间断级配粗粒土压实特性试验研究

岩土工程中常遇到级配不连续的粗粒土,这类间断级配粗粒土的压实特性尚不清楚。通过开展室内压实试验,探究了影响间断级配粗粒土压实特性的主要因素。试验发现,间断级配与连续级配料相比,缺少d_(30)以下的粒径不利于压实,缺少中间粒径反而可能有利于压实。其干密度随基准级配分形维数D的增加而增大,并且D=2.5～2.7时压实性最好;随细料含量的增加先增后减,而最优细料含量与粗、细料单独堆积密度以及粗细颗粒堆积过程中的相互干扰程度有关。据此建立了间断级配粗粒土压实干密度的预测模型,通过少量压实试验即可得获得干密度与细料含量的关系曲线,从而得到最优细料含量和满足干密度要求的细料含量区间,可以较大程度上减少试验工作量。     

缩尺效应对粗粒料压实密度影响的试验研究

堆石料的级配缩尺后的试验替代料与原级配料的试验结果之间存在一定的差异,弄清这种差异对准确把握原级配堆石料的力学性质十分重要。将缩尺效应归结为最大粒径和级配结构两部分变化产生的影响。利用土的连续级配方程结合相似级配法缩尺的思路,设计了大量最大粒径分别为20,40和60 mm的试验级配。对各级配粗粒料进行了表面振动压实试验,研究了最大粒径和级配结构对粗粒料压实密度的影响。最大粒径和级配结构对粗粒料压实密度的影响可以用一定的函数形式定量表述,建立了考虑缩尺效应的粗粒料压实密度的预测模型,探讨了该模型对不同性质粗粒料的适用性,并用多组室内最大干密度试验数据进行了验证。此外,提出了一种能够定量研究粗粒料缩尺效应的思路。     

宽级配砾质土压实特性试验研究

宽级配砾质土随粗料含量变化呈现出悬浮–密实、密实–骨架和骨架–空隙3种不同结构,因而表现出不同的压实特性。依据等量替换法剔除超径颗粒后,对糯扎渡堆石坝心墙料的不同掺砾量的宽级配砾质土进行了重型击实试验,研究了宽级配砾质土在不同粗料含量、不同结构下的压实特性,并对击实作用下颗粒破碎规律进行了分析。试验结果表明:随掺砾量或粗料含量的增大,最大干密度呈先升后降的变化趋势;击实后颗粒破碎随粗料含量的增大而增加。     

连续分布的粗粒土级配方程与压实性能

以Morgan等人提出的生长曲线为基础,提出了可反映粗粒土"S型"以及"上凸型"颗粒分布的2参数级配方程及参数取值范围;当形状参数a趋向无穷大时,则级配方程转化为分形分布公式。在此基础上,提出了采用相对密度试验手段确定最优压实性能级配的方法。建议级配方程对于长河坝、大石峡、两河口等高坝的填筑级配,具有很好的适用性。利用所得研究成果,对大石峡砂砾料进行室内相对密度试验,结果表明:①对于最大粒径60 mm的不同分布规律的粗粒土而言,随着级配参数的变化,其最大、最小干密度均存在极值点或拐点,且对应的临界P5值都在35%附近。②临界P5值对应粗粒土的极优压实性能级配;颗粒级配越接近分形分布,压实性能越好,临界P5值对应的分形分布级配,即为最优压实性能级配。接近分形分布的长河坝堆石料,较低的现场压实参数却获得了较高的填筑干密度,也佐证了这一结论的合理性。③利用临界分形维数的尺度无关性,可以方便地将室内最优压实性能级配的研究成果推广至现场不同最大粒径的工程级配。结论可用于粗粒土的级配设计以及压实性能评价。     

超大粒径人工砾石土的击实特性试验研究

 对2种击实功、3种击实尺寸、8种掺砾量的人工砾石土进行击实试验,研究人工砾石土颗分曲线、最优含水率、最大干密度、破碎率、细料变化等特性。得出尺寸效应、骨架作用、掺砾量、击实功是人工砾石土击实特性的关键影响因素。人工砾石土在击实功能的作用下颗粒级配趋于良好,其最优含水率均随人工掺砾石量的增加而降低,破碎主要发生在粒径大于约为最大粒径的0.5倍的颗粒范围内。当掺砾量小于60%时,采用2 690 kJ/m3功能300型击实对超大粒径人工砾石土进行质量控制是完全合适的。对于超大粒径人工砾石土的压实度检测,采用粒径小于20 mm的颗粒更能反映击实料的细料变化。     

超大粒径人工砾石土的击实特性试验研究

对2种击实功、3种击实尺寸、8种掺砾量的人工砾石土进行击实试验,研究人工砾石土颗分曲线、最优含水率、最大干密度、破碎率、细料变化等特性。得出尺寸效应、骨架作用、掺砾量、击实功是人工砾石土击实特性的关键影响因素。人工砾石土在击实功能的作用下颗粒级配趋于良好,其最优含水率均随人工掺砾石量的增加而降低,破碎主要发生在粒径大于约为最大粒径的0.5倍的颗粒范围内。当掺砾量小于60%时,采用2 690 kJ/m3功能300型击实对超大粒径人工砾石土进行质量控制是完全合适的。对于超大粒径人工砾石土的压实度检测,采用粒径小于20 mm的颗粒更能反映击实料的细料变化。     

粗粒筑坝材料密实度的缩尺效应研究

 针对已有研究成果忽视密实度缩尺效应对粗粒筑坝料力学性质影响的问题,根据双江口300 m级土石坝堆石料的原平均设计级配曲线,采用4种不同缩尺方法得到室内干密度极值试验成果,利用粗粒筑坝材料的级配设计母线--Talbot曲线,引入分形几何理论,选取对级配性质较为敏感的Talbot公式的指数n以及反映颗粒形状与粗糙度的因子作为分形指标,解译粗粒料密实度出现缩尺效应的内在原因,为粗粒料级配构成对密实度影响的量化评价提供依据,克服以往只能利用不均匀系数和曲率系数进行模糊评价的缺点。利用PFC2D软件,结合混合法各缩尺比级配进行干密度极值数值试验,研究缩尺效应对粗粒料的相对密度、孔隙率的影响规律,并分析引起其差异的细观机制。     

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。     

连续分布超径粗粒土的级配缩尺方法与适用条件

结合国内若干座典型高坝,分析堆石料和砂砾料的填筑级配特性;在此基础上,结合大石峡和长河坝坝料室内相对密度试验和大型压缩试验,研究超径粗粒土级配缩尺方法的合理选择问题。结果表明:(1)Weibull模型对于反映筑坝粗粒土的级配构成具有较好的适应性,也可以反映级配的分形特性;(2)连续分布的粗粒土级配,剔除法、等量替代法、相似级配法等常见缩尺方法可采用统一的级配缩尺公式表示,可以准确计算缩尺试验级配;(3)使用最优颗粒充填关系对应的临界P5值,代替规范建议的小于5 mm颗粒质量百分含量P5不大于15%的标准,作为相似法的使用条件,即可避免过度使用混合法带来的缩尺试验误差,也不会出现相似法导致缩尺级配的"砂化"问题,可最大限度地保证缩尺前后级配的几何相似,有效提高缩尺试验结果的精度;(4)利用临界分形维Dc与最大粒径无关的性质,对于不同分布类型级配的超径粗粒土,可采用分形级配公式计算缩尺级配的临界P5值,并根据原级配参数确定相应的缩尺方法。研究成果可用于超径粗粒土的缩尺试验,具有较强的应用价值。     

不同粒度粗粒的极限孔隙比和破碎特征

为了研究以石英砂为主要成分的粗粒土压实过程,分别利用量筒倒转法和振动击实试验,测定了不同粒度粗粒的极限孔隙比,分析了极限孔隙比随粒径变化的规律;采用压实容量表征粗粒孔隙比变化范围,探究了压实容量与粒径的关系;开展了不同粒度粗粒和原料土的颗粒破碎特征试验,分析了击实过程中的颗粒破碎特征和演变过程.结果表明:粗粒最大孔隙比随着粒径的增大先快速减小后缓慢增大,最小孔隙比随着粒径的增大线性减小;粗粒土压实容量随着粒径的增大先减小后增大;粗粒土在击实过程中的颗粒破碎量随着粒径的增大线性增大;颗粒破碎使粗粒土向着级配连续的方向发展,粗粒土逐渐趋于均匀化.     

粗粒土静止侧压力系数估算方法研究

静止侧压力系数K_0是土体基本的力学参数,进行粗颗粒土K_0系数的研究对土石坝及填方工程有重要的理论意义和应用价值。目前,适用于粗粒土K_0试验仪器及方法较少,因此准确可靠的K_0估算公式在实际土石坝工程中具有较强的应用性。为得到可靠的粗粒土K_0估算公式,利用大型K_0测试仪以及大型三轴仪,对某砂卵砾石料和堆石料同时进行了系列K_0试验以及CD三轴试验。基于各土料K_0试验结果,验证了笔者之前提出的粗粒土K_0与竖向应力的关系式。在此式基础上,结合三轴试验结果,总结了一个根据有效内摩擦角φ′预测任意固结状态以及应力状态下粗粒土K_0值的估算公式。最后,利用K_0试验结果验证了本文估算公式的准确性及适用性。     

浅析影响击实试验准确性的主要因素

简述提高击实试验结果准确性应注意的几个问题。介绍击实规范中规定的击实标准及在实际工作中击实方法的选择;对试验采用不同土样制备方法求得的最大干密度和最优含水率进行了理论分析;对击实功对最大干密度的影响做了一些试验。同时,关于余土高度对最大干密度和最优含水率的影响,认为余土高度控制在3mm以内得到的结果比较理想。     

阵列型金属阻尼器钢棒耗能元件设计与性能研究

设计了5种形式的Q235材质钢棒耗能元件,包括1种等截面钢棒耗能元件RED A和4种变截面钢棒耗能元件RED B,RED C,RED D和RED E。首先,以数值模拟结合正交试验的方法分析各耗能元件的直径d、长细比δ、端板锚固长度l_m、内缩直径d₁、锚固端延伸长度l₁以及中部等截面长度l₂等几何参数对其耗能性能的影响;其次,研究钢材力学性能参数对钢棒耗能元件耗能性能的影响,将材质为低屈服点钢LYP100,LYP160和LYP225的耗能元件耗能性能与Q235材质的耗能元件进行对比。结果表明:在5种耗能元件中,RED D的耗能能力最强,且当其几何参数组合为直径d₀=40 mm、长细比δ=4、内缩直径d₁=20 mm、中部等截面长度l₂=20 mm时,耗能性能最优,耗能系数达到2.71;当耗能元件材质为低屈服点钢时,耗能性能进一步提升;耗能元件RED D在最优几何参数条件下,采用低屈服点钢LYP160制作时,耗能系数高达3.12。     

基于影响带观测的加筋土坡稳定性分析

为了观测土工格栅加筋影响带的范围,采用特制的一侧透明的拉拔盒,共对6种不同级配的粗粒土分别完成了4种法向压力下的拉拔试验。通过预埋于土中用大头针尖制作并包裹于导线皮中的位移观测点,直接观测了土工格栅在粗粒土中拉拔引起的土粒位移,发现格栅的拉拔会带动其上一定厚度范围内的土体发生移动,这个范围称之为加筋影响带。试验发现平均粒径d_(50)0.83 mm的粗粒土中,土工格栅加筋影响带的厚度δ与试样的法向压力没有关联,主要与土粒级配有关,当d_(50)1.05 mm时,δ随d_(50)的增大有较显著的增加;而当d_(50)1.05 mm后,这种趋势明显减缓;特别是当d_(50)1.65 mm后,二者呈良好的线性递增关系。基于这一试验结果,提出了考虑加筋影响带的加筋土坡稳定性分析方法,简称影响带法。在这一方法中,认为土工格栅的加筋作用相当于增加了加筋影响带内土的黏聚力,而内摩擦角不变。从而将加筋土坡简化为成层土坡,使计算大为简化。而计算得到的加筋土坡稳定安全系数在加筋层距不大于0.6 m,且格栅抗拉强度大于20 k N/m时,与有限元强度折减法的计算结果符合良好。     

基于分形理论的堆石料级配设计方法

根据分形理论,推导了堆石料级配的分形分布公式。利用6座心墙坝和5座200 m级面板坝工程的现场级配检测资料进行验证,相关系数基本在0.95以上,吻合较好;相对于不均匀系数Cu和曲率系数C_c指标,粒度分形维数可以更客观地反映堆石料填筑级配平均特性;对英安岩、凝灰岩和混合岩等不同母岩特性的缩尺堆石料进行了室内干密度试验研究,同时结合水布垭等4座大坝原级配堆石料的检测资料,研究了级配(粒度分形维数)与压实干密度的关系,认为级配是影响堆石料压实性能的主要因素;利用粗粒土级配的Cu,C_c与分形维数的关系,首次提出了堆石料、过渡料等大粒径筑坝材料的良好级配范围,其粒度分形维数在2.22~2.63之间。研究结论可为堆石料的级配设计与优化提供依据。     

基于BP模型的粗粒亚硫酸盐渍土盐胀特性敏感因素研究

为了探究影响粗粒亚硫酸盐渍土路基盐胀特征的敏感参数,提出相关的敏感参数量化分析模型及交互作用下各因素的量化指标。针对细粒土质砾亚硫酸盐渍土、含细粒土砂(细粒土质量分数15%)亚硫酸盐渍土及细粒土质砂(细粒土质量分数50%)亚硫酸盐渍土3类土样,基于单因素试验结果,依据二次回归正交设计方法,开展多因素交互作用下的盐胀试验,通过BP神经网络模型建立3种粗粒亚硫酸盐渍土的盐胀率与其他影响因素间的计算模型,确定了粗粒亚硫酸盐渍土盐胀敏感参数的量化指标。结果表明:含盐量与含水率、上覆荷载与含水率的交互作用对细粒土质砾亚硫酸盐渍土的盐胀作用较显著,含盐量与含水率、上覆荷载与含盐量的交互作用对细粒土质砂亚硫酸盐渍土的盐胀作用较显著; 上覆荷载对粗粒亚硫酸盐渍土具有较强的抑制作用; 初始压实度对粗粒亚硫酸盐渍土盐胀率具有一定的促进作用,但由于其特殊的级配特征,试验所设压实度在89%～97%内对盐胀率的影响效果较小; 所得结论可以为采用粗粒亚硫酸盐渍土作为路基填料进行工程设计与施工提供技术参考。     

CO2碳化矿渣-CaO-MgO加固土效能与机理探索

CO₂碳化联合工业固废协同加固土技术是旨在替代传统水泥固化方法的新型技术尝试。以工业废料——矿渣为主要材料,辅以活性MgO和CaO形成矿渣-CaO-MgO固化体系,将固化土料均匀搅拌制样后进行CO₂碳化试验。通过无侧限抗压强度、扫描电镜和X射线衍射等试验,探究固化剂掺量、配比、碳化时间和初始含水率等因素对碳化加固土效果的影响。结果表明：CO₂碳化对土体加固具有明显改良效果,碳化24 h试样抗压强度最高可提升25.77倍;碳化试样抗压强度与固化剂掺量（6S4L0M除外）、活性MgO占比呈正相关;碳化试样强度随碳化时间先增加后趋于平缓（或略微下降）、最佳碳化时间为6 h左右,随初始含水率增加而先增加后下降、最佳含水率为16%左右;活性MgO碳化效能明显优于活性CaO,矿渣中低活性CaO并不能显著改良自身碳化性能。CO₂碳化作用促使碳酸盐晶体（CaCO₃、MgCO₃）生成,晶体发育程度与碳化时间、固化剂掺量及活性等因素有关;碳酸盐晶体有效填充试样内部孔隙并黏结土颗粒,形成整体骨架结构使试样强度得以大幅提升。