粗颗粒土橡皮膜嵌入试验研究

对于粗颗粒土三轴固结排水剪试验,橡皮膜嵌入是影响试验体变测量的最重要因素。通过在中三轴试样中埋置不同直径铁棒的方法进行等向固结试验来推求橡皮膜嵌入量。试验表明,试样土体体积与排水量呈较好的线性关系,基此给出了各个围压下的膜嵌入量。指出随着围压的增大,膜嵌入量逐渐增大,约0.8 MPa后,嵌入量的增速变缓,嵌入量占实时总排水量的比例可达31.0%-40.7%。由于粗颗粒土的各向异性,目前所用最多的Newland和Allely所提出的方法总体略高估了膜嵌入的大小,随着围压的增大,各向异性减弱,围压为2 MPa时嵌入量差异仅有0.22%的体变。最后,对比4种解析解发现Molenkamp和Luger的解析解最为接近试验值。针对粗颗粒土,需要进行更多的试验来建立颗粒破碎率和相对密度等与系数η的关系来修正解析解。

橡皮膜嵌入解析解及试验验证

对于粗颗粒土三轴固结排水剪试验,橡皮膜嵌入是影响试验体变测量的最重要因素。通过分析橡皮膜嵌入机制,指出影响膜嵌入量的主要因素如下:有效净压力p、平均粒径d_(50)、橡皮膜厚度tm、弹性模量Em、接触面积mA,以及初始孔隙比e。基于Kramer等给出的膜变形模式,根据板壳理论和弹性力学的基本方程,利用能量守恒定律推导出了考虑初始孔隙比的橡皮膜嵌入量解析解。同时,采用在中三轴试样中埋置不同直径铁棒的方法进行等向固结试验,获得各个围压下粗颗粒土试样的橡皮膜嵌入量。最后,将解析解与试验结果以及前人的解析解进行对比。结果表明,解析解计算得到的膜嵌入量和试验值吻合度较高,验证了所推导解析解的正确性与适用性。

不同掺砾量下砾石土抗拉强度试验研究

砾石土的抗拉强度是土心墙堆石坝抵抗拉裂破坏的重要指标之一。基于自主研制的单向拉伸试验模具,对不同掺砾量下的砾石土进行了系列的单向拉伸试验。在此基础上得到了以下结论:在本文的试验参数范围内,砾石土的抗拉强度随着含水率的增大而减小,随着干密度的增大而增大;分别给出了各掺砾量下土样抗拉强度与其最优含水率及最大干密度的关系表达式;对于处于各自最优含水率和最大干密度下的砾石土,掺砾量从0%增加到50%时,试样的抗拉强度从122.6 kPa减小到了 49.8 kPa,且两者呈线性递减关系;试样的峰值拉应变和极限拉应变均随着掺砾量的增加而线性递减;对不同掺砾量土样的断裂能分析发现,随着掺砾量的增加,土样的抗拉能力不断减弱;在略高于最优含水率及处于最大干密度时砾石土试样的综合抗拉能力最强。相关试验成果可为实际土石坝心墙抗裂设计提供参照。

某板岩粗粒料湿化特性三轴试验研究

对某板岩粗粒料进行了大型三轴湿化变形试验,分析了湿化体积应变、湿化剪应变等随围压、应力水平变化关系。试验结果表明:湿化体积应变、湿化剪应变随着围压增大或应力水平的提高而增大。利用试验结果研究了沈珠江湿化变形模型对试验所用的板岩粗粒料的适用性。结果显示,沈珠江模型不能满意地反映湿化体积应变,但是,能较好地反映湿化剪应变与应力状态的关系。分析湿化后剪切强度性质,发现不同应力水平下湿化对粗粒土的强度指标影响很小。

消石灰改良膨胀土室内试验研究

膨胀土因其显著的胀缩特性不能直接用作路基填料,基于某铁路项目,将3%、5%、7%的消石灰掺入膨胀土中进行改良,研究了不同掺量的改良膨胀土不同龄期的自由膨胀率、胀缩变形以及抗剪强度参数随干湿循环次数的变化规律.结果表明:3%以上掺量的消石灰即可有效地抑制膨胀土的自由膨胀率;5%以上掺量则可有效抑制干湿循环过程中膨胀土裂隙的发展,大幅减少每次干湿循环的胀缩变形,保证抗剪强度不被削弱.

应力状态对粗颗粒土静止侧压力系数影响试验研究

土体静止侧压力系数K0随应力状态的变化规律对深入把握其力学性质非常重要。然而,由于适用于粗粒土K0试验仪器及方法较少,对粗粒土K0随应力状态变化规律的研究几乎是空白的。为研究加载和卸载过程中粗颗粒土静止侧压力系数K0随应力状态的变化规律,利用新近研制的大型K0试验仪对某砂卵砾石料和堆石料进行了不同应力状态下的K0试验。K0试验结果表明:颗粒形态、应力状态、级配都对粗粒土K0有一定影响,其中应力状态影响最为明显;加、卸载时粗粒土K0随竖向应力增大呈减小的趋势。通过对K0试验结果进行深入分析,提出了粗颗粒土在加载过程中K0与竖向应力的关系式,并进行了验证。在此式基础上,基于前人总结所得K0与OCR的关系式,总结了一个反映任意固结状态下粗颗粒土K0随应力状态变化的关系式。

粗粒土等压固结与K_0固结三轴试验比较

对某堆石坝覆盖层砂卵砾石料进行了不同干密度试样中型三轴试验,试验包括常规各向等压固结的三轴排水剪试验(CID试验)和各向不等压(K0)固结的三轴排水剪试验(CK0D试验),对试验结果进行对比分析,研究2种试验方法对试验结果的影响。结果表明,2种试验所得到的应力—应变关系曲线总体规律比较一致,大小略有差异,CK0D试验的剪胀性比CID试验明显;不同围压下,2种试验的偏应力峰值差异(相对峰值)平均幅值为3.9%;对应3种密度(2.17、2.22、2.40g/cm3),CK0D试验各围压下的平均内摩擦角分别比CID试验的内摩擦角大0.88°、0.48°、0.43°;随着密度增大,2种试验的强度均显著增大,且强度指标随密度近似线性增大。列出并比较了2种试验的邓肯模型参数,两者没有显著的差异。

土压力盒标定方法研究

采用刚性加载和柔性加载的方式,分别对粗粒土进行了土压力盒砂标试验,即砂标方法 1和砂标方法 2,并设计了一种新型标定方法砂标方法 3来与之对比。结果发现除了砂标方法 1标定曲线离散率太高,明显不能运用于实际以外;砂标方法 2和砂标方法 3标定曲线离散率小,可以满足室内试验精度及实际工程应用要求。然后在室内进行大型压缩试验,研究砂标方法2、砂标方法 3以及厂家提供的水标方法和笔者改善后的修正水标法在土中的适用性,经研究发现砂标方法 2和修正水压标定法对土压力的计算较适用。

粗粒土抗剪强度的缩尺效应规律试验研究

抗剪强度是评价土体稳定性的重要指标,研究缩尺效应对粗粒土抗剪强度的影响,对高土石坝工程土体强度估算有重要的理论意义和应用价值。根据前人的研究,颗粒最大粒径d_(max)和级配结构两部分变化是导致缩尺后试样存在缩尺效应的主要原因,其中级配结构可由级配面积S作为特征参数表示。通过改变试样的d_(max)和S,设计了24组不同级配试样,利用大型直剪仪对各组试样进行直剪试验,从而定量研究颗粒最大粒径和级配结构对粗粒土抗剪强度的影响规律。研究结果表明:粗粒土的抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角φ均表现出随着d_(max)增大而增大的规律,且c和φ均与d_(max)呈对数函数关系;黏聚力c和内摩擦角φ随着S的减小而增大,到达某一特定值后呈略微减小的趋势,并根据相应试验数据分别建立c和φ与S的关系式。最后,基于试验结果建立了考虑缩尺效应的粗粒土抗剪强度的预测模型,并用相关文献试验数据验证了该模型对不同类型粗粒土的适用性。

二元地基基坑降水井周滤网反滤效果试验研究

试验研究了三组干密度不同的二元地基粉砂土在四种不同滤网结构下的反滤效果,其中四种滤网结构分别为(1)无滤网、(2)80目单层滤网结构、(3)120目单层滤网结构、(4)一层80目和一层120目滤网组合结构。试验结果表明:土体的渗透系数受滤网目数的影响,滤网目数越大或孔径越小,土体中的渗透性越低,土中的水越难以排出;滤网对粉砂土拦截效果随滤网孔径的减小而越发显著,滤网目数越大,粘连于滤网上的粉砂土越多,穿透滤网随水流而出的粉砂量越少。试验结果为二元地基管井降水中滤网的选取提供了思路和建议。

土心墙堆石坝坝顶裂缝扩展有限元模拟

基于ABAQUS计算平台,采用扩展有限元方法对某土心墙堆石坝坝顶裂缝的发生及扩展情况进行了模拟,针对含初始裂缝的简化平面有限元计算模型,得到了以下结论:坝顶裂缝的产生原因主要是上下游的不协调变形,上游坝壳的湿化变形会加剧此不协调变形;坝顶裂缝多出现在心墙下游侧,其扩展的方向为朝下游侧且与水平面呈45°左右夹角,初始裂缝的长度对裂缝扩展方向影响较小;开发编制了求裂纹扩展长度及开度的插件,以靠近心墙中心的初始裂缝为例,在库水压力及湿化作用下,裂缝扩展的平均长度为2.5 m,裂缝平均张开距离为0.18 m;初始裂缝越靠近心墙中部,裂缝扩展长度及开度越大。设计及施工中在加强接触部位碾压质量的同时应注重坝顶心墙中部的压实质量以减小坝顶裂缝发生的危害。

高土质心墙坝坝顶裂缝模拟方法及应用

土质心墙坝坝顶裂缝是目前高土石坝建设及运行中常遇到的病险,其发生和发展大大增加了工程的安全风险。基于扩展有限元的位移模式提出了坝顶裂缝的模拟方法并将其运用到瀑布沟土心墙坝坝顶裂缝模拟中。首先介绍了坝顶裂缝模拟方法的基本原理,其后采用神经网络遗传算法对瀑布沟心墙坝典型监测点监测数据进行了反演,采用反演得到的模型参数同时考虑筑坝料湿化、流变及固结,进行了瀑布沟心墙坝坝顶裂缝模拟。结果表明:采用反演参数计算得到的坝体变形与监测资料较为吻合;蓄水后坝体最大沉降3.27m,向上游最大水平位移1.17m,上游堆石料湿化沉降最大达0.48m,上游坝壳的湿化变形作用导致了坝顶上下游的不均匀变形;模拟得到的坝顶裂缝首次发生在满蓄后,距离坝轴线4.75 m位置处,1个月内裂缝扩展至1.75 m深度(坝顶填土内,未扩展至心墙),运行10 a间坝顶裂缝未发生实质性发展;此外,不考虑上游坝壳湿化时坝顶未有裂缝产生,考虑湿化而不考虑流变时坝顶裂缝扩展深度最大为1.25 m,最大张开宽度为2.7 cm。相关成果可为类似特高土心墙坝工程预防坝顶裂缝的发生提供相关参照。

掺砾心墙料拉裂力学特性试验研究

研究掺砾心墙料的拉裂特性对深入研究高土石坝水力劈裂、坝顶裂缝以及坝肩横缝等问题至关重要,但目前已有的研究尚不够深入。基于自主研制的单向拉伸试验装置,对不同掺砾量下的心墙料进行了系列的单向拉伸试验,依据试验结果分析了掺砾心墙料拉裂破坏的机制。在此基础上得到以下结论:在试样各自最大干密度及最优含水率下,随着掺砾量的增加,心墙料的抗拉强度和拉应变呈线性递减关系;所有试样的拉应力-应变曲线呈分段指数关系,极限拉应力前后试验曲线可分别采用正负指数关系来描述;进行了系列三轴排水剪试验,分析各试样抗拉强度与强度指标的关系发现,对于所研究的掺砾心墙料,抗拉强度与其黏聚力呈较好的线性关系,在不具备试验条件的情况下,此关系可用来大致估算心墙料的抗拉强度。相关试验结果可为实际土心墙坝抗裂设计提供参照。

粗粒土静止侧压力系数估算方法研究

静止侧压力系数K0是土体基本的力学参数,进行粗颗粒土K0系数的研究对土石坝及填方工程有重要的理论意义和应用价值。目前,适用于粗粒土K0试验仪器及方法较少,因此准确可靠的K0估算公式在实际土石坝工程中具有较强的应用性。为得到可靠的粗粒土K0估算公式,利用大型K0测试仪以及大型三轴仪,对某砂卵砾石料和堆石料同时进行了系列K0试验以及CD三轴试验。基于各土料K0试验结果,验证了笔者之前提出的粗粒土K0与竖向应力的关系式。在此式基础上,结合三轴试验结果,总结了一个根据有效内摩擦角φ′预测任意固结状态以及应力状态下粗粒土K0值的估算公式。最后,利用K0试验结果验证了本文估算公式的准确性及适用性。

双层地基基坑降水-防渗-回灌耦合模型沉降控制研究

针对双层复合地基基坑降水过程中极易引发地基渗透破坏和基坑周边建筑物沉降等问题,为真实模拟现场双层地基三维渗流条件,自行研制了室内大型渗流试验装置,开展了双层地基基坑降水-防渗墙防渗-回灌井回灌的耦合模型试验.试验表明,相对于降水-防渗条件,增设回灌后,基坑外上排测压管水头抬升近10.7%,下排测压管水位抬升约3.1%;各测压管外侧水头比内侧平均高出约2.75%,说明在基坑降水-防渗的同时进行坑外回灌可以有效地提高基坑外回灌井底端土层以上区域的水头高度,减小基坑外建筑物的沉降.运用FLAC3D软件对坑外沉降进行数值计算,进一步印证了模型试验中降水-防渗-回灌耦合模型对沉降控制的效果.相关研究成果对复合地基降水过程中的渗透变形及地基沉降控制有一定的参考价值。

聚丙烯纤维加筋砾质黏土的拉伸断裂特性研究

自主研发了一种用于土体拉伸试验的新型拉伸装置,针对不同砾石含量、不同纤维含量的砾质黏土开展了多组拉伸试验。由试验结果发现,砾质黏土的抗拉强度随着砾石含量的增大而降低,在砾质黏土中掺入聚丙烯纤维后,其抗拉强度和极限拉应变明显增大;纤维加筋砾质黏土的抗拉强度和极限拉应变与其中的纤维含量呈正相关关系,但随着砾质黏土中砾石含量的增大,纤维的掺入对其抗拉强度的提升作用明显降低。电镜扫描分析表明,纤维与土颗粒界面产生的摩擦作用是导致加筋砾质黏土抗拉强度提高的主要原因,砾石含量为0%的纯黏土试样,因仅存在纤维/土颗粒界面的I类纤维,土体的抗拉强度提高非常明显;随着砾石含量增大,纤维/土颗粒/砾石界面II类纤维的占比增加,纤维的掺入对其抗拉强度的提升作用明显降低。最后,基于60个试样的试验结果,提出了一个纤维加筋砾质黏土的抗拉强度的多元回归模型,可快速预测不同砾石含量和纤维含量下砾质黏土的抗拉强度。相关试验结果可为高土质心墙坝防渗心墙的抗裂设计提供参考。

粗粒土三轴试验橡皮膜嵌入量测量方法研究

粗粒土试验的橡皮膜嵌入效应使得试样体积变形测量结果失真,从而影响其强度变形指标测量精度。为此,在同一试验仪器上开展了多组不同直径试样粗粒土的等向固结三轴试验,分析了橡皮膜的嵌入量的变化规律和影响因素,在此基础上提出了一个计算粗粒土橡皮膜嵌入量的经验公式。研究表明,橡皮膜的嵌入量随围压的增大而增大,与其围压大体呈幂函数关系。相同围压下,随着试样直径的增加,橡皮膜的嵌入量占总体变的比例减小;试样直径相同时,围压变化对橡皮膜嵌入量占总体变比例的影响明显小于试样直径变化的影响,且随着试样直径的增大,影响逐渐降低。因此,粗粒土的强度变形试验应尽可能采用较大直径的试样进行,以降低橡皮膜嵌入量对其试验结果的影响。由于粗粒土的母岩性质和级配变化较大,既有橡皮膜嵌入量计算公式将明显低估堆石料试样的橡皮膜嵌入量,建议采用本文提出的方法对粗粒土试样橡皮膜嵌入量进行估算。

冻融对土石料渗透性影响的CT试验研究

冻融循环造成高寒地区土石结构的内部损伤,进而影响其渗透特性的变化.开展了掺砾石量分别为25%、35%、45%,冻融循环次数为0,3、10次的土石料渗透性试验,结果显示:土石料的渗透系数随掺砾石量的增加而逐渐增大;在掺砾石量相同的情况下,随着冻融次数的增加,渗透系数逐渐增加,且3次冻融循环后的渗透系数增加较为明显.采用CT扫描技术,并通过IPP软件对试样内部结构进行细观分析,发现掺砾石量相同时,随着冻融循环次数增多,不同掺砾石量试样的有效损伤率逐渐增加.因此,冻融引起试样结构的损伤进而引起了其渗透系数增加的变化规律.

波动水力条件下土体内侵蚀特性的透明土试验研究

在渗流作用下土中细粒随着水流在粗粒骨架间运移的现象被称为内侵蚀。以往对于内侵蚀的研究主要集中在恒定的水力梯度下,缺乏对于波动水力条件下内侵蚀发展特征和细观机制的认识。设计了透明土渗流试验装置,开展了恒定和波动水力条件下不同内部稳定性土体的渗流试验,以探究波动水力条件下内侵蚀的发展特征。宏观试验现象表明,对于内部稳定性较差型土,当水力梯度达到临界水力梯度后,波动水力条件下的渗透系数比恒定水力条件下呈现出更快的增长趋势,说明水力波动会加剧细颗粒的迁移和流失。为了进一步揭示波动水力条件加剧土体内侵蚀发展过程的细观机制,利用一种基于平面激光扫描的二维截面图像开发的土体细观组构三维重建方法,建立了粗粒骨架、内部孔隙通道和细颗粒的三维可视化数字模型。通过观察细粒在孔隙通道中的分布情况,发现恒定水力条件下,细粒在运移至狭窄的孔隙喉道处时会发生堵塞堆积现象;而波动水力条件下的水流扰动会破坏这种暂稳态的堵塞堆积结构,继而重启细颗粒的迁移过程。

粉质黏土原位地震动参数测试及模型参数反演分析

为解决目前现场原位地震动参数较难获取的问题,自行研发了土体地震动参数原位试验测试系统,该系统包括可移动系统、荷载伺服系统、动力反应系统和数据采集系统四部分,利用该系统对南京某工程场地进行了土的现场非线性剪切模量试验,得到了粉质黏土的现场非线性剪切模量G-logγ曲线和G/Gmax-logγ曲线,发现当剪应变γ超过0.1%时,动剪切模量G减小的速度愈来愈快,反映了土在动荷载作用下非线性及应变累积性的特点。此外,基于Martin-Davidenkov模型,采用遗传算法对现场试验结果进行了反演分析,得到了该试验地区较浅土层内的模型参数取值范围。