三峡库区滑坡土石混合体与桩的接触面力学特性试验研究

 以库区典型堆积层滑坡为工程背景,开展一系列不同的含水率、含石量及剪切速率的室内大型直剪试验,探讨不同试验条件下抗滑桩与土石混合体接触面力学特性的变化特征和规律,建立抗剪强度参数与含水率、含石量之间的函数关系。试验结果表明,接触面的抗剪强度、黏聚力和内摩擦角随着含水率的升高而减小,而黏聚力减小趋势在土体饱和时趋于平稳。随着含石量的增大,桩土接触面抗剪强度及内摩擦角则呈现出先减小后增大的抛物线型变化趋势,而黏聚力则逐渐减小。此外,剪切速率增大,接触面的抗剪强度参数则显著增大。研究成果可为土石混合体滑坡抗滑桩设计、接触本构和加固工程的长期稳定性分析提供重要依据。     

含石率对土石混合体–基岩界面剪切力学特性的影响

土石混合体与基岩接触界面是高填方体边坡和天然斜坡失稳不容忽视的潜在滑移面。通过室内大型直剪试验和离散元数值模拟探究了含石率对土石混合体—基岩界面剪切力学特性的影响及接触面剪切破坏机理。结果表明:土石混合体—基岩界面的剪应力–剪切位移曲线随法向压力的增大有由应变软化向应变硬化转变的趋势;剪应力–剪切位移曲线出现"V型跳跃"主要与颗粒破碎、转动和翻越有关;土石混合体—基岩界面抗剪强度和抗剪强度指标随含石率的增加先增大后减小,存在着最优含石率,但内摩擦角φ变化不大,在38°左右波动;剪切带的分布和形态受含石率和法向压力影响显著,法向压力和含石率越高,剪切带就越厚;剪切带内的块石破坏表现为表面研磨、局部破碎和完全破碎3种模式;法向压力和含石率都是影响相对破碎率B_r的主要原因,表现为随着含石率和法向压力的增加,块石相对破碎率不断增加。     

不同含石量土石混合体抗剪强度分形演化特征

针对土石混合体抗剪强度及强度指标的变化特征,研究含石量与材料抗剪强度及强度指标的变化关系,建立混合土体抗剪强度的定量变化模型。研究结果表明:根据分形几何理论研究试验试件的分形特征,得到含石量与平均分形维数的演化特征,分析混合土体的细观特征;混合土体存在最优含石量,约为50%,其抗剪强度及强度指标随着含石量的增加而增加,粗颗粒构成土体骨架,细颗粒提高密实度,粘聚力敏感度高于内摩擦角;混合土体抗剪强度及强度指标与含石量、平均分形维数呈现线性函数变化,在最优含石量范围内,随着含石量的增加而线性增大,随分形维数的增大而线性减小。     

土石混合体—基岩界面剪切力学特性试验研究

填方体–下伏基岩接触面间的剪切强度是控制高填方体或堆积体边坡稳定性的重要因素,界面强度参数取值是高填方工程设计的重要参数之一。通过较系统地室内大型直剪试验探讨了接触面粗糙度对土石混合料–基岩接触面剪切力学特性的影响。结果表明:在低法向应力作用下,剪应力–剪切位移曲线前期呈现出应变硬化现象,后期呈现出塑性应变现象,且接触面粗糙度越大接触面发生剪切破坏时变形越小;在高法向应力作用下,曲线呈现出应变硬化现象,无明显峰值;相同法向应力水平作用下,接触面粗糙度越大,土石混合体–基岩接触面剪切刚度越大。剪切界面上块石的破碎形态可分为完全破碎、部分破碎和表面磨损3种,随着接触面粗糙度的增加,剪切界面上块石的破碎总数也增加。接触面的抗剪强度、内摩擦角和表观黏聚力随着接触面粗糙度的增加而增大,相比于内摩擦角,接触面的表观黏聚力增大较为明显。接触面粗糙度对剪切带宽度有影响作用,表现为接触面粗糙度越大,剪切带越宽。     

含石量与含水率对土石混合体抗剪特性研究综述

土石混合体因其本身具有碎石和土的二元要素的特性,是一种介于均质土体和碎裂岩体之间的特殊的工程地质材料,对其工程特性研究尤显重要。首先对土石混合体的组成结构和定义进行了总结,分析了含石量与含水率对于土石混合体抗剪特性的影响。整合多组试验数据,发现随着含石量的增大,抗剪强度、内摩擦角、黏聚力呈现先增大后减小的趋势,内摩擦角变化幅度较小,黏聚力经历减小-增大的变化过程;高含石量时黏聚力先增大后减小,预测在(0.6～0.7)w_p之间取到最大值,低含石量时内摩擦角先增大后减小,预测在(0.6～0.8)w_p之间取到最大值,黏聚力达到最大值时,含水率可能介于塑限与液限之间。对土石混合体的抗剪特性进行探索,以期服务于工程实践。     

粗糙度对接触面处土石混合体剪切特性的影响

对于土与结构接触面相互作用的研究基本上是对于一般粘土或者砂土,而对于土石混合体结构接触面的相互作用研究较少。利用德国研制的ADS-500/HL-200大型直剪试验仪探究接触面粗糙度对土石混合体与结构接触面力学特性的影响以及在特定粗糙度下,通过下移结构面法探究剪切带的特性。试验结果表明:随着接触面粗糙度的增大,接触面的内摩擦角略有增大,粘聚力不断增大;在不同的粗糙度下,法向压力从200 kPa增加到600 kPa,剪切过程中的竖向位移逐渐减小,但当法向压力从600 kPa增大到800 kPa时,土石混合体在剪切过程中的竖向位移增大;在法向压力为200 kPa、400 kPa、600 kPa时,土石混合体的剪切带厚度为L₁cm(6 cm≤L₁≤8 cm),在法向压力为800 kPa下,土石混合体的剪切带厚度为L₂ cm(4 cm≤L₂≤6 cm)。     

基于不规则颗粒离散元的土石混合体大三轴数值模拟

在基于CT扫描的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离散元模型。进行了含石量为0,10%,30%,50%,70%,90%的土石混合体大三轴试验数值模拟研究,对各种含石量下土石混合体的力学特性和变形破坏机理进行了深入地分析探讨。结果表明:随着含石量的增加,试样峰值强度、残余强度、弹性模量和破坏应变逐渐增大,剪缩性减小,剪胀性增强;加载初期,微裂纹主要在块石颗粒与土颗粒之间形成,发展速度很快,而后则主要在土颗粒间形成和扩展,含石量越大,块石周围微裂纹比例越高,局部剪切带越不规则,分布也越分散;高含石量(70%,90%)的土石混合体在加载初期即有比较明显的相互摩擦,随后块石相互接触、咬合与相对摩擦、滑移交替出现。     

基于围压柔性加载的土石混合体大型三轴试验离散元模拟研究

综合运用计算机三维扫描与随机模拟技术,建立了不同块石含量和空间分布的土石混合体三维随机细观结构模型和离散元模型,考虑围压柔性加载,基于柔性黏结颗粒膜方法,采用颗粒流程序对不同土石混合体试样进行了不同围压下的大型离散元三轴试验模拟,研究了块石含量和空间分布对土石混合体力学特性和变形破坏规律的影响。数值模拟结果表明:土石混合体的强度和抵抗变形的能力随含量和围压的增大而增强,且在相同含石量下,受内部块石空间分布的影响,试样的内摩擦角和黏聚力虽会表现出一定的离散性,但总体上,内摩擦角随着含石量增加基本呈线性增加,而黏聚力却随着含石量增加逐渐减小;在围压柔性加载下,土石混合体试样表现为鼓胀变形破坏,破坏后形成的剪切带为一个曲折条带,形态上呈非对称的X形分布,厚度约为试样高度的1/3～1/2倍,且试样的破坏形态及内部剪切带大小和分布形态不仅受块石含量和空间分布影响,而且也取决于围压大小;土石混合体试样在破坏过程中内部剪切带的形成是伴随局部颗粒的转动开始的,在应变到达峰值应变时,局部发生转动的颗粒相互连接贯通,此时剪切带已基本形成,此后随着应变继续增加,受峰后鼓胀变形的影响,试样内部颗粒的转动仍会发生一定的变化,同时伴随着剪切带大小和分布形态也发生相应的变化。     

台阶开挖基岩-填方体界面剪切强度及变形特征研究

以西南山区基础建设过程中高填方边坡工程为背景,为了研究含石率对基岩-填方体界面剪切特性与变形的影响,通过室内大型直剪试验,分别对两种含石率不同的试样进行直剪试验,分别研究填方体材料为纯土和在75%含石率的土石混合料条件下,结构面粗糙度、法向应力以及颗粒材料的微观力学特性对接触面剪切特性的影响。研究结果表明:含石率对填方体与基岩接触面的力学特性有显著影响,接触面剪切强度随含石率的增大明显提高;在相同条件下,含石率越小剪切过程的连续性越好;当含石率偏大且法向应力较高时,会对接触面前期的剪切强度形成不利影响。该研究成果可为填方体边坡设计、施工和工程的长期稳定性分析提供依据。     

路用土石混合料的剪切特性试验研究

路用土石混合料是一种不同于土和岩石的高度非均质材料。混合材料的变形和剪切强度参数主要受含石率、块石形状和土体性质的影响。通过现场取样,综合考虑三个因素的影响,开展室内大型直剪试验。研究结果表明:应力应变关系曲线表现出三个阶段;碎石与土组成的混合料抗剪强度大于同等混合比例的卵石与土组成的混合料;含石率为40%~60%时,混合料抗剪强度较好;粘土与块石的混合料含石率较低时,低围压下表现为剪胀,高围压下表现为剪缩,含石率较高时,低围压和高围压均表现为剪胀;砂土与块石的混合料在低围压和高围压下均表现为剪胀。为快速评测现场土石混合料的粘聚力和内摩擦角,本文还提出了一种实用、简便的估算方法。     

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。     

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。     

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。     

剪切过程中岩石节理粗糙度分形演化及力学特征

在系统测量和试验的基础上，研究了剪切过程中岩石节理粗糙面的分形特征和岩石节理的力学行为，阐述了岩石节理面分形维数Ｄ和截距Ａ与岩石节理在载荷作用下法向、切向变形以及抗剪强度之间的关系，得出岩石节理在剪切过程中由于表面损伤而引起的表面分维Ｄ和截距Ａ的演化规律。研究表明：分维Ｄ和截距Ａ是描述节理面粗糙性的两个重要的参数。前者反映节理粗糙面的不规则程度，后者则与节理面粗糙体（ａｓｐｅｒｉｔｉｅｓ）的坡度密切相关。仅依据分形维数Ｄ不足以确定岩石节理的粗糙性与岩石节理力学行为之间的关系。在许多情况下，岩石节理的力学性质对截距Ａ的依赖程度大于对分维Ｄ的依赖程度     

滑带土环剪剪切面的微观观测与分析

 滑带土的残余强度一直是边坡工程研究的重点。由于剪切面微观结构在剪切前后的变化与宏观的土体强度存在必然的联系,所以针对一古滑坡滑动带的含砂黏土进行环剪试验,采用电镜扫描技术分析剪切前后微观结构的变化,探讨微观结构与土体宏观力学特征的关系。研究表明,含砂黏土的强度特征不同于一般黏性土,没有明显应变软化特性,粗粒含量对峰后强度有比较明显的影响。剪切过程会导致颗粒出现明显的定向性排列,微观结构发生改变,出现颗粒破碎、孔隙率提高,颗粒形状变狭长的现象,这与滑带土的宏观强度变化有密切的关系。另外,通过周长–面积法对剪切面颗粒形态的分形研究,发现剪切面土颗粒微观形态具有明显的分形特征,分形维数与滑带土的残余强度指标呈线性负相关关系。     

Relationships between Shape Characteristics and Shear Strength of Sands

In the Mohr-Coulomb criterion, the shear strength of sands is typically characterized by the internal friction angle, which depends on many factors such as grain size and distribution, the mineralogical origin of the particles, particle shape, unit weight, geological history, cementation, saturation, and overburden pressure. In this study, the empirical relationships among three particle shape indices, different fractal dimension definitions, and internal friction angles were investigated. Within this context, direct shear tests were conducted on 38 different types of sands from different origins and with various grain sizes. For each type of sand, image analyses were performed to find out the roundness, sphericity, regularity parameters belonging to individual grains. Additionally, several statistics of these parameters for different types of sands were determined. The results revealed that particle shape has a limited effect on the friction angle of sands in comparison to grain size distribution. Furthermore, it was found that decreasing regularity in particle shape caused an increase in the internal friction angle of uniform sands. These findings agree with the empirical relationship between the internal friction angle and particle shape suggested in the literature.     

基于大型直剪试验的土石混合体颗粒破碎特征研究

土石混合体剪切时存在细观上的颗粒破碎现象,并对其宏观力学性质产生影响。基于此,以4种含水率的土石混合体为研究对象,通过室内大型直剪试验和筛分试验,分析土石混合体剪切后的颗粒破碎特征,并建立细观颗粒破碎与宏观力学性质的联系,从而加深对宏观力学性质的认识。研究结果表明:土石混合体剪切后的颗粒破碎较明显,可分为完全剪断型、表面破裂型和表面研磨型3类;颗粒破碎细观上表现为粗粒组含量降低、细粒组含量增加、中等粒组含量波动变化,统计上表现为级配曲线上移,宏观上表现为低含水率出现应变软化破坏、高含水率出现应变硬化破坏、中等含水率出现塑性应变破坏、剪应力–剪切位移曲线"跳跃"和强度非线性特征,本质上是颗粒间接触力作用产生应力集中的结果;颗粒相对破碎率随着含水率的降低或法向压力的增大而增大;黏聚力和内摩擦角均随着含水率的增大而呈幂函数规律降低。     

筋土接触面直剪试验研究

为研究筋材与砂土接触面剪切特性,在改造的直剪仪上进行了筋材与砂土界面的直剪试验。结果表明:筋土接触面摩擦关系曲线符合摩尔-库仑强度准则。在本次试验的含水率范围内,筋土接触面的粘聚力随着含水率的增加而增加,摩擦角随着含水率的增加而减小。含水率为4%,筋土接触面的粘聚力和摩擦角随着砂土干密度的增大而增大。     

Estimating the relation between surface roughness and mechanical properties of rock joints

Discontinuities in rock masses have an important influence on deformational behaviour of blocky rock systems. For a single rock joint, the roughness of its surface is of paramount importance to its mechanical and hydraulic properties, such as friction angle, shear strength, and dilatancy/aperture. Many methods have been used to characterize the surface roughness of rock joints, such as joint roughness coefficients (JRC), root mean square (RMS) value, structure function (SF) etc. However, most of these methods can only be used in the 2-D models. In this study, we carried out direct shear experiments on rock joints under both constant normal load (CNL) and constant normal stiffness (CNS) conditions, and measured the surfaces of rock joints before and after shearing, using a 3-D laser scanning profilometer system. By using a 3-D fractal evaluation method of roughness characterization, the projective covering method (PCM) and a direct shear apparatus of high accuracy, the relation between mechanical properties of rock joints under different boundary conditions and the change of their fractal dimensions in both 2-D and 3-D models have been examined, which gives a new approach to accurately evaluate the evolution of roughness of rock joint surfaces and its influence on the hydro-mechanical behaviours of rock joints.     

沥青混合料剪切性能影响因素研究

采用单轴贯入试验和无侧限抗压试验,分别对沥青类型、级配类型、油石比对沥青混合料剪切性能的影响进行研究,结果表明:沥青的类型会直接影响到混合材料所具备的剪切性能,不同沥青类型的混合料的内摩擦角、粘聚力C以及剪切强度三个指标方面相差较大;级配类型对沥青混合料剪切性能具有很大的影响,特别是对沥青混合料的粘聚力C和剪切强度影响很大。