碎屑流模型试验研究

碎屑流危害极大,且无法对其进行有效的预测和防范。文章通过室内模型试验,研究了不同组成的分层堆积体在不同初始启动角下,沿斜面的滑动和堆积运动,分析得到堆积体最终堆积范围的变化规律。试验结果表明:随着初始启动角的变大,堆积体由分级破坏逐渐变成整体破坏,堆积范围也会变大;堆积体上层颗粒比下层颗粒的冲程要大,对整个堆积体的冲程影响也要大;堆积体分层情况对其最终堆积范围影响较大,但随着初始启动角变大,这种影响逐渐变小。试验研究成果对研究碎屑流运动过程和堆积范围具有一定的理论参考价值。     

颗粒粒径和吸附水膜对细粒土渗透性的影响

细粒土的渗透性因受诸多因素影响而难以通过计算准确得到。对此,将其简化为单一粒径球形颗粒的堆积体,建立基于最密实状态下四方堆积方式的土颗粒堆积模型,并采用基本单元对堆积模型的几何特征进行分析。研究发现:只要堆积体和颗粒间的尺寸比超过10 000,细粒土的孔隙率就与粒径无关;但随吸附水膜的增加而减小,渗透系数随粒径减小而急剧减小,随水膜厚度增大而大体呈减小趋势,但不同粒径减小幅度不同,较大颗粒(粒径大于0.05 mm)减小幅度很小,且基本呈线性趋势,极细颗粒(粒径小于0.001 mm)减小幅度很大,且呈非线性趋势。已有渗透试验测试值验证了不同粒径和水膜厚度下渗透系数计算值的变化趋势,且黏粒渗透系数的计算值与实测值吻合很好。     

水泥土泥皮下土与结构接触面的单剪特性

采用大型单剪仪进行粗粒土与混凝土接触面在水泥土泥皮(粘土中掺入水泥)条件下的剪切试验,揭示泥皮条件下接触面的力学特性与机理.试验结果表明,峰值强度以及剪胀发生所对应的位置与法向应力大小有关,峰值强度所对应的剪应变滞后于产生剪胀的位置.剪切破坏时,在同一高度处,法向应力越大,切向位移也越大;同样的法向应力及高度处,切向位移随水泥含量的提高而增大.以单剪试验为原型,采用颗粒流模拟程序PFC建立水泥土泥皮条件下粗粒土与混凝土接触面的单剪模型,通过对接触面试验试样内部特征点在剪切过程中运动状态的追踪,分析了土体的扰动高度及其主要影响因素.研究发现,扰动高度与粗粒土的最大粒径、法向应力以及粗糙程度(有无泥皮)等有关.对粗粒土,靠近结构面3～4倍最大粒径的区域内土颗粒切向位移明显,形成明显的剪切错动带,因此,建议该剪切错动带厚度为有厚度接触面单元厚度.     

降雨入渗对粗粒土斜坡路堤稳定性及变形影响的数值分析

针对杭新景高速公路粗粒土斜坡路堤在雨后产生不均匀沉降以及失稳破坏的问题,基于饱和-非饱和渗流理论,结合相关试验数据以及气象资料,采用数值软件分析了降雨入渗条件下粗粒土斜坡路堤渗透特性、稳定性以及沉降变形的变化规律。研究结果表明,基岩倾角越大,粗粒土斜坡路堤中越容易产生正孔隙水压力;不同的基岩倾角下,粗粒土斜坡路堤的安全系数都随降雨的持续而降低,当降雨停止后安全系数又迅速恢复;基岩倾角越大,相同条件下斜坡路堤的安全系数越低,降雨对粗粒土斜坡路堤安全系数的影响越小;粗粒土斜坡路堤的最大沉降值随着基岩倾角的增大而增大。     

古水水电站争岗堆积体滑坡复活条件分析

针对古水水电站争岗堆积体目前处于稳定状态,在降雨、地震等不利条件下可能发生滑坡以至于威胁下游洞室群出口安全的问题,在地质勘查的基础上,选取典型剖面进行地质特性分析,并建立合理的颗粒离散元模型,进行不同工况量变条件下的滑坡复活数值模拟。结果表明:滑面倾角急剧增大和断层发育处容易产生裂隙,且影响着滑坡启滑位置;滑面平均作用3 m水头时堆积体出现蠕滑,5 m水头时三期滑坡复活;当地震强度达到0.3g时,一级平台堆积体开始滑动,形成三期滑坡。     

粗粒土大型静止侧压力系数测定试验的颗粒流模拟

静止侧压力系数K_0是粗粒土重要的力学参数。采用基于离散元理论的颗粒流数值分析和室内试验相结合的方法,建立了粗粒土大型静止侧压力系数试验的三维颗粒流模型,模拟结果与室内试验具有良好的一致性。在总结数值试验结果的基础上,分析了粗粒土的位移和力链的细观变化过程,并研究了不同竖向应力下细观参数与K_0的关系曲线,探讨孔隙率、颗粒摩擦因数、切向刚度、法向刚度等参数对粗粒土K_0的影响规律,并建立了细观参数和粗粒土K_0的函数关系。结果表明:相同竖向应力下试样K_0随着孔隙率的增大逐渐增大,但增大趋势趋于平缓;试样K_0与摩擦因数存在线性负相关关系;在相同竖向应力下,试样法向接触刚度越大或切向接触刚度的越大时,K_0越小。     

颗粒粒径对粗粒土-混凝土接触面剪切特性影响试验研究

为研究颗粒粒径对粗粒土与混凝土结构接触面剪切力学特性的影响,进行3不同粒径范围(2.36~4.75mm、4.75~9.5mm、13.6~16mm)均匀粒径组粗粒土与两种不同混凝土接触面(光滑和粗糙)大型直剪试验,研究粗粒土粒径对接触面剪切强度的影响规律.试验结果表明:随粒径的增大接触面剪切应力-剪切位移曲线从剪切软化型逐渐向剪切硬化型发展.光滑接触面剪切强度随粗粒土平均粒径的增大几乎呈线性增大;而粗糙接触面剪切强度在平均粒径达到7.13mm后,其增大速率逐渐变小.相同法向应力下粗糙接触面剪切强度明显高于光滑接触面.摩尔库伦强度指标分析表明:粒径的增大显著提高了接触面的表观黏聚力;但对接触面内摩擦角的影响不明显.     

粗粒含量对砂卵石土宏细观力学特性影响分析

摘 要: 砂卵石土粗粒含量对基坑及隧道围岩等稳定性影响较大,然而不同粗粒含量砂卵石土宏细观力学特性尚不明确。采用室内大型粗粒土三轴试验与数值三轴试验相结合的方法,对不同粗粒含量砂卵石土宏观及细观力学特性开展研究。研究结果表明：随着粗粒含量增加,砂卵石土的应力应变曲线表现为应变软化性;围压不变时,砂卵石土随着粗粒含量增加,应力峰值增大而达到峰值时的应变逐渐减小;建立了砂卵石土粗粒含量与内摩擦角和粘聚力等力学指标之间函数关系,随着粗粒含量的增加,砂卵石土的内摩擦角与粘聚力呈线性增大;提出了不同粗粒含量砂卵石土的接触模量、颗粒刚度比、摩擦系数、接触粘结强度等颗粒离散元细观参数。研究成果为砂卵石地层工程精细化设计及施工提供理论支撑。     

交互作用下上覆荷载对粗粒盐渍土盐胀量抑制效果的影响因素研究

基于二次回归正交设计方法,针对细粒土质砾硫酸盐渍土、细粒土质砾亚硫酸盐渍土等6种不同类型的粗粒盐渍土开展多因素交互作用影响下的盐胀试验,采用SPSS软件对试验数据进行逐步回归分析,得到不同盐渍土盐胀率的影响因素显著性模型,同时采用BP神经网络对上覆荷载与其他因素的交互作用进行分析.研究表明:细粒土含量、颗粒粒径大小及盐渍土类型均会影响上覆荷载对粗粒盐渍土的抑制效果;当粗粒料粒径大小处于相似水平时,上覆荷载对粗粒盐渍土的盐胀抑制影响权重随着细粒土含量的减少而增大,其影响权重最大可超过60%;当细粒土含量相同时,上覆荷载对粗粒盐渍土的盐胀抑制影响权重随着粗粒料粒径的增大而增大;其他因素水平相同时,上覆荷载对粗粒亚硫酸盐渍土的盐胀抑制效果优于粗粒硫酸盐渍土;含细粒土砂盐渍土的盐胀率随上覆荷载增大而减小的变化规律具有指数关系;细粒土质砂和细粒土质砾盐渍土盐胀率会随上覆荷载的增大而减小;研究结果可为粗粒盐渍土地区的合理路基结构型式优化提供基础参考数据.     

基于离散单元法的溜砂坡堆积形态数值研究

采用离散单元法模拟了溜砂坡的堆积过程,研究粒间摩擦因数和颗粒形状对溜砂坡堆积形态的影响,建立粒间摩擦因数、颗粒形状与堆积形态的相关关系。研究结果表明:颗粒堆积体上、下部的粒径分布均具有分形特性,摩擦因数越大,堆积体上部分形维数和堆积角度越大。对比不同的颗粒形状,颗粒浑圆度越差,堆积体上部分形维数和堆积角度越大。随着粒间摩擦因数的增大,强力链数目减少,弱力链数目增多,力链结构的各向异性增强,颗粒间法向接触力的水平分量变小,接触法向的主方向向竖直方向偏转。圆形颗粒堆积体中力链分布呈树根状,考虑颗粒形状后的堆积体内强力链方向基本与斜坡平行。溜砂坡下部分形维数与其内部孔隙率呈较好的线性关系,下部分形维数越大,堆积体孔隙率越小。     

基于离散元的溶塌巨石混合体主动土压力研究

在喀斯特山区建设中经常需要设计支挡溶塌巨石混合体的挡墙结构.溶塌巨石混合体由于粒径较大,其力学性质与常见的细粒土具有很大差异.但是,大多数土压力理论或试验研究都以细砂等细颗粒材料为研究对象,基于连续介质理论进行分析研究,而缺乏对于较大颗粒粒径的粗粒土如溶塌巨石混合体的土压力研究.针对上述问题,本文采用离散元方法,模拟计算了平动挡墙位移模式下细粒土和不同粒径条件下的溶塌巨石混合体主动土压力,总结得到主动土压力随粒径尺寸的变化规律,并提出了考虑粒径尺寸效应的溶塌巨石混合体主动土压力作用点修正公式.     

考虑滑面材质的碎屑流试验堆积特征分析

为分析高速远程滑坡运动与堆积特征,在室内设置物理试验模型,设计级配、坡角、碎屑流质量、滑面材质4种因素,分析各因素对碎屑流堆积特征的影响。研究结果表明：坡角减小、滑面更粗糙使部分颗粒堆积或滞留于坡面,颗粒堆积特征与颗粒完全堆积于坡底时相比存在差异;滑面材质与冲程等堆积特征基本呈负相关,坡角与堆积特征基本呈正相关,二者对堆积特征影响最大;碎屑流质量与堆积特征基本呈负相关,对颗粒堆积特征分布影响较小;级配与颗粒堆积特征无明显相关性。     

降雨入渗对粗粒土路堤变形与稳定性的影响

针对土石混填粗粒土路堤,分析其降雨入渗机理,得到固定颗粒粒径时的总吸力随饱和度衰减规律,对比降雨入渗深度计算公式.根据饱和土强度折减规律,采用强度折减简要模拟降雨入渗效果,并结合工程实践建立数值模型,对降雨入渗作用下粗粒土路堤变形及稳定性进行计算分析.工程实例计算结果表明:降雨入渗对路堤变形影响明显,随着入渗深度增加,路堤附加沉降增大,当单次入渗深度为2 m时,附加沉降可达1.30 cm;降雨入渗对粗粒土路堤稳定性也有明显影响,入渗作用扩大路堤塑性区范围,降低路堤稳定性.     

考虑级配影响的粗粒料压缩破碎特性试验

采用分形维数和级配宽度作为级配的量化指标,通过粗粒料的侧限压缩试验,研究级配对密实粗粒料的堆积、变形以及破碎特性的影响规律。试验结果表明,粗粒料的最大干密度和低应力下的压缩模量均随着分形维数的增大先增大后减小,在分形维数为2.2附近存在极大值;同时,两者均随着级配宽度增大而增大。粗粒料的破碎强度可通过双对数坐标下的拐点表征,破碎强度随着分形维数与级配宽度的增大而增大;破碎强度越高,颗粒破碎率越小;不同级配的粗粒料充分破碎后的最终级配都收敛于唯一的分形分布。     

基于剪切波速的粗粒土填料压实密度控制理论

为了提出基于剪切波速的粗粒土压实度便捷测试方法,首先,基于弹性动力学与颗粒细观接触理论,建立了粗粒土的剪切波速与压实密度的理论方程;其次,建立数值模型,验证理论方程的合理性;最后,提出基于粗粒土的剪切波速的压实度测试方法,开展室内粗粒土剪切波速试验,验证理论方程的适用性。研究结果表明：通过弹性动力学与颗粒接触理论,引入粗粒土颗粒细观特性,如刚度、配位数和孔隙率,推导得出了粗粒土剪切波速与压实密度的理论方程;在理论方程中,颗粒的泊松比对剪切波速的影响不大,而颗粒弹性模量对剪切波速的影响较大;基于周期理论,建立剪切波速的Comsol数值模型,数值结果与理论方程计算结果趋势相同,且相对误差均在8%以内;普遍适用的激发频率范围为5～10 kHz,不论何种激发波,接收波形均为正弦波,且剪切波速随压实密度增加而增加,试验结果进一步验证了剪切波速-压实密度方程的适用性。在实际应用中,求出粗粒土填料参数M,就可通过测量压实填料的剪切波速快速得到其压实密度。     

粗粒土大型单剪颗粒破碎试验研究

使用新研制的大型单剪仪,对粗粒土的颗粒破碎及粗粒土一结构接触面进行了系统的试验研究,分析了试验中影响颗粒破碎的主要因素及颗粒破碎对粗粒土一结构接触面应力应变特性的影响.试验结果表明,颗粒破碎率随着法向应力的增大而增大,颗粒破碎受剪应力大小的影响程度随着法向应力的增大而减小.     

泥石流堆积区粒度分布特征

为研究泥石流堆积区单期和多期粒度分布及其关系,通过现场调查和颗粒分析试验,采用统计法分析泥石流堆积区形态特征、平面和垂向粒度分布特征。结果表明:泥石流堆积区呈中间高两侧低,横轴与纵轴长度基本一致;平面上纵向从沟口到堆积扇前缘粒径逐渐增大,曲线范围峰值粒径百分含量中轴线最大,向两侧逐渐减小,中轴线粒径集中性强;平面上横向从沟口到堆积扇前缘粒径呈增大的趋势,曲线范围峰值逐渐变大,曲线范围峰值粒径百分含量逐渐增加,堆积区中部粒径集中性强;垂向上自上而下厚度逐渐增大,粒径曲线范围峰值主要为10～20 mm,具有较好的集中性。研究成果可为泥石流形成机理研究和泥石流防治规划等提供参考。     

粗粒土类别的分形图解

基于分形理论,同时考虑粗粒土的随机性、非规则性,应用随机模糊方法研究了粗粒土的粒度分布分维,讨论了粒度分布分维与粗粒土的均一性、粗度和级配的相互关系。研究发现粗粒土是分形粒子,具有分形效应,细粒土是以分形分布的方式充填到粗粒土之间的,粗粒土组成的结构为分形结构,据此给出了5种粗粒土的典型分形图形并揭示了其特有的性质。结果表明,粒度分布分维是刻画粗粒土特征的有效参数,应用该参数可以控制集料颗粒粒径,达到优化级配、增大集料密度的目的。最后给出了应用粒度分布分维控制颗粒粒径的理想分形级配图形。     

循环前后不同颗粒粒径下sandwich形加筋土筋土界面单调直剪特性

采用3种不同颗粒粒径石英砂作为sandwich加筋土中薄砂层,使用大型直剪仪分别对不同薄砂层厚度的sandwich形加筋土进行了单调直剪、循环剪切及循环后直剪试验.试验结果表明:在单调直剪和循环后直剪过程中,不同颗粒粒径下都存在一个最优厚度,使筋土界面内剪应力最大,且颗粒粒径越大,最优薄砂层厚度越大;在循环剪切过程中,随着颗粒粒径增大,界面强度呈先增大后减小的趋势;相比单调直剪结果而言,在循环后的直剪过程中筋土界面的峰值剪应力更大,体积变更小.     

滑坡碎屑流颗粒分选效应的数值模拟

大量粗细不均匀的碎屑岩粒及孤大块石在滑坡碎屑流运动过程中的相互作用产生颗粒分选效应,影响了滑坡碎屑流的运移堆积特征及致灾效应。以模型试验的资料和数据为依据,运用三维颗粒离散元素法,建立滑坡碎屑流颗粒流数值模型,从滑体运动堆积过程中不同粒径组分的分布位置和动能两方面研究了滑坡碎屑流颗粒分选效应的形成过程,探讨了颗粒分选效应的形成机制。结果表明:滑坡碎屑流运动过程中,粗颗粒组分易获得较大速度并向滑体表层及前缘运移,细粒组分运动速度较慢,并向滑体底层及后部聚集,这种颗粒分选效应最终导致了滑体反粒序分布结构的形成。滑坡碎屑流颗粒分选效应是由振动筛分、小颗粒耗能较大率先停积、大颗粒碰撞分离等动力学机理共同作用的结果。