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。

渗流作用下粗粒土冻结壁交圈规律及预测模型探索

由于渗流作用下的冻结壁发育规律不明等原因,部分冻结法施工工程依靠人工经验,缺乏科学的预测模型,与精准化设计和控制还有很长的距离。为探索渗流作用下冻结法施工中粗粒土层冻结壁的演化规律,本文首先建立冻结法施工数值模型,并通过室内模型试验反演验证所建立模型的有效性和适用性。之后,考虑渗流速度、冻结管间距、环境温度、含水率和导热系数等五个因素,开展冻结壁形成正交数值试验,确定冻结壁交圈时间和厚度的主控因素。最后,通过数值模拟研究主控因素作用下冻结壁的发育和演化规律。基于结果建立临界流速、冻结壁厚度、冻结壁交圈时间的预测模型,给出冻结法施工参数的选择方案。结果表明,建立的冻土水热相变耦合模型可有效模拟渗流条件下土体冻结过程,能够满足冻结壁发育过程计算分析的需要。基于正交数值试验结果发现,渗流速度对冻结壁厚度和交圈时间的贡献百分比分别为78%和52%,是影响冻结壁能否交圈和最终厚度的主控因素。当渗流速度超过一定阈值时,冻结壁无法交圈。本文将这一阈值定义为冻结法施工中的临界流速。当冻结壁能够交圈,其最终形成的冻结壁厚度也主要由渗流速度决定,二者呈负指数函数关系。冻结管间距对冻结壁最终厚度影响不大,但是对冻结壁交圈时间影响较大,它们之间存在负指数函数关系。本文给出了0~6 m·d^(-1)条件下的临界流速、冻结壁厚度、冻结壁交圈时间计算模型,它们可为粗粒土地层的冻结法施工参数选择和施工工艺设计提供理论指导。

粗粒土抗剪强度与颗粒粒径及形状的相关性研究

为了揭示粗粒土抗剪强度与其颗粒粒径和形状的相关性,进而实现在不开展相关试验的情况下通过颗粒粒径和形状统计指标估算粗粒土的抗剪强度。采用大尺寸的直剪仪对不同粒径的玻璃珠开展室内直剪试验,在此基础上,采用颗粒流离散元软件对相同形状、不同粒径以及相同粒径、不同形状的仿真粗粒土分别开展了仿真直剪试验,揭示颗粒粒径和形状对粗粒土抗剪强度的影响规律;采用多元线性回归的方法,建立了粗粒堆积体内摩擦角与颗粒表面积比、球形度和粒径的函数关系。结果表明:颗粒粒径越大,粗粒土的抗剪强度越大,两者具有较好的二次函数关系;颗粒的球形度共和表面积比可作为影响粗粒土抗剪强度的关键三维形状指标;在不考虑颗粒破碎的情况下,颗粒粒径和颗粒形状与内摩擦角有良好的相关性。研究结果可以用于初步估算粗粒土的抗剪强度,具有一定的实用性。

基于非饱和渗流的粗粒土冻胀特性

为探究冷端温度与初始含水率对粗粒土冻胀特性的影响,在封闭不补水条件下进行粗粒土单向冻结试验研究,并建立冻土水热力耦合模型,分析了多因素影响下的粗粒土冻胀特性。结果表明:冷端为-20℃时,冻结区域内各土层的降温速率约为冷端-5℃的3~4倍,土体冻结深度比冷端-5℃时增加约41.1 mm;饱和土样在冷端处的冰体积含量为71.6%,其冻胀率约为含水率5%土样的4.5倍;冷端温度较低的情况下土体内部的温度梯度更大且降温速率更快,土体含水率与冰体积含量、冰透镜体厚度呈正相关,对冻胀率影响更显著。

细粒土与粗粒土动力流化的孔压差异辨析

地基土体在动力作用下的液化对工程会产生灾害性影响。孔隙水压力是研究饱和土体转变为流体的重要表征,已有研究发现,细粒土在液化过程中即使孔压比(孔压/围压)未达到1,也已进入液化状态。本文将土颗粒概化为球体,考虑颗粒吸附水膜的影响,对由砂粒、粉粒、黏粒组成的饱和土体,在可发生流动的情况下,建立产生动力流化的理论模型,并分析了动三轴和振动台实验中孔压的变化。结合土体微结构特征,指出细粒土处于流化状态时,孔隙水压力因受结合水膜影响而导致孔压值减小,同时因颗粒形状(如板片等)的框架支撑作用也可减小孔压值。这一从土体微观组成的物理性质上进行的理论分析,有助于厘清以孔隙水压力判别细粒土与粗粒土发生动力流化标准不同的原因,有助于研究者深入理解土体液化的内在机制。

粗粒土渗透及渗透变形试验缩尺方法研究

目前还未建立适用于粗粒土渗透及渗透变形试验的缩尺方法,遵循缩尺前后粒径小于d30(颗粒级配中质量百分含量30%所对应的颗粒粒径)以及粒径小于5 mm的颗粒含量及组成不变的原则,基于等量替代法,提出了一种粗粒土渗透及渗透变形试验缩尺方法:如果原级配中5 mm以下的颗粒含量大于等于30%,则根据试样允许最大粒径以下的大于5 mm的各粒组含量,按比例等质量替换超粒径颗粒;如果原级配中5 mm以下的颗粒含量小于30%,则根据试样允许最大粒径以下的大于d30的各粒组含量,按比例等质量替换超粒径颗粒。利用多组粗粒土渗透及渗透变形试验,论证了缩尺方法的可靠性。研究表明:提出的缩尺方法合理可行。缩尺后,土体渗透破坏型式未发生变化,渗透系数与原级配比较接近,渗透变形临界坡降和破坏坡降与原级配基本一致,缩尺级配的渗透及渗透稳定特性能够较好地反映原级配的渗透及渗透稳定特性。

粗粒土力学特性的大型三轴试验及离散元—有限元耦合模拟

本文旨在探究粗粒土的力学特性,并揭示细观力学组构与宏观变形特征之间的内在关系。综合室内大型三轴试验及离散元—有限元耦合技术,建立还原大粒径块石含量及形状的粗粒土三维数值模型,基于柔性围压加载,考虑Rigid Block刚性块优化块石的细观模型,采用PFC程序对粗粒土试样开展了大型三轴试验数值模拟研究,分析粗粒土试样的宏观变形特征及细观力学组构特性。试验研究表明:该试样呈现出应变强化效应,在围压柔性加载下,试样侧向鼓胀变形,试样中部发育“X”形剪切带,竖直方向接触力链逐渐加强,呈现贯通趋势。结合宏观变形特征和细观力学组构综合分析,发现试样在竖直方向由压缩引发的变形程度较试样径向方向由剪切破坏所引发的变形程度更为显著,且竖直各向异性变化程度大于水平各向异性变化程度,这表明细观力学组构与宏观变形特征的变化趋势具有明显的一致性。

粗粒土初始结构效应对颗粒破碎的影响研究

为研究粗粒土的初始结构综合特征对其颗粒破碎程度的影响,采用一种改进的直剪试验,获得不同初始结构条件下粗粒土剪切破坏参数,结合图像识别技术,获取直剪过程中粗粒土的结构特征。通过主成分分析法,建立了初始结构综合参数Y 0,以此对不同初始结构粗粒土的结构特征进行定量描述。最终,构建了一种离散元数值模型,该模型真实地反映了颗粒破碎过程。研究结果表明:(1)不同粒径组的颗粒自身破碎程度受其质量分数影响,且整体破碎程度主要由粗颗粒质量分数决定;(2)颗粒破碎程度随法向应力增大呈现线性变化规律,而加权裂离率B d与初始结构综合参数Y 0则呈指数函数关系;(3)在相同法向应力条件下,当颗粒特征强度越大时,不同初始结构间颗粒破碎差异越小,并根据颗粒特征强度σc与加权裂离率B d曲线建立了二者的函数关系式;(4)结合试验结果,最终构建了考虑初始结构效应的粗粒土破碎程度预测模型,并通过相关文献验证了该模型的适用性。

基于搜索分析深度学习网络(SaNet)的粗粒土级配识别

粗粒土广泛应用于路基、土石坝等填方工程中,然而传统筛分法耗时低效,无法满足级配快速的质量检测需求。为解决上述问题,构建了黄河粉土、石英砂粗粒土“图像-级配”关系数据库,共22380张图像;针对二维图像与三维级配的不匹配的矛盾,构建了任意图像输入数量的搜索-分析网络(searcher-analyzer network,SaNet),基于该网络训练所得模型精度随图像数的增加稳定提升,黄河粉土,石英砂的级配识别平均误差分别为1.63%,1.21%,拟合优度分别为0.995,0.992。结果表明:基于SaNet架构构建的机器学习模型具有较高的级配识别精度,能够满足填方工程中实时无损的级配检测需求。

寒区铁路冻结粗粒土填料长期变形特性研究

振动列车荷载长期循环往复作用下土体产生的变形存在一定程度的应变累积,依托某寒区铁路,开展不同温度下冻结粗粒土填料长期动三轴试验,探究填料长期变形、弹性模量和阻尼比的变化规律,并对试样累积塑性变形进行安定性分析,将累积塑性变形划分为三种不同的状态。在黏弹性模型的基础上串联塑性弹簧提出一种计算应力-应变关系的简化方法。研究结果表明:温度越低,动弹性模量越高,阻尼比越低。在动应力水平较低时,土体处在塑性安定阶段,累积塑性变形随振动次数的增加趋于稳定,动弹性模量略有增加,阻尼比则逐渐减小;当动应力水平超过塑性蠕变界限时,土体刚度迅速降低,累积塑性变形急剧增加,试样呈现破坏的趋势;当动应力水平处于塑性安定和塑性蠕变界限之间时,累积塑性变形虽然增加,但仍然处在可控范围。提出的弹塑性模型可以很好地描述冻结粗粒土填料的滞回特性和累积塑性变形规律。研究成果可为高速铁路路基填料长期动力性能的分析提供有益参考。

混合均匀度对粗粒土强度特性影响的试验研究

现有研究普遍将粗粒土视为均匀的二元混合料,忽略了粗细颗粒混合均匀程度对其强度特性的影响。为此,首先,提出了一种描述粗粒土混合均匀程度的定量指标Me;其次,通过静三轴试验探讨了应力-应变曲线、弹性模量、破坏强度及抗剪强度指标与混合均匀度Me的内在关系;最后,基于静三轴试验结果,建立了一种综合考虑围压和Me影响的修正邓肯-张模型,并对其适用性及合理性进行鲁棒性验证。研究结果表明:应力-应变曲线随着围压增大而逐渐由应变软化型向应变硬化型曲线过渡;随着Me减小,应力-应变曲线由应变硬化型逐渐发展为应变软化型曲线;当围压与Me增大时,弹性模量与破坏强度均随之增大,且弹性模量在Me从0.25降低至0的过程中衰减幅度可达总衰减幅度的41.3%,破坏强度在Me从1降低至0的过程中衰减幅度可达总衰减幅度的40%以上;随着Me逐渐下降,试样的整体骨架-密实结构在不同区域分别向局部骨架-空隙结构、局部悬浮-密实结构转变,进而致使黏聚力、内摩擦角均随Me下降而逐渐衰减。

红砂岩粗粒土破碎性质及累积变形模型研究

红砂岩粗粒土具有易破碎性,在动力荷载反复作用下会发生颗粒破碎,导致路基产生明显的工后沉降。针对红砂岩粗粒土颗粒破碎的特点,采用室内动三轴试验仪进行了不同工况下的动力荷载试验,研究了动弹性模量、动弹性应变与粒径大小之间的关系,以及颗粒破碎率与颗粒形状系数变化率的关系。根据试验材料的动力破碎特性,构建了考虑颗粒破碎的累积变形模型,并对模型进行了修正。研究结果表明:颗粒粒径越大,动弹性应变越大,动弹性模量越小;动弹性应变先快速增大后逐渐趋于稳定,动弹性模量随着加载次数的增加不断减小,土体出现应变软化现象。颗粒形状系数变化率变化趋势与颗粒破碎率变化趋势相似,随着加载次数的增加,形状系数值趋近于1。此外,所构建的累积变形模型包含了应力状态参数、物理状态参数和拟合参数,能够较好地描述颗粒破碎状态下的红砂岩粗粒土的累积变形趋势。根据试验数据的反算结果,对累积变形模型的拟合参数进行了确定,便于在实际工程应用中对路基变形进行计算。由于室内试验与工程实践现场工况有一定区别,提出了模型修正系数ψ,提高了模型的预测精度。该研究结果可为红砂岩粗粒土路基设计、施工及运营提供理论依据和工程应用基础。

级配对粗粒土-格栅界面循环剪切特性影响试验研究

【目的】为研究级配对粗粒土-土工格栅界面动力剪切特性的影响规律,【方法】基于连续级配方程,通过改变试样的最大粒径d_(max)和级配面积S,制备了18组不同级配试样,对各组试样分别进行设置土工格栅和不设置土工格栅的循环直剪试验,分析d_(max)和S对界面循环剪切特性的影响,并引入了加筋剪切刚度系数α_(K)和加筋阻尼比系数α_(D),来评价土工格栅对动剪切强度参数的影响效果。【结果】结果显示:当小于格栅网孔尺寸的粗粒含量较高时,剪切刚度K随着d_(max)的增大而增大,阻尼比D随着d_(max)的增大而减小;反之,则表现出相反的趋势。K和D均与d_(max)呈对数函数关系;K和D与S的关系均可用二次多项式表示。此外,给出了α_(K)和α_(D)与粒孔比的关系,即随着粒孔比的增大,α_(K)先增大后减小,α_(D)呈先减小后增大的规律。当粒孔比取0.073左右时,土工格栅对粗粒土循环剪切特性的加筋效果最好。【结论】结果表明:颗粒与土工格栅间的互锁机制对粗粒土-格栅界面的循环剪切特性有重要影响,当大部分颗粒粒径小于格栅网格尺寸时,颗粒与格栅间的互锁机制充分发挥;当颗粒最大粒径及格栅网格尺寸相同时,存在一个最优级配面积,使得粗粒土-格栅界面的抗震性能最好。

冻结过程中非饱和粗粒土水汽迁移及变形演化数值模拟研究

非饱和粗粒土冻胀是季节冻土区路基工程的主要灾害原因。为探究非饱和粗粒土的冻胀变形规律,针对其冻胀过程特点,基于达西定律和傅里叶定律,本文提出一种描述温度变化作用下适用于非饱和粗粒土水汽迁移的数值模型。该模型综合考虑了冰水相变和水汽迁移对土体冻胀变形的影响,对比数值模拟结果与室内试验结果,验证了模型的合理性与可行性。通过气态水通量和液态水通量分析冻结过程中蒸汽在水分迁移中的作用,并利用数值试验进一步探究在不同温度梯度作用下粗粒土水汽迁移和冻胀变形规律的变化特征。研究表明,在粗粒土冻结过程中,在土柱冻深范围内,气态水有明显的向上迁移趋势,对土体的冻胀有重要贡献。数值试验中发现,不同冷端温度作用对土样温度变化、含水率变化均产生影响,同时对水汽迁移变化和冻胀变形有显著影响。在不同冷端温度作用下,高度为20 cm的试样均在高度3 cm左右达到最大含水率,表面最大冻胀量可达约4 cm。

基于压实度的粗粒土路基水力特性试验分析

为分析路基含水量会对公路路基整体稳定性产生影响,需要分析路基结构的水力特性。公路路堤主要组成为较高压实度的粗粒土,但目前学界关于这种粗粒土的水力特性研究尚不够完全。为此,通过应用一种能测量基质吸力、体积含水量的大型柱体,分析3种不同类型粗粒土的水力特性,所取土样的压实度分别为0.93、0.90和0.85,通过瞬时剖面法获取土样对应的水分特征曲线(SWCC)并计算土壤导水率,比较3种土壤的SWCC并分析其非饱和电导率差异。试验结果表明:压实度会直接影响SWCC曲线斜率,同时会对非饱和渗透性产生影响;压实度为0.85的试样SWCC曲线变化范围在3组试样中最大,压实度为0.93的试样则最小,其中不同压实度试样在基质吸力达到10kPa时均保持一致,均在15%左右浮动;压实度较高的试样具有更加平坦的SWCC曲线,其原因可能和细颗粒容易达到致密状态有关;试样压实度较低,则饱和导水率较高,其原因可能在于压实度较低的土壤结构中含有大量空隙,利于水分流通;压实度对非饱和导水率的影响较小。

高填方粗粒土干湿循环及蠕变特性三轴试验研究

白鹤滩水电站库区蓄水后,其高填方场地将长期经历水位升降,对于场地的变形和稳定来说十分不利。依托于白鹤滩水电站库区移民安置区消落带高填方场地稳定性研究项目,通过大型常规三轴剪切试验和蠕变试验分析了粗粒土在干湿循环作用和饱水条件下的应力应变关系、剪切形态特征、长期强度、变形规律等,得到主要结论如下:①粗粒土的强度随着干湿循环次数的增加逐渐降低;②干湿循环次数n≤3时,粗粒土试样先剪缩后剪胀,n>3时,粗粒土只有剪缩变形;③粗粒土的峰值偏应力随着干湿循环次数的增加逐渐降低,围压越高干湿循环作用对粗粒土抗剪强度损伤劣化的影响越大;④粗粒土的长期强度较剪切破坏强度有所降低,在低围压下降幅较小,一般情况下可达到剪切破坏强度的80%甚至更高,在高围压下由于颗粒破碎严重粗粒土的长期强度损伤较大。

粗粒土等压固结与K_(0)固结三轴试验对比研究

对不同密度砂卵石料进行等压固结和K_(0)固结条件下的排水剪切试验,并分析固结应力条件对砂卵石料强度和应力—应变特性的影响。结果表明,峰值偏应力与高围压下密实土体结构改变有关,干密度较小时K_(0)固结条件下的试验值较大;干密度较大而围压较小时,K_(0)固结条件下的试验值较大;干密度和围压均较大时,等压条件下的试验值较大。两种固结条件下的应力应变特征相似,随试样密度的增大由应变硬化向应变软化过渡,但K_(0)固结条件下试样剪胀性更加明显,两种固结条件下试样所得的邓肯-张模型、南水双屈服面模型参数相近,说明采用等压固结排水剪切试验确定深厚覆盖层坝基相关模型参数是可行的。

考虑级配影响的粗粒土−格栅最优网格尺寸试验研究

土工格栅作为土石坝常用的加筋材料,根据颗粒级配采用适合的格栅网格尺寸可显著提高土石坝抗震性能,探究级配影响下最优网格尺寸变化规律具有工程意义。基于连续级配的级配方程,通过改变最大粒径d_(max)和级配面积S,设计15组级配土料,采用4组不同网格尺寸L_(a)对各个土料加筋,做成60组加筋试样。利用大型直剪仪对各个试样进行循环剪切试验,从而定量研究级配与能使加筋粗粒土抗震性能达到最优的土工格栅网格尺寸之间的关系。试验发现,当d_(max)及L_(a)一定时,级配面积存在一个最优值使抗震性能达到最佳,将此定义为最优级配面积S_(opt);当网格尺寸一定时,S_(opt)随d_(max)增大而增大,两者之间呈明显的对数关系;当d_(max)一定时,S_(opt)随L_(a)增大而减小,两者之间也呈明显的对数关系。建立定量描述d_(max)和L_(a)对最优级配面积S_(opt)的耦合影响的计算模型,并结合工程实际,提出基于室内试验结果预测现场粗粒土原级配对应最优网格尺寸的经验公式。

粗粒土缩尺级配的渗透系数规律试验

粗粒土广泛应用于土石坝和软弱地基处理工程,渗透特性对工程设计的安全性具有重要影响。受室内仪器尺寸限制,只能对原级配粗粒土进行缩尺处理才能试验。然而,原级配粗粒土缩尺会改变土颗粒之间的孔隙大小及孔隙通道之间的连通性,导致缩尺后粗粒土室内渗透试验结果与原级配土的渗透系数存在一定差异,这种差异对准确了解原级配土的渗透特性十分重要。因此,如何通过缩尺试样试验结果准确预测原级配土的渗透系数,成为评价工程现场粗粒土渗透特性的关键。本文基于连续级配方程,将颗粒最大粒径d_(max)和级配面积S作为变量,设计16组不同级配试样,利用自制大型常水头渗透仪对各组试样进行室内渗透试验,定量研究缩尺级配的渗透系数变化规律,并找出不同级配土之间渗透系数换算的方法。结果表明:当级配面积S一定时,渗透系数k随d_(max)增大而增大,级配面积越小该规律越明显;当最大粒径d_(max)一定时,渗透系数k随级配面积S增大而减小;d_(max)和S对k的影响规律可分别用特定函数形式定量描述。根据d_(max)和S与k的关系式建立粗粒土不同级配之间的渗透系数换算模型,通过文献计算出该模型对各类粗粒土不同级配下渗透系数预测值与实测值的误差均在6%内,并利用缩尺级配试验结果反推出原级配渗透系数值且误差仅为2.5%,验证了该渗透系数计算模型对粗粒土的适用性。

铁路粗粒土填料蠕变及颗粒破碎特性试验研究

粗粒土被广泛用作铁路路基填料,其蠕变特性对路基的长期沉降与服役性能有重要影响。利用自制粗粒土填料单元模型试验系统,开展系列二维蠕变试验,探索竖向应力、降雨入渗等因素对蠕变及颗粒破碎的影响;试验后对试样进行颗粒分析,据此建立能同时考虑降雨入渗量、破碎率Bg和荷载的双曲线蠕变预测模型,并且基于确定的静力荷载分布模式及含水率分布公式,建立了粗粒土路基蠕变变形分析模型,分析不同轨道型式条件的路基蠕变变形。结果表明,在50~300 kPa荷载作用下,粗粒土填料蠕变稳定后应变为0.05%~0.101%,且呈衰减型增长趋势;在蠕变过程中颗粒破碎以大粒径颗粒破裂为主、研磨为辅,降雨入渗导致粗粒土填料的颗粒破碎,粒径发生改变;粒组含量的变化总量随荷载增大而显著增大,随降雨入渗强度增加呈先迅速增加而后缓慢增加的趋势;蠕变预测模型计算值与试验值较为吻合,降雨入渗引起路基蠕变变形增幅可以达到80%。研究结果可为高速铁路粗粒土路基变形分析提供参考。