磷石膏/木质素固化铅污染土的无侧限抗压强度

采用工业固体废弃物磷石膏、木质素对人工配制铅污染土进行固化处理,通过无侧限抗压强度(UCS)试验探究固化剂掺量、养护龄期对不同程度铅污染土固化后应力-应变曲线、破坏形态及无侧限抗压强度的影响规律,对比分析两种固化剂的固化效果,并采用扫描电镜(SEM)试验分析土样固化前后的微观特性。试验结果表明,磷石膏、木质素均能增大固化土的无侧限抗压强度,减小破坏应变;固化土的无侧限抗压强度随磷石膏掺量增加呈持续上升趋势,随木质素掺量增加呈先上升后下降趋势;延长养护时间能有效提高固化土无侧限抗压强度。随固化剂掺量和养护龄期的增加,土体内部胶结水平提高,土样破坏形态从局部张裂逐渐转变为剪切破坏,呈现脆性破坏特征。两种固化剂固化土效果各有优劣,木质素对高浓度铅污染土的固化效果优于磷石膏,抵抗变形能力更好,而磷石膏短期内提升强度能力及对铅的固定效果更好。扫描电镜试验表明,固化剂可起到填充孔隙、胶结土颗粒的作用,水化产物在土体内形成致密结构,宏观表现为强度增强。

砂土-混凝土接触面剪切带细观变形特征的试验研究

接触面剪切带的细观变形特征是研究结构物与土体相互作用的核心问题。为探明砂土-混凝土接触面剪切带变形特征,利用大型直剪仪开展砂土-混凝土接触面直剪试验,采用灌砂变形标记法实测砂土变形,依据标记线剪应变沿竖向的变化特征对砂土变形区域进行划分。在此基础上,研究粗糙度、法向应力和密实度对砂土-混凝土接触面剪切带细观变形特征的影响规律。研究结果表明:1)砂土可分为非剪切区、过渡区和应变集中区,应变集中区仅存在剪切面之上。2)规则型接触面的上剪切带厚度均值为33D_(50),远大于下剪切带9D_(50)和“光滑”接触面剪切带厚度20.4D_(50)。3)密实度对剪切带及其过渡区厚度的影响微弱,而粗糙度对其影响显著;法向应力、密实度对应变集中区厚度影响有限,应变集中区厚度随粗糙度的增大近似线性增大;应变集中区长度随粗糙度的增大先增大后减小,随密实度的增大近似线性增大,随法向应力增大而减小。4)随剪切位移增大,上剪切带厚度不断增大而下剪切带厚度先增大后保持基本不变,应变集中区的长度增大,但剪切位移对应变集中区厚度的影响有限。5)获得归一化剪切带厚度取值h_(t)/D_(50)与D_(50)的关系,在有限元模拟规则型结构与砂土的相互作用时,建议砂土体细化网格单元的范围不小于最大剪切带厚度37D_(50)。研究成果深化了砂土-规则型接触面剪切带变形特征的认识,可为大粗糙度、带肋桩的承载变形特性的精细化有限元模拟分析提供重要参考和依据。

围压和裂隙倾角对花岗岩力学行为的影响研究

含裂隙围岩的力学行为对高放废物地质处置库的长期稳定和安全至关重要。为研究围压和裂隙倾角对花岗岩围岩力学行为的影响,以完整花岗岩和含不同倾角贯通单裂隙的花岗岩为研究对象,开展了单轴压缩和三轴压缩试验研究。结果表明:0~10 MPa围压范围内,倾角30°和60°裂隙花岗岩分别发生了穿裂隙面破坏和沿裂隙面滑移破坏;随围压升高,倾角45°裂隙花岗岩由复合破坏转变为穿裂隙面破坏,后又在10 MPa围压条件下再次转变为倾斜“Z”字型裂纹的复合破坏。围压的存在制约了预制裂隙面的劣化作用。三轴压缩条件下低倾角裂隙花岗岩的抗压强度及变形发展曲线与完整花岗岩的结果相近,试样峰值破坏时的轴向应变在围压0,2,5,10MPa条件下分别约为0.38%,0.49%,0.59%和0.75%。沿裂隙面滑移破坏试样的抗压强度以及峰值破坏时的轴向应变均显著低于穿裂隙面破坏试样的相关结果,且其抗压强度与试验前后裂隙面的分形维数差值符合幂函数增长关系。

改良垃圾焚烧底渣固化疏浚淤泥性能试验研究

基于以废治废理念,提出了用改良垃圾焚烧底渣固化疏浚淤泥的新思路,并开展了室内试验研究,测定了固化淤泥试样的含水率、无侧限抗压强度及抗剪强度指标。试验结果表明:垃圾焚烧底渣磨细粉和未研磨的原渣按1∶1比例混合时,具有最优的固化性能;在最优混合比条件下,固化淤泥的无侧限抗压强度、黏聚力和内摩擦角均随龄期和改良垃圾焚烧底渣掺入比的增加而增大,含水率则相反;当改良垃圾焚烧底渣掺入比为35%时,固化淤泥28 d无侧限抗压强度达到了58.4 kPa,含水率由67.4%降至38.0%,采用改良垃圾焚烧底渣固化疏浚淤泥是可行的。

基于拉拔试验的加筋土界面摩擦特性

加筋土具有良好的工程性能,被广泛应用于加固路基和边坡支挡等领域,筋土界面摩擦强度对支挡结构的整体性和稳定性具有重要影响.为研究不同加筋土的界面摩擦特性,自制拉拔装置,对黏土-土工格栅、黏土-碳纤维布、黏土-土工格室和碎石土-土工格室等4种加筋土进行拉拔试验.研究结果表明,4种加筋土中,土工格室与碎石土的界面摩擦强度最高,构成的加筋体承受变形的能力最强;黏土-碳纤维布构成的加筋体界面摩擦强度最低,但具有筋土间相互作用发挥较快、允许变形小的特点;不同加筋体的允许变形差别较大,在实际工程中应充分考虑.提出了一种考虑土工格室加强区的无黏性土-土工格室界面最大摩阻力计算理论模型,研究结果可为加筋土工程筋材选取提供参考.

藏东南冰碛体剪切特性受冻融循环的影响及改良

藏东南地区广泛分布着冰碛体堆积体,此土体严重影响工程安全。为了研究冰碛体的剪切性能并对其进行改良,运用相似原理配制出级配良好的冰碛体相似材料,分别在不同冻融循环次数和不同含水率的条件下,对冰碛体相似材料开展了直剪试验,同时掺入机油和粉煤灰外加剂进行三轴试验,研究其对冰碛体相似材料抗剪强度参数的影响。结果表明:(1)直剪试验过程中,随着垂直压力的增大,冰碛体的位移-剪应力曲线由弱应变软化型转变为弱应变硬化型。(2)含水率变化对冰碛体抗剪强度的升降受到冻融循环次数的影响。(3)冻融循环为5次是冰碛体材料抗剪强度的分界线。(4)机油和粉煤灰对冰碛体抗剪强度指标(咬合力和内摩擦角)的影响相反。

土石坝护坡冻胀破坏水-热-力耦合数值模拟研究

针对寒区土石坝护坡普遍存在的冻胀破坏问题,选取寒区某土石坝工程为研究对象,结合土石坝工程特点,建立考虑水-热-力耦合作用的有限元计算模型。研究护坡在库水位和坝体填土水分迁移作用下冻胀破坏全过程,分析土石坝温度场、水分场和位移场的变化规律,并将位移场有限元计算结果与实测冻胀变形资料进行对比,验证有限元计算结果。研究结果表明:冻胀作用对坝坡影响深度约为2 m,坝坡浅层0~2 m范围的温度变化受外界气温影响较大,坝体内部温度相对坝坡浅层变幅小,且有一定的滞后性;负温使坝坡浅层孔隙水相变成冰,宏观上表现为未冻水体积分数的降低,坝坡浅层土石混合体孔隙水相变、坝体填土内水分向坝坡迁移和冻结峰面向坝体内部移动是护坡冻胀破坏的主要因素;大坝坝坡计算冻胀量为20~30 cm,最大值为36 cm,计算结果与实测冻胀变形资料吻合;护坡冻胀破坏主要由砂砾料垫层、坝体填土等土石混合体冻胀及冰推力共同作用引起。研究结果可为寒区土石坝护坡设计提供参考。

交通荷载下煤矸石路基填料累积变形PSO-BP神经网络预测模型

基于煤矸石路基填料大型动三轴试验结果,采用灰色关联分析法分析累积变形影响因子,确定了围压、压实度、级配参数、循环荷载振动次数4个特征参数。引入PSO算法对BP神经网络的权重、阈值进行全局寻优并赋值,提出了一种煤矸石路基填料累积变形PSO-BP神经网络预测模型。与传统BP神经网络模型对比结果验证了该预测模型的可行性和优越性,并通过不同学习程度下模型的预测效果分析了模型的泛化能力,证明了模型的预测潜力。

风积砂-黄土混合料与钢界面的环形剪切力学特性

黄土高原北侧与诸多沙漠接壤,形成了广泛分布的风积砂-黄土混合区。不同比例条件下的风积砂-黄土混合料会呈现不同的物理力学特征,且风积砂-黄土混合料地基现场施工和使用过程中常与其他材料产生界面接触力学行为,相关研究目前鲜有述及。鉴于此,本工作获得了不同掺砂率条件下的混合料最大干密度,配制相同压实度和不同掺砂率的风积砂-黄土混合料环状试样,开展不同竖向压力和剪切速率条件下的混合料与钢制界面的环形剪切试验,借助扫描电镜观测不同混合料的颗粒分布特征以及颗粒破碎特征,揭示风积砂-黄土混合料与钢制界面环形条件下的残余强度形成机制。结果表明,随着掺砂率的增大,风积砂-黄土混合料的物理力学特征由黄土向砂土过渡。竖向压力小于100 kPa条件下,混合料产生剪胀的概率增大。混合料与钢界面之间的残余强度与竖向压力呈线性关系,变化趋势符合摩尔-库仑定律。随着掺砂率的增大,风积砂颗粒破碎效应增大,混合料与钢界面之间的残余内摩擦角及残余黏聚力均会减小。剪切速率的增大会缩短混合料与钢界面之间的接触时间,两者之间的接触、咬合效应尚不足以发挥作用进而减小了界面残余强度。研究结果预测了风积砂中掺入黄土的比例,可以为风积砂地基处理提供有益参考,也可为风积砂-黄土混合料施工力学行为研究提供科学借鉴。

TLJ型土工离心机数据采集系统更新升级

长安大学TLJ-3土工离心机自2004年建成投入使用以来,已经运行18 a,为该系列运行时间最长的土工离心机。由于20世纪初电子设备集成性较低等原因,早期的TLJ型离心机数据采集系统逐渐无法满足现有试验数据的高精度、大数据量吞吐等采集需求。基于无线传输技术消除了电滑环接触电阻变化对数据传输影响的问题,采用光纤集成多个传感器使得传感器小型化,采用非接触式位移场扫描实现地表的全断面监测,基于Open CV图像拼接技术解决了图像畸变的问题。升级改造后的TLJ-3土工离心机已服务于若干研究项目,性能良好。

碱激发地聚物固化海相淤泥质软土抗压强度及固化机制研究

海相淤泥质软土富含各类可溶性盐和有机质,使用水泥进行固化时易出现劣化效应。为了解决传统硅酸盐水泥固化常出现加固失效的工程问题,以NaOH为碱激发剂,使用地聚物-水泥联合固化海相淤泥质软土,研究水泥与地聚物掺量比、碱激发剂含量和养护龄期对固化土无侧限抗压强度的影响,并采用扫描电镜和X射线衍射试验分析碱激发地聚物固化海相淤泥质软土的微观形态和水化产物,进一步揭示其固化机制。研究结果表明:单独加入NaOH对水泥土强度的提升并不明显,水泥土强度并不会随着碱激发剂含量的增加而显著提高。同时不同钙系地聚物的固化效果差异显著:矿渣地聚物固化土早期强度增长迅速,后期强度增长缓慢,其无侧限抗压强度随NaOH含量的增加先增加后降低,随矿渣的掺量增加而提高。粉煤灰地聚物固化土强度增长较慢,NaOH含量越高其无侧限抗压强度越大,且强度随粉煤灰的掺量增加而降低。将1/2的水泥以矿渣替代,固化土28 d强度最高可达6.19 MPa,相较于水泥土提升了107.5%。而使用同样比例的粉煤灰替代,其28 d强度最高仅为3.012 MPa。微观试验分析表明碱激发剂和地聚物的加入,可促进可溶盐水化结晶和有机质碱性环境降解,有效增加有效水化产物,增强颗粒间的凝聚力使得土体结构更加紧密,宏观上表现为固化土强度的提升。研究结果可为解决水泥加固海相淤泥软土所引起的实际技术问题提供理论指导。

软岩堆石料的击实特性与尺寸效应研究

软岩堆石料的干密度是土石坝设计和施工的重要控制指标,直接决定了土石坝施工期和运行期的沉降量。采用Φ950 mm×H1000 mm的超大型击实仪,针对强风化粉砂质泥岩、弱风化粉砂质泥岩、弱风化5∶5强风化粉砂质泥岩混合料,进行了483、992、1475、1957、2681 kJ/m^(3)共5种单位体积击实功下的击实试验,最大干密度成果与Φ300 mm×H285 mm的大型击实仪成果进行了对比。试验成果表明,击实干密度随单位体积击实功增加而增加,在击实功低于2000 kJ/m^(3)时,干密度随击实功增加较快,击实功超过2000 kJ/m^(3)后增加速率变缓,增量较小,再增加击实功并不能有效提高干密度。相同单位击实功下,超大型击实试验的最大干密度比大型击实试验成果略低0.01~0.02 g/cm^(3)。软岩堆石料在击实特性方面的尺寸效应不明显,在重型标准击实功能条件下,室内采用Φ300 mm的击实仪进行软岩堆石料的击实特性研究,是比较适宜的。

高摩阻超静定土工格栅在粗粒土夹层中的剪胀作用研究

在加筋土工程中,采用异型格栅和设置粗粒土夹层可以有效增强筋土相互作用。然而粗粒土夹层厚度的确定方法仍有待进一步研究。基于一种带有凸起节点结构的高摩阻超静定土工格栅(high resistance hyperstatic geogrids,简称HRHG)与砾石的直剪试验结果,建立了剪切硬化筋土界面的剪胀本构模型,并进一步研究了筋土剪胀应力在土体内引起附加应力的分布规律。通过开展不同法向压力(30、50、80 kPa)下的直剪试验,研究了不同粗粒土夹层厚度(60、100、140、180 mm)对筋土相互作用的影响,并与筋土界面剪胀应力的分布规律进行了对比分析。结果表明,筋土界面剪胀本构模型可以有效计算剪缩位移和剪胀位移,且最终剪胀位移随法向压力增加而减小。由界面剪胀应力引起的粗粒土中附加应力随着与筋土界面距离的增加而降低,但是剪胀范围逐步增大。粗粒土夹层厚度的增加可以有效提高界面剪切强度,但存在最优夹层厚度使界面剪切强度的增幅迅速降低。最优夹层厚度随着法向压力的增加而减小。通过对比分析最优夹层厚度与剪胀应力比之间的关系,提出了基于筋土界面剪胀本构模型的确定最优夹层厚度的半经验公式,可为HRHG在工程中的设计或应用提供参考。

新型EICP注浆固化砂质黏性紫色土力学性能试验研究

紫色土广泛分布于中国三峡库区,受极端环境与气候影响,土体结构和力学性能退化严重,可采用生物矿化技术(MICP/EICP)进行加固处理,然而紫色土呈砂质黏性,渗透性弱,传统方法的固化效果有限,为此,引入一种单相低pH负压注浆的新型EICP技术。通过表面硬度、无侧限抗压强度、碳酸钙含量、SEM和XRD测试对比分析预拌合、单相低pH注浆、双相低pH负压注浆和单相低pH负压注浆法的固化效果,结果表明:50g/L脲酶浓度和1.2mol/L胶结液浓度为EICP注浆固化紫色土的最适浓度;单相低pH负压注浆法可使表面硬度增加9.1%,对无侧限抗压强度和刚度的提升达到84.44%,144.37%,且能够明显提高碳酸钙含量和胶结均匀性,在4种固化方法中效果最优。结果表明新型EICP单相低pH负压注浆法对砂质黏性紫色土力学性能的改善是有效的,在细粒土加固方面具有潜在应用价值。

椰糠-黏土植生基材崩解特性试验

以三亚学院校内10~30 cm土层的黏土(过孔径2 mm土壤筛)、直径小于等于2 mm的椰糠为试验材料,以黏土质量为基准,选择占黏土质量0~15%的椰糠、含水率30%~70%,按照正交试验方案设计3组配合比,将黏土、椰糠、水进行充分搅拌混合,装入直径50.46 mm、高50 mm的环刀内制作试块(试验样品);将试块在室内自然环境中分别放置0、1、3、5、7、9 d,利用自制崩解仪进行崩解试验,每隔1 min测定试块在水中的质量(设置最长崩解时间为30 min),计算崩解量(试块崩解的质量占试块初始质量的比例);分析初始含水率、椰糠质量比例、放置时间3个因素对椰糠-黏土植生基材崩解特性的影响。结果表明:不同质量比例的椰糠、黏土、水,搅拌混合后,形成干松、湿润、泌水、泥浆、泥水5种状态。初始含水率、椰糠质量比例、放置时间3个因素协同作用,影响植生基材试块成型后的内部结构,影响崩解现象和最终累计崩解量。初始含水率、椰糠质量比例不同,试块水稳定性形成的机理不同,添加椰糠后,需要增加初始含水率才能使试块形成稳定的内部结构,椰糠质量比例越高,需要的初始含水率则越高。40%、70%初始含水率试块的累计崩解量最高。若初始含水率达到50%,随着椰糠质量比例增加,最终累计崩解量减小;但放置时间达到7 d后,椰糠质量比例超过10%试块的最终累计崩解量反而降低;放置时间少于3 d的试块,试块未全部成型,成型试块放入水中崩解速率较快,5~10 min内大部分试块完全崩解;放置时间达到3 d后,试块放入水中产生吸水现象;放置时间在5~7 d,抗崩解能力达到最大值。综合试验研究结果,建议工程实践中,采用50%~60%初始含水率和10%~13%椰糠质量比例配置制作椰糠-黏土植生基材,此时基材抗崩解性能较好;当边坡刚喷射完基材时必须采取防雨措施。

基于超大型三轴试验和原型监测的堆石料模型参数缩尺效应修正

根据常规大型三轴(最大颗粒粒径60mm)试验堆石料模型参数计算的土石坝变形值与原型监测值存在显著的差异,但导致其差异的因素及其影响程度仍不清。采用中国首台超大型三轴仪(最大颗粒粒径200,160mm)及大型三轴仪,对5座世界级高坝筑坝堆石料开展了力学特性缩尺效应(包括缩尺方法、颗粒尺寸效应)试验研究,系统分析了本构模型(邓肯E-B,E-μ模型,广义塑性模型)对坝体计算变形的影响,结合两河口心墙坝和阿尔塔什面板坝的监测资料探讨了缩尺效应规律和本构模型的合理性,明晰了缩尺方法、颗粒尺寸效应以及本构模型三类误差是高土石坝计算失真的主要原因。研究结果表明:控制孔隙率一致时,混合法缩尺相比相似级配法会高估堆石料的模量,相似级配缩尺方法更加合理;基于相似级配法时,常规大型三轴试验相比超大型三轴会高估堆石料的模量,超大型三轴试验成果与实际工程监测资料反演结果十分接近,可以认为基本消除了尺寸效应影响;广义塑性模型计算结果(尤其是水平位移)比邓肯E-B,E-μ模型更符合实际。针对工程中应用最多的邓肯E-B,E-μ模型参数提出了缩尺效应分类修正方法,易于对大型三轴试验参数进行修正,避免低估大坝沉降变形。研究成果有助于深入理解堆石料缩尺效应及不同本构模型的影响,可为同类工程变形预测提供可靠的试验与数值计算依据。

基于胞元模型的土体应变局部化试验与机理研究

土体的碎散性和天然性使其变形和强度特性具有明显的尺度效应,所以研究土体应变局部化过程,不能忽略级配颗粒的分布和比例关系,须从多个尺度层面表征宏观力学特性。基于胞元模型理论,将土体视作由加强颗粒和基质组成的散体材料,通过三轴压缩试验研究不同加强颗粒粒径试样的内禀尺度规律,并通过数值模拟方法研究了细观层面剪切带的形成过程和启动机理;引入平均应变能释放系数,量化了土体在到达峰值应力之后试样整体的应变能转化情况,再现了多带的启动和渐进竞争过程。结果表明:不同尺度的加强颗粒强度试验说明颗粒的非连续性使土体具有尺寸效应,内禀尺度与粒径之比随加强颗粒尺度增大而减小。在应力峰值前非弹性耗散能增加,引发应变局部化;峰值后,剪切带内应变急速增大,带外发生回弹。

高围压状态下堆石料湿化变形特性

堆石料是土石坝的主要填筑材料,其湿化变形特性对土石坝蓄水期变形有显著影响。对两河口水电站的2种筑坝堆石料,采用单线法分别开展围压为0.5、1.0、2.0、3.0 MPa的大型三轴湿化变形试验。结果表明:随着应力水平和围压增加,堆石料轴向湿化变形和体积湿化变形都显著增大,与中低围压下的湿化变形规律相近。高围压下的各向等压湿化变形,堆石料体积湿化应变与围压在双对数坐标中仍服从直线关系,轴向湿化应变与围压不再满足直线关系。高围压下的偏压湿化变形,堆石料体积湿化应变与轴向湿化应变之比一般在0~2范围内,与围压呈现近似水平发展趋势,随应力水平的增加而逐渐降低。采用六参数湿化模型,仍能准确表达轴向湿化变形、体积湿化变形随应力水平、围压的变形规律。

一种适用于细粒土的新型叠片式单剪仪研制与应用

研制了一种适用于细粒土的新型叠片式单剪仪。该单剪仪试样室采用若干内部尺寸长×宽为100 mm×40 mm的回字形叠片,有效地减小了常规圆形叠环式单剪仪压力室剪切时试样侧倾、受力严重不均的问题。销钉式变形控制杆能使试样剪切变形均匀,叠片试样室外围的导向侧板控制了剪力的方向性,新型的杠杆支点结构有效解决杠杆倾斜时加载杆力传递变化的问题。该单剪仪结构稳定、易于操作,集应力/应变控制式功能于一身,可实现对细粒土的均匀剪切。基于该单剪仪对某黏土进行了抗剪强度和剪切蠕变试验,分析了黏土的抗剪强度参数和剪切蠕变规律,初步验证了该单剪仪的优良工作性能。

珊瑚砂与土工格栅界面的剪切特性及本构模型

采用南海原位级配珊瑚砂和聚丙烯双向土工格栅,开展了不同法向应力下珊瑚砂和筋土界面大型直剪试验。试验结果表明,珊瑚砂和筋土界面剪应力—剪切位移曲线呈现明显的应变软化特征,峰值抗剪强度线呈现双折线形态,残余抗剪强度线则呈现较好的线性关系;各级法向应力下珊瑚砂与土工格栅界面摩擦比均值达到1.37左右,远高于石英砂与土工格栅界面摩擦比,说明在珊瑚砂中加筋能充分发挥加筋效果;珊瑚砂和筋土界面在剪切过程中总体上经历了相对剪缩—相对剪胀—相对剪缩的过程,对珊瑚砂加筋可显著减小其剪缩变形;珊瑚砂和筋土界面直剪试验试样的相对破碎率接近,均随法向应力的增大而增大,但增幅逐渐趋缓。采用邓肯—张模型和剪切软化模型分别描述南海原位级配珊瑚砂与聚丙烯双向土工格栅界面峰前和峰后剪应力—剪切位移曲线,所建立的筋土界面本构模型能够很好地反映其剪切特性。