根系和裂隙对土体水力和力学特性影响数值模拟

为探究根系和裂隙对土体水力及力学特性的影响,利用有限元软件计算降雨过程中裂隙和根土间隙对渗流场的影响,并以渗流计算结果为基础,分析降雨对根系固土作用的影响,采用分区强度折减法对降雨前后根-土复合体进行直剪试验模拟,同时考虑了侧根倾角的影响。结果表明,裂隙和根土间隙为雨水入渗提供优先通道,降雨影响深度随裂隙深度增加而增加;有根系时降雨影响深度由主根深度决定,侧根倾角对其影响较小,考虑根土间隙影响的降雨影响深度相较于无根系工况增加了93.3%;根系能显著提高土体的抗剪强度,相对于垂直主根方向的不同倾角,侧根增加土体抗剪强度由大至小依次为60o、45o、30o侧根和无根系;雨水入渗降低了土体强度,同时削弱了根系固土作用,使得降雨后根-土复合体抗剪强度大幅降低,是许多植被覆盖边坡仍发生浅层滑动原因之一。

典型悬浮添加剂对高水材料力学性质影响的试验研究

针对高水材料强度相对偏低、成本相对较高的问题,选取粉煤灰和硅粉两种材料作为添加剂,对高水材料进行改性研究。设置添加剂掺量梯度为5%、10%、15%和20%,采用四川大学电子万能试验机和扫描电镜(SEM)两种试验设备,进行添加剂对高水材料力学性质影响试验,探究添加剂对高水材料力学性质及微观结构的影响。试验结果表明,添加剂对高水材料力学性质和微观结构均有较大的影响:1)掺20%粉煤灰和掺10%硅粉均可使高水材料的抗压强度提高到0.36 MPa,与未掺添加剂高水材料相比,强度提高了20%,且能有效提高残余强度。2)添加剂的掺入改变了高水材料钙矾石晶体的发育形貌、直径大小及空间网状结构的致密程度,主要包括以下两个方面:粉煤灰的掺入使晶体形貌由短棒状发展为针棒状,大直径晶体数量增多,绒球状的水化硅酸钙及未反应完的残留物填充在晶体结构孔隙中,使晶体空间结构更为致密;硅粉的掺入使晶体形貌发展为枝网状,水化硅酸钙数量增加,起到了充填孔隙和增加晶体交错搭接牢固性的作用,枝网状的晶体和绒球状的硅酸钙共同形成了致密的网状结构。3)证明了抗压强度的大小是由晶体形貌、直径大小、晶体结构的搭接方式及网状结构的致密性共同影响的。

改性高水材料尺寸与形状效应研究

改性高水材料是在原高水材料的基础上通过掺杂或改性,以达到提高其物理力学性质和降低经济成本等目的的新型高水材料,近年来在地下采空区充填支护等领域得到了广泛应用。同岩石和混凝土等材料一样,其形状和尺寸对力学性质影响显著,因此对改性高水材料形状和尺寸效应的研究具有重要意义。为研究不同形状和尺寸改性高水材料的力学性质,借助ETM力学试验系统,通过对不同尺寸和形状下的改性高水材料的破坏过程、抗压强度和变形特性等性质的测试,系统研究改性高水材料的尺寸和形状效应。结果表明:改性高水材料是一种弹塑性材料,其变形破坏过程可以分为弹性阶段、屈服阶段、塑形阶段和破坏阶段4个过程;改性高水材料的尺寸仅影响其应力-应变曲线峰值强度,对曲线的形状几乎没有影响,而形状对应力-应变曲线的峰值强度和形状均有较大影响;相对于圆柱体试件,立方体试件的全应力-应变曲线屈服后下降得更加缓慢;随着材料尺寸的增加,圆柱体和立方体试件的抗压强度、弹性模量和变形模量均在一定范围内逐渐减小,且当试件尺寸较小时(小于100mm),尺寸增加25%,弹性模量降低约50%,变形模量约降低10%,尺寸较大时(大于100 mm),变化率急剧减小;在相同条件下,圆柱体试件的抗压强度、弹性模量大于立方体试件,变形模量小于立方体试件。

矿渣粉掺量对高水材料物理力学性能的影响研究

为了降低高水材料充填体成本、提高充填体强度,并有效开发利用矿山工业固体废弃物,开展了掺入有活性成分的矿渣粉对高水材料浆液和充填体物理力学性能及晶体微观结构影响的试验研究。结果表明,随着矿渣粉掺量增加,浆液初凝时间缩短,试件的含水率降低、容重增大,且含水率与峰值抗压强度及容重与峰值抗压强度均具有较好的二次相关关系;随着矿渣粉掺量的增加,试件的峰值抗压强度与残余强度均先减小后增大,掺量为10%时,峰值抗压强度与残余强度均达最小值;从材料的微观结构可以看出,矿渣粉的掺入促进了钙矾石晶体和硅酸钙凝胶的生长发育,改变了晶体发育形貌及网状结构形态。在试验掺量范围内,掺加20%的矿渣粉可使试件晶体空间网状结构最为致密,在宏观上表现为峰值抗压强度达最大值。

根系与植筋带固土护坡的力学机理试验研究

降雨作用下植物边坡经常会发生沿着根系以下土层的滑坡,主要是因为植物根系短于降雨影响深度和力学加筋不足而不能有效防护坡土,因此可在边坡中布置竖向植筋带以便弥补和提高植物短根系的力学加筋抵抗降雨滑坡的能力。为探究根系与植筋带对土体力学强度的增强效应,采用自制大型直剪试验装置,开展不同倾角(0°,30°,45°,60°)根系–土复合体的直剪试验,以及不同含水率(0%,5%,10%)和不同植筋带数量(0,2,4,6,8根)的植筋带–土复合体的大型剪切试验。结果表明:根系能显著增加土体的力学强度,随着根系倾角增加,根系断裂时产生的拉伸变形量增加,根–土复合体抗剪强度提高;根系初始倾角顺着剪切方向越大,根系断裂时剪切位移越小。土体含水率、植筋带数量及其干湿状态均影响植筋带–土复合体的界面抗剪强度,随土体含水率的增大而减小,随布筋数量增加而增大;5%土体含水率时湿润植筋带的黏聚力和内摩擦角相比于干燥的显著降低。试验结果为植筋带应用于植物护坡工程提供理论参考,有利于浅层滑坡的防治。

组合根系加固坡土的直剪试验及数值模拟

随着生态护坡技术的不断发展,植被根系固土护坡的作用越来越受到重视。护坡植物根系大多主根与侧根相辅相成,因此针对单根的剪切试验往往不能正确反映真实环境中根系固土的作用机制。为揭示真实根系固土的力学机制,量化根系倾角对坡土的强度影响,开展了侧根倾角分别为30°,45°,60°的组合根系加固坡土的大型直剪试验及数值模拟。结果表明:组合根系能明显提高土体抗剪强度,试验用的根系增加的抗剪强度最大为6.36 kPa;外部剪切荷载主要由前侧根承担,组合根系对土体抗剪强度的贡献依次为前侧根、主根、后侧根;随侧根倾角的增加,前侧根受到的轴向拉力增加,前侧根产生的拉伸变形增大,前侧根附近塑性区分布范围增大,表明前侧根能调动周围更大范围的土体抵抗剪切,根系固土效果增强。