颗粒级配对砂土剪切特性的影响及细观机理研究

为了探索砂土颗粒级配对其剪切特性的影响,以标准砂为基本材料,制备4种不同人工级配砂进行室内直接剪切试验;同时建立了和4种人工制备砂土相同级配的离散元数值试样进行数值剪切试验。直剪试验结果表明,颗粒级配对砂土内摩擦角影响比较明显,总体表现为内摩擦角随不均匀系数的增大而增大,随曲率系数的增大而减小。离散元数值模拟表明,砂土初始级配对孔隙率、颗粒配位数以及颗粒滑动率的影响都比较显著;砂土试样的破坏是与颗粒级配有关的渐进破坏过程;剪胀系数均随d_(10),d_(30)和d_(60)的增大而先减小后增大。     

多次加-卸载条件下考虑颗粒破碎的钙质砂一维压缩特性研究

南沙群岛附近海域钙质砂多为珊瑚礁碎屑,是一种未胶结的疏松松散颗粒聚集体,颗粒极易产生破碎。为研究钙质砂颗粒破碎特性对其压缩特性的影响,对钙质砂开展多次加-卸载条件下的一维压缩试验,采用相对破碎率为度量指标,评价钙质砂在多次加-卸载过程中颗粒破碎情况;根据试验数据得到反复加-卸载过程中砂样的塑性功,通过建立塑性功与相对破碎率的关系,探讨颗粒破碎对钙质砂一维压缩特性的影响。研究表明:颗粒破碎率随压力的增大而显著增大,颗粒破碎过程具有明显的应力历史依赖性,随着反复的加-卸载,颗粒破碎率的增幅越来越小;同时钙质砂的颗粒破碎率与塑性功呈幂函数关系,且随着塑性功的增加,颗粒破碎率的变化率逐渐减小。     

橡胶颗粒-黏土的剪切及固结试验研究

近年来废旧轮胎橡胶颗粒与素土混合成轻质土逐渐被用于土工构筑物、路基及挡土墙回填、草坪工程等领域。针对不同橡胶颗粒掺量下橡胶-黏土,采用Shear Trac-Ⅱ剪切仪探讨其在不同竖向压力、剪切速率及橡胶颗粒掺量下的抗剪强度、变形特性,并通过一维固结试验探讨橡胶颗粒-黏土的固结特性。结果表明:黏土的剪切强度随竖向压力、橡胶颗粒掺量增加而增大,但随剪切速率增大而减小,而且剪切速率越大、竖向压力越低越容易发生剪胀变形。随剪切次数增加,橡胶颗粒-黏土的剪切强度达到峰值后出现应变软化现象,最终降至稳定的残余强度,其峰值强度、残余强度较纯黏土分别提高20%和10%,残余内摩擦角较峰值内摩擦角约减小10%,残余黏聚力较峰值黏聚力约降低60%;但达到残余强度所需累计剪切位移随橡胶颗粒掺量增加逐渐增大;此外,相同竖向压力下橡胶颗粒-黏土较黏土的固结时间是黏土固体时间的1/4。试验结果可为改良后黏土用作回填材料、土工构筑物、草坪工程及基础回填等工程提供科学依据。     

粗粒含量对珊瑚礁砂混合体剪切特性的影响

珊瑚礁砂混合体是基础设施重要持力层，为了探究颗粒级配组成对珊瑚礁砂混合体的抗剪强度及剪胀性的影响，利用全自动中型叠环直剪仪，在相同密实度下，对不同P₅含量、不同含水率的试样，在50、100、200、400 kPa这4种不同法向应力下进行单剪试验。试验结果表明，珊瑚礁砂混合体的抗剪强度随着P₅含量的增加呈现先增大后减小的趋势，并在P₅含量为25%～50%时达到最大值；珊瑚礁砂混合体在剪切过程中，总体存在先减缩后剪胀的特点，P₅含量对剪胀性、内摩擦角、似黏聚力都有着显著影响；含水率对珊瑚礁砂混合体的抗剪强度有着减弱作用。     

颗粒形状及级配对粗颗粒土休止角的影响

为了准确且方便地测量粗颗粒土的休止角,研制了一种基于旋转容器法的粗颗粒土休止角测定仪。利用此装置,对2种粗颗粒土分别进行了15种级配下的休止角试验,并研究了颗粒形状和级配对粗颗粒土休止角的影响。试验结果表明:对于级配相同、颗粒形状不同的粗颗粒土,颗粒呈棱角状砾石料的休止角大于颗粒圆滑的卵石料,不同最大粒径下砾石料的休止角平均值比卵石料高1.3°~2.0°;对于颗粒形状相同、级配不同的粗颗粒土,休止角随最大粒径的增加而增大,最大粒径为20~40 mm时,休止角平均值增长曲线平缓,最大粒径为40~60 mm时,休止角平均值增长速率明显变快;休止角随平均粒径的增大而减小,随不均匀系数的增加而增大。     

级配对堆石料颗粒破碎及力学特性的影响

级配是影响堆石料颗粒破碎和力学特性的重要因素。为研究级配对堆石料强度和变形特性的影响,开展了3种堆石料的大型三轴排水剪切试验;同时为分析不同级配堆石料的颗粒破碎特性,对试验前后试样进行了颗分试验。试验结果表明,颗粒破碎率随应力的增大而增大,在同一围压情况下,相比于细颗粒含量高的堆石料,细颗粒含量少的产生的颗粒破碎率要大。随细颗粒含量的增加,强度指标变大,抵御变形能力增强,剪切过程中产生的体积变形小,剪胀更为明显。     

掺砂高塑性红黏土抗剪强度直剪试验研究

考虑高塑性红黏土的高塑性指数、低压实性以及容易收缩开裂等特殊工程力学性质,开展了掺砂改善高塑性红黏土的研究。为了研究高塑性红黏土掺砂后的力学特性,通过向红黏土中掺入不同比例和不同颗粒粒径的砂料,制备相同干密度和含水率的试样进行直剪试验,探究不同掺砂比例以及不同颗粒粒径对高塑性红黏土直剪强度特性的影响。研究结果表明:高塑性红黏土掺砂后,能够显著提高内摩擦角,降低黏聚力和抗剪强度;掺砂比例对黏聚力的影响远大于对内摩擦角的影响。掺砂比例保持20%不变,高塑性红黏土的内摩擦角随着掺砂颗粒粒径的减小而增大,黏聚力及抗剪强度随着掺砂颗粒粒径的减小而减小。     

直剪试验方法对轻量土抗剪强度的影响规律研究

【目的】为了快速、准确地获取轻量土抗剪强度相关指标,确定不同直剪试验方法对轻量土抗剪强度的差异,【方法】通过快剪、固结快剪以及慢剪试验,分析了轻量土剪应力-剪切位移曲线、黏聚力和内摩擦角在不同剪切方法及不同配比下的变化规律。【结果】结果显示：轻量土的抗剪强度及抗剪强度指标随着其配比不同表现出一定的差异,其中,随着EPS颗粒体积比的增大,剪应力-剪切位移曲线由应变软化型转变为应变硬化型,轻量土抗剪强度大幅降低。随着水泥掺量的增加,轻量土抗剪强度总体呈现增大的趋势,同时轻量土黏聚力随EPS颗粒体积比增大而大幅减小,随水泥掺量的增大略有增大;内摩擦角随EPS颗粒体积比的增大急剧减小,随水泥掺量增大略微减小。其中以快剪试验为例,当水泥掺量为15%、EPS颗粒体积比由20%增长至40%和60%时,轻量土黏聚力相对减少量为22.20%、44.73%。【结论】结果表明,不同EPS颗粒体积比下,慢剪方法对轻量土试样黏聚力的变化较为敏感,而快剪方法对轻量土试样内摩擦角的变化较为敏感。与素土相比,三种直剪方法下得到的不同配比轻量土剪应力-剪切位移曲线形态、抗剪强度值均比较相近,实际工程中可用直剪快剪方法获...     

不同粒径及级配对碎石料休止角影响的试验研究

为探究不同粒径及级配对碎石料休止角的影响,通过散粒体边坡堆积试验中改进的碎石料休止角测量方法,对不同粒径及级配碎石料休止角进行测量,并结合试验堆积现象进行观察分析。结果表明随均质粒径碎石料粒径的增大,休止角逐渐增大;随不均匀系数的增加,平均粒径对休止角的影响逐渐变小;不均匀系数对休止角的影响呈先增大后趋于稳定;颗粒级配分布愈不均匀,散粒体边坡休止角越大。     

往复剪切作用下砂泥岩混合料力学特性分析

土体在往复剪切作用下的力学性质对研究周期性荷载响应有重要意义。通过改进往复剪切直剪仪,设定4种法向应力进行32次循环剪切,研究了砂泥岩混合料应力应变曲线性态、滞回圈面积和阻尼比变化规律;通过分析剪切刚度随法向应力及往复剪次数的分布规律,建立了砂泥岩混合料剪切刚度经验计算方法;概化了颗粒间接触模式,揭示了砂泥岩混合料强度与变形微观机制。试验结果与理论分析表明:应力应变曲线随法向应力增大由应变软化逐渐转为应变硬化;滞回圈面积随往复剪次数增大而逐渐减小,阻尼比随往复剪次数增加而缓慢增大,且与法向应力无关。初始剪切刚度随法向应力呈线性分布,归一化剪切刚度与往复剪次数呈对数函数关系,据此建立了考虑法向应力与往复剪次数的砂泥岩混合料剪切刚度经验计算方法。     

可破碎颗粒材料中螺旋桩贯入特性的离散元模拟

作为一种新型完全挤土桩,螺旋桩在各类工程建设中已得到广泛应用。基于离散单元法,以钙质砂为模拟对象,对螺旋桩在沉桩过程中土体颗粒破碎情况进行数值模拟。颗粒破碎采用碎片替换法,破碎应力判定选取八面体剪应力准则。分析了螺旋桩在不同初始应力、不同贯入转速比条件下桩周土体位移场、速度场、应力场分布及土体颗粒破碎演化规律。数值模拟结果表明:在螺旋桩贯入地基土过程中,土颗粒在高应力诱发下发生破碎,桩端土体破碎严重,桩侧颗粒破碎稍弱;随着贯入深度增加,破碎颗粒数量增加,桩侧土体级配发生演化,发生破碎的地基土中桩尖应力略低于不破碎地基土体;提高初始应力,会导致更剧烈的颗粒破碎,破碎颗粒的散布范围更广,桩尖应力明显减小;提高贯入转速比会增加颗粒破碎的程度,在高转速比条件下,破碎颗粒均匀散布在桩侧,螺纹附近的颗粒速度、位移较大;而低转速比工况下,土颗粒的速度、位移峰值主要集中在桩尖下部。开展可破碎颗粒材料中螺旋桩贯入特性的研究,对分析较脆弱砂土场地上的桩基稳定、保障工程建设的安全具有指导意义。     

非饱和黏性土直剪强度特性及其修正分析

为研究非饱和黏性土的直剪强度特性,采用非膨胀土及两种不同干密度的弱膨胀土进行了包含低应力状态下8种不同上覆压力的直剪试验。试验结果表明,随着上覆压力的增大,最大剪应力及所对应的剪切位移逐渐增大,试验中低应力状态下测定的土体凝聚力小于高应力状态,且试验中的上覆压力对膨胀性土凝聚力的影响大于非膨胀性黏土;而低应力状态下测定的土体内摩擦角大于高应力状态。对直剪试验中上下盒接触面积减小对抗剪强度参数测定的影响进行了分析,分析表明,接触面积减小对抗剪指标有影响,但极其微小。提出对膨胀土边坡浅层破坏进行稳定性分析时应采用低应力下的抗剪强度参数。     

粗糙度对结构物-细砂界面剪切特性的影响

下部基础与土体界面的剪切特性对于整个结构的安全施工至关重要,地基上部土层中多见砂土层,砂粒径大小和结构物表面粗糙程度会影响下部基础的受力特性,对于研究砂土层下部基础的侧摩阻力具有重要意义。利用改进后的直剪仪,进行粒组为0.075~0.150 mm,0.150~0.300 mm的砂与人造粗糙混凝土板、钢板的界面剪切试验,研究不同砂粒组、不同粗糙度、不同法向应力下的钢-砂和混凝土-砂界面抗剪强度和界面剪切强度指标。结果表明:界面剪切应力-剪切位移关系可用双曲线模型描述,试验峰值剪切应力与模型峰值剪切应力的比值为0.85~0.95;峰值剪切应力随法向应力和粗糙度的增大而增加,粒组Ⅰ的较粒组Ⅱ略大,混凝土-砂界面峰值剪切应力较钢-砂界面的大;对于未刻纹路的结构物-砂界面剪切面为一移动的水平面,刻有纹路的结构物-砂界面剪切面由间断的水平剪切面和动态曲形剪切面构成;界面摩擦角随粗糙度增大而增加,粒组Ⅰ的抗剪强度指标较粒组Ⅱ略大,钢-砂界面摩擦角集中在23°~28°,混凝土-砂界面摩擦角集中在25°~31°。研究成果可为砂土层桩侧摩阻力估计和数值模拟提供参考。     

考虑颗粒破碎的钙质砂压缩特性试验研究

针对钙质砂的颗粒破碎与压缩变形问题,开展了不同含水率条件下的钙质砂侧限压缩试验,分析了粒径、含水率对颗粒破碎和压缩变形的影响规律。试验结果表明:粒径越大,钙质砂颗粒越容易破碎,由此引发的形变越大;不同含水率条件下,颗粒破碎机制不同,当处于低含水率条件下时,颗粒破碎随含水率的增加而加剧,当处于高含水率条件下时,颗粒破碎随含水率的增加而减弱;含水率对压缩变形影响显著,不同含水率条件下的钙质砂压缩性不同。     

基于单粒压缩试验的堆石料破碎特性研究

堆石料的颗粒破碎是影响其强度及变形的主要因素,但堆石料在受力过程中的颗粒破碎规律仍不明确,缺乏准确判断堆石料颗粒破碎的标准。单粒压缩试验是研究堆石料破碎特性的重要手段,通过可视化单粒压缩试验对920组不同粒径玄武岩堆石料颗粒的破碎过程进行了研究。试验结果表明：玄武岩堆石料单粒压缩破碎的过程大致可分为4个阶段,破碎模式可分为3种类型,破碎程度随粒径的减小而增大;同一粒组的堆石料单粒强度较好地服从 Weibull模型,随着试验样本量的增加,峰值应力分布逐步趋向正态分布;破碎颗粒的级配分布与破碎模式相关,多应力峰值破碎颗粒的碎后粒径级配曲线服从分形分布。     

花岗岩残积土垂直层次抗剪强度变异性研究

花岗岩残积土广泛分布于我国南方,它具有特殊的土壤力学性质,研究花岗岩残积土垂直层次抗剪强度变异性及其影响因素对于指导工程施工及解释崩岗发生演变具有十分重要的意义。对花岗岩残积土进行多点采样,通过对花岗岩残积土不同层次的土壤进行基本性质测定,研究了土体在垂直层面上抗剪强度的变异特性及影响因素。研究发现:花岗岩残积土土体垂直层次之间的抗剪强度差异较大,这种差异主要体现在内摩擦角的变化上;影响花岗岩残积土抗剪强度指标的主要因素为水分含量以及砂粒含量;同时考虑水份和砂粒含量两项因素时,一定含水率范围内,抗剪强度随含水率的降低、砂粒含量的增多而增大,凝聚力总体随含水率降低而升高,随砂粒含量的增大而减小,内摩擦角总体随含水率降低而升高,随砂粒含量的增多而增大。     

复合土工膜砂砾料界面摩擦特性研究

复合土工膜与粗粒砂砾料垫层的界面摩擦特性对工程结构稳定性十分重要。现有的试验研究多集中在粒径较小的土料与土工织物接触, 对于由粒径较大的砂砾料与土工膜界面特性的研究较少。利用大型土工合成材料直剪仪开展了砂砾料与土工膜界面直剪摩擦试验研究, 讨论了砂砾料级配以及相对密度对界面摩擦特性的影响。试验结果表明:相对密度一定时, 粗颗粒含量越大, 摩擦因子越大;相同级配条件下, 相对密度越高, 摩擦因子越大。最后探讨了土工膜与剪切下盒基座间的固定方式对界面摩擦参数的影响, 求得不同的固定方式导致界面摩擦角相差可达1倍以上。     

胶结砂土力学特性的三维离散元简化分析

离散单元法(DEM)是一种基于非连续介质力学的数值模拟方法,能够有效地分析胶结颗粒材料的宏微观力学响应。本文通过三维离散元商业软件PFC3D,采用其自带微观胶结接触模型BPM,对不同胶结含量和不同围压下的胶结砂土进行常规三轴压缩试验模拟,以分析理想胶结砂土的宏微观力学特性。简化模拟结果表明:与同一初始孔隙比的无胶结试样相比,胶结试样具有更高的剪切强度,试验得到的应力应变曲线表现出明显的应变软化,体变曲线表现为剪胀性;随着胶结含量的增大,胶结砂土试样的峰值强度增大且软化、剪胀程度提高;而随着围压的增大,胶结砂土试样峰值强度增大、剪胀程度减小但软化程度不变。此外,试样的内摩擦角和黏聚力也受到胶结含量和围压的影响。