冻融及细粒含量对粗粒土力学性质影响的试验研究

以粗粒土填料在冻土地区铁路路基中的应用和推广为研究背景,针对冻融作用及细粒含量对粗粒土填筑路基稳定性的影响,通过室内三轴试验深入研究和分析了冻融次数、细粒含量以及围压对粗粒土试样强度特性的影响规律。研究结果表明,随着细粒含量的增加,粗粒土的应力应变曲线由冻融前的应变软化现象过渡到冻融后的应变硬化现象;同时,随着细粒含量的增加,未经历冻融时,细粒土的黏结性有效地提高了粗粒土的剪切强度,而经历冻融后,细粒土的冻胀性反而削弱了粗粒土的剪切强度;粗粒土的剪切强度和抗剪强度指标随冻融次数的增加而减小并在经历6次冻融后达到稳定状态;围压的"围箍"作用有效地提高了粗粒土的抗剪强度;通过讨论和分析,建议冻土区铁路路基粗粒土填料的合理细粒含量为5%,并将粗粒土填料经历6次冻融后的力学指标作为工程设计值。     

基于颗粒接触状态理论的粗细粒混合料液化强度试验研究

为探讨粗细粒混合料的液化强度CRR,对具有不同细粒含量FC和相对密度Dr的粗细粒混合料开展了一系列不排水循环三轴试验。基于颗粒接触状态理论,将粗细粒混合料分为类粗粒土、中间性态土和类细粒土;用骨架孔隙比esk表征混合料骨架颗粒的接触状态,引入参数b与m描述粗细粒混合料从类细粒土到类粗粒土过度中粗粒与细粒对颗粒接触状态的影响。试验结果表明:随着FC的增加,具有相同Dr粗细粒混合料的CRR先降低后基本保持不变。此外,具有不同FC和Dr的粗细粒混合料CRR都随esk的增大而降低。分析表明:基于颗粒接触状态理论的esk是合理地表征粗细粒混合料CRR的一个物理状态指标,且两者呈现较好的负幂函数关系。     

粗粒土强度和变形的级配影响试验研究

开展了不同细粒含量的无黏性和含黏粒粗粒土的共8组大型三轴排水剪切试验,研究了级配对粗粒土强度、变形、剪胀特性和颗粒破碎的影响。试验结果表明细颗粒含量的大小、是否含泥是粗粒土力学特性的重要影响因素;分析了无黏性粗粒土的颗粒破碎率随围压大小、级配的变化;研究了剪切峰值随围压、细颗粒含量的变化规律,讨论了不同围压、不同级配特征情况下粗粒土的剪胀特性。根据含黏粒粗颗粒土的试验结果,分析了含泥量对强度和变形特性的影响,并从机理上分析了细粒含量对无黏性和含黏粒粗粒土的力学特性影响的差异性。试验结果表明对于土石坝工程良好的坝体填筑料级配、严格控制小于0.075 mm颗粒含量,有利于提高坝体的稳定性和减小坝体沉降。     

细粒含量对细粒–砂粒–砾粒混合料动强度的影响

从现有文献可以发现,含砾量、制样方法、相对密度和固结比等因素对饱和砂砾土动强度CRR的影响已有较多研究,但鲜有文献涉及细粒含量FC对砂砾土CRR的影响。通过一系列不排水循环三轴试验,研究了FC对细粒–砂粒–砾粒混合料CRR的影响。基于颗粒接触状态理论,将细粒–砂粒–砾粒混合料分为类粗粒土、类细粒土和中间性态土;引入"循环流动"和"循环液化"描述类粗粒土和类细粒土的循环破坏过程,提出了适用于混合料的循环破坏标准。试验结果表明:随着FC的增大,混合料的CRR呈现出先降低后增大的特征,当FC=30%时,混合料的CRR最低。通过分析发现,细粒–砂粒–砾粒混合料的CRR随骨架孔隙比e_k的增大而降低,且当FC25%或FC35%时,两者有较好的指数关系,说明e_k是合理地表征细粒–砂粒–砾粒混合料CRR的一个物理指标。     

常吸力下非饱和粗粒土率相关力学特性试验研究

为研究山区高填方路基的时效变形特性,针对路基粗颗粒填料,开展了粗颗粒填料持水特性和一系列常吸力作用下的率相关力学特性试验,采用三种不同剪切速率对试样进行剪切,分析围压、基质吸力及剪切速率对土体强度和变形特征的影响。试验结果表明：粗颗粒填料的土水特征曲线未出现残余吸力值;不同围压下粗颗粒填料的峰值强度可表示为基质吸力的函数,基质吸力越大,非饱和粗粒土的剪切强度越高,且体积剪缩变形越小;非饱和粗粒土的强度与体积变形均受剪切速率的影响,且变化趋势表现出高度一致性,剪切速率越大,试样强度越高,对应的体积变形越小。     

贵州重塑黄褐色玄武岩残积土残余强度试验研究

以重塑黄褐色玄武岩残积土为研究对象,利用环剪仪对不同干密度、不同含水率的土体进行了不同加载方式下的多级环剪试验,探求了在大剪切位移条件下,土样干密度、含水率和加载方式对土体峰值强度和残余强度的影响。试验表明:试样的剪应力-剪切位移关系曲线呈应变软化型;对同一干密度土样,其峰值强度和残余强度随含水率的变化受每级固结后的状态影响较大;随着含水率的增大,残余黏聚力逐渐减小,而残余内摩擦角在较小的范围则小幅增大。对于同一含水率土样,干密度与峰值强度和残余强度均呈负相关关系,即峰值强度和残余强度均随着干密度的增大而减小。     

卵石土力学强度特性试验研究

本文通过对不同深度分布的卵石土进行原位剪切试验,研究表明:随着深度增加,土体的孔隙减小,密实度增加,卵石土发生屈服破坏时,剪切位移逐渐减小,卵石土更易发生塑性变形破坏;泥质微胶结卵石土剪切破坏后,其残余抗剪强度没有明显衰减,应力应变曲线属于应变硬化型;试验场地中,卵石土中卵、砾石含量在60%~80%之间,以卵砾石含量70%为界限,卵石土的抗剪强度主要受到粗粒土控制,细粒土产生的黏聚力占次要作用;由于卵石土颗粒大小相差悬殊,在剪切过程中颗粒之间的咬合力随土体密实度对表观黏聚力影响较大,卵石土的颗粒级配情况对剪切面力学性质起控制作用。     

细粒土不均匀分布对粗粒土力学特性的影响

为了研究冻融循环条件下细粒土的不均匀分布特性对粗粒土力学特性的影响,对不同冻融循环次数、冻结温度、围压条件下的含有不同细粒土分布的粗粒土进行常规的静三轴剪切试验,研究冻融循环后具有不均匀细粒土分布的试样的最大剪胀位置、应力–应变关系曲线、起始屈服强度、起始屈服应变、静强度、破坏应变变化规律。研究结果表明,在相同的细颗粒与粗颗粒不均匀分布的条件下,试验后试样的最大剪胀位置随着试样上两层中细粒土含量的增加而沿着试样高度上升,随着冻融循环次数的增加,最大剪胀位置的上升速率是不断增加的。细颗粒与粗颗粒不均匀分布的程度越高,尤其是粗颗粒的富集程度越高,试样的脆性越高,试样的应变软化程度越明显。冻融循环次数的增加,降低了粗、细颗粒较均匀分布的3种试样的应力–应变软化程度的差异性,即冻融循环次数的增加可以使粗颗粒和细颗粒的组合结构趋于稳定。在相同的围压条件下,冻融循环次数的增加削弱了因细粒土不均匀分布而导致的起始屈服强度的差异性和静强度的差异性。试样中的粗颗粒和细颗粒分布越不均匀,试样的起始屈服强度和静强度越大。当围压为100 k Pa时,静强度与起始屈服强度的比值随冻融循环次数波动较大,当围压增加到300 k Pa时,比值随冻融循环次数的波动较为平缓。细粒土不均匀分布是起始屈服应变和破坏应变的最显著性影响因素,但是围压对破坏应变的影响程度明显大于围压对起始屈服应变的影响程度。细粒土不均匀分布对破坏应变影响的显著性明显小于它对起始屈服应变影响的显著性。     

不同饱和度下黏粒含量对土体强度特性的影响

通过对山东东明某风电场细粒土进行不同饱和度、不同黏粒含量的直剪试验,研究了土体剪应力-剪切位移关系及抗剪强度的变化规律。结果表明:细粒土在低饱和度下的剪应力-剪切位移关系呈应变软化,脆性破坏;高饱和度下呈应变硬化,塑性破坏;且土体内黏粒含量越多,剪应力-剪切位移曲线的应变软化行为越弱,应变硬化现象发生得越早;粉土随着饱和度的增加,抗剪强度持续下降无峰值,明显受黏聚力影响;粉质黏土和黏土随饱和度的增加,抗剪强度表现出先升后降的特点,受内摩擦角影响加大;细粒土中黏粒含量不同,土体抗剪强度受饱和度影响的程度和形式便不同。     

粗粒组对细粒类填土力学性质的影响分析

粗粒组含量、粗粒粒径对细粒类填土应力-应变特性及抗剪强度具有重要影响。通过单变量原位大面积剪切试验分析了不同粗粒组含量下细粒类填土的应力-应变特性和抗剪强度,并对原位测试土体进行室内试验的颗粒分析,进而分析粒径对细粒类填土的抗剪强度和应力-应变特性的影响规律。试验结果分析表明:土样的峰值剪应力与粗粒组含量呈正相关关系,当试样颗粒限定粒径d_(60)在0.020～0.050 mm时,随着颗粒限定粒径的增大土体的峰值强度和内摩擦角φ增大,而粘聚力c缓慢减小;当颗粒粒径d_(60)大于0.050 mm,随着颗粒限定粒径的增大,土体的峰值强度和内摩擦角φ增大幅度、粘聚力c减小幅度均加大。     

边坡残积土直剪强度特性试验研究

通过边坡残积土的物性试验和室内直剪试验,分析了不同土质、不同含水条件下原状土和击实土的直剪特性,结果表明:饱水土的粘聚力和内摩擦角以及抗剪强度均比保湿条件下低,不同土质条件由保湿向饱水转变时土的抗剪强度减幅不同;利用土性对含水率的敏感度可以粗略判断边坡浅层滑动和深层滑动的可能性;击实土样的抗剪强度随含水率增高而增强,在一定值时达到峰值,然后随含水率的增高而逐渐减弱,呈单峰状,这一峰值含水率与土样最优含水率基本一致。     

花岗岩残积土抗剪强度指标取值影响的研究

实际工程中花岗岩残积土抗剪强度指标的取值存在较大不确定性,主要受取样过程的扰动以及试验条件差异的影响。通过控制土样采取方法、采样器规格以及试验加载级数等条件,笔者系统开展了花岗岩残积土直剪试验及原位直剪试验,对比试验结果后发现,重锤少击法比回旋钻进法对原状试样扰动更小;较大直径的取土器比较小直径的取土器对土样扰动更小。同时也研究了不同加载级数对花岗岩残积土原位直试验以及室内直剪试验抗剪强度指标取值的影响,发现随着加载级数的增加,花岗岩残积土的粘聚力随之增加,而内摩擦角随之减小。最后,根据试验研究结果提出了工程实际中花岗岩残积土抗剪强度指标取值的建议方法。     

不同剪切速率下滑带土强度特性及孔隙分形特征研究

滑带土的抗剪强度和微观结构的变化与滑坡岩土体的稳定性具有密切的联系。本文开展了不同剪切速率下粘性滑带土的环剪试验和核磁共振试验,从宏观与微观的角度分析了滑带土在不同剪切速率下的残余强度特征及微观孔隙的分形特征。研究结果表明:滑带土的残余强度随剪切速率的增加呈指数函数减小;剪切后试样内部孔隙的总体积随剪切速率的增加而降低,且试样内部的孔隙具有明显的分形特征,随着剪切速率的增加,孔隙分形维数先下降后上升;分形维数的变化与滑带土残余强度具有显著的高斯函数变化关系。该成果可为相关滑坡岩土体力学性质的研究提供一定的理论依据。     

洛川Q_2黄土残余强度影响因素试验研究

自然界存在许多天然黄土边坡,当它们发生滑动时,发现这些滑坡的滑动面上的平均剪应力,比它们的抗剪强度小得多,发生上述现象的一个重要因素就是土的残余强度问题,因此研究黄土的残余强度具有深刻意义。试验结果表明:环剪仪是目前测量土残余强度最符合实际的仪器,单级剪切是作为测量土残余强度的首选剪切方式;洛川Q_2黄土的初始结构对其残余强度几乎无影响;洛川Q_2重塑黄土的残余强度参数c_r、φ_r随着初始含水率的增大而减小;洛川Q_2重塑黄土的残余强度参数cr、φr随干密度的增大而增大;洛川Q_2重塑黄土的残余黏聚力cr随着剪切速率的增大而减小,残余内摩擦角φ_r随着剪切速率的增大呈先增大后减小的趋势。     

含水率和干密度对残积土抗剪强度参数的影响

在分析闽东南地区花岗岩残积土物理力学特性的基础上,对3类非饱和残积土的含水率(ω)和干密度(ρ_d)与抗剪强度指标(c、φ)进行相关分析,建立了针对闽东南地区花岗岩残积土含水率和干密度与抗剪强度指标之间的经验公式。研究结果表明:粘聚力的对数与含水率呈负相关,随着含水率的增大,残积土黏聚力总体呈减小趋势;内摩擦角在含水率增大过程中具有非线性衰减的趋势,且集中在一个范围内变化;3类残积土在高密实度下的ω~φ具有峰值点,土体密实度对粘聚力的影响可用线性正相关来反应;一般情况下,干密度值越大,残积土粘聚力值和内摩擦角也越大。利用建立的经验公式,可为花岗岩残积土边坡的勘察、设计和施工过程中土性参数的合理选取及可靠性分析提供参考。     

冻融循环对冻土-混凝土界面冻结强度影响的试验研究

为研究冻融循环作用对冻土-混凝土界面冻结强度的影响,对不同冻融循环次数、法向应力、试验温度及土体初始含水率条件下的冻结界面进行了系列直剪试验,研究经历冻融循环后界面峰值剪切强度、残余剪切强度及强度参数的变化规律。试验结果表明:冻融循环对界面剪切应力与水平位移曲线形态影响很小,经历20次循环后曲线仍是应变软化型。冻融循环对峰值剪切应力的影响强于对残余剪切应力的影响,表明其对界面胶结冰含量产生影响。当土体初始含水率较低且温度较高时,冻融循环使界面峰值剪切强度增加,但变化量较小。然而在含水率较高(20.8%)及试验温度较低时(-5℃),峰值剪切强度随着冻融循环增加而降低。因此在土体含水率较高且冻结温度较低时,对于发生小变形的冻结界面需要重视冻融循环对峰值剪切应力的影响。不同初始含水率、试验温度下冻融循环对残余剪切强度的影响较小且变化规律不明显。在试验温度为-1℃,-3℃,-5℃时,峰值黏聚力随冻融循环增加分别表现为增加、波动和下降,推测是由于界面胶结冰含量不同而引起。峰值摩擦角和残余摩擦角随冻融循环次数增加略有变化。     

三峡库区侏罗系顺层滑坡滑带土的剪切蠕变特性

滑带土的蠕变行为对滑坡的预测预报和长期稳定性分析具有重要作用。选取三峡库区侏罗系典型顺层滑坡—万州兴福寺滑坡为研究实例,针对滑带土重塑样,先进行三轴压缩试验测定其峰值及残余抗剪强度指标,然后开展不同法向应力和不同含水率下滑带土试样的剪切蠕变试验。试验结果表明:①兴福寺滑坡滑带土在初始破坏之前经历瞬时蠕变和衰减蠕变阶段,并最终稳定在低速率的等速蠕变阶段。②法向应力越大,滑带土剪切蠕变速率和变形量越小,各级法向应力下蠕变破坏时的剪应变均小于5%。③含水率对滑带土剪切蠕变速率的影响不甚明显。含水率低于塑限时滑带土剪切蠕变模量最大。随着剪切蠕变的进行,低含水率和饱和试样的剪切蠕变模量均在短时间内急剧降低并分别稳定在某一稳定值,而含水率略高于塑限的试样则呈缓慢降低趋势。与此相反的是含水率接近液限的试样呈缓慢增大趋势。④滑带土长期黏聚力为峰值和残余黏聚力的70%和15.0倍,长期内摩擦角为峰值和残余内摩擦角的69%,70%,各强度指标均受滑带土细颗粒含量的影响。     

三峡库区某滑坡滑带土试验研究

滑坡滑带土试验是确定滑坡物理力学参数的主要方法之一,是研究滑坡成因机理的基础,但由于人为和试验仪器本身等方面的原因,导致滑坡滑带土试验成果失真,因此非常有必要对滑坡滑带土试验成果进行检验。本文采用室内试验对三峡库区某滑坡滑带土的含水率、液塑限、颗粒级配、自由膨胀率进行了研究,在此基础上结合滑坡实际情况,运用反复剪切试验重点对滑带土的残余强度参数进行了探讨,最后采用区域统计规律对试验成果进行了检验。研究结果表明:该滑坡滑带土为级配良好的粘土,其天然含水率为31.21%,且该滑带为弱膨胀性土;滑带土达到残余强度的剪切位移与垂直压力成正比;该滑坡滑带土的饱和残余强度为:c=0.29 kPa,φ=7.45°。     

Effect of principal stress direction during consolidation on the shear strength properties of natural granite residual soil

In numerous real-life civil engineering practices, including multi-stage embankment construction and foundation pit excavation, the direction of the major principal stress σ₁ becomes rotated. In these cases, the granite residual soil may be subjected to inclined consolidation (IC) with σ₁ being inclined, because of the relatively high permeability as a result of the fissures formed during weathering. While the effect of the σ₁ direction during the shear on the strength of granite residual soil (inherent strength anisotropy) has been primarily established, little is known about how the soil strength is affected by the direction of σ₁ during consolidation. This paper presents the effects of IC on the shear strength properties of natural granite residual soil through undrained hollow cylinder torsional shear tests. The effect of the soil structure is also considered by testing remolded soil specimens. The results reveal that while IC changes neither the shape of stress–strain curve nor the specimen features at failure, it leads to an increased ultimate shear strength in terms of both the undrained strength and stress ratio, with the remolded soil being more affected. The presented data provide new insights into the understanding of residual soil strength behaviors.     

非饱和膨胀土抗剪强度的试验研究

膨胀土是一种特殊的非饱和土，经典的土力学理论在膨胀土问题中己显得无能为力。因此，用非饱和土力学理论来研究膨胀土问题在理论和实际两方面都具有重大意义。在非饱和土抗剪强度理论中，吸力的量测在工程实际中仍没有一种简单易行的方法。基于这种实际情况，试图通过其他间接的途径来代替吸力的量测，以确定非饱和土的吸附强度。对于膨胀土这种典型的非饱和土，膨胀力是其很重要的性质之一，它的大小受含水量的影响很大；另一方面，膨胀土的抗剪强度也随含水量的变化而不断地变化。进行了大量的膨胀力试验和抗剪强度试验，以确定膨胀土的膨胀力与吸附强度是否有一定的关系。通过对黑山土和梅山土的重塑试样试验得到的试验数据分析发现：膨胀力和含水量之间存在良好指数关系；粘聚力的对数和内摩擦角均随含水量的增大线性减小；非饱和膨胀土的吸附强度与膨胀力之间存在较好的线性关系，并在此基础上优化了非饱和膨胀土抗剪强度公式。