平3，张中杰4，徐中华5, 6，王卫东1, 5, 6

（1. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；2. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；3. 中冶赛迪上海工程技术有限公司，上海 200940；4. 上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200125；5. 上海基坑工程环境安全控制工程技术研究中心，上海 200011；6. 华东建筑设计研究院有限公司上海地下空间与工程设计研究院，上海 200011）

摘  要：水平基床比例系数m是弹性地基梁法计算基坑变形的最关键参数，然而既有规范提供的m取值范围大，且尚未合理反映土体力学特性和基坑尺寸的影响。讨论了现有不同规范中m值规定的差异和不足，指出比例系数m本质上是一个简化的工程土体变形计算参数。对于基坑工程，m应当与土性参数、基坑开挖深度及宽度等相关。基于土体小应变硬化模型及合理的参数取值方法，通过数值计算获取了大量基坑算例的变形数据，再通过反分析建立了一套考虑土体参数（初始孔隙比）、基坑开挖深度及宽度的上海黏性土m值的实用取值方法。基于该取值方法，采用弹性地基梁法计算了上海地区25个实际基坑工程围护结构的变形。结果表明，基坑围护墙最大水平位移的计算值与实测值较为接近，平均误差为2.6%。该方法解决了上海地区实际基坑工程中黏性土m值如何准确且快速取值的难题，也为其他地区建立类似取值方法提供了有益的借鉴。

关键词：基坑变形；弹性地基梁法；水平基床比例系数m；取值方法；反演分析

黄土隧道围岩压力计算方法研究

罗彦斌，陈  浩，陈建勋*，王传武

（长安大学公路学院，陕西 西安 710064）

摘  要：为了提出一种适用于黄土隧道的围岩压力计算方法，分析了黄土隧道围岩压力形成机理，依托大量围岩压力现场测试数据，提取了隧道围岩压力影响因子，探究了不同影响因子对黄土隧道围岩压力的影响敏感性及其变化规律，基于多因子耦合回归分析方法构造了围岩压力计算公式，采用样本包络度法结合试算法提出了考虑多影响因素的黄土隧道围岩压力计算方法。结果表明：黄土隧道围岩压力主要为形变压力，目前常用的基于松动理论的围岩压力计算方法不能真实反映黄土隧道的荷载情况；黄土隧道围岩压力受围岩级别影响明显，与隧道埋深、跨度和开挖高跨比具有较好的指数函数关系；与现有常用的太沙基公式、隧规公式以及卡柯公式对比，本文提出的计算公式对于黄土隧道围岩压力具有较好的包络度，且计算结果更接近于现场实测值。

关键词：隧道工程；黄土隧道；围岩压力；影响因子；计算方法

强降雨条件下单层土质覆盖层的入渗解析解及斜坡稳定性分析

李光耀1, 2，刘兆龙1，冯  嵩*3，詹良通4，杜修力1

（1. 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124；2. 北京工业大学重庆研究院，重庆 401151；3. 福州大学土木工程学院，福建 福州 350108；4. 浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江 杭州 310058）

摘  要：近年来中国极端降雨事件频发，研究强降雨条件下单层土质覆盖层的入渗规律及斜坡稳定性具有重要意义。基于二维非饱和土渗流控制方程，采用指数函数模型描述土体的土水特征曲线和渗透系数曲线，针对强降雨过程中表层土体达到饱和状态前后分别采用恒定流量和恒定压力水头作为覆盖层表面边界条件，推导了强降雨条件下单层土质覆盖层的入渗解析解。通过与有限元软件Geostudio-Seep/W的计算结果进行对比，证明了该解析解的有效性。在解析解的基础上，根据非饱和土抗剪强度理论，分析了单层土质覆盖层的斜坡稳定安全系数在强降雨条件下的发展情况，结果表明潜在滑动面的埋深越大，覆盖层稳定安全系数对降雨的响应速度越慢。强降雨期间以覆盖层底面作为滑动面的稳定安全系数始终保持最小，说明覆盖层最易沿着该滑动面发生失稳。得到的解析解为单层土质覆盖层的防渗性能评价及斜坡稳定性分析提供了简单实用的工具。

关键词：解析解；强降雨条件；单层土质覆盖层；雨水入渗；斜坡稳定性

考虑桩岩界面体积剪缩的灌注桩竖向荷载传递解析解

杨凯旋1, 2，赵  衡*1，赵明华1, 2，加武荣2，华旭刚1

（1. 湖南大学土木工程学院，湖南 长沙 410082；2.中铁二十局集团有限公司博士后科研工作站，陕西 西安 710016）

摘  要：当钻孔灌注桩深入软岩地层时，其竖向荷载传递行为与桩岩界面的粗糙度具有高度相关性，具体表现为孔壁与桩身的接触面在荷载作用下错动而剪胀并引起侧向约束（法向应力）的增加。现有基于Patton模型及其广义模型的桩岩界面建模方法可较好地模拟峰前剪胀过程中法向应力的增长过程；但其忽略了一个重要事实：当剪胀达到一定程度时，孔壁粗糙体将由于局部应力增加而破坏，此时由于剪胀过程所积蓄的系统内能将随粗糙体的断裂或破坏被迅速释放，在宏观上表现为桩岩界面的体积剪缩并引起法向应力的减小。为此，综合已有室内试验的观测结果并基于单边受压楔体的上限解，确定出三角形粗糙体破坏时将分离出一个新的三角形岩屑并沿着本文定义的剪缩角斜向滑动。在考虑粗糙体几何特征和运动学原理的基础上，利用能量准则求解了剪缩角以及峰后剪缩过程中的滑动摩擦力。随后，修正了已有的界面剪切模型并利用室内直剪试验的结果验证了桩岩界面剪切全过程的应力-位移预测曲线，并据此得到基桩竖向荷载传递解析解。参数分析表明半波长、剪胀角和岩石内摩擦角是影响剪缩角和单位侧阻力发挥的主要因素。

关键词：基础工程；桩岩界面；竖向荷载传递；粗糙度；剪缩角

考虑层状构造特征影响的岩体地应力场精细反演分析研究

赵  勐1，钮新强1，颜天佑2，肖  明3

（1. 长江设计集团有限公司，湖北 武汉 430010；2. 长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；3. 武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室，湖北 武汉 430072）

摘  要：层状岩体及其层间剪切破碎带对厂区局部地应力场的量值和方向具有十分复杂的影响，准确获取复杂地质条件下厂区初始地应力场条件是分析层状岩体地下洞室围岩稳定性的先决条件，故提出考虑层状岩体对局部地应力场影响的二次反演分析方法。首先，针对影响地应力场规律的复杂河谷演化过程、地形地貌和构造作用等因素，发展了基于地层剥蚀模拟的侧压力系数法进行一次反演计算，得到大模型初始地应力场。其次，针对层状各向异性构造岩体对局部应力场的影响，建立层状岩体二次反演模型，并从一次反演应力场中插值计算等效节点力荷载来模拟构造作用，提出了基于等效构造作用的层状岩体地应力场二次反演方法。结合一次和二次反演方法，形成了层状岩体三维初始地应力场优化反演分析方法。最后，将该反演分析方法运用于贵阳抽水蓄能水电站地下厂房中，二次反演结果表明：计算得到的地应力场结果能够满足实测点处点吻合和反映河谷演化和层状岩体影响的场吻合要求；工程区地应力场受层面的影响，在层间剪切带边缘局部应力量值稍有增加，软岩层内应力释放明显，且局部应力场方向受岩层产状变化而发生不同程度的偏转扰动；深入分析了层状岩体各向异性力学性质对局部地应力场量值、方向和扰动范围的影响规律。

关键词：地应力场；反演分析；侧压力系数法；层状岩体；地下洞室

砂土静力触探试验的DEM-FDM耦合数值模拟研究

宋  跃1, 2，顾晓强*1, 2，胡  靖1, 2，郑  兴3

（1. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；2. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；3. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

摘  要：静力触探是岩土工程最重要的原位测试手段之一，然而静力触探不能直接测出土体参数，需借助标定罐试验或数值模拟中已有的锥尖阻力与土体参数的经验关系来确定土体参数。本研究利用离散元（DEM）与有限差分法（FDM）耦合数值方法实现了砂土中标定罐静力触探贯入全过程的高效模拟，探究了影响锥尖阻力的主要因素。模拟中，首先根据砂土单元体宏观力学特性标定了砂土颗粒接触模型参数，并进一步分析了标定罐尺寸、砂土密实度、围压等对锥尖阻力影响，最后建立了归一化锥尖阻力Q和峰值内摩擦角φpeak的关系。研究结果表明，在离散-连续模型径向尺寸比Rdf为0.67且标定罐归一化径向长度Rd为20的情况下，模拟的尺寸效应可忽略。同时，锥尖阻力的模拟结果与小孔扩张理论计算结果吻合良好，验证了数值模拟的可靠性。归一化锥尖阻力Q和峰值内摩擦角φpeak之间呈指数关系，与原位测试结果接近，进一步验证了耦合模拟方法的准确性，其结果可为砂土静力触探锥尖阻力与土体参数经验关系的建立提供重要参考。

关键词：静力触探；标定罐；离散元；有限差分；锥尖阻力

类岩石材料颗粒流模型的细观参数标定方法研究——半解析查表法（SLT）

缪露莉1, 2, 3，刘新荣1, 2, 3，傅  晏4，周小涵1, 2, 3，郭雪岩1, 2, 3

（1. 重庆大学土木工程学院，重庆 400045；2. 库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心，重庆 400045；3. 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学)，重庆 400045；4. 重庆大学管理科学与房地产学院，重庆 400045）

摘  要：为了研究类岩石材料颗粒流模型的细观参数标定方法，基于CBM模型，首先进行了理论推导，而后基于大量的数值模拟获得了理论关系式中系数的拟合值，最终形成半解析查表法。研究表明：接触黏结的强度比对数值试件的细观破坏模式有重要影响；代表性单元体与实际颗粒流模型具有相同的宏、细观参数变化规律，且各系数的理论值与拟合值基本相符；单轴抗压强度、黏聚力与接触黏结强度的较小值 呈较好的线性相关；细观参数的标定是具有明确的先后顺序的。最后通过标定砂岩的细观参数来证实半解析查表法是能够用于快速的完成参数标定的。

关键词：颗粒流（PFC）；细观参数；标定方法；类岩石材料；CBM

基于频散特性的层状介质面波自由场反演

薛耀辉1，董志骞*1, 2，李  钢1，余丁浩1，王  睿1，张  昊2

（1. 大连理工大学海岸与海洋工程全国重点实验室，辽宁 大连 116024；2. 建筑安全与环境国家重点实验室，北京 100013）

摘  要：面波自由场反演是实现土-结相互作用（SSI）体系地震动输入以及揭示结构真实地震响应行为的重要步骤之一。现有反演方法将地表地震动全部作为体波考虑，仅对体波自由场进行反演。为了弥补忽略面波带来的反演精度不足，提出了一种层状介质场地基于频散特性的面波自由场反演方法，为SSI体系地震响应分析提供准确的面波激励。该方法针对频散面波多模态相互耦合、难以分离的问题，采用平均能流密度来表征各频散模态的参与量，并结合频域动力刚度矩阵计算了模态参与系数；然后采用模态参与系数对各频散模态进行解耦，将地表面波分量分配给各单阶频散模态进行单模态面波自由场反演；最后利用模态叠加原理将所有单模态面波自由场合成多模态面波自由场。方法的准确性和应用性分析结果表明，所提反演方法能够准确地还原地下真实的面波自由场以及揭示频散面波对SSI体系地震响应的重要影响，可用于为SSI体系抗震设计、风险评估等工作提供定量的指导。

关键词：面波自由场反演；SSI体系；层状介质；频散特性；能流密度

基于变分极限平衡法的地基极限承载力分析

周志雄，周凤玺，梁玉旺*

（兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州 730050）

摘  要：基于变分法和极限平衡法的基本原理，对条形基础下地基极限承载力进行了分析。以地基中滑动土体的静力平衡方程为基本方程，建立了地基极限承载力泛函极值的等周模型。在此基础上，通过引入拉格朗日乘子构造出约束条件下的辅助泛函，利用欧拉方程得到以潜在滑动面、滑面上法向正应力以及拉格朗日乘子等为基本未知量的一阶常微分方程组，并通过引入辅助变量将可动边界的地基极限承载力分析转化为固定边界条件下的两点边值问题。利用打靶法对该耦合的非线性微分方程组进行数值求解，得到问题的精确解答，并通过数值算例验证了模型和方法的有效性。

关键词：极限承载力；条形基础；变分极限平衡法；打靶法

考虑细观颗粒破损的粒状材料弹塑性本构模型研究

王小婵1，兰恒星*1, 2, 3，刘世杰1，孙巍锋1 

（1. 长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；2. 自然资源部生态地质与灾害防控重点实验室，陕西 西安 710054；3. 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101）

摘  要：建立考虑颗粒形状与破碎物理机制的粒状材料本构模型，是土石坝工程力学稳定性计算的重要理论基础。研究讨论了不同形状的粒状材料内部颗粒破碎、转动和滑移等对变形的影响规律，基于岩土损伤力学及热力学定义，构建了考虑颗粒形状的颗粒破碎功及剪胀能数学表达式；并结合颗粒破损率方程，阐释了压缩过程颗粒破碎功、剪胀能和破损程度的演化规律，定量揭示了粒状材料的细观破碎变形机制。最后，将颗粒破碎功、剪胀能的定量计算方程引入D-C模型，建立了一个考虑颗粒形状与细观破碎机制的粒状材料弹塑性本构模型，并通过试验曲线与理论曲线的对比，验证了该模型的合理性和可靠性。

关键词：颗粒形状；颗粒破碎；颗粒破碎功；破碎演化规律；本构模型

降压开采下深海能源土近井界面力学特性耦合分析

卢永鑫1，蒋明镜*2, 3，王思远1

（1. 天津大学建筑工程学院，天津 300350；2. 苏州科技大学土木工程学院，江苏 苏州 215009；3. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092）

摘  要：天然气水合物作为最有潜力的清洁能源之一备受关注。开采过程中水合物分解将使近井水合物沉积物（即深海能源土）力学特性劣化，引起系列开采风险及工程地质灾害。针对目前大多数研究未从微观角度着眼于开采中的能源土-井筒结构接触界面特性变化，采用实用型水合物开采多场耦合分析框架TOUGH+HYDRATE+PFC，考虑相对更为真实的能源土-井筒接触界面的不同情况，开展了降压开采多场耦合数值模拟，对近井土体以及井筒本身的力学响应进行了对比分析，探讨了井筒表面粗糙度对于开采中土体、井筒间的相互作用的影响规律。结果表明：①不同的井筒表面粗糙程度未对温压化及开采效率方面产生明显影响。②适当提高井筒表面的粗糙程度可有效地减小接触土体沉降幅度，增强井壁接触区域的土体稳定性，降低开采风险以保证开采能够相对稳定地长期进行。③井筒粗糙度的增大会导致井筒受到更大的摩擦力，需控制井筒表面不能过于粗糙以防止井筒本身受力过大影响而失稳破坏。

关键词：深海能源土；水合物分解；离散单元法；开采井；界面；耦合分析

微生物诱导碳酸盐沉淀修复镉污染尾矿试验研究

江昭明1，陈永贵*1，付  俊1, 2，周  罕2，文子豪1

（1. 同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092；2. 中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650051）

摘  要：微生物诱导的碳酸钙沉淀（MICP）是修复重金属污染场地的有效技术。采用巴氏芽孢杆菌对镉污染尾矿进行固化修复试验，研究了胶结次数、细菌浓度、胶结液浓度、温度对镉污染尾矿浸出特性的影响，结合微生物群落结构变化、微观分析揭示了MICP修复污染土机制。结果表明：经过12次MICP处理后能有效钝化尾矿中的Cd2+，在30℃、OD600=1.5、胶结液浓度为0.5 mol/L条件下诱导生成的合适晶体尺寸的碳酸钙能在尾矿孔隙中均匀分布，碳酸钙中结构稳定的方解石含量较高，处理后尾矿中八叠球菌属丰度达到78.68%，固化与修复效果较好。MICP通过生物吸附、生物沉淀、碳酸钙吸附、晶格掺杂（包括取代掺杂和间隙掺杂）以及共沉淀作用，完成了对重金属的有效钝化。研究结果对优化MICP技术及其应用于重金属污染土修复具有重要意义。

关键词：微生物诱导碳酸钙沉淀；镉；浸出特性；污染修复；钝化机制

低净空下旋喷静压钢管复合桩竖向抗压承载特性的试验研究

王曙光1, 2, 3, 尹  浩1, 段启伟1, 3, 王浩宇1, 3, 李钦锐1, 3, 李  湛1, 3

（1. 中国建筑科学研究院地基基础研究所，北京 100013；2. 住房和城乡建设部防灾研究中心，北京 100013；3. 北京市既有建筑改造工程技术研究中心，北京 100013）

摘  要：旋喷静压钢管复合桩技术是适用于既有建筑低净空下作业的新型专利技术。通过室内足尺试验对旋喷静压钢管复合桩的竖向抗压承载特性进行研究，并与锚杆静压桩、旋喷桩和钻孔灌注桩的竖向抗压承载特性进行对比。试验结果表明：旋喷静压钢管复合桩主要表现为摩擦桩的特性；当桩径相当时，旋喷静压钢管复合桩的单桩承载力显著高于灌注桩和旋喷桩；锚杆静压桩由于直径较小，单桩承载力也最低；在极限荷载作用下，旋喷桩表现为桩顶材料强度破坏，桩的侧阻力与端阻力未充分发挥；旋喷静压钢管复合桩由于芯桩的植入，弥补了旋喷桩桩身强度的不足，桩的侧阻力得以充分发挥，其承载力高于旋喷桩；与灌注桩相比，旋喷静压钢管复合桩桩身界面不规则、旋喷工艺明显改善了桩土的界面特性，因而旋喷静压钢管复合桩承载力高于同直径的灌注桩。根据试验结果从工程实用的角度，通过引入侧阻力增大系数和端阻力折减系数，对灌注桩的单桩极限承载力公式进行修正，得到旋喷静压钢管复合桩单桩极限承载力的表达式，并给出相关参数的取值建议。

关键词：旋喷静压钢管复合桩；抗压承载特性；室内足尺试验；锚杆静压桩；旋喷桩；灌注桩

生物炭-铁锰氧化物复合材料修复As(Ⅲ)污染土

张文杰1，李西斌*2，黄津祥3

（1. 台州学院建筑工程学院，浙江 台州 318000；2. 嘉兴大学建筑工程学院，浙江 嘉兴 311300；3. 上海大学土木工程系，上海 200444）

摘  要：生物炭（BC）已被广泛应用于重金属污染水土修复，但由于土中As(Ⅲ)以络阴离子形式存在，易与生物炭产生静电排斥，直接使用生物炭进行稳定化的效果不佳。制成生物炭-铁锰氧化物复合材料（FMO-BC）修复As(Ⅲ)污染土，利用锰氧化物将As(Ⅲ)氧化为低移动性的As(V)，通过铁氧化物进行稳定化，并通过生物炭负载的方式解决铁锰氧化物（FMO）易团聚的问题。通过合成沉降淋滤试验、生物有效性试验、连续提取试验和光谱分析研究了FMO-BC修复As(Ⅲ)污染土的效果和机理。结果表明，FMO-BC的修复效果显著优于同掺量的FMO，7%的FMO-BC掺量下As稳定化效率达到98.6%；FMO经BC负载后具有更多活性点位可与As反应，从而降低了As的生物有效性；由于FMO和生物炭的中和作用，掺入FMO-BC后土体pH不会显著升高，从而避免了高pH导致的As浸出；FMO-BC修复后更多As被转化为稳定形态，环境风险大大降低；FMO-BC可将86.9%的As(Ⅲ)氧化为As(V)，FMO-BC主要通过氧化、吸附、络合和沉淀反应实现As稳定化。

关键词：As(Ⅲ)污染土；铁锰氧化物；生物炭；稳定化；浸出毒性