胶结土力学特性的状态相关性试验及模型预测

在土中掺入一定量的胶结物形成具有显著结构性的人工胶结土,被广泛应用于天然岩土体的改良。然而,结构性的存在往往会诱发胶结土相较重塑土呈现出更为复杂的力学特性,实现其力学行为的定量化分析及合理预测十分必要。此处针对胶结土力学行为的共性问题,开展了不同初始状态水泥胶结土的三轴压缩与剪切试验,系统分析了其力学特性的状态相关性,并采用状态相关模型开展其力学行为的计算预测。结果表明:(1)胶结土的峰值剪切应力比受初始状态量(孔隙比、围压、胶结性)的影响显著,而残余剪切应力比受初始状态量的影响较小,表明残余强度可作为一个状态无关的力学特性参数;(2)胶结土的等向压缩曲线受初始状态量(孔隙比、胶结性)的影响显著,但结构性损伤使得压缩曲线会逐渐向重塑胶结土压缩曲线趋近,表明重塑胶结土压缩曲线可作为固有压缩曲线;(3)通过计算能够较好地再现上述不同初始状态胶结土的等向压缩与三轴剪切试验结果,表明所采用的状态相关本构模型能够合理地描述胶结土的复杂力学行为。

岩土工程用新型胶黏剂的制备及胶结土性能评价

以聚酰胺固化剂650和硫脲为原料,制备了一种新型改性固化剂G-650,室内优化了其制备工艺条件,并将其与环氧树脂E-51、活性稀释剂XS-1和硅烷偶联剂KH550相结合,制备出了一种新型胶黏剂JZR-2,以抗压强度、抗折强度和相对渗透系数为评价指标,考察了JZR-2对胶结土性能的影响。实验结果表明,新型改性固化剂G-650的最佳制备工艺条件为:硫脲用量为6%,反应温度为100℃,反应时间为60min。岩土样品中新型胶黏剂JZR-2的加量越大,胶结土试件的抗压强度和抗折强度就越大,而相对渗透系数就越小,推荐新型胶黏剂JZR-2的最佳用量为6%,此时胶结土试件的抗压强度可达10.36MPa,抗折强度可达3.85MPa,相对渗透系数可达0.68×10^(-7)cm·s^(-1)。研究结果认为,研制的新型胶黏剂JZR-2能够对岩土样品起到良好的胶结固化效果,可以大幅提升其强度和抗渗性能,能够满足岩土工程施工的需求。

胶结土改性分散性土冻融特性与微观机理研究

利用胶结土对堤防工程筑堤分散性土进行改性,通过分散性鉴定试验、冻融循环试验、无侧限抗压强度试验及SEM扫描电镜试验,分析了改性效果,揭示了冻融循环对土体无侧限抗压强度的影响规律,并给出了改性机理。结果表明,胶凝材料总用量6%,双掺石灰、粉煤灰和三掺水泥、石灰、粉煤灰两种改性方案可有效抑制土的分散性,转变为非分散性土;胶结土的应力-应变曲线均为应变软化型,破坏应变在2%以内,无侧限抗压强度提高2.5~4倍;胶结土的无侧限抗压强度随冻融循环次数的增加而降低,相比分散性土降低幅度明显减小;胶结土中石灰、水泥水化反应形成的胶结网络增加了土颗粒间的联结力,粉煤灰起到物理充填作用提高土体密实度,宏观表现为无侧限抗压强度的提升,有效抑制冻融循环对土体强度的衰减。

块石含量及形状对胶结土石混合体力学性能影响的大型三轴试验

胶结土石混合体在自然界中分布广泛,为了揭示块石含量和块石形状对其力学特性的影响,开展了一系列室内大三轴试验研究。首先,通过掺有一定量水泥的土石混合体试样与未掺水泥的试样进行对比,以论证土石混合体有必要进一步划分为胶结土石混合体和无胶结土石混合体。然后,针对胶结土石混合体设计并进行了不同块石含量和块石形状的对比试验。最后,对胶结土石混合体力学特性的块石含量和块石形状效应进行了分析探讨。结果表明:水泥掺入比为3%的土石混合体试样较未掺水泥的试样强度和模量均有大幅提高,有明显的应变软化和局部化剪切带;在给定条件下,胶结土石混合体的峰值强度和脆性指数均随含石量的增加而减小;当含石量为40%时,块石为碎石的胶结土石混合体试样与块石为卵石的试样相比峰值强度略低,而残余强度略高;而当含石量为70%时,无论是峰值强度还是残余强度,块石为碎石的试样均比块石为卵石的试样大,围压较大时尤为明显。

一种天然胶结土粘聚力的微观本质

利用人工合成的针铁矿胶结高岭土的微观胶结机理和模型，计算了天然针铁矿胶结的贵州红粘土的粘聚力的理论值，其结果与用传统的土力学的方法实测的数据完全一致，揭示了该天然胶结土粘聚力的微观本质。

隐伏裂缝对互层胶结土中正断层扩展影响研究

基岩断层错动引起上覆土体变形,互层胶结土体中断层破裂机制认识不足,隐伏裂缝影响规律掌握不明确。基于4个离心机试验,针对黏土与砂土构成的9层互层土,对比土体胶结特性和隐伏裂缝上断点埋深影响。试验结果表明,正断层错动影响下,互层非胶结土体受剪切作用发生变形破坏,在断层上方形成一倒梯形分布的不均匀沉降区,并形成集中剪切带。当不均匀沉降传至地表时,顶层非饱和黏土层形成地表张拉破裂。而互层胶结土则观测到受弯变形破坏,从而产生剪切破裂和张拉破裂。其中,地表张拉破裂的深度远大于互层非胶结土体的观测结果。互层胶结土中,随着隐伏裂缝上断点埋深的增加,由上断点扩展形成破裂的倾角随之增加,地表破裂向上盘一侧偏移。

海洋环境下人工胶结土长期动力特性研究

近年来,随着我国对海洋领土的开发,如人工造岛计划的实施,加强了对海洋资源的利用。然而海洋恶劣的气候环境、海水对岛上结构基础地基的腐蚀,对近海结构的耐久性提出了严峻的挑战。本文重点关注利用胶结材料—水泥对砂性地基处理后,地基在海水条件下动力特性的演化,将利用动三轴和共振柱试验获得全应变范围内不同侵蚀时间对人工胶结土的动剪切模量和阻尼比的影响,并对不同浸泡时间的动剪切模量给了拟合公式,同时,给出了预测水泥胶结土长期动剪切模量演化的经验公式,为工程设计提供参考。

大应变条件海水浸蚀下人工胶结土动力特性研究

随着海洋经济的发展,越来越多的近海设施出现,却对结构基础的耐久性提出了严峻的要求。本文将研究人工胶结土在海洋环境下长期动力特性的演化。本研究将利用动三轴试验获得不同浸蚀时间对人工胶结土的动剪切模量和阻尼比的影响。研究结果显示在海洋环境下,人工胶结土的水化反应受到严重的影响,动剪切模量比正常水环境下明显减小,而阻尼比比正常水环境下明显增大;试验还发现盐的结晶效应非常明显,尤其在干湿交替环境下,可能会对胶结作用形成破坏;在对饱和水泥土的动三轴试验发现随着浸蚀时间的增长,水泥土的抵抗液化的能力增强。结论显示水泥土改良软弱地基的能力强,也为工程设计提供参考。

三塘湖盆地胶结土的工程特性及其成因分析

综合论述了三塘湖盆地胶结土的形成原因,在野外勘察的基础上对其进行了原位测试及室内土工试验分析,查明了建设场地的岩土工程条件,为工程提供了准确的地基基础设计参数及合理的地基处理方案,结果表明胶结土工程性能较好,场地在采取一定的防排水措施保证地基不受水浸泡的情况下可采用天然地基,遇盐分较高或较软地层可采取局部换填方案。

库水作用下弱胶结碎石土力学特性劣化规律试验研究

弱胶结土广泛分布于金沙江两岸,其力学特性对水十分敏感。乌东德水库蓄水后,金沙江下游皎平渡渡口及山洞遗址将处于水下60~90 m处,开展库水对弱胶结土力学特性劣化规律的研究对于该遗址的保护具有重要意义。对皎平渡地区弱胶结土分别开展了干燥、天然、饱和、泡水7 d和泡水14 d状态下的直剪试验、携剪试验和三轴试验,分析了库水对弱胶结土力学特性的影响规律。结果表明,库水对弱胶结土力学特性的影响分为2个阶段:土体饱和前为第一阶段,主要受水的胶结和润滑等物理作用影响,弱胶结土的强度随含水率增大呈先升高后降低的演化规律;完全饱和后为第二阶段,受水的水解和溶解等化学作用影响显著,其力学特性劣化程度随浸水时长增加不断增大。此外,对比不同试验方法所得结果发现,试样制备过程中的扰动对弱胶结土强度测试结果有明显影响,整体上看,携剪试验的测试结果依次高于直剪试验和三轴试验。研究结果可以为皎平渡遗址保护工程等库水作用下的土工结构设计与防护提供依据。

粉土地基胶凝砂砾石堤防结构分析研究与工程实践

岷江龙溪口五一坝防护工程地基存在较厚的粉土层。根据地勘资料可知,地震条件下粉土会发生液化。研究在液化土层修建胶凝砂砾石堤防的地基换填处理方案,同时解决粉土承载力不够的问题。对粉土地基胶凝砂砾石结构进行分析,得出最优断面、最优换填方案以及换填后应注意止水连接及拉应力材料控制问题。

胶结碎石土的折线型强度准则研究

针对胶结碎石土在低正应力和高正应力下的表现的差异性问题,基于摩尔-库伦强度准则,根据胶结碎石土在屈服应力前后的摩尔-库伦强度线,提出了胶结碎石土的折线型强度准则,推导了强度准则参数与单轴抗压强度和抗拉强度的关系,通过单轴压缩试验和直接拉伸试验计算了强度准则参数,并与三轴压缩试验直接获取的强度准则参数结果进行比较。结果表明,计算值与试验值误差在合理范围内,折线型强度准则对胶结碎石土具有一定的适用性。

胶结土石混合体力学特性的块石形状效应细观机理分析

考虑块石形状为球体、正方体和长方体三种情况,通过正方体与球体相比较来探究块石不同棱角度对胶结土石混合体力学特性的影响,通过长方体与正方体相比较来探究块石不同球度对胶结土石混合体力学特性的影响.首先,基于不规则颗粒三维离散元精细模拟技术实现了正方体和长方体块石数值模型的建立;然后建立含石量为30%和80%的块石形状分别为球体、正方体和长方体的胶结土石混合体三维离散元随机结构模型;最后,对土石混合体大三轴试验进行颗粒流数值模拟,获得了不同含石量、不同块石形状下胶结土石混合体的强度特征和变形特征,并分别就低、高两种含石量下块石形状对土石混合体力学特性影响的细观机理进行了深入地分析.结果表明:块石含量和形状均会显著影响胶结土石混合体的力学特性,并且两者间具有复杂的交互作用;微裂纹、块石颗粒平均旋转量、应变能和摩擦功等的演化规律能够很好地从细观水平上反映块石形状影响的作用机理.

胶结土力学特性与强度分析

通过对土料人工处理,可以使其力学特性和强度大为提高,从而有助于建筑物的兴建。通过添加不同含量的水泥,制备了人工胶结土样。然后进行了三轴试验来探讨胶结土的力学特性和强度特点,试验结果表明水泥含量不同导致的颗粒胶结对胶结土的应力—应变、孔压发展、体积变形特性和抗剪强度有很大的影响。最后建议了一个胶结土的抗剪强度表达式,并与实验结果进行对比,表明所建议的抗剪强度表达式具有较好的适用性。

菲律宾达沃地区胶结土的岩土力学分析

菲律宾达沃地区广泛分布一层胶结土,处于一种由土向岩转化的过渡状态,既有土的特征,也有岩的特征。从地形地貌、区域河流、地质构造及地震效应对沉积环境的影响着手,结合对胶结土的各项土力学与岩石力学测试指标,分析得出达沃地区胶结土为海陆交互相沉积成因,并与我国洞庭湖盆地、三溏湖盆地发育的胶结土进行对比,得出胶结状态可进一步分级的结论,并对胶结土的工程应用进行了探讨。

基于微观力学的胶结岩土材料破损规律离散元模拟

采用离散元法(DEM)研究胶结岩土材料在不同加载条件下的结构破损规律。首先,基于微观力学理论,考虑胶结岩土材料颗粒间胶结特性,给出表征结构性损伤的破损参数式。该式具有微观物理意义,但不能直接用于建立宏观本构模型。其次,采用二维离散元源程序NS2D模拟等向压缩、等应力比压缩以及双轴压缩试验,分析破损参数在不同加载条件下随宏观力学变量(体积应变和剪应变)的演变规律。最后,根据模拟结果提出破损参数数学表达式,其为大主应变的函数。研究结果表明:胶结强度、应力比以及围压均在一定程度上影响了数值试样的结构破损规律。在等向压缩和等应力比压缩试验中,容易用函数式描述数值试样破损参数随体积应变或偏应变的演变规律;而在双轴压缩条件下,由于数值试样有剪胀特性,破损参数随体积应变的演变规律则不易描述。建议的破损参数数学表达式能够较好地描述数值试样在不同加载条件下结构破损规律。

3种胶结岩土材料本构模型中破损规律的离散元验证

采用离散元法(DEM)对胶结岩土材料本构模型中的破损规律进行验证。首先,根据胶结颗粒间胶结特性,建立适用于胶结颗粒的微观理论;其次,基于该微观理论,给出3种经典胶结岩土材料本构模型破损参数的微观解释;最后,对数值试样进行等向压缩、等应力比压缩及双轴压缩试验的离散元数值模拟,并对比验证数值试样破损规律的模拟结果与本构模型的预测结果。结果表明:采用DEM对胶结岩土材料本构模型的破损规律进行验证是可行的。3种加载条件下,扰动状态模型假定的破损规律同模拟结果均较为一致;Nova模型在双轴压缩试验条件下的预测结果同模拟结果存在很大差异;而上负荷面剑桥模型假设的破损参数则不能很好描述上述加载条件下数值试样的破损规律。

不同应力路径下结构性土体本构模型研究

为了研究结构性土在外力作用下结构破损规律及本构模型,在岩土破损力学的框架内,基于细观尺度根据土颗粒在外力作用下的受力模型,建立了胶结土颗粒间变形的几何方程,同时结合结构性土破损的物理力学方程,推导了结构性土在外力作用下破损过程中应变集中系数c和胶结破损率λ的变化规律及本构模型,并讨论了土体模量E和土颗粒间的切向接触刚度ks对模型的影响。研究结果表明:c在荷载作用下随着应变增大呈减小趋势,且主要受ks的影响。λ在受力过程中随着应变的增大而增大,且主要受E的影响;不同的围压下对岩土体进行加载,剪应力呈增大趋势,其性质表现为硬化现象;若对围压进行卸载,剪应力呈先增大,后减小的趋势,岩土体的性质表现为软化现象。

多种应力路径下结构性土胶结破损演化规律离散元分析

结构性土体通常指粒间含有胶结的土体,可看成一种特殊的胶结颗粒材料,探明结构性土体的胶结破损演化规律是加深结构性土体宏微观力学性质认识及建立结构性土本构模型的关键。由于试验手段难以定量获取胶结破损信息,通过离散单元法分析了结构性土体的胶结破损演化规律。首先采用相对完备的胶结接触模型建立了结构性土体离散元试样,接触模型考虑了颗粒及胶结物质的抗转动和抗扭转作用以及胶结尺寸对刚度和强度的影响;然后开展了结构性土侧限压缩、等向压缩、等应力比压缩以及常规三轴和真三轴试验的离散元数值分析,再现了结构性土的主要宏观力学特征;在此基础上的胶结破损演化分析表明胶结破损参量B0演化具有明显的应力路径相关性,而新提出的破损参量Bσ应力路径相关性低,通过Bσ与等效塑性应变的指数函数关系,可以描述结构性土体的胶结破损演化情况。

土石混合体边坡力学特性及稳定性分析方法研究进展

土石混合体边坡在我国分布比较广泛,在降雨、地震等外力作用下会产生滑坡等变形破坏现象。归类和分析了土石混合体力学特性物理模型试验和数值模拟试验以及边坡稳定性分析方法研究成果,得出块石尺寸和含石量是影响土石混合体剪切特性主要因素,块石排列可以忽略不计;雨水和冻胀等能够显著改变土石胶结介质力学参数,降低率约为20%;通过对比多种稳定性分析方法,认为离散单元法或数值流形法、连续—非连续耦合方法能够更有效分析具有强烈非均质体的土石混合体边坡。在总结已有研究成果和考虑土石混合体介质特点的基础上,提出了土石混合体力学特性和此类边坡稳定性分析方法研究上存在的不足之处,即:①在获取土—石胶结接触面力学参数相关特性指标上,缺少精密的试验设备或仪器,无法准确地测得接触面参数;②在土—石胶结接触面力学模型构建上,忽略了土体与块石间存在嵌入等情况,无法充分反映土—石胶结接触面在外力作用下的力学行为;③目前土石混合体边坡稳定性研究主要关注坡体力学特性以及降雨等作用下的相关参数变化,很少涉及多应力场(如降雨、地震、低温等组合作用)下的土石混合体边坡数值模拟,无法满足实际工程问题的相关需求;④现阶段构建三维土石混合体边坡数值模型上,仅有少数考虑结合数字图像等计算机技术还原真实块体下的三维数值模型,尚需进一步研究分析块石接触面差异分布、超大粒径块石模拟等相关问题。