基于细观数值试验的非饱和土石混合体力学特性研究

 从土石混合体细观结构出发,融合细观结构模型生成技术、主–从接触面模型及非饱和土渗流与强度理论,建立非饱和土石混合体的细观数值模拟方法。通过与非饱和土石混合体室内试验结果进行对比,验证所建立的细观数值模拟方法的可行性和合理性。利用该细观模拟方法,分析土–石界面接触特性、含石量及饱和度等因素对非饱和土石混合体力学特性与破坏机制的影响。结果表明：(1) 非饱和土石混合体在低围压下表现出明显的剪胀性,且受含石量和饱和度影响显著;在较高围压下基本上表现为剪缩变形,随含石量的增大其剪缩变形减小,饱和度对剪缩性的影响较小。(2) 土石混合体的峰值强度和变形模量随土–石界面摩擦因数的增大呈非线性增长,在界面摩擦因数大于0.6以后,两者基本趋于稳定值。(3) 含石量越大,非饱和土石混合体的峰值强度和变形模量越大,应变硬化特征更为显著,在含石量增加到58%后峰值强度和变形模量趋于稳定值。在低围压下剪胀变形随含石量的增加而增大;在较高围压时,剪缩变形随含石量的增大而减小。(4) 饱和度越大,基质吸力越小,非饱和土石混合体的峰值强度越低,但变形模量变化不大。     

尾矿库筑坝土石料大型三轴试验与力学模型研究

针对沙溪铜矿龙王顶尾矿库工程初设土石坝建设方案,配置了3种含石量(5%、15%和30%)的筑坝土石料,开展了常围压条件下的大三轴压缩试验。试验表明,在低围压下土石料表现出明显的剪胀变形,在高围压条件下其变形以剪缩为主。随试样含石量从5%增加至30%,土石料的应力应变曲线形态相似,但强度和剪胀效应均明显增大。基于试验成果分析,构造适用于描述土石料剪缩/剪胀变形规律的塑性加载和流动方向矢量。在广义塑性本构模型框架内,建立了一个适用于土石料的弹塑性力学模型,阐述了模型参数的确定方法。将此力学模型应用于土石料的大型三轴试验模拟,发现该力学模型能较好地模拟土石料的剪缩/剪胀变形规律。     

粘性土剪切带破坏研究

压实粘性土是静水压力和应变率相关性材料,在低围压下表现出软化现象,在高围压下表现出硬化现象。在同一含水率,不同围压下粘性土随周围压力的增大,同一轴向应变所对应的偏应力也越大;压实度一定时,含水率越高,粘聚力越大,而摩擦角越小,粘性土的抗剪强度越弱;含水率一定时,压实度越高,粘聚力越大,而摩擦角越小,抗剪强度也越大。利用TSZ10-1.0型应变控制式三轴仪,对四川绵阳地区粘性土进行了常规三轴压缩试验,研究了不同围压和含水率下粘性土的应力-应变关系、抗剪强度指标,并对粘性土的剪切带破坏进行了拟合分析。     

粘性土剪切带破坏研究

压实粘性土是静水压力和应变率相关性材料,在低围压下表现出软化现象,在高围压下表现出硬化现象.在同一含水率,不同围压下粘性土随周围压力的增大,同一轴向应变所对应的偏应力也越大;压实度一定时,含水率越高,粘聚力越大,而摩擦角越小,粘性土的抗剪强度越弱;含水率一定时,压实度越高,粘聚力越大,而摩擦角越小,抗剪强度也越大.利用TSZ10-1.0型应变控制式三轴仪,对四川绵阳地区粘性土进行了常规三轴压缩试验,研究了不同围压和含水率下粘性土的应力-应变关系、抗剪强度指标,并对粘性土的剪切带破坏进行了拟合分析.     

红砂岩粗粒土剪胀效应大型三轴试验研究

 采用大型三轴试验仪,进行不同应力状态下的红砂岩粗粒土三轴试验,研究粗粒土在不同应力状态下的剪胀性和剪胀趋势影响因素。试验研究表明围压对粗粒土的剪胀性具有明显影响,在不同围压状态下,红砂岩粗粒土整体表现为高压剪缩低压剪胀,并且低围压下表现出先剪胀后剪缩趋势。当围压＜200 kPa时,体积增量比dev/de1为负值,土样表现为剪胀趋势;当围压＞400 kPa时,体积增量比dev/de1在整个剪切过程中为正值,土样表现为剪缩趋势。粗粒土剪胀趋势还随着轴向总应变发展而改变,开始时剪胀明显,随着轴向应变增加剪胀趋势缓减。粗粒土Rowe模型剪胀参数K值离散性较大,充分反映粗粒土剪切过程中粗、细颗粒间变形不协调性,并且随着总应变值e1的增加,K值离散性减小。本试验结果认为红砂岩粗粒土的Rowe剪胀模型参数K = 20～25。     

土石混合料剪切机理及抗剪强度分量特性研究

为研究土石混合料剪切机理和抗剪强度分量特性,制备了7种级配类型土石料,涵盖了良好级配、均匀粒径、缺失中间粒径3种典型情况,代表了含石量在10%～75%的形态,在此条件下对剪切强度与级配–含石量关系、剪切机理及剪切强度分量的构建模型进行了研究。得到土石料中粗颗粒含量的多少是决定强度的关键因素;土石混合料的抗剪强度由咬合分量、摩擦分量和破碎分量共同构成,通过分析得出摩擦分量占总抗剪强度约10%,从颗粒细观运动的角度的剪切运移力学过程推导出咬合分量与摩擦分量的理论模型公式,该模型公式涵盖了含石量、初始接触水平角、内摩擦角、粒径等参数信息;由该模型计算得出咬合与摩擦分量占比与含石量呈指数正相关趋势,并给定该边界条件下的函数表达式。从理论上揭示了土石混合料剪切机理和抗剪强度的构成分量模型。     

咸池沟弃渣场渣体大型三轴试验研究

结合咸池沟弃渣场地质条件与现场工况,通过饱和试样大型三轴试验,分析了渣体材料在不同围压下应力—应变关系特性、变形特性以及抗剪强度特性。试验结果表明：该渣体材料不同于一般堆石料,其在轴向压力作用下无明显应变软化特性;随围压增大,渣体由剪胀逐渐过渡到剪缩,且在低围压下,渣体剪胀性在不同应力水平时表现不同;围压较低时,经典线性摩尔—库伦模型仍然适用于该渣体强度分析,但设计数据偏于保守;在高围压下应建立非线性强度模型。在试验分析和理论研究的基础上,认为有必要开展应力路径与应力历史对渣体材料力学特性影响的研究,为依托工程的设计及后期防护奠定理论基础。     

土石混合体三轴剪切试验及三维多重剪切边界面模型

土石混合体是介于离散和连续介质之间的特殊地质材料,其颗粒分布特征和力学特性是控制土石混合体高填方工程稳定性的重要因素。以白鹤滩水电站库区象鼻岭移民安置点防护堤工程为依托,利用大型三轴试验仪,对两种土石混合体填筑料在3种不同围压条件下进行固结排水剪切试验,分析了土石混合体的偏差应力和体积应变随轴向应变的变化规律以及剪缩和剪胀特性。在此基础上,根据粒状土的临界状态和边界面弹塑性理论,引入了适合于土石混合体的临界黏聚力和状态参数,并基于空间随机分布微观剪切结构,建立了土石混合体状态相关三维多重剪切边界面模型。通过模型模拟结果与三轴剪切试验结果的比较,验证了该模型能够合理地描述土石混合体在低围压下的应变软化和剪胀特性,以及在高围压下的应变硬化和剪缩特性。     

反压对土体强度特性的影响试验研究及其影响机理分析

为提高试样饱和度,室内试验普遍采用反压饱和法,但现行规范中对其反压大小未做具体规定。该文利用竖向-扭转双向耦合剪切仪及全自动真三轴仪,针对福建标准砂(相对密实度30%、58%、70%)及细砂,进行了不同反压下单调排水与不排水剪切试验,分析不同反压下砂土的应力-应变关系、超静孔隙水压力发展规律。试验结果表明：反压对剪胀性砂土的固结不排水剪切强度具有显著影响,且剪胀性越大,其影响更显著;反压对剪缩性砂土的不排水抗剪强度影响不显著;反压对砂土固结排水抗剪强度的影响相对较小;反压对砂土有效抗剪强度指标基本没有影响。本文认为反压对剪胀性砂土的固结不排水抗剪强度产生影响的原因是：反压不同时,土体中的气液混合体的体积模量并不相同,因此相同的体胀趋势或相同的体积回弹下所引起的超静孔隙水压力不同,进而直接影响有效围压及其砂土抗剪强度;而土体发生剪缩时,气液混合体越接近刚体,其体积模量对反压的依赖性越小,因此,相同的剪缩趋势或相同的体积压缩量下,所产生的超静孔隙水压力与反压的大小没有显著的依赖关系,因此在剪缩状态下,反压对砂土的应力-应变关系及抗剪强度没有显著的影响。在固结排水试验中无论反压设定多大,不存在超静孔隙水压力,有效围压与反压大小无关,因此反压对砂土排水抗剪强度没有显著影响。     

含超径颗粒土石混合体的大型三轴剪切试验研究

 为研究土石混合体在含超径颗粒情况下的力学响应,利用大型三轴剪切试验仪,分别对体积含石量为25%,35%的非常规土石混合体试样在3种不同围压条件下进行固结不排水剪切试验。试验结果显示：含超径颗粒土石混合体在不排水剪切条件下仍然存在体积变化;含石量35%的土石混合体在围压较高情况下,体应变表现为加载初期剪缩,随后剪胀,二次剪缩,再次剪胀的特征;含石量25%的土石混合体的应力–应变曲线较为平滑,但含石量在35%的情况下,应力–应变曲线则呈现锯齿状特征,且伴随着间接性的应力跳跃现象,相应的体应变、孔隙水压力也出现跳跃现象,且与试样的应力变化具有很好的对应关系。     

圆砾土大型三轴试验力学特性研究

采用大型三轴压缩试验对各级围压下南宁地区两种常见的不同密实度圆砾土的抗剪强度、变形特性、内摩擦角等进行了分析比较,试验结果表明在中密状态下圆砾土表现出明显的应变硬化和剪缩特性,而在密实状态下圆砾土则表现出应变软化及剪胀特性,抗剪强度包络线由于圆砾土本身的颗粒形状特性以及围压的增大导致剪胀作用减弱呈近似的线性,随着密实度的增大,圆砾土的抗剪强度增大,内摩擦角增大,试验值相较南宁地区以往所取的经验值而言有较为明显的提高,有效地减小了实际工程中围护结构的受力及变形,为南宁地区工程设计的参数优化起到了一定的指导作用。     

深部单裂隙岩体结构面效应的三轴试验研究与力学分析

 通过在类岩石材料中人工预制单裂隙,以常规三轴压缩试验为手段,研究深部单裂隙岩体的强度特征及破坏特性;用断裂力学原理分析单裂隙岩体沿结构面剪切破坏的影响因素,探讨裂隙岩体沿结构面滑动破坏的条件。研究结果表明：(1) 单裂隙试样强度不仅具有明显围压效应,而且与裂隙倾角和尺寸关系密切;(2) 裂隙是试件损伤的外在集中表现,裂隙试样的弹性模量和变形模量与围压、倾角及尺寸相关,裂隙尺寸对模量的影响最大,随着尺寸增加模量显著下降,而围压和倾角对模量的影响较轻微;(3) 预制单裂隙试样的破坏形式既有沿结构面的滑动剪切破坏,也有试样自身的剪切破坏,而当裂隙尺寸较小时,还将产生裂隙重置后沿新结构面的剪切破坏;(4) 单裂隙试样在理想II型剪切破坏时,断裂力学理论与莫尔–库仑强度准则达到较好统一;(5) 单裂隙试样沿结构面滑动破坏不仅取决于结构面倾角,而且与裂隙尺寸及围压大小关系密切,裂隙倾角适当,尺寸较小,围压较高时,试样才能产生沿结构面的滑动破坏,尺寸较大时,沿结构面滑动破坏对围压不敏感;(6) 单裂隙三轴压缩试验中,既有I和II型裂纹产生,也有III型裂纹的扩展。研究成果能为含裂隙或断层的地下工程开挖、支护设计及其稳定性分析提供理论参考。     

剪胀对地下工程岩体位移的影响——以加拿大Donkin-Morien隧道为例

根据建立的岩石剪胀角模型,分析岩石峰值内摩擦角和剪胀角的关系,得出岩石在零围压时的峰值剪胀角小于并近似等于峰值内摩擦角,并假设岩石和岩体的剪胀角遵循相似的变化趋势,结合Hoek-Brown强度准则和GSI岩体分级系统,实现剪胀角模型从完整岩石到岩体的转化。采用程序语言在FLAC3D中编写岩体剪胀角模型程序模块。以加拿大Donkin-Morien隧道为工程实例,研究围压和塑性剪切应变依赖的岩体剪胀对隧道渐进开挖过程中围岩位移的影响,论证恒定的剪胀角值不能准确表达隧道开挖边界附近的岩体位移,而考虑围压和塑性剪切应变为影响因素的岩体剪胀角模型能够合理描述围岩的位移分布,模拟结果与实际测量值具有很好的一致性。研究成果可为岩体非线性力学行为的研究和地下工程岩体的稳定性控制提供理论和实践基础。     

柔性与硬性地工格网在砂土与风化泥岩围压下之力学特性

地工格网（以下称格网）用於加劲土壤时，除考虑无围压下的张力行为之外，围压下之力学性质更是设计考量的重点。实际工程应用而言，基於经济考虑，期以现地土壤作为回填材料。本研究分别以拉出、围压抗张与直剪三种试验来探讨格网放土壤中之力学行为；并利用凝聚性泥岩与非凝聚性细砂作为回填材料，评估两种回填材料对加劲成效之影响。结果显示，柔性格网之肋条在拉出过程中易扭曲，造成主应力面旋转的现象，以致拉出阻抗大放硬性格网；围压下格网抗张的应力-应变行为可分为三阶段，即束制阻抗期、张力发展期与破坏期。束制阻抗期大都於3％应变内即已完成；在低围压情况拉出阻抗达20％～60％之拉出强度（相同应变），在高围压下达150％。由直接剪力试验结果可以预测：（a）格网／泥岩加劲结构-低围压时，剪力破坏面应通过格网／泥岩之界面；而高围压时，剪力破坏面应通过泥岩上体。（b）格网／细砂加劲结构-低围压与高围压下剪力破坏面应通过格网／细砂之界面。     

基于正交设计的复杂环境下土石混填体大型直剪试验研究

为了更加系统、全面的研究土石混填体处于复杂环境时的强度特性,综合考虑含水率、浸泡时间、干湿循环、含石量、岩性与土性等因素,采用美国Geotest公司生产的大型直剪仪,并基于正交设计方法开展了一系列土石混填体室内大型直剪试验研究,进而确定出了不同因素对土石混填体抗剪强度有何影响及影响程度,为此类受多因素、多水平影响的试验研究探讨出了一种新的思路。试验结果表明：土石混填体抗剪强度主要源于内部石料间的相互嵌入、咬合及摩擦等作用;含石量是影响土石混填体强度特性最主要的因素,随着试样中含石量的增加其内摩擦角近似呈线性增加;对于试验中所涉及的3种水作用环境,含水率对土石混填体抗剪强度的影响最为显著,且含水率对其剪应力-剪切位移关系曲线亦存在非常重要的影响,相比之下,浸泡时间与干湿循环对试样抗剪强度影响较弱,且试样在浸泡48 h或干湿循环4次后其抗剪强度基本不会再继续弱化;当试样中含石量≥55%时,其抗剪强度受岩性影响较为明显。     

深部煤岩单体及组合体的破坏机制与力学特性研究

 采用MTS815试验机对钱家营岩样、煤样和煤岩组合体进行单轴和三轴压缩试验,获得不同应力条件下煤岩单体及组合体的破坏模式和力学行为,并比较异同。单轴条件下钱家营砂岩的破坏以剪切、劈裂及混合破坏模式为主,并且砂岩的峰值强度、弹性模量和波速近似成正比关系;在一定条件下砂岩能产生II类曲线,但需采用环向位移控制加载,且砂岩需具有高强度和低非均质度,但煤和煤岩组合体几乎不发生II类曲线破坏。单轴条件下煤样以劈裂破坏机制为主,但煤样的峰值强度与弹性模量、波速的关系基本不明显。对于不同围压下煤岩组合体的破坏主要发生在煤体内部：单轴条件下煤岩组合体的破坏以劈裂破坏为主,而煤体内部发生的破坏由于裂纹的高速扩展有可能贯通到岩石中去,从而导致岩石的破坏,并且煤岩组合体破坏后几乎完全丧失承载能力;而三轴试验中,煤岩组合体的破坏以剪切破坏为主,但破坏后还有残余强度。随着围压升高煤岩组合体弹性模量总体趋势是初始缓慢增加,当围压超过15 MPa后弹性模量迅速增加;组合体的峰值强度与围压基本成线性关系。     

陕北地区黄土隧道围岩工程特性试验研究

对延安-延川(陕晋界)高速公路黄土隧道原状黄土进行了物理力学性质试验,结果表明:除液性指数外,黄土围岩物性参数的变异系数均小于力学参数;可将9个物性指标根据其相关系数和因子分析结果分为3组,并根据它们与土的强度指标的关系,选取天然含水量、干密度和塑性指数作为黄土隧道围岩分级指标;深埋饱和原状Q₂黄土的应力-应变曲线在低围压下为应变软化型,高围压下表现为应变硬化型;无侧限抗压强度试验为小应变脆性破坏,应力-应变关系曲线有两种形式:一种是土样直接发生脆性破坏,丧失承载能力;另一种是先发生局部脆性破坏,仍保留有一定的承载能力。