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。

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。

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。

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。

黄土盾构隧道开挖围岩扰动特性模型试验研究

为了探究不同含水率和埋深等工况下的黄土盾构隧道开挖对围岩的扰动作用特征,采用相似模型试验,首先通过三轴试验测定了不同含水率下原状黄土物理参数及强度指标,通过大量试配得到了不同含水率下与原状黄土强度指标参数相似的试验用土。其后,考虑盾构隧道盾尾间隙特征,开展不同含水率及埋深等组合工况下盾构开挖模拟试验,通过微型土压力传感器、百分表等监测元件以及数字图像技术等手段,分析了不同工况下地层变形、地表沉降和围岩应力的变化规律。研究发现:含水率较低时,围岩的自稳能力强;含水率越高,埋深越大,开挖对地层的扰动作用也越大;地表最大沉降值与含水率呈正相关,与埋深呈负相关;围岩剩余应力随含水率和埋深的增大而增大,但当含水率增大至一定值(26.6%)时,围岩剩余应力骤减;基于不同含水率下的围岩应力及变形发展规律,可将黄土含水率分为自稳、形变以及松动含水率,基于含水率和埋深引起的围岩松动情况,可将不同工况下的黄土盾构隧道围岩压力作用模式按照形变压力和松动压力计算,以更加适应黄土地层的特性。

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。

红层泥岩填料的力学特性及本构模型研究

在红层泥岩地区进行道路工程施工时,考虑到材料短缺和成本问题,常常采用就地取材的方式作为路基填料。为了研究红层泥岩填料的适用性,选取甘肃省永登县某工点的风化红层泥岩填料为研究对象,在室内开展一系列三轴CU剪切试验,探究含水率、围压和压实度对应力-应变曲线、峰值(残余)强度、抗剪强度指标的影响,并对不同类型的应力-应变曲线,分别采用相应的模型进行拟合。研究结果表明:含水率、围压和压实度对其物理力学特性具有显著影响;对符合应变软化型规律的曲线,采用沈珠江的双曲线模型拟合的规律一般;对符合应变硬化型规律的曲线,采用Duncan-Chang模型拟合的规律较好。研究结果可以为甘肃省红层泥岩路基的病害处治与维修提供参考依据。

富里酸污染红黏土抗剪强度试验研究

通过在红黏土中掺入不同含量富里酸粉末制样,并对试样采用蒸馏水饱和浸泡,对浸泡龄期为7 d、14 d和28 d的试样进行直剪试验,分析不同富里酸掺入量和浸泡时间对红黏土试样抗剪强度的影响。试验结果表明,富里酸的掺入会降低土样的抗剪强度,土样的黏聚力随富里酸掺入量增加而提高,内摩擦角则随富里酸含量的增加而逐渐降低,相同富里酸掺入量下,浸泡时间越长,黏聚力越大,内摩擦角则越小。富里酸分子的羧基、羟基、羰基、甲氧基等活性官能团与土体矿物表面形成吸附作用,使得富里酸包裹在土颗粒表面,对土颗粒间形成联结作用,从而影响土体的抗剪强度指标。

三轴剪切过程中排水条件对钙质砂颗粒破碎、变形和强度特性的影响

钙质砂的颗粒破碎、变形和强度特性与受剪时的排水条件有关。然而当前的研究很少考虑不排水剪切过程对钙质砂颗粒破碎和力学特性的影响。对不同初始相对密实度的钙质砂进行了一系列不同有效围压下的三轴固结排水和不排水剪试验,以研究剪切过程中排水条件对钙质砂颗粒破碎和力学性质的影响。结果表明:在相同的有效围压下,排水剪试验的颗粒破碎率高于不排水剪试验。在排水剪与不排水剪过程中,钙质砂的应力-应变曲线都表现为应变软化行为,其剪胀趋势受到初始相对密实度和有效围压的影响。钙质砂的临界状态与初始状态无关,与剪切过程中的排水条件有关,对于临界应力比和相变应力比,排水剪试验大于不排水剪试验。钙质砂的峰值有效内摩擦角随初始相对密实度、有效围压和颗粒破碎率的增大而减小,但是临界有效内摩擦角不受初始条件、有效围压和颗粒破碎的影响,两种有效内摩擦角都与剪切过程中的排水条件有关。对于峰值有效内摩擦角和临界有效内摩擦角,排水剪试验大于不排水剪试验。上述结果表明,钙质砂的颗粒破碎、变形和强度特性与剪切过程中的排水条件具有明显的相关性。

声呐渗流测试技术之质疑

介绍了近年来新出现的用声呐法测试渗流速度和渗流方向这一技术的核心内容,包括测试装置、测试原理和计算方法等。从理论和实践上对其提出了4方面的质疑:测试原理的理论基础、渗流速度计算方法、渗流方向确定和流场畸变。通过理论分析、公式的推导和数据的可靠性分析后认为:声呐测试渗流的原理缺乏理论解释;计算渗流速度的公式反映的只是孔内垂向流速度,实际还是由测量误差产生的伪垂向流速度,且该公式本身就推导不成立;无论垂向流是向上流动或向下流动,探头上部的水声器发射的声波到达下部平面对称分布的6个水声器的时间在理论上是相等的,因而也无法通过合成法求得渗流方向,所提供的渗流方向实际是由指数级时间误差计算得到的伪流向;即声呐法无法获得渗流速度,包括水平向渗流速度和垂直向流动速度,也无法获得水平向渗流方向。

基于摄影测量的三轴土体剪切带演化规律

为实现土样局部变形的定向研究,同时优化土样的变形测量精度,将数字图像测量与三轴试验结合,在不对仪器做大型改造的条件下,运用摄影测量技术改良试验.以桂林地区红黏土为研究对象,试验全程对土样全表面进行受力变形监测,并还原土样的三维重构模型,以此研究其应力应变关系、局部应变特性、剪切带演化规律.研究结果表明:(1)土样表面的剪切带内外区域具有截然不同的变形特征,带外区域变形较为均匀且变形量趋于稳定,而带内区域变形不均匀且变形量不断加剧;(2)根据土样表面不同区域间的局部应变差异,确定了剪切带开始形成、停止扩张及完全贯穿的临界状态,提出了一种判别剪切带发展阶段的方法;(3)根据判别方法,将剪切带的演化过程拆分为压缩变形、表面扩张、延伸贯穿、相对滑移四个阶段,并分析了各个阶段不同的变形规律与破坏机理.经摄影测量技术改良的三轴试验,能够得到更准确的土体局部本构关系和变形特性,为探索土的应变局部化现象提供了一种精确且经济的研究方案.

浅议土的复杂性

土的复杂性使人很难对其严密地定名与分类,几乎不可能精准地预测其行为。土的复杂性来源于其是天然的产物和碎散的颗粒集合体。土的天然属性使其具有三相组成,土中水成为土力学中理论上的难点,也常常是一切地质灾害与工程事故的根源。土力学教学中所谓的土是被简单化了的,与大自然中的原状土有着很大的差别。土的碎散性使其受力变形性状与物理性质相耦合,在受力变形的过程中其组成、状态、结构都处于不断地变化中,这就是其力学性质非常复杂的主要原因。通过DDA(Discontinuous deformation analysis)分析揭示了土颗粒运动与土的各种变形特性间的联系;土的湿化试验表明了塑性应变是度量土的应力-应变特性的主要因素。人类与土之间有着长期的密切的关系,土作为人类的载体、材料、工具与武器,是人类须臾不可离开的东西。在长期的生活与生产过程中,人们积累了关于土的丰富的经验,也吸取了很多教训。至今经验性的方法仍然是在岩土工程的综合判断与工程决策中的基本方法。

黄原胶-粉煤灰联合处理酸污染土试验研究

绿色环保型生物聚合物黄原胶应用于岩土工程,可提高土体强度及抗风蚀、水蚀能力。鉴于黄原胶分子中的丙酮酸基团和糖苷键在酸性土壤条件下易水解,导致凝胶黏性减小、固土效果减弱,拟采用碱性材料粉煤灰协同黄原胶固化酸污染土,并开展液塑限、击实及无侧限抗压强度试验。结果表明:粉煤灰有助于提高固化土的塑限、最优含水率及最大干密度。酸性土壤条件下,粉煤灰能明显改善黄原胶固土效果,联合法固化酸污染土强度甚至超过联合法固化未污染土。另外,粉煤灰可提高土壤的pH值,缓解黄原胶水解,使其发挥增黏及胶结土颗粒的作用。基于试验结果,建议采用联合法固化酸污染土(FA=9%,XG=3%),可比酸污染上海黏土强度提高310%;在未污染土中采用黄原胶即可(XG=4%),可比未污染天然上海黏土强度提高90%。研究成果有助于绿色环保型生物聚合物的推广与应用。

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。

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。

干湿路径下非饱和黄土渗透特性及微观机理研究

采用基于核磁共振技术的瞬时截面法开展黄土的非饱和渗透试验,研究干、湿两种不同路径下黄土的渗透特性;通过分析渗流过程中孔隙水的分布变化情况,从微观层面探讨干、湿路径下非饱和黄土的渗透机理。结果表明:在吸湿和脱湿的过程中,黄土渗透特性的变化规律存在较大差异,非饱和渗透系数与体积含水率的关系曲线存在一定的滞回性,饱和度较高时,吸湿路径下的非饱和渗透系数大于脱湿路径;在整个渗流过程中,孔隙内的水分迁移存在一定的主次关系,在吸湿阶段,水分优先填充孔径较小的孔隙,而在脱湿阶段,孔径较大的孔隙优先排水;孔隙水的分布是影响黄土非饱和渗透的重要因素,赋存在较大孔隙内的水分对渗透系数的影响居主导地位,而赋存在较小孔隙内的水分对土样渗透的影响则相对较小。

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。

地震液化离心机振动台模型试验与LEAP研究进展

离心机振动台模型试验是研究地震液化问题的重要手段,一方面可重现场地地震响应和揭示液化致灾规律,为发展工程设计方法提供依据;另一方面可以作为特定边值问题的标准模型试验数据,验证数值方法与土体本构模型及其参数选取的合理性。介绍了离心机振动台模型试验的试验原理,回顾了离心机振动台模型试验在地震液化领域的主要研究进展。围绕由中国、美国、日本和英国等国家高校与研究所联合开展的国际合作项目“液化试验与分析”(LEAP),重点介绍了若干为提高离心机振动台模型试验可重复性而发展的物理模拟新技术,包括离心机振动台的台面振动控制技术、模型土体弹性波速测试技术和基于图像分析的动态位移监测技术等。最后针对地震液化领域的若干工程和研究需求,探讨了离心机振动台模型试验领域的发展趋势。

基于扰动状态概念的砂土-混凝土桩接触面荷载传递模型研究

基于扰动状态概念理论,考虑砂土密实度对扰动函数的影响,建立混凝土桩-砂土接触面荷载传递模型。用混凝土板表征桩侧粗糙度效应,采用大型直剪仪开展不同密实度的砂土-混凝土桩接触面力学行为的试验模拟,研究砂土密实度对混凝土桩-砂土接触面的力学特性的影响规律,分析接触面模型初始剪切系数、模型扰动参数(A和Z)对桩-砂土接触面荷载传递模型的作用机制。研究结果表明:1)混凝土桩-砂土接触面易呈现应变软化,在低法向应力条件下,混凝土桩-密砂接触面的应变软化程度最大。2)模型扰动参数Z在数值上近似等于孔隙比。模型扰动参数A越大,砂土与混凝土桩接触面的软化显著程度越大。参数A随着密实度增大而增大。随着法向应力增大,密砂的扰动参数A呈近似线性衰减,松砂和中密砂的扰动参数A近似呈双折线衰减。3)初始剪切系数k_s随着法向应力增大而增大,密实度越大,增速越快。4)基于扰动状态概念的桩-砂土接触面荷载传递模型可靠、参数的物理意义明确且易确定,能很好地表征桩-砂土接触面的应变软化及硬化等力学特征。