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。     

土石混合体的剪切面分形特征及强度产生机制

 基于考虑含石量、含水率、块石岩性、初始孔隙比、法向压力5个影响因素的土石混合体室内大型直剪试验,利用剪切面在分形几何学上的统计规律和颗粒流数值模拟方法得到的直剪试验中颗粒的相互作用规律,对土石混合体的抗剪强度产生机制进行研究。结果表明：(1) 土石混合体的剪切面呈不规则的起伏形态与块石的存在关系密切,且具有较好的分形特征,分形维数随着含石量和块石强度的增大、含水率和法向压力的减小均呈增大趋势;(2) 含石量高于40%时,黏聚力小于30 kPa;(3) 内摩擦角随着含石量的增大、块石强度的增大、含水率的降低、初始孔隙比的降低、法向压力的降低均呈增大规律,且与分形维数满足正相关函数关系;(4) 块石附近应力集中较明显,剪切过程中,颗粒间的接触力主要通过迎着剪切方向的接触面传递,而背着剪切方向的颗粒接触面基本不传递力;(5) 内摩擦角 等于剪切面上与颗粒本身接触性质有关的接触面内摩擦角 和与剪切面分形维数有关的接触面倾角 之和,利用此机制可解释直剪试验中强度参数的变化规律。     

含石量和压实度对格栅-土石混合体界面剪切特性的影响

为了探究含石量和压实度对格栅-土石混合体界面抗剪特性的影响，采用大型直剪仪对不同含石量的格栅-土石混合体界面进行了单调剪切试验。试验研究了5种含石量（0%,25%,50%,75%,100%）和3种压实度（88%,92%,96%）对格栅-土石混合体界面的抗剪强度和体变特性的影响，并基于室内直剪试验建立了离散元分析模型，对界面的作用机理进行了分析。结果表明，含石量由0%增加至100%，筋土界面的抗剪强度、内摩擦角及似黏聚力均表现出先增大后减小的趋势，含石量为75%时达到最高；试样在高含石量下表现为较明显的应变软化和剪胀现象。此外，试样的压实度越高，筋土界面的剪切应力在前期增长越快，抗剪强度也越高。数值研究结果表明，低含石量模型的力链细而密，高含石量试样的力链较粗，分布较稀疏，且两组模型在剪切破坏后均形成贯通的强力链；高含石量试样在剪切过程中会形成一个孔隙率较大的带状区域，剪切面上的孔隙自两端向中间发展直至贯通。     

淤泥土与新填土接触面抗剪强度试验研究

在坝前淤泥面加坝中,淤泥坝基和新填筑坝体的接触面是整个加坝体的薄弱部位。以宁夏南部山区西吉县南川水库坝前淤泥面加坝工程为研究对象,在参考该工程勘察报告和施工组织设计的基础上,通过改进常规应变式直剪仪测定了在不同工况下淤泥土和新填土接触界面的抗剪强度参数,分析了淤泥土的含水率和压实度对接触面的抗剪强度、黏聚力和内摩擦角的影响。试验结果表明:淤泥―新填土接触面剪切特性受淤泥土的含水率和压实度共同影响;压实度相同时,随着淤泥含水率的增加,接触面抗剪强度先小幅度减小再快速减小,黏聚力先增大再快速减小,接触界面内摩擦角小幅度减小;含水率相同时,随着压实度的增加,界面抗剪强度增大,内摩擦角增大,黏聚力先缓慢增加,再快速增加,具有明显阶段性。     

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。     

加筋土筋土界面抗剪强度影响因素试验研究

通过室内筋土界面直剪试验,考虑筋土界面抗剪强度的影响因素,进行了不同剪切速度、筋材空隙率及土体含水率下筋土界面直剪试验,分析了不同因素对筋土界面抗剪强度的影响。试验结果表明,剪切速度主要影响筋土界面的内摩擦角,对筋土界面黏聚力几乎没有影响,随着剪切速度的增加,内摩擦角变大,导致筋土界面抗剪强度增大。筋材空隙率主要影响筋土界面黏聚力大小,空隙率越大,筋材肋条对土颗粒的约束作用越小,筋土界面抗剪强度降低。筋土界面抗剪强度受土体含水率的影响较大,随着土体含水率的增加,筋土界面黏聚力和内摩擦角都明显减小,导致筋土界面抗剪强度显著降低。     

昆明地区压实红黏土抗剪强度特征研究

对昆明地区压实红黏土开展直剪与三轴试验,研究了压实红黏土在不同含水率与压实度状态下的抗剪强度特征。结果表明:压实红黏土的抗剪强度随着含水率的增加而降低,随着压实度的增大而增大;黏聚力跟内摩擦角均随着含水率的增大而减小、随压实度增大而增大;含水率小于最优含水率时,含水率的变化对黏聚力影响较大,当含水率大于最优含水率时对黏聚力影响相对较小;压实红黏土的抗剪强度跟含水率以及压实度成线性关系。两种试验结果得到的抗剪强度参数变化趋势相同,但数值差别较大,直剪试验得到的黏聚力为三轴试验的0.58倍,内摩擦角为三轴试验的1.34倍。     

含砾粉质粘土中粗颗粒对抗剪强度影响的研究

滑带土为含砾粉质粘土的土质滑坡,其滑带土抗剪强度参数受粗颗粒影响较大,而滑坡勘查工程通常只做直剪试验而很少进行三轴试验,由于土的直剪试验受环刀尺寸的限制,试验时常筛除含砾粉质粘土中的粗颗粒,导致试验结果与真实值存在偏差。因此,根据原状含砾粉质粘土级配配制不同粒径的饱和土样进行三轴剪切试验,并结合剔除原状土粗颗粒的饱和土样进行快剪试验,分析含砾粉质粘土中粗颗粒对其抗剪强度的影响。试验结果表明:随着逐级减小粗颗粒粒径,含砾粉质粘土的黏聚力呈现先增大后减小的变化趋势,内摩擦角则呈现逐渐减小的变化趋势,对比不同粒径下黏聚力和内摩擦角的变化量,为浏阳地区滑坡工程设计中所需岩土参数提供一定的参考价值。     

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。     

土与结构相互作用的可视化剪切试验装置研制及应用

 土与结构的相互作用是岩土工程中普遍存在的力学问题,在已有大型直剪试验系统平台上,设计局部可透视的刚性剪切盒和数据采集分析系统,研制相应的设备。在接触面力学参数可靠获取的基础上,通过高清数码摄像实时采集剪切试验过程中接触面剪切带的数字图像,利用GeoPIV分析获得剪切带土砾的变形和剪切带的厚度,实现土与结构接触面直剪试验剪切带变形的可视化与定量化。以三峡库区堆积体滑坡工程为背景,开展不同含水率条件下土石混合体与混凝土接触的剪切试验,得到接触面抗剪强度参数的变化规律和剪切过程中土砾颗粒运移特征,定量分析土砾颗粒在剪切过程中的位移变化规律,获得试验条件下接触面剪切带厚度为17～23 mm,试验结果表明上剪切盒中的土砾剪切过程中发生显著的位移,其相对下剪切盒的水平位移小于上下剪切盒的相对位移,呈现非线性的变化趋势,并给出土砾实际位移与剪应力的关系。该研究成果可为土与结构相互作用的可视化剪切试验、接触面力学特性和本构模型分析提供重要支撑。     

土石混合体野外水平推剪试验研究

根据白衣庵滑坡地区的滑带附近三级阶地的上部和残坡积层的3个野外大面积水平推剪试验，得出了土石混合体的变形特点和相关的抗剪强度参数，为白衣庵滑坡的稳定性分析提供必要的依据，同时也为其他滑坡类似材料的力学性质研究提供了一个可能的途径，具有很大的参考价值。     

东河口滑坡岩石微观结构及力学性质试验研究

 东河口滑坡是“5.12”汶川大地震触发的典型高速远程滑坡,滑坡自高程1 300 m处开始滑动,总滑程约2 400 m,致使780余人遇难。滑坡体主要由震旦系灰岩及白云质灰岩、寒武系炭质板岩及千枚岩构成。野外调研结果表明,以上几种岩石的自身微观结构及宏观力学性质,对于促使该滑坡在地震作用下发生迅速启动有着至关重要的作用。为此,利用ORTHOPLAM显微镜、RMT–150C岩石力学试验系统及600 kN液压式万能材料试验机,分别对岩石的显微结构及抗拉、抗压、抗剪断性质进行一系列试验研究。显微结构测试结果表明,这几种岩石的结构及矿物成分均比较复杂,大多经历至少两期的变形与变质过程;岩石力学试验结果表明,水对该滑坡体岩石的力学性质有着重要影响,在干燥状态与饱水状态下,岩石的抗拉强度、抗压强度以及抗剪断强度均有很大的差异,同时,岩石中原有的结构面也是影响其力学性质的一个重要因素。     

多维图解反算法确定膨胀土滑坡土体的抗剪强度指标

由于膨胀土滑坡土体的特殊力学性质和滑动时受到扰动，滑坡体稳定分析中的重要指标——抗剪强度很难用一般试验方法确定。采用多维图解反算法可以准确方位地确定膨胀土地区滑坡土体的抗剪强度指标，膨胀土滑坡的具体算例说明了该方法的有效性。     

格构形复合抗滑钢板桩的阻滑机理研究

首次提出了利用格构形复合抗滑钢板桩来治理滑坡工程的新方法，并从不同的理论角度对格构形复合抗滑钢板桩的阻滑机理进行了研究，提出了设桩后确定滑坡极限剪切破坏面的新方法。通过对实例进行极限平衡法和有限元法的计算分析比较，验证了理论分析结果的正确性。同时，揭示了格构形复合抗滑钢板桩的阻滑机理主要表现在以下两个方面：一是格构形复合抗滑钢板桩的存在，有效地改变了滑动面的形状；二是间接提高滑动面的物理力学参数。     

大型滑坡演化机制及滑带剪切特性试验研究

 古水水电站争岗大型滑坡堆积体方量高达4.75×107 m3,地质勘测揭示该滑体主要由基岩、滑带土和松散堆积物组成,且滑带土层为贯通的底滑面;首先对堆积体历史演化过程和滑坡体形成机制进行详细分析,对现状及未来失稳模式进行定性判别,认为滑体处于沿贯通底滑面蠕滑变形状态;对滑带土基本特性分析的基础上,开展不同条件下室内大型直剪试验,研究天然状态下变形和强度的关系、抗剪性能参数取值;探讨含石量、含水量对抗剪强度的影响;从而寻找出合理的计算参数,开展稳定性评价。研究结果显示：天然状态下,滑带土黏聚力为30.31～43.94 kPa,内摩擦角为25.82°～30.49°;且含石量和含水量对抗剪强度影响显著,含石量75%为阈值,低于此值,抗剪强度随含石量的增加而增大,超过此值,随含石量的增加而减小;含水量的增加导致强度降低,黏聚力、内摩擦角降低基本呈指数关系。稳定性评价成果与定性分析相吻合,滑体各种工况下均存在滑塌的可能性,开展治理措施研究显得至关重要。     

膨胀土边坡物理模型试验研究

进行了一系列压实膨胀土的大型静力模型试验,对边坡土体吸湿后的含水率、膨胀变形等进行了实时监测。试验成果显示,膨胀土边坡浅层土体吸湿后其含水率场分布不均匀,干湿分界面处土体易由于不均匀膨胀变形而导致局部剪切错动,并随水分在坡体内的迁移,局部滑动面逐渐向边坡纵深扩展,在不同深度、不同部位形成多重剪切滑动面,最终导致边坡整体塌滑。针对静力模型试验进行了考虑膨胀性的非线性有限元计算,比较了边坡自重条件下和吸湿后应力场的变化,可知吸湿引起顺坡向正应力在干湿分界面处变化剧烈,剪应力明显增大,强度折减法得到的模型试验边坡安全系数仅0.92。研究成果表明：影响膨胀土边坡浅层稳定性的最根本原因并非膨胀土的超固结性或裂隙性,而是土的胀缩特性。     

土-水工结构界面剪切试验系统的研制及应用

为研究开采沉陷形成的地表变形对水工建筑或构筑物的影响,研制了可进行水下剪切的界面剪切试验系统。通过该试验系统,完成正交试验方法设计的界面剪切试验,研究土样的初始孔隙比、初始饱和度以及结构表面粗糙度对土-水工结构界面剪切力学性能的影响。试验表明:该系统能较好地模拟水下土-结构界面的主要物理力学特性;同时也可以实现普通直剪试验仪器的功能。对正交试验结果进行极差和方差分析的结果表明:在所设计的初始孔隙比范围内,其对界面剪切强度影响很小。初始饱和度对界面剪切强度的影响非常显著,而且饱和状态下是否采用水下剪切的方式对界面剪切强度是有影响的。结构表面粗糙度对界面剪切强度有影响,其影响规律需进一步研究。     

不同剪切速率下滑带土强度特性及孔隙分形特征研究

滑带土的抗剪强度和微观结构的变化与滑坡岩土体的稳定性具有密切的联系.本文开展了不同剪切速率下粘性滑带土的环剪试验和核磁共振试验,从宏观与微观的角度分析了滑带土在不同剪切速率下的残余强度特征及微观孔隙的分形特征.研究结果表明:滑带土的残余强度随剪切速率的增加呈指数函数减小;剪切后试样内部孔隙的总体积随剪切速率的增加而降低...     

级配碎石材料抗剪强度的影响因素分析

级配碎石基层材料的抗剪强度是影响沥青路面抗车辙能力的关键技术指标。本文通过试验,系统分析了含水量、剪切速率和围压等因素对级配碎石基层材料抗剪强度的影响规律,可为公路工程建设中获得高抗剪强度的级配碎石基层材料提供基础参考。