单剪与常规三轴条件下土石混合体强度特性差异

开展土石混合体的大型叠环式单剪试验与大型三轴试验，根据颗粒材料及砂土的单剪试验规律分析单剪试样应力状态，探讨两种试验条件下土石混合体的强度特性差异。结果表明：(1)对应相同小主应力，试样在单剪过程中的大主应力率水平更低、变化范围更小，主应力比峰值更低，对应极限应力摩尔圆更小；(2)单剪条件下的割线剪切模量各向异性，其中水平向割线剪切模量在剪切过程中恒低于三轴条件下的割线剪切模量，但差值随主应力轴与主应变轴间的非共轴度减小而减小；(3)对于采用试料，单剪条件下的摩尔-库仑抗剪强度指标值显著低于三轴条件下的值，其中内摩擦角低约9.5%。初步研究认为，单剪过程中的主应力轴旋转以及非共轴性是造成土石混合体2种试验强度特性差异的重要原因。     

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。     

土石混合体研究现状及发展趋势

在总结国内外有关土石混合体方面的研究资料的基础上,分别从土石混合体的细观结构特征、抗剪强度特征、宏观弹性参数特征、渗透性特征、细观结构与强度关系及细观力学数值试验等6个方面,对土石混合体研究成果进行了综述。在此基础上,对目前有关土石混合体物理力学性质研究方面存在的不足进行了总结,分析了其未来的发展趋势,指出综合利用地质学、几何学、计算科学、图像处理技术、形态学等多学科交叉技术对土石混合体的细观结构进行三维重建和随机生成;开发适用于复杂岩土介质的数值结构模型和新型实验设备,从细观结构层面深入研究土石混合体宏观变形与破坏机制并建立其结构化本构模型是未来发展的方向。     

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...     

高边坡黄土抗剪强度参数试验研究

为保证南水北调中线一期穿黄工程南岸渠道边坡的稳定.确定合理的边坡坡度,对边坡黄土状壤土进行了室内常规土工试验、现场直剪试验和非饱和土三轴试验,得到了相应的抗剪强度指标.对于饱和土有效抗剪强度参数可取黏聚力cd=17.0 kPa、内摩擦角ψ=27.2~。作为稳定计算的依据.     

采用环剪仪对重塑黄土抗剪强度特性的研究

为揭示不同试验条件对重塑黄土抗剪强度的影响规律,采用全自动环剪仪对重塑黄土进行环剪试验研究,探究不同含水率、干密度、剪切速度条件下重塑黄土的剪切强度变化规律,为黄土边坡的治理提供理论依据。研究结果表明：重塑黄土残余强度受剪切速率影响不明显;含水率对重塑黄土峰值强度与残余强度的影响规律一致,两者均随含水率的增大而减小,含水率高的试样呈现应变软化特性;重塑黄土的峰值强度和残余强度都随干密度的增大而增加,表现出正相关性,干密度大的试样呈现应变软化性;重塑黄土的黏聚力和内摩擦角均随含水率的升高而降低。     

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...     

筑堤清滩土石料大型抗剪强度试验研究

以广东省韶关市某中小河流治理工程的清滩土石料为研究对象,开展室内大型三轴剪切试验和大型直剪试验,研究不同试验方法下清滩土石料的抗剪强度特性。大型三轴剪切试验结果表明,清滩土石料强度随着应变的增加逐渐增加,无明显峰值强度,为弱硬化型,同时抗剪强度随着围压的增大而增大,体应变呈剪缩型变化;大型直剪试验结果表明,土石混合料在不同垂直压力下均具有一定的峰值强度,呈现微弱的应变软化特性;不同试验方法确定的清滩土石料抗剪强度参数对比结果为,大型三轴剪切试验所得到的抗剪强度参数最大,大型常规直剪试验次之,大型叠环式剪切试验最小。研究成果表明,清滩土石料具有较好的抗剪强度,防渗处理好后可作为较好的筑堤材料。     

土石混合体注浆加固数值模拟研究

采用离散元方法，从微观角度分析在水泥浆和聚氨酯2种注浆材料作用下土石混合体试样内部结构、破坏模式、抗剪强度的变化，获取了不同注浆材料对土石混合体注浆加固效果的影响。结果表明，注浆后，试样的抗剪强度均得到不同程度的提升，在低法向应力作用下，聚氨酯的加固效果优于水泥浆，在高法向应力作用下，水泥浆的加固效果优于聚氨酯。未注浆和注水泥浆土石混合体试样在直剪过程中，剪切破坏面主要沿着土-石界面发育；聚氨酯注浆试样在直剪过程中，张裂隙主要在土-石界面的上部发育，且砾石间剪裂隙大大减少，试样的完整性大幅提高。     

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。     

库水环境变化对分散性土工程性质的影响

以分散性土为研究对象,在土中掺入不同质量分数的盐酸和氢氧化钠模拟库水环境的变化,进行针孔、碎块、压缩、直剪、扫描电镜等试验,分析了库水环境变化对分散性土的分散性、压缩变形特性、抗剪强度以及微观结构特性的影响。结果表明:酸碱对分散性土的分散性、压缩变形特性以及抗剪强度均有显著影响,库水环境中酸碱含量的增加均可抑制土体的分散性;碱性库水环境下分散性土的压缩模量、黏聚力、内摩擦角随着碱含量增大呈现先增后减的变化规律,而酸性库水环境下分散性土的压缩模量、黏聚力和内摩擦角随酸含量的增大而减小。研究结果说明,在碱性库水环境条件下,分散性土坝较为安全,而当库水呈酸性时,需要密切关注分散性土坝的工程性能变化。     

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。     

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。     

P5含量对砾类土强度与变形特性影响的试验研究

为了研究粗粒含量对砾类土的强度与变形特性的影响,本文对5种不同粗粒含量的强风化灰岩土石混合体开展了室内大型直剪试验与数值模拟研究,并获取相关的强度与变形参数。室内试验结果表明:随粗粒含量增加,抗剪强度参数先增大后减小,粗粒含量70%时试样内摩擦角达到最大,黏聚力变化无明显规律。对实验数据进行统计分析表明,用径径比可以很好地体现试样级配、粒径大小、含量、试样尺寸的关系,最终得到抗剪强度与径径比关系的经验公式,可以初步预测粗粒土的抗剪强度。数值模拟结果表明:使用Clump"聚粒"模型模拟砾石能较好地拟合剪应力与剪位移曲线;剪切过程中剪切带附近颗粒运动表现为上凸的弧线,这个现象持续至剪切结束;力链表现为倾斜的珊瑚状,随剪切进行力链不断发展增强,至剪切完成力链稍有衰减。     

基于核磁共振及分形理论预测非饱和土石混合体SWCC

【目的】土石混合体的物理力学特性与土—水特征曲线(SWCC)关系紧密,直接或间接测量SWCC费时耗力,且所得结果具有离散性,因此建立预测非饱和土石混合体SWCC的理论模型具有现实意义。【方法】采用NMR技术反演得到横向弛豫时间T₂图谱,将之转化为累计孔隙体积曲线,从而结合Young-Laplace′s理论及分形理论,以T₂为纽带建立起体积含水率与基质吸力的理论模型,并对模型进行验证。【结果】结果显示：土石混合体具有多重分形特征,对其进行分区研究,可由体积含水率与基质吸力在双对数坐标中的斜率换算得出不同孔隙半径范围内的分形维数;体积含水率与基质吸力的对数值存在强烈的线性关系,其相关系数均≥0.995;初始含水率与模型中的拟合参数具有线性关系,且相关系数均≥0.990,模型中的参数均可通过初始含水率进行求解。【结论】结果表明：模型预测结果与实测SWCC吻合程度较高,可以很好地应用于非饱和土石混合体的SWCC预测中。     

渗水作用下泥岩地区杆塔扩底基础抗拔承载分析

【目的】泥岩遇水易发生膨胀崩解甚至泥化,对输电杆塔基础抗拔承载力造成不良影响,需要对渗水作用下杆塔基础的抗拔承载特性展开研究。【方法】基于泥岩室内试验结果,利用有限元软件建立泥岩中扩底基础计算模型,引入温度场比拟湿度场的方法模拟泥岩地基浸水后的膨胀劣化,研究扩底基础上拔承载特性。在此基础上,分析泥岩地基浸水渗透后扩底基础极限抗拔承载力降低的具体原因;比较了泥岩地基天然状态、浸水渗透和饱和状态三种工况下极限抗拔承载力的差异以及承载力与埋深之间的关系。【结果】结果表明：增加基础埋深均能提高极限抗拔承载力,但饱和状态工况下增长最缓慢;地基浸水渗透对基础极限抗拔承载力的影响随着基础埋深增加而减弱,2.0 m埋深基础极限抗拔承载力仅为天然状态工况的63.2%,而5.0 m埋深时达到94.2%。【结论】地基浸水造成基础极限抗拔承载力降低的主要原因是地基力学参数劣化,抗剪强度减小所致。研究成果可为泥岩地区杆塔基础设计提供参考。     

重塑非饱和黏土脱吸湿抗剪强度对比

基于压力板仪与非饱和土直剪仪,针对脱湿与吸湿条件非饱和土的抗剪强度特性进行对比试验研究,探讨不同基质吸力、不同竖向压力下非饱和粉质黏土试样的抗剪强度特性。研究结果表明,抗剪强度与基质吸力成正比;基质吸力的变化对抗剪强度的影响主要表现在对黏聚力的影响,对摩擦角影响不大。进行脱湿与吸湿情况下相同含水率的抗剪强度对比,发现脱湿后试样的抗剪强度高于吸湿试样的抗剪强度;脱湿过程中试样的抗剪强度参数高于吸湿试样的抗剪强度参数。     

边坡坡面浅层加固稳定性分析及设计参数探讨

基于有限差分的强度折减法,探讨坡面浅层土体加固边坡的稳定性,并针对地基与边坡土质相同和采用岩石地基2种工况,综合分析边坡加固区宽度和土体黏聚力、加固区进入地基土深度和边坡几何参数等因素对稳定性和滑动面的影响。结果表明:当地基与边坡土质相同时,不同加固宽度下边坡安全系数随加固区土体黏聚力增加均呈先减少后增加的趋势,且当土体黏聚力达到临界值时安全系数趋于稳定;随着加固区土体黏聚力的增大,边坡由浅层滑动变成深层滑动并最终完全不通过加固区,通过将加固区适当深入地基土可以提高边坡安全系数;当采用岩石地基时,随加固区土体黏聚力增加,安全系数总体上呈现先减少后近似线性增加,相同几何尺寸和土质条件下边坡安全系数比地基与边坡土质相同时整体上提高了0.5~1倍,加固区土体黏聚力越大即抗剪强度越高时,边坡安全系数越高。     

基于离散元法研究颗粒球度对粗粒土抗剪强度的影响

粗粒土颗粒形状是决定其宏观力学性质的主要影响因素之一。为探究粗粒土颗粒形状对其抗剪强度特性的影响规律,以不同颗粒形状的3种粗颗粒土为研究对象,利用离散元数值分析手段,以球度指标为量化参数,研究了颗粒形状对粗粒土直剪试验过程中应力、位移变化及宏观抗剪强度的影响,并分析了抗剪强度参数的变化规律。同时通过室内直剪试验双向验证所揭示规律的可靠性。研究结果表明:法向荷载相同时,随着球度的减小剪应力越过峰值应力后的应变软化现象越明显,同时其峰值应力、位移及残余强度均逐渐增加;球度相同时,随着法向荷载的增大其峰值应力、位移和残余强度均呈规律性递增。黏聚力和内摩擦角随着球度的减小而增加,球形颗粒的黏聚力明显小于其它两种球度的颗粒。