孔隙水运移特性及对尾矿细观结构作用机制试验研究

 利用自行研制的尾矿细微观力学与形变观测试验装置,研究尾矿充水过程、荷载作用和排水过程中孔隙水的运移特征及其对尾矿细观结构作用机制。结果显示：尾矿水位线实际达到高度大于计算获得的水位线高度;受荷载作用,充水条件下各层尾矿颗粒沉降位移显著大于未充水条件下相同位置颗粒的沉降位移;充水条件下尾矿颗粒沉降位移随荷载的增加可分为线性增长阶段、显著增长阶段和稳定阶段,显著增长阶段出现在200～400 kPa荷载下;受荷载与孔隙水的作用,尾矿细观结构会形成曲折复杂供水运移的通道,该通道的形成过程发生在尾矿颗粒沉降位移的显著增长阶段;孔隙水夹带尾矿小颗粒运移,对尾矿颗粒分布有一定的影响;尾矿颗粒沉降位移与细观结构受排水影响较小,其变化主要在排水初期。最后,提出水的毛细管作用下尾矿坝实际浸润线的概念与计算方法,研究孔隙水与荷载综合作用下尾矿细观结构变形破坏机制,为深入探索水引起的尾矿坝灾变机制及稳定性评价等具有重要的实际意义。     

粉粒含量对砂土强度特性的影响

对含无塑性粉粒的砂土进行了三轴固结不排水试验,结果显示:粉粒含量通过颗粒组成和结构对粉砂强度和变形产生重要影响.在粉粒含量为6%,9%和12%时,松散试样在100 kPa围压下出现了静态液化现象,而粉粒含量增至15%时该现象消失,且随着围压的增大该现象也消失;在同一粉粒含量下,粉砂土残余内摩擦角高于峰值内摩擦角,但残余偏应力值很小,这是由于孔压增长很大,抵消了内摩擦角由φ'p提高到φ'r的有利影响;稳态线也受粉粒含量的影响,表现在随着粉粒含量的增加,稳态线逐渐向下移动;各粉细砂强度和变形对围压的敏感性强于纯净砂;粉粒含量对孔隙比的影响是含量超出一定值后才变得显著的,这说明粉粒加入到砂骨架中时,并未全部充填至砂粒孔隙中,而是以砂粒间接触点或面上为主,这样的接触结构导致了粉砂具有高体缩性,由此使得粉砂样表现出典型的应变软化特征.     

粉粒夹层对饱和砂土液化特性影响的试验研究

为了能更好地反映粉粒夹层对自然界中沉积或吹填土层动力特性的影响,将土颗粒进行筛分后制备含粉粒夹层的饱和土样。采用应变控制加载方式进行一系列动三轴试验,分析了粉粒夹层对饱和砂土的抗液化强度和动孔隙水压力发展规律的影响。研究结果表明,粉粒夹层的存在对循环荷载作用下饱和砂土抗液化强度和动孔隙水压力的发展规律有显著影响,若忽视粉粒夹层对饱和砂土抗液化强度的影响,将会使液化判别得到偏于不利或保守的结论。     

砾石含量对成都粘土力学特性的影响

通过三轴剪切试验,研究分析含砾成都粘土的力学特性。主要进行成都粘土与砾石不同配比的混合土三轴剪切试验,按照砾石含量的质量百分数进行分组。进行了四种围压(50kPa、100kPa、200kPa和400kPa)作用时的固结排水与固结不排水试验,并得出如下结论:①低围压时(σ1-σ3)随砾石含量的增加而提高;高围压时,20%试样(σ1-σ3)最低,依次是0%试样、40%试样;②随砾石含量的增加,割线刚度有所提高;③CD试验中,试样未出现体胀现象,40%试样体缩量较小;CU试验中,未出现孔隙水压力减小趋势,40%试样孔隙水压力值较高。     

尾矿细观结构变形演化非线性特征试验研究

 利用自行研制的尾矿细微观力学与形变观测试验装置,研究受载尾矿细观结构变形演化的非线性特征,包括尾矿内部应力的方向性、孔隙比的变化规律、细观孔隙结构的分形特征,以及荷载作用下孔隙结构变形演变规律等。研究结果表明：(1) 随着荷载的增加,尾矿试样内不同位置的垂直应力呈阶梯状增加,且略低于荷载,水平应力呈近线性增加,但增量微小,尾矿内部应力存在显著的方向性特征;(2) 受荷载作用,尾矿的孔隙比变化较大,随着荷载的增加,试样中不同高度的孔隙比呈非均匀减小,下层的变化滞后于上层,并有趋于一致的趋势;(3) 提出尾矿细观结构切面孔隙比的概念,对于同一切面,随着荷载的增加,切面孔隙比与同层孔隙比呈线性正相关;(4) 尾矿细观孔隙结构具有显著的周长–面积分形特征,分形维数为1.424～1.537,其值与切面孔隙比存在显著的对数负相关关系;(5) 在荷载不变的情况下,随着加载时间的增长,切面孔隙比降低,且有微小的反弹上升现象,而孔隙周长–面积分形维数呈阶段性增加,每一阶段有小幅回落现象。提出的表征尾矿细观结构特征的切面孔隙比与孔隙周长–面积分形维数2个参数,对定量研究尾矿坝体细观结构特征及其力学特性具有重要的实际意义。     

尾矿细微观力学与形变观测试验装置的研制与应用

 为深入探索筑坝尾矿力学行为与细微观结构的内在联系,自主研发尾矿细微观力学与形变观测试验装置。该试验装置主要由加载试验设备、压力室及附属部件、局部应力监测系统、细微观观测系统4个部分组成。该装置具有如下特点：(1) 所进行的试验能反映尾矿坝体内局部应力、孔隙水与孔隙水压力、排水条件等对其细微观结构及颗粒运动的综合影响;(2) 试验加载条件实现多样化,包括静态加载、静态加卸载、动态加载、动态循环加载等加载形式;(3) 压力仓采用不锈钢筒内嵌玻璃钢筒结构,最大承载压力可达2.5 MPa;(4) 可进行孔隙水流动过程中的孔隙水与颗粒运移形态、细微观结构及其受载形变的观测试验,并能监测孔隙水压力;(5) 可埋设多个土压力传感器于试验尾矿内,实时监控尾矿内局部应力;(6) 细微观观测系统采用自行研制的动态细微观观测装置,调节过程简便且能跟踪点的运动。采用该装置进行荷载为0.3,0.6及0.9 MPa下的尾矿细观观测试验,结果显示：随着荷载的增加与作用时间的增长,尾矿孔隙数量与尺寸减小,颗粒间强结合水受挤压而迁移,形成水膜并逐渐增厚,转化为弱结合水,将颗粒连接成大的块体结构;尾矿沉降位移较大且呈非线性增加,其增量随荷载增加逐次减小;局部应力及细观结构变形表现为下部分滞后且低于上部分,局部应力呈起伏状逐级增长,峰值附近波动很大,沉降位移呈阶梯状增加,稳定后趋于平缓。     

磷尾矿电阻率与其力学性质关系的试验研究

以磷尾矿为对象,采用二相电极法,研究含水率、干密度、温度等因素对磷尾矿电阻率的影响.利用改装的三轴剪切仪对磷尾矿试件进行三轴剪切试验的同时,测量电阻率的变化,获得磷尾矿的黏聚力和内摩擦角与初始电阻率的关系,以及磷尾矿应力-应变-电阻率关系曲线.试验结果表明,磷尾矿的电阻率随着含水率、温度、干密度的增加呈递减的趋势;磷尾矿的初始电阻率与剪切强度、黏聚力和内摩擦角呈负相关性;在三轴剪切压缩过程中,磷尾矿的电阻率随着应变的增加呈先增加后减小的趋势.     

干滩表层沉积尾矿的细观几何特征研究

 为了从细观上描述干滩表层沉积尾矿的几何特征及其随沉积距离的变化,采用显微实验和理论分析,研究尾矿颗粒细观几何特征的描述方法,分析尾矿细观几何特征随沉积距离的变化趋势。结果表明：沉积尾矿的细观几何特征可以用颗粒粒径的数量频率分布图、面积频率分布图、圆形度、磨圆度和织构分维数进行描述;35 ?m粒径是划分微米级颗粒和非微米级颗粒的界限,2种粒径的颗粒在几何特征上有很大差别;尾矿沉积距离模型表明在干滩上的尾矿分布与粒径、初始矿浆流速和坡度等因素密切相关;当沉积尾矿达到临界状态时,临界状态应力比接近1.4。研究结果揭示了干滩表层沉积尾矿的粒形粒径特征,为沉积尾矿多尺度研究和分布规律提供参考。     

粉粒含量对高吸力作用下非饱和土力学行为的影响

常年处于寒-旱交替、蒸发远大于降水地区的路基边坡土体,大多数时期呈现高吸力非饱和状态。为研究粉粒含量对高吸力非饱和土的土-水特性及强度的影响规律,利用饱和盐溶液蒸汽平衡法对不同粉粒含量土样施加高吸力并进行非饱和土三轴试验和劈裂抗拉试验。结果表明：粉粒含量对非饱和土进水值影响显著,两者呈负相关,粉粒含量升高,土样持水能力下降;粉粒含量和吸力均对抗拉强度具有劣化作用,双因素同时作用引起土体的开裂深度增大。吸力对土样变形具有抑制作用,吸力越高,吸力提供的黏聚力越大。粉粒含量升高对土体弹性模量劣化作用显著,从模量角度定义脆性指数,对粉粒含量影响下高吸力非饱和土的脆性特征进行评价,发现粉粒含量主要通过影响峰后割线模量改变高吸力非饱和土的脆性。     

尾矿坝液化判别简化方法研究

在现有尾矿坝液化判别研究成果的基础上,提出利用尾矿坝在不同深度和不同沉积滩距离处的放大系数和折减系数来计算动剪应力的方法。该方法可以考虑尾矿坝坝体的刚度和距离对液化特性的影响。结合大量的现场标贯试验和室内动三轴试验,研究细粒含量对尾矿材料液化特性的影响,并提出细粒含量对尾矿材料液化特性影响的修正公式。通过考虑上覆有效应力、钻孔直径、钻杆长度、落锤条件以及细粒含量等影响因素,对尾矿材料的抗液化强度进行修正。结合抗液化安全系数的概念,比较动剪应力和抗液化强度,判别尾矿材料的液化程度。使用Visual Fortran语言,编制与提出的尾矿坝液化判别方法相应的液化判别程序,便于该方法在尾矿坝液化判别方面的推广和应用。     

基于细粒含量的粉土液化特性试验研究

通过对4组重塑粉土试样的动三轴试验,分析了细粒含量对粉土抗液化强度的影响;采用"Seed"孔压模型对不同细粒含量粉土液化的孔压发展进行拟合分析,并确定出相应的模型参数。     

路基粉土压实特性及其力学效应试验研究

针对公路路基粉土工程特性,进行了击实试验、三轴试验和微观结构分析,绘制了不同击实功作用下粉土的干密度曲线,得到了压实度和孔隙比之间的变化规律,探讨了不同压实度的粉土的力学效应,阐述了不同击实度的粉土微观结构排列形式。试验结果表明：通过掺入粗颗粒改变粉土级配,并不能有效地改变其压实特性;现行的重型击实标准对于粉土是可行的,但压实标准偏低;随着压实度的增加,粉土的黏聚力降低,内摩擦角增大;在压实过程中,随着压实度的增加,粉土填充孔隙的效果较差。     

包裹式加筋砂土边坡离心机试验研究与对比分析

利用自主设计的宏细观可视化全程拍摄系统,对包裹式加筋砂土边坡进行了离心机模型试验。研究了20g离心场下包裹式加筋砂土边坡宏观变形模式和力学性状以及筋土界面处细观作用机理和土颗粒运动规律。将离心机试验结果与1g静力模型试验结果进行了对比,分析了不同应力场下加筋边坡变形破坏的宏细观机理。研究结果表明：不同应力场下包裹式加筋砂土边坡破坏模式不同,高应力状态下界面处摩擦咬合力峰值大于筋材拉伸断裂强度,而低应力状态下界面处筋材拉伸断裂强度大于摩擦咬合力峰值。筋土界面处不同的应力状态是影响筋土界面作用方式的重要因素。该研究对进一步认识包裹式加筋砂土边坡破坏机理有积极意义。     

增湿时粉土的抗剪强度特性研究

采用固结不排水剪切方法,对粉土进行了增湿情况下的三轴剪切试验。试验结果表明,随着初始含水率增加,粉土试样的变形破坏逐渐由脆性特征转变为延性特征;极限抗剪强度随着围压增加线性增大,随着含水率增加非线性降低;同时,随着初始含水率增加,粉土的黏聚力显著减小,但内摩擦角减少并不明显,且抗剪强度指标与初始含水率均呈负幂指数关系变化。     

粉土的动力特性研究

选用太原地区粉土为研究对象，通过粉土重塑土样的动三轴试验，研究了动荷载作用下围压、干密度及初始含水量对粉土重塑土样动弹模量目的影响，得出影响动弹模量的发展规律。     

煤矸石压缩试验的颗粒流模拟

 根据煤矸石颗粒材料的特点,采用三维颗粒流方法PFC3D的接触连接本构模型模拟煤矸石的压缩特性,再现其复杂的非线性本构关系。设计单一级配和泰波理论级配方案,并用Fish语言生成级配颗粒模型。对煤矸石的三轴压缩试验过程进行数值模拟,比较不同围压下的应力–应变曲线、体积应变曲线和微裂纹发展曲线,从细观角度验证不同级配煤矸石试样的强度及变形规律。研究结果显示,优化的级配方案能提高矸石的峰值强度,降低其压缩量,这对优化矸石充填的级配设计有一定的参考价值。     

基于不同含水率粉土的邓肯-张模型参数试验研究

土的本构模型是研究其力学特性的核心问题,邓肯-张双曲线模型能较好地反映土体的非线性性态,概念清楚,易于理解,在岩土工程和地下工程的数值分析中得到广泛应用。本文通过三轴固结排水试验,分析不同围压下粉土应力应变曲线的特点,得到不同含水率粉土的邓肯-张模型参数。并通过分析由不同含水率粉土的邓肯-张模型参数构成曲线的变化特征,归纳了不同含水率粉土邓肯-张模型各参数的变化规律,为工程设计、计算提供一定的参考价值。     

循环加载频率对砂土液化模式的影响试验研究

含细粒砂土在吹填土中广泛分布,其在长期服役过程中可能经受波浪及车辆荷载的循环作用,掌握含细粒砂土动孔隙水压力的变化特性对于评价吹填土在循环荷载作用下的安全性及稳定性尤为重要。通过对饱和重塑砂-黏混合土及砂-粉-黏混合土开展室内固结不排水循环三轴试验,研究了不同黏粒含量、细粒含量、黏粉比和孔隙比下砂-黏混合土及砂-粉-黏混合土动孔压的发展特征。结合不同混合土内部颗粒赋存状态光学显微镜图像及颗粒赋存状态理论,揭示了黏粒含量、细粒含量、黏粉比和孔隙比对混合土动孔压发展的影响规律及影响机理。试验结果表明：对于砂骨架孔隙比与孔隙比恒定的砂-黏混合土来说,随着黏粒含量的增加,动孔压在振动后期的波动性增长趋势分别增强、减弱;对于砂-粉-黏混合土来说,随着细粒中粉粒含量增多（黏粒含量减少）,FC=5%试样动孔压在振动后期的波动性增长趋势呈现非单调变化规律,不同孔隙比下FC=10%试样动孔压在振动后期的波动性增长趋势单调增强;提出了适用于砂-黏混合土以及砂-粉-黏混合土动孔压发展的Mod-Baziar模型,该模型不仅扩展了动孔压的预测范围,而且具有更高的预测精度,其可以更好反映动孔压的整体发展趋势以及孔压在振动后期的细节变化;当采用Mod-Baziar模型分别对不同孔隙比下的纯砂、砂-黏混合土以及砂-粉-黏混合土动孔压进行预测时,模型中各个参数的取值范围依次增大。初步分析认为上述试验结果是由不同颗粒间复杂的黏结、摩擦及填充作用所致。