不同应力路径下红黏土的力学特性与含水率的变化规律试验研究

针对实际工程中不同部位土体所经历的应力路径不同的问题,以研究不同含水率、不同应力路径下贵州红黏土的力学特性为目的,选取实际工程中典型的三种应力路径,设计了采用K_0固结方式的不同含水率的三轴固结不排水试验。结果表明:不同的含水率及不同的应力路径对贵州红黏土的力学特性有很大的影响,红黏土的水敏性及对应力路径的敏感性都与其自身的结构性有很大关系;含水率及应力路径对红黏土抗剪强度指标的影响主要都表现在对黏聚力的影响上,而对内摩擦角的影响较小;坚硬、硬塑状态的红黏土在卸荷状态下达到抗剪强度峰值时的变形值最小,而含水率较高的红黏土在卸荷状态下的抗剪强度最差,在实际工程中该部分往往是发生变形破坏的突破点,应重点加强对该部分土体的加固与治理。研究成果对今后红黏土基坑的支护设计与计算及相关的数值模拟等具有参考价值。     

非线性条件下加筋土边坡上限法的研究

大量的工程实践证明,岩土材料的屈服条件呈现非线性,且越是高地应力地区这种趋势越明显,但目前基于非线性的加筋土边坡稳定性分析的研究还较少。采用非线性摩尔-库伦屈服条件,以极限分析上限法为基础,研究边坡稳定性问题。引入新的强度参数c_t和φ_t,以对数螺旋线为破裂面对非加筋土和加筋土进行研究,推导了非加筋土坡稳定性系数N_s、安全系数F、非加筋土极限坡高H₁和加筋土坡极限坡高H₂的计算公式。在算例中采用MatLab程序进行计算,得出了较好的结果。总结了非线性参数m对抗剪强度指标参数c_t和φ_t的影响,即随着m值的增加,φ_t值逐渐减小,而c_t的值则先增大后减小;同时也得出了当其他条件不变时坡角β越大,边坡的极限坡高H越小的结果。     

饱和软黏土应变累积特性及经验模型

为了更加真实地描述地基饱和软黏土在长期交通循环荷载作用下的永久变形特性,借助GDS变围压动三轴试验系统对温州饱和软黏土开展了一系列恒定围压应力路径(CCP)以及变围压应力路径(VCP)下的部分排水循环加载试验,重点分析了循环动应力比(CSR)、应力路径(α)及其长度(L)对饱和软黏土永久轴向应变的影响。试验结果表明:在给定的循环次数(N)下,永久轴向应变随着CSR的增大和α的减小而增大,可分别采用指数函数和对数函数描述永久轴向应变与CSR和α之间的关系。基于试样经历10 000次循环后的永久轴向应变,通过归一化处理发现归一化永久轴向应变(ε^p_{a,10 000}/ε^p,CCP_{a,10 000})与归一化应力路径长度(L/L_CCP)和归一化平均主应力幅值(p^ampl/p^ampl_CCP)之间分别呈对数和线性关系且与CSR无关。进一步构建了考虑CSR、α以及N综合影响的对数型经验模型并对不同应力路径下的永久轴向应变进行了预测,预测结果与实测值呈现出较好的一致性。     

Cu2+污染红黏土抗剪强度与电阻率关系研究

为了探索快速评价重金属污染红黏土强度特性的新型手段,在室内开展不同浓度、不同干密度的Cu²⁺污染红黏土的直剪试验及其电阻同步测试试验,得到土体剪应力、电阻率-剪切位移同步变化曲线;分析初始干密度、垂直压力、Cu²⁺浓度对抗剪强度、电阻率的影响;依照抗剪强度指标(C、φ)原理选取电阻率指标(ρ₀、φ₀),并分析Cu²⁺浓度对抗剪强度指标(C、φ)、电阻率指标(ρ₀、φ₀)的影响;以Cu²⁺浓度为中间变量,进一步探讨抗剪强度与破坏电阻率、抗剪强度指标(C、φ)与电阻率指标(ρ₀、φ₀)之间的定量关系。试验结果表明:Cu²⁺污染红黏土剪应力-位移曲线呈典型的应变硬化型,电阻率随剪切位移的增大而减小;抗剪强度随初始干密度、垂直压力的增大近似线性增大,而电阻率随初始干密度、垂直压力的增大近似线性减小;抗剪强度及其指标(C、φ)、电阻率及其指标(ρ₀、φ₀)与Cu²⁺浓度间均呈负指数函数关系;抗剪强度与破坏电阻率、黏聚力与初始电阻率、内摩擦角与电阻率关系曲线倾角间的变化趋势一致,均呈现出较好的指数函数关系,可用于快速评价Cu²⁺污染红黏土强度特性变化。     

倾斜挡墙黏性填土非极限主动土压力计算

朗肯理论局限于求解墙背铅直且光滑,墙后填土位移达到极限状态的土压力,因而开展倾斜粗糙墙背的非极限主动土压力的理论研究具有重大意义。将墙后黏性填土滑裂体分为弹性区和塑性区两部分,并基于非极限状态下的虚功原理,建立了能量守恒方程,推导了张拉裂缝深度及潜在滑裂面的解析式。在此基础上,考虑了土拱效应,并通过摩尔应力圆,得到了水平应力、竖向应力的表达式,由水平层分析法建立受力平衡方程,推求了倾斜挡墙黏性填土非极限主动土压力分布、合力大小、合力作用点深度的理论表达式。当满足朗肯假设时,朗肯裂缝深度、滑裂面倾角、合力值为其特解。由两例模型试验验证了公式的合理性。研究表明:张拉裂缝深度与填土内摩擦角φ_m、填土黏聚力c_m、墙土摩擦角δ_m、墙土黏聚力c_wm、墙体位移比η呈正相关,与墙背倾角ε呈负相关。潜在滑裂面倾角大小与c_m无关,随ε、φ_m、η的增大而增大,而δ_m、c_m对其影响则相反。墙背光滑时,土压力近似呈线性分布,合力作用点深度与朗肯解接近;墙背粗糙时,土压力则呈凸曲线分布,上部本文解大于朗肯解,下部反之,其大小随η、φ_m、c_m的增加而减小,峰值随ε的减小而有所提高,c_wm对其影响甚微,合力作用点深度仅在俯斜式挡墙发生较大位移时才可能低于朗肯解。     

公路泥质砂岩边坡预警判据与参数敏感性分析

针对高速公路边坡,以Ⅴ级强风化泥质粉砂岩边坡为研究对象,采用有限元强度折减法,分析边坡的变形与应力应变特点,确定地表测点处的位移临界阈值与变形演化规律,为灾害前兆的识别提供依据。建立变形与安全系数的相关关系,结合现场安全监测与边坡表征现象进行判别,共同建立相应预警判据的综合安全监控体系。同时,考虑因素的主效应与相互间的交互作用,采用均匀设计试验分析了影响边坡稳定性的敏感性因子黏聚力c、内摩擦角φ、重度γ、坡度α与稳定性的变化关系,强度参数与滑动面的变化规律,以及开挖方式与级别的影响,揭示了各参数的内在联系及其对边坡稳定性贡献率的分异特征。结果表明:非线性回归分析能较好地拟合出稳定性系数F与参数间的二次多项式函数关系,影响因素中材料因素大于几何因素,人工开挖方式与开挖级别的影响较小,滑动面随c和φ的变化规律相反,边坡失稳前存在位移的3阶段演化进程。     

碱污染红黏土抗剪强度特性室内试验研究

为了研究碱污染红黏土的抗剪强度特性,考虑碱液NaOH质量分数和养护时间2个因素,通过室内模拟试验,分析碱液与红黏土的相互作用。试验结果表明:高NaOH质量分数时红黏土的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角均增大,存在极大值,极大值出现的时间和碱液NaOH质量分数有关;低NaOH质量分数下红黏土抗剪强度降低,存在极小值,黏聚力呈先增后减,内摩擦角呈先减后增的变化趋势。碱污染红黏土抗剪强度特征为水化、离子吸附、阳离子交换、碱液溶蚀和外力共同作用的结果。     

基于动态非等比例双强度折减法的边坡稳定性研究

为了探究动态非等比例双强度折减法在边坡稳定性应用的可行性,基于ABAQUS软件,根据三维边坡渐进破坏的过程和强度参数在边坡中发挥作用程度的不同,通过动态非等比例的双强度折减法理论,将Mohr-Coulomb强度准则中的黏聚力c和内摩擦角φ转换为Drucker-Prager强度准则中的屈服强度σ与内摩擦角β;并利用最短路径理论确定边坡的综合稳定性系数,评价边坡的稳定性。结果表明:基于D-P强度准则的动态非等比例的双强度折减法能够更合理地反映三维边坡的渐进破坏过程及其强度参数的发挥程度;所得到的边坡稳定性系数与以M-C准则计算得到的结果非常接近,且得到的边坡稳定性系数、边坡的位移均小于传统强度折减法的模拟结果,具有更高的安全储备。该方法收敛快速,在三维边坡的稳定性计算中有一定的应用价值。     

四川理县欢喜村冰水堆积体降雨条件下变形机理研究

四川理县欢喜村具有干暖河谷气候特征,降雨量少、蒸发量大,冰水堆积体在降雨作用下的变形特征及机理与以往降雨型滑坡有较大差异。通过水土化学试验、矿物成分检测、电镜扫描(SEM)、降雨模拟-现场中剪试验等手段查明冰水堆积物遇水结构损伤机理,以及由此引起的强度衰减特征及幅度,在此基础上,采用SEEP/W模块分析堆积体降雨条件下地下水浸润、饱和特征及孔隙水压力变化趋势,结合地质环境条件归纳总结堆积体变形机理及过程。研究表明:冰水堆积物遇水后,细粒组分内矿物(以石膏为主)溶解、颗粒重排列共同导致充填细粒土结构弱化、损伤,进一步发展促使大颗粒间相互作用程度减弱,加之粒间水的润滑、软化最终引起土体整体强度大幅度衰减,其中c值降低20.6%,φ值降低34.1%,c值下降幅度弱于φ值;此外,研究区特殊的地质环境条件导致缓坡段降雨入渗效果优于陡坡段,饱和时间、范围、深度的不同形成土体强度差异变化,加之前缘良好的临空条件,导致坡体近前缘端表层易朝临空方向产生蠕滑变形,变形体后缘形成拉张裂缝,并为降雨入渗提供通道,多次降雨-蠕滑变形累积作用使变形体前缘锁固段减小,形成失稳破坏。     

基于三参数强度准则的煤矿立井井壁 流固耦合理论分析

将煤矿立井混凝土井壁视为多孔介质,考虑地下水渗流作用的影响,应用三参数强度准则和弹塑性力学理论,推导出了立井混凝土井壁弹性区和塑性区应力的解析表达式,以及井壁承受的地下水压力P₀与塑性区半径r_p之间的解析表达式。计算结果表明当不考虑渗流作用时,井壁的极限承载力最大,井壁的环向压应力σ_θ是混凝土立方体单轴抗压强度的2.7倍左右;考虑渗流作用时,井壁所能承受的极限水压力P_c随混凝土孔隙率β增加而逐渐减小,当β=0.2时,井壁的环向压应力σ_θ是混凝土单轴抗压强度的2.4倍左右,故渗流作用对井壁应力分布影响很大;随着地下水压力的增大,处于弹性区的井壁混凝土径向压应力σ_r和环向压应力σ_θ逐渐增加,而当地下水压力增加,达到塑性半径所对应的极限荷载后,该位置的井壁混凝土径向和环向应力则保持不变。该成果为立井井壁结构设计提供了一定的理论参考。     

粗粒料三维应力状态强度准则研究

中主应力对粗粒料强度有重要影响,而强度研究中常用的大型三轴试验不能考虑中主应力对粗粒料强度的影响。通过大型真三轴各向等压固结等比例加载试验,研究了三维应力状态下粗粒料的强度特性。试验结果表明:随着中主应力系数b的增大,粗粒料大小主应力之差的峰值也逐渐增大,特别是中主应力系数从0增大到0.25时,大小主应力之差的峰值的增大幅度较大,增加了近50%。Lade-Duncan准则较好地描述了粗粒料内摩擦角的变化趋势,不过高估了内摩擦角;SMP准则较好地反映了中主应力系数从0增大到0.25时的内摩擦角的数值大小,但中主应力系数>0.25之后,SMP准则计算的内摩擦角基本随着b的增大而减小,低估了粗粒料的内摩擦角。提出采用的Lade-Duncan准则与SMP准则相结合的单参数复合强度准则,较好地反映了粗粒料强度的数值大小和变化趋势。提出的强度准则在三维主应力空间呈三角锥曲面族形状,轴对称应力状态下的内摩擦角越小,强度越小,三角锥曲面越小,锥角越浑圆,越接近于圆形,而内摩擦角越大,强度越大,三角锥曲面越大,锥角越尖锐,越接近于正三角形。     

不同卸荷速率下岩石强度变形特性

岩体工程的开挖本质上是岩体的卸荷过程,不同的卸荷速率会显著影响岩体的强度变形特性,开展相关研究对于岩体工程的安全稳定分析具有重要意义。针对岩石开挖卸荷中各种可能的应力路径,开展了普通三轴压缩试验以及恒主应力差卸围压、恒轴压卸围压、升轴压卸围压的3种卸荷试验,重点分析了不同卸荷速率对开挖卸荷岩体力学特性的影响规律。研究得出主要结论如下:（1）不同卸荷方案、不同卸荷速率的岩样,都具有典型的脆性破坏特征,当围压降低到一定程度时,岩样突然破坏,轴压陡降,环向应变显著增大。（2）当围压卸荷速率较高,岩样临近破坏时,变形模量随围压卸荷比的变化曲线几乎成90°直线下降,泊松比随围压卸荷比的变化曲线几乎成90°直线上升;而卸荷速率较低时,变形模量和泊松比下降/增长的趋势相对较缓。这说明围压卸荷速率越大,岩样脆性破坏特征越显著。（3）3种卸荷方案岩样在不同的卸荷速率下,破坏时的应力状态基本都位于普通三轴压缩Mogi-Coulomb强度包络线的下方,即围压卸荷时的岩样比普通三轴压缩状态的岩样更容易破坏。     

加筋粉煤灰砂混合料大型三轴试验研究

为进一步研究粉煤灰砂混合料的性能,在不同固结和排水条件下对较优质量比例的粉煤灰砂混合料试样进行不加筋及复合加筋三轴试验。分析粉煤灰砂混合料试样在不同固结排水试验、不同筋材加筋和不同加筋层间距条件下的应力-应变性能。试验结果表明:在不固结不排水试验条件下,粉煤灰混合料抗剪性能最优;在加筋性能改善方面,轮胎加筋效果最佳,其次为三向土工格栅、双向土工格栅和格室加筋;随着加筋层间距减小,相应加筋效果系数增加,相应破坏时的主应力差值也不断增加,但加筋层间距不宜过小,20 cm时相应加筋性能较优。同时,随着围压增加,其破坏时的偏应力随之增加,相应的加筋效果会有所下降。上述结果揭示了加筋粉煤灰砂混合料三轴试验力学特性,可为粉煤灰砂混合料作为建筑回填材料和废弃物资源化应用提供理论依据。     

微生物对红黏土强度的改良效应及机理研究

利用微生物加固红黏土是一种创新、环保、经济的方法。选取巴氏芽孢杆菌和铁细菌2种微生物固化土体,以活性炭为载体,根据微生物最佳养护条件,制备2种微生物土样。研究微生物土样的基本物理力学性质时,发现微生物改良后的土样密度增加,孔隙比下降,抗剪强度和无侧限抗压强度提高,物理力学性质得到极大改善。为进一步研究微生物对红黏土的加固机理,采用扫描电镜-能谱仪(SEM-EDS)分析试样微观结构和物质成分。试验发现巴氏芽孢杆菌诱导生成碳酸钙充填土体孔隙,形成胶结固化土体,碳酸钙多集中于活性炭附近呈块状结构;铁细菌生成铁基络合物充填土体孔隙,铁基络合物多呈片状、层状结构。总体来说,巴氏芽孢杆菌对红黏土的固化效果要优于铁细菌。研究结果对微生物加固红黏土机理认识和菌种选择具有重要参考价值。     

基于电磁感应特性的钢绞线应力检测试验研究

针对现有技术难以有效检测在役斜拉桥镀锌钢绞线拉索应力状态的问题,结合电磁无损检测技术在检测铁磁性材料应力方面的优势,提出了一种基于电磁感应特性的镀锌钢绞线拉索应力检测方法。设计了8个镀锌钢绞线试件,运用万能试验机对试件进行控制张拉,利用LCR数字电桥采集试件张拉过程中的电磁信号,研究电磁信号的变化特征,分析电磁信号和试件应力之间的关系。研究结果表明:试件相对磁导率μ_r随着应力σ的增加先增大后减小,在应力达到试件抗拉强度f_ptk的73.29%时存在极大值;试件相对磁导率对应力的梯度dμ_r/dσ随着应力的增加先增大后减小,在应力达到试件抗拉强度f_ptk的36.07%时存在极大值,且当梯度dμ_r/dσ≥0时,试件应力处在试件抗拉强度f_ptk的73.29%之内。该试验验证了基于电磁感应特性技术检测钢绞线应力的可行性,可为今后镀锌钢绞线拉索应力检测提供技术参考。     

不同含水比贵阳原状红黏土CU三轴试验研究

为研究贵阳地区原状红黏土在CU三轴试验下的力学性质,采取原状土试样制备的方法,得到三种不同含水比的原状红黏土试样,进行CU三轴试验。试验得到了贵阳原状红黏土在不同围压、不同含水比下的应力-应变关系、破坏形式以及孔隙压力变化规律,采用Mohr-Coulomb准则和规范法得到抗剪强度指标且分析了含水比对抗剪强度指标的影响。研究结果表明:(1)贵阳原状红黏土的应力-应变关系、孔隙压力均出现"驼峰型"软化特性,且围压越低、含水比越低,软化现象越明显,但也有少部分试样表现出微弱的硬化特征;(2)CU三轴试验中,随含水比的减小、围压的增大,贵阳原状红黏土试样的破坏形态由剪切破坏转变为鼓状破坏;(3)抗剪强度指标与含水比呈线性趋势变化,其中内摩擦角与含水比呈正相关,黏聚力与含水比呈负相关。