含石率对断层土石混合体渗流特性的影响

断层破碎带是矿山突水的重要通道,大多数破碎带由土石混合体组成,其渗流特性对矿山突水的预测和防治具有重要影响。为了研究含石率对断层破碎带土石混合体渗流特性的影响,采用现场取样、实验室重塑的方法,应用 GDS 三轴试验系统研究了不同含石率土石混合体试样在不同围压和轴向压力作用下的渗透特性,并分析了渗透系数对含石率变化的敏感性;采用RFPA数值模拟方法,研究了不同含石率土石混合体试样的渗流特性和开裂破坏演化规律。研究表明:含石率越高,初始渗透系数越高,土石混合体强度也越高;土石混合体的渗透系数随围压的增大而减小,与轴压的关系可以用指数函数来描述;含石率为40%和60%时,含石率对渗透系数影响的程度最大;土石混合体渗透破坏时裂纹的扩展主要出现在块石之间的土体内,渗透系数的突变点与试样峰值强度破坏点及声发射次数最高点存在一致性。对断层破碎带土石混合体渗流特性的研究可为防治不同含石率断层区工程突水等地质灾害提供参考。     

碎石对土石混合体无侧限力学特性影响研究

土石混合体通常是构成库区边坡、滑坡及坝基的主要岩土体材料,其物理力学性质要较一般的土体或岩体更复杂,是目前岩土力学及地质工程界共同面临的难题。通过制备一定含石量的土石混合体试样进行无侧限条件下单轴压缩试验,研究了碎石对土石混合体单轴压缩强度及变形破坏模式的影响;结合数值模拟方法,进一步分析碎石分布对土石混合体整体强度的影响机制。研究成果表明土石混合体的单轴抗压强度及变形破坏特征受含石量及碎石分布的控制,随着含石量的增加,单轴抗压强度降低,破坏模式由单裂纹开裂变为多裂纹开裂破坏,同时裂纹贯通时间有所增加。     

考虑土石界面渗透性的土石混合体渗流有限元模拟

忽略岩块渗透性,将土石混合体(SRM)视为由土体和土石界面构成的复合介质。假定土体渗流为二维达西流,土石界面为一维渗流且流量是水力梯度的幂函数;为避免通过迭代确定土体和土石界面之间的流量交换,假定水头在土体与土石界面处连续,构建了土体和土石界面渗流场有限元同步求解模型,实现了考虑界面渗透性的SRM渗流数值模拟。验证算例表明,该模型可模拟不考虑或考虑土石界面渗透性的情形;考虑土石界面渗透性时,可以较好地再现SRM渗透性随含石率增大而先降后增以及渗流速度与水力梯度呈非线性关系的实验现象。数值实验表明,土石界面渗透特性对SRM的渗透特性有本质上的影响,且含石率越高,影响越显著。     

土石混合体中抗滑桩抗滑力计算方法

抗滑桩是加固堆积层滑坡的主要工程措施之一,其与滑坡体的相互作用力决定了滑坡加固效果。堆积层滑坡多由土石混合体构成,为计算土石混合体中抗滑桩的抗滑力,引入土石混合体宏观抗剪强度指标评价模型,基于桩间土拱效应,构建了考虑块石体积含量(含石量)及休止角的抗滑力计算方法,并提出土石混合体中抗滑桩抗滑力的计算流程。针对20%~45%含石量和25°~40°休止角的土石混合体研究发现,土石混合体中抗滑桩提供的抗滑力并不总是大于纯土体中抗滑桩提供的抗滑力,其相对关系取决于块石的含石量与休止角的数值,并且存在明显的分界线。通过与数值模拟结果对比,验证了本文抗滑力计算方法的合理性,为堆积层滑坡中抗滑桩抗滑力的初步计算提供了一种可行的方法。     

土石混合体单轴压缩试验的三维颗粒流数值模拟

为探究不同含石量土石混合体在单轴压缩荷载下的变形破坏机理,在不规则颗粒三维离散元精细建模技术的基础上,提出了一种不规则块石三维离散元模型随机生成技术,并建立了符合宏观统计规律的土石混合体三维颗粒流数值模型。进行了低、中、高不同含石量(0,10%,30%,50%,70%,90%)的土石混合体单轴压缩试验颗粒流数值模拟,获得了各种含石量的土石混合体在单轴压缩荷载下的应力应变特征和变形破坏特征,并对其变形破坏的细观机理进行了深入的分析探讨。结果表明:随着含石量的增加,土石混合体试样单轴抗压强度和弹性模量随之减小;中低含石量(0,10%,30%,50%)土石混合体的应力-应变曲线表现出典型的应变软化特征,而高含石量(70%,90%)土石混合体在达到峰值应力后表现出一定程度的塑性流动特征;中低含石量土石混合体试样中形成的微裂纹主要是张拉裂纹,宏观上表现出来的是拉裂破坏,而高含石量土石混合体试样中微裂纹很少,主要是剪切裂纹,宏观上表现出来的是剪切破坏。     

土石混合体大型三轴剪切变形特性及模拟方法

土石混合料是山区高填路基工程常见的填筑材料，其剪切变形特性及模拟方法是路基填筑设计的重要依据，但其研究仍存在诸多问题。【目的】为了更全面弄清多因素影响下土石混合体剪切变形特性，建立一种能够模拟土石混合体剪切变形过程的本构模型。【方法】首先，考虑含石量、含水率、岩性和土性等四种因素，采用正交设计试验方法，开展多因素多水平下土石混合体大型三轴剪切试验研究；然后，引入统计损伤力学理论，建立土石混合体轴向损伤模型和轴向损伤演化模型，进而建立土石混合体统计损伤本构模型，给出模型参数的确定方法；最后，将理论模型曲线与土石混合体剪切试验曲线进行比较。【结果】结果显示：土石混合体轴向剪切变形呈明显的阶段性特征；随着含石量由25%增加至70%,内摩擦角由35.5°近似线性增加至46.8°;内摩擦角不随土性和岩性的改变而显著变化；随着含水率由0增加至5%,内摩擦角由40.2°增加至42.4°,但随着含水率持续增加至试样饱和，内摩擦角逐渐减小至36.8°;此模型能够较好地模拟不同围压条件下土石混合体应力-应变试验曲线。【结论】结果表明：随着围压的增大，应变类型由软化型不断向硬化型转变，体应变由剪胀型不断向剪...     

基于傅里叶逆变换的土石混合体模型生成研究

针对土石混合体结构模型内部块石形态过于简单且无法对模型本身参数进行敏感性分析的现状,提出了一种新的土石混合体结构模型生成方法。首先,采用回归分析法建立傅里叶描述因子和块石形状参数之间的函数关系式,并通过傅里叶逆变换法生成具有特定形状的块石轮廓。接着,基于各粒径块石组面积相等的原则,推导出了指定面积级配曲线下各粒径组块石的个数,并利用拟采样法得到各块石对应的面积。再次,根据包围盒相交判定原理等,提出了块石相交判定算法,实现了块石的随机投放。最后,改变土石混合体模型结构参数,如含石量、粒径级配曲线和块石空间方向角等,生成具有特定块石形状的土石混合体随机结构模型并进行可行性验证。验证表明:该法可以重构出具有特定形状特征的块石轮廓,能生成满足计算精度要求的土石混合体随机结构模型,这为后续进行含石量、粒径级配曲线和块石形状等参数对土石混合体材料性能影响规律研究奠定了基础。     

水闸侧墙与土体接合部渗透破坏过程模拟试验

为深化对穿堤涵闸土石接合部渗透破坏发展机理的认识,研发了试验装置,实现了水闸侧墙与土体接合部渗透破坏过程的室内模拟。通过对黏粒质量分数分别为4.6%、12.3%及22.6%的土体开展试验,分析了接触冲刷的破坏特征及其发生发展规律,探讨了土体性质、水力比降、接触带压实度等因素对渗透破坏的影响。试验结果表明:土石接合部接触冲刷破坏过程分为稳定渗流阶段、管涌形成发展阶段和冲蚀破坏发展阶段;土体黏粒质量分数越大、压实度越大,土体稳定时间及破坏时间越长,抗冲蚀能力越强;冲蚀量与土体黏粒质量分数、水力比降及压实度均呈现明显的反比关系;水力比降较小时,压实度对土体抗冲性能影响显著,但随着水力比降的逐渐增大,土体性质起主导作用;初始破坏阶段土体细颗粒的流失受土体性质、压实度及水力比降各因素的综合作用,表现出不同的规律性。     

土石混填路基压实质量无损检测技术

系统地分析了现阶段公路和水利工程建设中经常遇到的土石混合料路基的压实问题、力学特性等。通过理论分析,提出了应用剪切波速评价土石混填路基孔隙率的新方法,并开展了孔隙率～单位比能相关试验,研究了不同含石量孔隙率不再变化时的单位比能,提出以孔隙率为压实质量指标的控制标准,为应用剪切波速检测土石路基压实质量提供了理论依据。     

考虑块石随机空间分布的土石混合体边坡稳定性研究

为准确定量评价块石随机空间分布对土石混合体边坡稳定性的影响,分别采用随机块石模型和等效强度参数可靠度两种方式对土石混合体边坡稳定进行评价。首先,利用随机块石模型生成块石随机空间分布的土石混合体边坡,然后采用有限元强度折减法分析评价块石的随机分布对边坡稳定性的影响。与之同时,将随机分布的土石混合体等效为一定取值范围区间的均匀材料,结合响应面法对土石混合体边坡进行不确定性分析评价。研究结果表明:随机块石模型能直观反映因随机块石而引起塑性剪切带的"绕石""分流"现象,且空间分布的不同对其影响也不尽相同。而等效强度参数可靠度模型则有利于对土石混合体边坡的稳定性进行工程定量评价。     

土石混合体细观结构模型随机生成技术研究

土石混合体是一种非均匀、不连续体,内部结构复杂、无规律,其细观结构的不均匀性很大程度上决定了其力学特性与破坏机制。基于蒙特-卡罗随机模拟原理,利用FORTRAN程序语言开发相应的土石混合体细观结构随机生成程序,建立了土石混合体数值试验模型。对乌东德水电站金坪子滑坡二区滑体主要物质所作的数值试验结果表明:块石较均匀分布在土体中,块石的边数随机生成,生成的块石形状随机、空间位置随机,满足级配要求。     

基于细观统计规律的土石混合体随机模型研究

对三峡库区一处典型堆积层滑坡的崩坡积土石混合体露头二维照片进行图像处理,获取了土石混合体的细观结构特性;并用最大似然估计法进行概率分布类型拟合,再用 Kolmogorov-Smirnov法进行假设检验;根据统计规律建立了土石混合体随机模型。统计结果表明,块体的长轴尺寸与长短轴比服从对数正态分布规律,长轴倾角服从正态分布,分布坐标服从均匀分布,且长轴尺寸的均值和方差均与土石混合体含石量呈线性关系。该随机模型很好地考虑了通常被忽略的小块体,较为细致地反映了土石混合体的细观形态。所建立的土石混合体随机模型可导入有限元软件进行物理力学性质的仿真研究。     

成层状堆沉积土石混合体的结构量化表征及其应用

第四纪浅表堆沉积土石混合体广泛分布于地表,从结构特征研究其力学特性是解决日益复杂的岩土工程问题的有效途径之一。目前,土石混合体结构的量化主要从密度、含石量、孔隙比等宏观指标间接描述,而微细观的结构指标存在尺度间关联的技术瓶颈。为了更好地研究土石体堆沉积结构对土石混合体力学行为的影响,针对堆沉积演化的成层状特征,采用标准差量化其块石分布形式,借鉴综合结构势理论,将均匀与不均匀土石混合体三轴剪切试验偏应力的比值定义为结构参量m_s,分析该参量随轴向应变ε₁、不均匀度s及围压σ_3c的变化规律,得到其量化表达式,并引入双屈服面弹塑性本构模型进行修正应用。结果表明:m_s的变化规律能够较好地体现成层状结构特征对土石混合体力学行为的影响,且土石混合体综合结构势在应变为5%时接近完全释放,特征值m_s(5%)几乎能完全反映结构对力学特性的宏观影响;同时,引入m_s后的修正本构模型在偏应力精度方面减小了约28%的平均误差,能够更合理地反映成层状土石混合体的宏观力学特性。     

基于不规则颗粒离散元的土石混合体三维随机模型及其数值试验

为了更加真实地模拟土石混合体的物理力学特性,提出了一种基于不规则块石球度和凹凸度的随机几何模型生成技术,并建立了相应的块石三维离散元模型。然后采用无底圆筒堆积试验对球度和凹凸度这2个块石几何模型控制参数进行了数值验证。最后建立了符合宏观统计规律的土石混合体三维离散元随机模型,对土石混合体大三轴试验进行颗粒流模拟,并与室内试验结果进行对比分析。结果表明:所提出的不规则块石几何模型随机生成方法简单实用,几何模型控制参数合理有效;通过选取合适的颗粒细观参数,建立基于随机不规则块石体的土石混合体数值模型,能很好地模拟土石混合体的物理力学性质,包括颗粒之间的细观接触特征、土石混合体的应力-应变关系特征等,为进一步研究土石混合体的变形破坏机理提供了一条有效的途径。     

连续压实质量检测中振动压路机的跳振分析

为解决传统振动压路机跳振分析方法不适用于堆石料或土石混合料的问题,基于振动轮-土体双自由度振动系统,考虑多振动形式,包括保持接触、周期性跳振和非周期性跳振。利用动力学理论推导轮土接触力与轮土分离时间的关系,结合简化的振动轮-土体振动模型定义判定轮土接触关系的指标α,当α≤0时,轮土不接触,意味着此时振动压路机发生跳振。利用ABAQUS有限元模型模拟振动压路机在土石混填路基上的振动压实过程,并设置3组不同压实度(0.75、0.85、0.95)的路基进行验证。试验结果表明:当轮土接触力为0时,此时指标α≤0,因此指标α能准确判定振动轮与土体的接触关系;随着土石混填路基压实度的增加,振动压路机压实过程中发生跳振的次数也随之增多。     

压实度对植被土持水能力及基质吸力的影响

目前国内外对植被土的研究大都只考虑植物根系的加筋作用,而忽略了压实度这一重要因素。为了给边坡防护提供理论支持,按照张家口地区夏季最大降雨强度进行人工模拟降雨,对种植高羊茅的植被土进行不同压实度的降雨渗透试验,研究了压实度对植被土吸力维持及持水能力的影响,结果表明:①随着压实度的提高,高羊茅根系长度明显减小,但高羊茅在较高压实度土体中仍能够正常生长;②当土体压实度较高时,草根的存在占据了土壤孔隙体积,从而增强了土体持水能力,在压实度为80%和95%时,在一定的基质吸力条件下,植被土含水量高于裸露土的、雨水渗透率小于裸露土的;③影响渗透率的主要因素是压实度,随着压实度的提高渗透率明显降低,根系的存在对渗透率影响较小;④随着压实度的提高,草根对基质吸力的影响愈加明显,压实度为95%的植被土有较大的基质吸力维持能力,因此把高羊茅作为护坡植物时,为了使边坡土体在降雨过程中维持较高的基质吸力、增强浅层边坡稳定性,土体压实度应选择95%。     

基于FLAC_3D的土石混合体原位直剪试验数值模拟研究

基于莫尔-库伦模型理论,采用有限元软件FLAC_3D,对三峡库区滑坡处的土石混合体进行了原位直剪试验数值模拟研究。通过分析试件不同竖向位移和横向剪切位移处的7个监测点的模拟试验数据,结果表明:竖向位移相同处的不同监测点1—7,峰值强度整体先减小后趋于稳定;剪切应力开始随着剪切位移增加而急剧爬升。当剪切位移达到0.09 m时,剪切面剪切力到达"峰值",而后趋于稳定。土石混合体在剪切的过程中内部应力呈现不均匀分布,试样中的石块比周边土体更晚进入塑性变形。上述结果可为三峡库区土石混合体滑坡体加固工程提供理论依据。     

全风化软岩填料的工程特性及其高填路堤沉降特性分析

为研究全风化软岩填料的工程特性,对压实度为96%、94%、93%的全风化软岩开展了室内承载比试验以及压缩试验,并据此对其特殊填筑路段高填路堤开展了数值模拟研究。结果表明,全风化软岩填料的膨胀率为1.29%～1.87%,不属于膨胀土;压实度越大则CBR值也呈增大的趋势,其值符合规范要求,可用作路堤填料。压缩模量随压实度的增大而增大,不同压实度对应的湿化变形率分别为2.03%、3.24%、3.86%,其湿化变形率总体不高。软岩高填路堤沉降随深度的增加呈先增大后减小的趋势,在路堤高1/3处取得最大值。随着软岩高填路堤压实度的增加,其沉降量逐渐减小,但差距不大;随着含石量的增加,其沉降量先减小后增大,在含石量为55%时达到最小沉降。因此在软岩填筑过程中,依靠提高压实度来减小路堤沉降不够经济,可采取增大含石量至55%左右来减小路堤沉降量。     

酸碱环境下泥岩土石混合体剪切特性研究

【目的】我国中西部地层中泥岩土石混合体分布较为常见,其抗剪强度特性决定着泥岩地基工程及边坡的安全性和稳定性。泥岩土石混合体的抗剪强度特性易受外界酸碱环境的影响,为探究酸碱浓度对泥岩土石混合体抗剪强度特性的影响,【方法】将试样分别置于不同浓度的HCl和NaOH溶液浸泡2 h后,分别在100 kPa、200 kPa、300 kPa围压下开展室内三轴剪切试验,利用扫描电镜观察分析其内部结构特征变化规律。【结果】结果显示：泥岩土石混合体三轴应力-应变曲线与单纯泥岩和土体有明显的区别;随着酸碱浓度的增加,泥岩土石混合体峰值抗剪强度和残余强度均减小,黏聚力呈线性降低趋势,内摩擦角无明显变化;酸性环境下试样峰值抗剪强度、残余强度和黏聚力降幅大于碱性环境。【结论】结果表明：泥岩块石构成新的骨架系统;酸性环境较碱性环境对泥岩土石混合体的抗剪强度劣化效应更显著。研究成果可为泥岩土石混合体地基及边坡的稳定性分析及防灾工程提供参考。     

土石比与土体物理力学参数关系研究

通过阐述土石比变化对土体干密度、孔隙度、抗剪强度的影响,分析了不同土石比、应力和密实度条件下土石混合物的抗剪强度机理.结果表明:土石混合物的最大干密度由粗细粒的百分比决定,不同成分组成混合物的百分含量界限值接近;土石混合物的孔隙度取决于粗细粒的百分比,混合物的孔隙度低于纯黏粒和纯粗粒的孔隙度;无论样品的压力多大,随着压实度的增大,孔隙度减小,并趋向最小值;土石混合物的抗剪强度参数值不仅与土石比有关,还与其密实度、所受应力有关.