土石混合体剪切强度的室内外对比试验研究

土石混合体具有高度的非均质、非连续和非线性特征,针对同一区域的土石混合体采用不同试验方法很可能会出现不一致的试验结果.基于此,本文选取三峡库区藕塘滑坡土石混合体为研究对象,分别进行现场原位直剪试验和室内原状样直剪试验,两种试验方法相互验证土石混合体的剪切强度特性.研究结果表明:藕塘滑坡土石混合体在不同位置处粒径分布差异明显,但是在所研究区域内具有一定的共性.现场原位直剪与室内原状样直剪的试验结果在数值大小上存在一定的差异,但在变化规律及力学特性上是一致的.这为今后开展土石混合体室内直剪试验并优化室内试验结果提供了理论依据.     

考虑孔隙率和不均匀系数的土石混合体颗粒流分析

为研究低含石率情况下,由土体主导的土石混合体的力学特性,采用分层欠压和随机生成多边形相结合的建模方法,建立土石混合体颗粒流模型,提出不均匀系数作为衡量土石混合体非均质性的指标。通过室内试验校核了颗粒模型的细观参数,并开展双轴数值模拟试验,研究在低含石率情况下,含石率、土体孔隙率和不均匀系数3个因素对土石混合体力学特性的影响。结果表明:在低含石率情况下,土石混合体的强度受土体孔隙率影响较大,随着土体孔隙率的减小,土石混合体的强度有较大提高;块石的存在破坏了土体的均匀性和连续性,反而在低含石率情况下,随着含石率增大,土石混合体整体强度有微小减小的现象;土石混合体的不均匀系数对体应变影响较大,不均匀系数越大,体应变的膨胀现象越明显。     

堆积体直剪试验颗粒流细观数值模拟研究

作为一种非均匀、非均质、多相体系的松散岩土介质,堆积体力学性质的研究颇受国内外众多学者关注和重视。以室内重塑样直剪试验结果为依据,可确定基于现场试验颗粒粒度累积曲线和三维颗粒离散元方法建立的堆积体直剪试验模型土石颗粒细观力学参数。在此基础上进行不同岩性、不同含石量的堆积体直剪试验模拟研究,结果表明:堆积体直剪试验剪切屈服面并非一个平面,而是存在一个带内变形以设计剪切平面为基准呈S形变化的剪切带,块石最大粒径越大剪切面影响范围越广,块石刚度越大剪切面则越粗糙;介质抗剪切强度特性在很大程度上受控于岩块的含量和岩性,块石和块石间的咬合力是造成介质内摩擦角较高的根源;在高围压下介质特性表现为应变硬化、低剪胀率,但不排除表现为剪缩的可能,而在低围压下则容易发生剪胀、软化现象,这与重塑样试验结果基本一致;颗粒摩擦系数与含石量呈二次抛物线递增关系,但剪切过程中应变能随摩擦能增加先升后降;黏聚力随基质颗粒刚度增加而提高,而随充填介质颗粒刚度增加而降低;数值试验与室内试验吻合程度较好表明,该方法可作为工程堆积体确定力学参数的有益补充。     

土石混合体细观渗流场的格子Boltzmann模拟

基于土石混合体中块石的CT扫描图片、颗粒流PFC软件及数字图像处理技术构建了土石混合体的孔隙结构模型,在此基础上引入介观的格子Boltzmann方法从孔隙尺度对土石混合体的渗流场进行了数值模拟,并据此分析了土石混合体的渗流特性。研究结果表明:基于土石混合体的孔隙结构模型和介观的格子Boltzmann方法,通过设置相应的边界条件可以快速有效地模拟土石混合体的细观渗流机制;与均质土体模型相比,土石混合体模型由于较大块石的存在使得其渗流通道明显减少,且通道变窄,弯折度增加,流速减小,渗透率大幅降低;土石混合体模型中水压力分布很不均匀,在块石的上下游会发生显著的压力降;块石含量、块石粒径及块石空间分布等细观结构因素对土石混合体的渗流场与渗透性能有一定的影响。     

随机土石混合体地层构造方法及其应用

基于数字图像技术及离散傅里叶变换理论,通过Matlab编制程序,实现了自然块石二维轮廓的识别、离散与重构.结合分形理论,设计了一种可根据指定块石粒径、含石率以及分形维数生成土石混合体地层模型的便捷方法.在此基础上建立了土石混合地层数值模型,并针对隧道施工过程中的地层变形特性进行了探究.计算结果表明:相比于传统均质模型,土石混合模型能够反映地层中块石对隧道掌子面挤出位移和地表沉降的影响,更真实地呈现土石混合体地层中围岩土体的变形规律;与均质模型中所描述的规则单一的塑性区不同,土石混合地层中,隧道掌子面后的塑性区发展存在明显的"绕石效应",其扩展路径更为复杂、多元,且滑动带的路径明显延长,一定程度上增加隧道施工扰动的影响范围.     

土石混合体原位试验的颗粒流数值模拟分析

基于颗粒流理论和PFC程序,解决了不规则碎石(clump)的生成、恒定法向荷载施加、剪切面的含石量等问题后,建立了土石混合体原位试验的颗粒流数值模型,对不同含石量、法向应力下土石混合体的直剪试验进行模拟,并与原位直剪试验的结果进行比较.结果表明：随着含石量增加,剪切应力及其峰值增大,剪切应力峰值对应的剪切位移减小;在低法向应力条件下,土石混合体表现为剪胀;在高法向应力下,土石混合体表现为先剪缩而后剪胀,并呈现出压剪破坏特征;剪切面附近分布的不规则碎石在剪切过程中出现挤压滑动与滚动,使得剪切破坏面出现凹凸,而且剪应力、法向位移、应变能随剪切位移增加而出现波动和平缓段;数值试验所得剪切应力峰值略高于其试验值,减小模型颗粒半径,可以有效降低计算的剪切应力峰值.     

含石量对土石混合料剪切特性的影响

土石混合料作为路基填料的重要组成部分,其力学特性直接关系道路能否安全使用。为此,采用离散元方法对土石混合料的剪切特性进行研究,分析在不同含石量不同围压情况下,土石混合料的抗剪强度及剪胀性。结果表明：随着含石量的增加,土石混合料的抗剪强度在增加,剪胀性增强。     

冻融循环作用下含“架空”结构土石混合体边坡变形机理试验研究

含"架空"结构土石混合体是一种有别于岩体和土体的特殊地质材料,广泛分布于我国西南地区,其组成结构及变形特性是崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害频发的主要诱因.目前的研究成果对其力学特性及变形破坏机理的解释远远不够,以青藏高原多年冻土区土石混合体为研究对象,从含"架空"结构土石混合体的形成结构、分布特征及变形特性入手,采用现场调查、采样分析、室内试验及试验结果分析等技术手段,针对含"架空"结构层的土石混合体的变形特征开展研究.研究结果表明,土石混合体边坡失稳主要原因是冻融循环作用下岩土介质力学结构的破坏以及富冰层对补给水的滞留作用降低了上覆岩土体与富冰层的摩擦系数."架空"结构不仅具有阻滞环境与下伏岩土体之间热交换的作用,并且作为泄水通道,改变了上部补给水的运移途径,同时"架空"结构也是富冰层的良好发育场所.研究结果对含"架空"结构土石混合体导致的地质灾害的预测、预防及控制提供理论依据.     

基于区域生长算法的土石混合介质细观识别与数值模拟研究

针对土石混合介质这一特殊地质体的力学特性研究问题,构建了基于区域生长算法的土石混合介质数字图像识别方法,实现对土石混合介质图像中土和石块的分割,有效解决了土石混合介质现场图像中噪声像素多,土石边界不明显,受阴影等因素影响等问题.在此基础上,对其二值图像进行离散元建模,研究该模型在直剪试验下的力学特性,试验结果表明:应用数字图像方法可以保证建立的模型中的土石分布与现场情况一致;区域生长算法可以将具有相同特征的连通区域分割出来,同时提供较好的边界信息和识别效果;该模型可以反映颗粒间的接触力分布和力链传递关系,从微观角度研究颗粒间接触和接触力的变化.该方法可为土石混合介质的研究提供参考.     

块石尺寸对土石混合体强度特性的影响研究

选择块石类型为卵砾石,土料为含砂低液限黏土,含石率为50%;通过室内中三轴试验研究了4种不同卵砾石尺寸下的土石混合体的强度及变形特征。试验结果表明:1不同卵砾石尺寸各围压下土石混合体的应力应变关系曲线为硬化型曲线;随着卵砾石尺寸的增大,试样的峰值强度减小,高围压下尤其显著;2不同卵砾石尺寸各围压下土石混合体的体积应变随着轴向应变的增加而增大,剪切过程中直至破坏试样一直处于剪缩状态;3土与卵砾石混合体的内摩擦角与卵砾石的分形维度近似符合抛物线函数关系变化。试验分析所得的研究结果,为深入研究土石混合体这类特殊的地质体提供一定的理论依据。     

土石混合体粒度分形特性及其与含石量和强度的关系

利用分形理论论证土石混合体的层次性,建立土石混合体的二维分形结构模型,提出粗、细料无标度区间粒度分维值的概念;通过100组筛分析实验分析土石混合体的粒度分形特征并分析其与含石量的关系;通过大型三轴试验分析土石混合体的粒度分维值与抗剪强度的关系。研究结果表明:土石混合体具有统计意义上的自相似性,一般存在2个粒度无标度区间,具有2个粒度分维值,但对于最优级配土石混合体是一维分形;土石混合体粒度分维值与含石量及强度之间均呈抛物线性关系,对于只具一维分形的土石混合体具有最大的密实度和抗剪强度。     

冻融循环下土石混合体强度劣化特性研究

针对冻融作用下不同含水率土石混合体的强度劣化问题,通过直剪试验及核磁共振(NMR)测试,探究了不同冻融循环次数和含水率下土石混合体剪切强度及孔隙结构的变化特征,并揭示了其强度劣化机制.研究结果表明:试样的剪切强度参数随冻融循环次数的增加均呈现先减小后增大再减小的规律.在第3次冻融循环后出现"反翘"现象.根据孔隙率及孔隙...     

基于大三轴试验的土石混合体强度特性与影响因素

为更为详细地探讨山区土石混合体的力学特性,综合考虑含石量、含水量与岩石完整性等因素的影响,采用正交试验方法对土石混合体填料的大型三轴剪切试验进行设计,并运用邓肯-张模型对得到的三轴试验参数进行反演研究。结果表明:土石混合体中影响内摩擦角的因素从大到小分别为含石量、含水量、岩石完整性;试件在各围压下剪切时,开始阶段偏应力与轴向应变近似成比例关系;当轴向应变超过2%时,偏应力增长速率减小,呈现出明显的应力-应变非线性;当混合体达到最大偏应力之后,仍可以保持在增加轴向应变的同时,偏应力不减小,表明土石混合体材料的软化特性不明显;含石量对试样体应变的影响较含水量与岩石完整性更显著,在含石量较低时体现为剪缩性,含石量较高时更多体现为剪胀性;邓肯-张模型的拟合结果与大三轴试验数据的相似度较好,表明邓肯-张模型能模拟土石混合体在不同围压下的应力-应变关系。     

循环荷载作用下海洋软土动力特性数值模拟研究

在海浪长期循环冲击的作用下,海洋土体材料的力学特性和变形机制往往与静荷载作用下的不同.基于典型海洋土物理及力学特性试验,运用离散元方法建立数值模型,标定土体细观参数,进行直接剪切数值试验和双轴压缩循环加卸载数值试验.研究结果表明:循环加载初期,试样的主要位移形式呈中心对称形态,最大位移发生在试样的4个棱角处,随着循环加...     

加筋体与土体界面力学特性试验研究进展综述

加筋土中的土工合成材料可提高土体的抗剪强度,改善黏性土的黏聚力和渗透性,改良黄土和膨胀土的不良工程性质。分析了直剪、拉拔及三轴试验测试加筋土筋土界面力学特性的局限性:对直剪试验而言,土样的剪切面限定在上下剪切盒之间,而不是沿其最薄弱面剪切破坏;拉拔试验试样制作过程中土中加筋体不可避免发生凹凸变形;三轴试验在试样中分布几层加筋材料,尺寸效应十分明显。新型全球数字系统(global digital systems,GDS)界面剪切试验仪能够克服上述3种试验方法的不足,为研究筋土界面力学特性提供了有利工具。     

植被护坡中根土相互作用机制研究现状及趋势

基于根系的形态,探讨了根系中纤维素与木质素含量高低、拉伸延长率与根系力学强度的关系;由根系本身的强度、土体性质及根土接触程度对根土相互作用的影响,分析得出根系本身的力学强度越高、根和土的接触越紧密,越有利于根土相互作用时对土体抗剪强度的提高;提出根系中纤维素及木质素含量、拉伸延长率对护坡植物根系本身力学性质的影响而引起土体抗剪强度的变化,并指出植物根系通过生物化学作用改善植物生长环境、改良土质的工程应用前景.     

非饱和土力学行为的三维离散元分析

基于离散单元法颗粒流理论,土体颗粒单元间采用Hill接触模型来考虑非饱和土中吸力的作用,建立了非饱和土的颗粒流模型。根据室内试验结果对模型细观参数进行标定,开展了固结排水三轴剪切试验离散元数值模拟,揭示了在不同围压和吸力下,模型试样的应力-应变关系与强度特性等宏观力学性质以及细观信息平均配位数的变化规律。根据不同吸力下的莫尔-库伦破坏包线,建立了吸力与抗剪强度参数之间的关系。此外,通过标定室内试验结果中不同含水率下的应力-应变曲线,建立了Hill模型中吸力与含水率的关系。研究结果表明：Hill接触模型可以较好的模拟非饱和土的力学行为,可为非饱和土的离散元模拟提供参考。     

考虑渗透水压力的黏土与混凝土接触面力学特性

采用大型直剪仪进行黏土与混凝土接触面的单向直剪试验,研究接触面在不同渗透水压力和法向应力作用下的力学特性,并对黏土与混凝土接触面的强度及应力变形特性进行分析,基于双曲线模型提出了考虑渗透水压力作用的黏土与混凝土接触面本构模型。结果表明:接触面的剪应力与相对剪切位移较好地满足双曲线关系,竖向位移表现为剪缩;接触面的抗剪强度与接触土体的饱和状态显著相关,当土体由非饱和状态过渡至饱和状态时,接触面抗剪强度随渗透水压力的增大显著降低;当接触土体趋于饱和时,抗剪强度随渗透水压力增大的降幅随之减小,且与有效法向应力间呈较好的线性关系;模型计算结果与试验结果吻合较好,验证了所提出的考虑渗透水压力作用下黏土与混凝土的接触面本构模型是合理的。     

土石分形检测中的数字图像处理方法研究

土木工程人员经常用粗料颗粒分布分维、粗料轮廓分维这些结构指标作为土石混合体定量化研究的依据,用以解释土石混合体的力学特性,并以这些参数作为土石混合体工程分类的依据。目前技术人员以手工筛分实验来计算粒度分维数。展开对土石混合体微结构研究,劳动强度大,操作不便,极大地制约了对土石混合体微结构的研究。提出了利用数字图像处理技术来测量土石混合体分形维数的方法。实验验证结果表明,该方法减轻了工程技术人员手工检测的劳动强度,实用有效。     

三峡库区滑坡土石混合体剪切强度试验研究

土石混合体作为一种介于土体与岩体之间的特殊混合体材料,由于结构组成的特殊性及其在工程实践中重要性已成为研究的热点.据此,试验选取三峡库区树坪滑坡处4组不同高程的土石混合体试样,通过原位推剪试验和筛分试验,分析试验数据.研究表明:各组试件的应力-应变曲线均表现出剪切力前期增长较快,后期增长减缓,曲线斜率由大变小呈现连续变化过程,有峰值强度但不明显;各组试件的内摩擦角随着高程的降低逐渐减小,而黏聚力随着高程的降低逐渐变大.土石混合体内摩擦角随着粒径大于2.0 mm颗粒质量百分含量变大而变大,黏聚力随着粒径小于0.5mm颗粒质量百分含量变大而变大.