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。     

影响砂土抗剪强度的主要因素

根据砂土的室内剪切试验-全模试验和半模试验,分析了影响砂土抗剪强度的主要因素。指出了均匀砂和不同级配的砂对砂土抗剪强度的影响。从室内试验可以看出,均匀砂中,砂样的抗剪强度随着法向应力的增大而增大,而且抗剪强度增长幅度与法向压力基本成正比增长的趋势。相同法向压力下,砂土的抗剪强度随着粒径的增大而增大,内摩擦角也随之变大。可以很好的说明,砂土的抗剪强度与颗粒大小有关。     

吸力对非饱和膨胀土抗剪强度及剪胀特性的影响

利用非饱和土直剪仪进行原状样和压实样的控制吸力直剪试验以研究吸力对非饱和膨胀土抗剪强度和剪胀性状的影响。试验结果表明:该膨胀土原状样和压实样的剪胀势随着吸力增加而增大。吸力对该膨胀土抗剪强度的贡献可归结于两种不同的机理:①吸力使得土体中粒间有效应力增加;②吸力对土体剪胀势的贡献。由于吸力对土体剪胀势的贡献,吸力对该膨胀土峰值强度的贡献大于其对峰后软化强度的贡献。当吸力相同时,原状样的峰值强度和剪胀势均高于压实样,这与原状样中铁锰结核的胶结作用有关。吸力对该膨胀土抗剪强度的贡献高于压实高岭土。     

聚丙烯纤维加筋砂土的剪胀特性

随机分布的聚丙烯纤维在土体中彼此交错形成网状,可显著提高砂土的抗剪强度,减少其峰值强度折减。描述土体剪胀规律的剪胀方程是建立纤维加筋土的本构模型的核心。以聚丙烯纤维加筋南京细砂为主要研究对象,通过不同围压下的常规三轴压缩试验,研究了不同纤维质量百分比含量对南京细砂强度、变形以及剪胀特性的影响。对比聚丙烯纤维加筋砂土与纯砂土的应力应变关系和强度特性,分解出聚丙烯纤维对砂土的内在约束应力。将外力克服剪胀阻力需要做的额外功分解为由土颗粒运动和纤维变形两部分所消耗的能量,利用纤维对土的内在约束应力表示与加筋纤维有关的耗散能,基于最小比能原理建立了聚丙烯纤维加筋砂土的剪胀方程,揭示了聚丙烯纤维加筋砂土的特殊剪胀特性。经过对比发现常规三轴压缩试验结果与模型结果具有良好的一致性。     

砂砾石混合物抗剪强度特性试验研究

为分析砾石含量及砾石形状对砂砾石混合物抗剪强度的影响,对砂砾石混合物进行了不同应力(σ = 50、100、150、200 kPa)条件下的大型直剪试验。试验中砂砾石混合物为相同砂与圆砾石及角砾石2种不同形状砾石的混合物,砾石含量分别为20%、40%、60%及80%。结果表明砂砾石混合物的剪胀量和抗剪强度随砾石含量以及砾石形状不规则程度的增加而增加,砾石含量对砂砾石混合物抗剪强度的影响大于砾石形状的影响。砂砾石混合物的最小孔隙比可以作为衡量砾石含量和砾石形状与其抗剪强度关系的特征参数。     

石油污染砂土的抗剪强度研究

从石油污染土再利用的角度出发,通过常规直接剪切试验,测定了不同含水率和不同原油含量、柴油含量砂土的抗剪强度,对比分析了含水量和含油量对砂土抗剪强度的影响。研究结果表明:原油和柴油的含量和油品本身的性质对非饱和砂土抗剪强度均有影响但远小于相同含量水的作用;柴油的非介电性使土明显"砂化",柴油污染砂土的抗剪强度与低含水率非饱和砂土相近;原油的润滑作用会降低污染砂土的摩擦强度。     

饱和砂土地基液化特性振动台试验研究

饱和砂土地基试验是研究碎石桩复合地基抗液化性能振动台试验的先导和必要组成部分。本文采用自行研制的简易单向专用振动台和大型叠层剪切变形模型箱完成了两个饱和砂土地基模型的三次振动台试验,验证了模型箱的性能和模型地基内部的均匀性。通过量测振动过程中砂土的超静孔隙水压力,得到了饱和砂土地基液化规律以及振动加密对其抗液化能力的影响。同时,探索了饱和砂土地基液化大型振动台模型试验技术,如饱和砂土模型地基设计与制备、传感器布置、试验加载方案确定等,为今后开展此类试验提供一般的研究思路,并且为后续碎石桩复合地基振动台试验提供了必要的技术经验。     

初始静孔隙水压力对砂土静动力剪切特性影响的试验研究

选取福建标准砂和滹沱河细砂,利用空心圆柱扭剪仪开展了一系列不同初始静孔隙水压力条件下的不排水循环扭剪试验和单调扭剪试验,着重探讨初始静孔隙水压力对超静孔隙水压力发展及其不排水抗剪强度的影响。试验结果表明:初始静孔隙水压力对超静孔隙水压力的发展产生显著的影响,从而影响砂土的静动力剪切特性。具体地,在不排水循环剪切过程中,初始静孔隙水压力越大,其超静孔隙水压力发展和变形发展越快;在不排水单调剪切过程中,初始静孔隙水压力越大,在砂土剪胀阶段产生负超静孔隙水压力越大,从而使砂土的强度显著提高。基于试验结果,初步探讨了初始静孔隙水压力对超静孔隙水压力及静动力剪切特性的影响机理。研究表明,研究地下水位以下土体(准饱和土)静动力剪切特性尤其是研究液化问题时,应充分考虑初始静孔隙水压力对砂土抗液化强度的影响,室内试验应根据砂土所处的地下水位深度来决定初始静孔隙水压力(反压)的大小。     

砂土的可逆性和不可逆性剪胀规律

基于对较高精度的砂土扭剪试验成果的分析,表明砂土的剪胀是由一个完全可逆的体应变分量和一个不可逆的体应变分量构成的。前者取决于现时剪应变的大小,后者则主要取决于剪切作用的历史。砂土剪胀的可逆性与剪切过程中相对滑移机制以及颗粒转动引起的砂粒集合平均定向率的可逆变化有关,而砂土剪胀的不可逆性则可能是剪切过程中砂颗粒破碎、平均孔隙率减少及大孔隙消失的结果,它们分别服从不同的剪胀规律。     

测定各向异性砂土抗剪强度特性的新型直剪装置及初步应用

各向异性颗粒材料的变形和强度与相对于沉积方向的剪切方向或大主应力作用方向相关。为研究各向异性颗粒材料任意剪切面的抗剪强度特性,研制一套可实现剪切面与沉积面的夹角 在0°～180°全定义域区间任意变化的直剪试验装置。所研制的直剪盒的特点是各侧壁均独立可拆卸,因此在制样过程中可根据不同的需要进行组装,使该直剪试验盒的某些侧面和顶面打开。在验证该直剪试验装置有效性的基础上,对福建标准砂进行 在0°～180°范围内、间隔为15°的系列直剪试验。试验结果表明： 在0°～90°区间的某个面相对应有最小峰值内摩擦角,此后峰值内摩擦角随 的增加而增加;但具有最大峰值内摩擦角的面不是与沉积面垂直即 = 90°的面,而是 ＞90°(?≈105°)的某个面。材料各向异性程度不同,相对应最大和最小峰值内摩擦角的 亦不同。     

不同应力下剪切速率对尾矿砂强度特性影响研究

尾矿库的运行稳定性很大程度上取决于尾矿砂的强度特性。为了分析应力及剪切速率对尾矿砂抗剪强度的影响,利用室内三轴仪对云南某铁矿尾矿库内原尾矿砂进行了不同围压及剪切速率条件下的固结不排水(CU)试验,并对试验后的颗粒破碎进行分析。试验结果表明:尾矿砂的抗剪强度在低应力下(小于500 k Pa)基本符合线性摩尔库伦准则,但在高应力下(大于500 k Pa)符合幂函数强度准则。尾矿砂的抗剪强度及内摩擦角在各围压下均随着剪切速率的增加而减小,其减小速率在剪切速率0.08~2 mm/min范围内先增加后减小。试验尾矿砂在各围压下剪切后颗粒均有破碎,且在高应力下固结过程也会造成颗粒破碎,但相对整过剪切过程中的破碎量比值很小。颗粒破碎主要集中在构成骨架结构的粗颗粒段(粒径大于0.25 mm),粒径小于0.074 mm的细颗粒基本不破碎,且颗粒破碎与剪切速率成负相关,但颗粒破碎在围压低于400 k Pa时很少受剪切速率的影响。     

堆石料颗粒破碎对剪胀性及抗剪强度的影响

堆石料的一个比较明显的特点是在力的作用下常发生颗粒破碎，本文通过三峡花岗岩风化石碴的三轴试验和平面应变试验，结合日本森吉山安山岩和玄武岩的三轴试验成果，综合分析了颗粒破碎规律及有关力学特性，分析了破碎与剪胀性及破碎强度分量的关系。     

初始干密度及掺砂比对膨胀土抗剪强度指标影响

研究了风化砂改良膨胀土对抗剪强度及其指标的影响。通过改变风化砂的掺量,研究了风化砂对膨胀土物理性质的影响。试验表明,随着掺砂比例的增加,最佳含水率逐渐下降,渗透系数逐渐增大,说明风化砂能有效降低膨胀土的塑性指数,增大膨胀土的透水性能,使之更适合用作公路路基填料。通过研究风化砂掺入比例及初始干密度对膨胀土抗剪强度指标c、φ值及抗剪强度的影响,可以得出:在掺砂比例一定时,改良膨胀土的粘聚力随着初始干密度的增大而增大,内摩擦角随着初始干密度的增大先增大后减小再增大,抗剪强度值总体逐渐增大;在初始干密度一定时,改良膨胀土的粘聚力随着掺砂比例的增大而减小,内摩擦角随着掺砂比例的增大先增大后减小,抗剪强度总体变化趋势减小。当初始干密度为2.0 g/cm³,掺砂比例为30%时,抗剪强度达到最大值。     

含水砂层的剪切流变力学特性试验分析

通过十字板剪切流变仪试验,得到了剪切阻力、含水量、孔隙水压力与应变速率的变化曲线。试验表明,含水砂层的流变曲线呈现稳态流变阶段和加速流变阶段。稳态流变阶段又可分为弹性变形、初始流变和非加速流变过程。初始流变过程含水量和孔隙水压力上升,后保持稳定;经过较长时间的流变后,进入非加速流变阶段,剪切阻力呈现波动下降趋势;达到屈服抗剪强度时,进入加速流变阶段,应变速率迅速增大。通过对加速流变过程曲线进行拟合,得出加载剪应力、屈服抗剪强度和应变速率的关系。分析表明,干燥细砂的抗剪强度主要来自颗粒间的摩擦力,当含水量增加时,颗粒被水分子包围,削弱了颗粒间的作用力,其流变特性就发生了明显的变化;反映这一变化过程的主要参数是屈服抗剪强度,其与加载剪应力和含水量有关。     

孔压增长后的饱和砂土流体特性及其孔压相关性

设计并完成了可液化饱和南京细砂自由场地基振动台试验。利用不同埋深处量测的加速度反应时程,采用线性插值法通过换算得到模型地基土剪应力和剪应变。进一步基于流体力学方法,研究了饱和砂土在孔压增长过程中表观动力黏度的变化规律。试验结果表明,在正弦波荷载作用下,饱和砂土液化前的表观动力黏度随着剪应变和剪应变率的增大而减小,表现出典型的“剪切稀化”非牛顿流体特性;超孔压比在饱和砂土的表观动力黏度发展变化中起着显著作用,表观动力黏度随着超孔压比的增大而减小,并且利用幂函数可以很好的拟合表观动力黏度与超孔压比的关系曲线。此外,表观动力黏度与孔压比的关系似乎不依赖有效上覆压力,该结论有待进一步验证。     

饱和砂土地基三维地震响应分析

对饱和砂土地基进行了完全耦合的三维排水有效应力动力分析.探讨了不同输入地震加速度、不同土性参数和不同土层构成等因素对饱和砂土地基抗液化性能的影响.结果表明:在地震荷载作用下,天然饱和砂土地基的水平振动加速度沿深度方向自下而上被放大;在地震中,地基中超孔压比的分布规律基本是上下部较小,中部较大;土性参数对地基本身的哪抗液化性能有重要影响,初始孔隙比越小,相对密度越大,土体的抗液化能力越强;随输入地震加速度的减弱,由粘土和砂土构成的地基,在不同深度处的超孔压比基本保持不变,没有出现明显的超孔压消散现象.     

三轴剪切下珊瑚砂颗粒破碎规律及强度特征

珊瑚砂广泛分布于我国南海岛礁,其性质与普通砂有明显的差异,主要体现在颗粒具有显著的破碎特征。为进一步研究珊瑚砂的破碎特征和破碎对其强度特征的影响规律,本研究通过控制相对密实度、含水率和围压等多种初始条件展开三轴固结排水(CD)的剪切试验。结果表明:珊瑚砂颗粒破碎会根据相对密实度以及围压的逐渐增大而增大,随着含水率的增大而先增大后减小,但是随围压的增大,颗粒的破碎不会无限制增大,当到达一定程度时会逐渐趋于停止;在相对密实度保持一定时,珊瑚砂的内摩擦角会依据含水率的增大而先增大后减小。珊瑚砂大颗粒破碎形成小颗粒并嵌固在孔隙中,大小颗粒之间的相互作用及级配趋于良好,颗粒的破碎一定程度上增大了珊瑚砂的强度。此试验成果可以为岛礁珊瑚砂工程建设提供参数依据,为深入研究珊瑚砂颗粒破碎的理论提供借鉴。     

含水量对非饱和土抗剪强度参数的影响研究

非饱和土的抗剪强度是当前土力学中研究的热点也是难点,由于非饱和土强度的影响因素较为复杂,因此如何准确地确定非饱和土强度较为困难,目前研究的方法也较多.非饱和土与饱和土强度的本质区别在于含水量的不同,将饱和土的抗剪强度公式运用于非饱和土计算当中对确定非饱和土的抗剪强度有一定的现实意义.本文用含水量确定非饱和土抗剪强度计算...