基于CT扫描研究颗粒形状对砂土力学性质的影响

为了探究颗粒形状对砂土力学性质的影响,选取玻璃珠、石英砂、玻璃渣3种颗粒形状差异较大的砂土作为研究对象。首先通过计算机断层(computed tomography,CT)扫描重构了3种砂土的三维结构,选取了伸长率(EI)、扁度(FI)、球度(S)3个表征颗粒形状参数的均值作为砂土颗粒整体形状参数(overall regularity,OR),并对整体形状参数OR进行统计分析。然后配制7种不同形状参数的砂土进行了常规三轴压缩试验得到了其力学强度参数,研究砂土颗粒形状对其力学强度的影响规律。结果表明:7种砂土的应力-应变曲线均为应变软化型,都呈现出先剪缩后剪胀的特性;整体形状参数OR能较好反映砂土的力学特征,即随着整体形状参数OR的减小,应变软化现象变得不明显,但其峰值偏应力呈增大的趋势;砂土的内摩擦角随整体形状参数OR的减小呈线性增长,表观黏聚力急剧增大,但最大剪胀角随OR的减小而减小。此外,将临界内摩擦角与整体形状参数OR进行线性拟合,得到了两者较好的线性关系。

基于离散元模拟的不同挡土墙位移模式下非极限主动土压力

针对刚性挡土墙主动位移过程中砂土非极限主动土压力问题,利用PFC 2D分别对挡土墙绕墙顶转动(RB)模式、绕墙顶转动(RT)模式和平动(T)模式下砂土主动破坏过程进行模拟分析。分析结果表明,不同位移模式下土体内摩擦角及墙土摩擦角调动规律存在差异。挡土墙主动位移过程中,RB模式下土体破坏从墙顶开始,向墙脚发展,土楔体内部只有靠近墙背侧区域出现主应力偏转现象,并且土楔体中内摩擦角调动值均能达到极限值。RT模式下,土体破坏沿着墙背和滑裂面从墙脚开始,向土体表面发展,墙后土楔体中上部区域主应力偏转角度较大,形成了大主应力拱,与此对应的是该区域内摩擦角调动值相对初始内摩擦角减小。T模式下,土体破坏分别沿着墙背从墙顶向墙脚发展以及沿着滑裂面从墙脚向土体表面发展,墙后土楔体内部会出现小主应力拱,且内摩擦角调动值从初始内摩擦角增加,但达不到极限值。

黏性土的非极限主动土压力计算方法研究

经典土压力理论只能计算挡土墙位移达到极限状态时的土压力。为了更贴近工程实际,需要发展非极性土压力理论,但以往的研究仅限于砂土。对于黏性土的非极限主动土压力,在已有成果的基础上,从黏性土的应力莫尔圆出发,推导了介于初始状态和极限主动状态之间的中间状态时,黏性土的内摩擦角随墙体位移变化的关系公式;同时考虑了墙土接触面上外摩擦角和黏聚力cw的影响,根据黏性土应力莫尔圆的几何关系得到了土体黏聚力c与墙体位移的关系;最后应用水平分层法求得了非极限状态时黏性土的主动土压力计算公式。与模型试验数据的对比分析表明,理论计算值和试验实测值基本吻合。研究表明,计算方法对于计算黏性土在非极限状态时的主动土压力具有一定的理论意义,在实际工程中也具有相应的实用价值。

砂土的稳态强度固结不排水三轴试验研究

稳态强度理论在土工抗震研究中具有重要意义。介绍了稳态强度理论的基本概念、稳态强度的固结不排水剪切试验方法及试验结果;论证了稳态线的存在性和唯一性;推求了e-p′-q空间内的稳态线方程,揭示了稳态内摩擦角是土体变形最终可动用的有效内摩擦角的物理含义,同时得到了由围压σ3、相对密度Dr确定稳态强度qss的方法。

锤片式粉碎机空载运行中锤片的受力及运动状态

为了探析锤片式粉碎机运转过程中锤片的受力和运动状态,并为全面分析锤销磨损机理及粉碎机转子的动特性提供理论依据,在考虑锤片与销轴间摩擦的前提下,通过动力学及临界分析的方法,对空载运行过程中锤片的受力及运动进行了理论研究。结果表明,在临界静止偏角范围内,锤片相对转子径线存在随机偏转静止现象;而导出的临界静止偏角表达式显示,其数值仅与锤销间静摩擦系数和锤片-转子系统的结构及工作参数有关;同时,锤片的相对随机偏转静止使得转子锤片组的质心同样产生随机偏移现象。该文的研究结果为锤片式粉碎机动特性分析及结构优化设计提供了理论依据。

非极限主动土压力计算方法初探

针对未达到极限位移的刚性挡土墙,提出了一种简单可行的主动土压力计算方法。根据反映墙后主动区土体应力-应变性状的卸荷应力路径试验确定的应力-应变关系,建立非极限状态摩擦角与墙体位移的关系。对于未达到极限位移的挡土墙,结合已取得的位移与摩擦角之间的关系,采用与滑裂面相平行的微条对墙后滑动楔体进行划分,对微条进行受力分析,建立平衡方程,推导了滑裂面的倾角,从而得到非极限主动土压力计算公式。随后与一例模型试验数据作了对比分析,计算值与实测值基本吻合,仅在墙下部1/3墙高范围内存在一定的差距。研究表明,所提出的计算方法能够用于计算处于非极限状态下挡土墙的土压力,具有一定的理论意义和工程参考价值。

软弱岩石峰后应变软化力学特性研究

软弱岩石给采矿工程中巷道支护和维护带来一系列棘手的问题,深入研究软弱岩石受力变形、破坏的机制和规律,对于保证巷道围岩的安全和稳定具有十分重要的意义。通过对软弱泥岩进行常规三轴压缩试验,得到不同围压下的全应力–应变关系曲线,然后依据峰后岩石任意一点应力状态均满足Mohr-Coulomb极限破坏条件的假设,建立以广义黏聚力■和广义内摩擦角■两个状态参数来表征的软弱岩石后继屈服面模型。在此基础上,利用试验数据绘制岩石峰后不同软化状态时的几组莫尔应力圆,通过"切线法"得出莫尔强度包络线的拟合方程,进而确定出不同围压条件下的■和■值,并借助Matlab软件对广义黏聚力■、广义内摩擦角■与等效塑性剪切应变、围压之间的关系进行最小二乘曲面拟合,得出软弱岩石峰后力学参数的软化规律,结果表明:随着围压的增加,广义黏聚力c值呈快速增加的趋势,而广义内摩擦角■值则显著减小;广义黏聚力■受岩石软化程度的影响也十分明显,从岩石峰值状态到残余状态■值迅速降低,平均降低53.88%,而广义内摩擦角■值在该软化过程中则基本保持稳定。最后,将得到的广义黏聚力■和广义内摩擦角■的拟合方程嵌入到FLAC内置应变软化本构关系中,并利用FLAC3D软件对模型的正确性进行数值模拟验证,结果表明数值模拟曲线与试验曲线比较吻合。

中主应力对饱和松砂不排水单调剪切特性的影响

利用土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪,针对相对密度为30%的福建标准砂,在不排水条件下控制主应力方向、中主应力系数、平均主应力保持不变,进行了单调剪切试验。以此着重探讨了中主应力系数对相变有效内摩擦角、峰值有效内摩擦角及有效应力路径的影响。研究表明,中主应力系数对在不排水单调剪切条件下饱和松砂的强度参数具有显著的影响,而对有效应力路径及应力-应变关系发展模式影响较小。基于广义双剪强度准则,从理论上探讨了土的强度参数对于中主应力的依赖性,并与试验结果进行了对比。

主应力方向对饱和松砂不排水单调剪切特性影响的试验研究

利用大连理工大学新开发的“土工静力–动力液压–三轴扭转多功能剪切仪”,针对相对密度为30%的福建标准砂,在不排水条件下控制试验过程中主应力方向、中主应力系数、平均主应力保持不变,进行了单调剪切试验。以此着重探讨了主应力方向对有效内摩擦角、有效应力路径及应力-应变关系的影响。研究表明,主应力方向对在不排水条件下饱和松砂的单调剪切特性具有显著影响。

非极限状态主动土压力的研究

针对刚性挡土墙,推导了非极限状态摩擦角与相对位移之间的关系式,分析了最不利情况下墙后土楔的受力情况,得到非极限状态主动土压力计算公式,较好地解释了平动位移模式下的主动土压力分布性状。并通过室内模型试验进行了验算。文中仅对砂性土主动土压力进行研究。

饱和尾矿稳态特性研究

饱和尾矿的稳态强度和变形特性是尾矿坝能否发生流滑破坏的关键因素,通过试验充分了解尾矿的稳态特性是尾矿坝稳定性评价的重要内容。以江西九江某尾矿坝体的尾矿为对象,进行三轴固结不排水剪切试验,研究饱和尾矿的稳态特性。结果表明:饱和松散尾矿的三轴固结不排水剪切曲线具有明显的软化特性,曲线软化程度随围压的增大而减小,同一围压下孔隙比越小软化现象越不明显。根据试验结果建立尾矿的稳态线,论证了稳态是尾矿的固有属性,即稳态线具有唯一性。指出稳态内摩擦角是尾矿变形最终可动用的有效内摩擦角,并求出尾矿稳态内摩擦角。

非极限状态挡土墙土压力计算

在考虑摩擦角发挥值与墙体位移关系的基础上,利用薄层单元法对未达到极限状态的挡土墙非极限状态主动土压力进行研究。取挡土墙后滑动楔体沿平行于填料坡面的水平薄层作为微分单元体,通过作用在水平薄层的力和滑动楔体力矩平衡条件,建立关于一般挡土墙非极限状态主动土压力的微分方程,得到非极限状态土侧压力系数、土压力强度、土压力合力和作用点的理论公式。对墙土摩擦角发挥值和填土内摩擦角发挥值进行讨论,并分析填土内摩擦角和挡土墙位移比对土侧压力系数、土压力分布和作用点的影响。对计算值与实测模型试验值进行对比分析。研究结果表明,采用库仑理论计算平动刚性挡土墙倾覆力矩偏于不安全。本文方法计算主动土压力结果与实测值的变化规律基本一致,主动土压力分布曲线吻合良好,具有一定的理论意义和工程实用价值。

基于扰动状态概念模型的刚性挡土墙土压力理论

基于扰动状态概念(DSC),结合库伦土压力理论研究平动位移模式下刚性挡土墙的土压力计算方法.以挡墙平动位移量为扰动参量,建立扰动度函数表达式.提出扰动摩擦角概念,建立扰动摩擦角与扰动度之间的关系公式.参照库仑土压力理论,分析任意扰动状态下土楔的最不利受力情况,得到平动位移模式下基于DSC理论刚性挡土墙土压力计算公式.算例分析表明:在任意扰动状态下,基于DSC理论的刚性挡墙土压力计算公式所预测的土压力大小、分布以及土压力系数均与模型试验结果比较吻合.

基于砂土状态和细观特征的剪切带倾角公式

剪切带扩展方向的确定是岩土体渐进破坏分析的关键.系统收集国内外文献中各类砂土剪切带倾角的平面应变试验结果,将其与现有的剪切带倾角计算方法的结果进行对比,发现现有方法的计算值与试验值偏离较大,计算误差不可忽略.提出考虑砂土颗粒形状、密实度和有效平均正应力等影响因素的剪切带倾角经验公式,表征各类砂土破裂发展方向,定量描述土体状态对剪切带倾角的影响.提出的公式适用于各类砂土的剪切带倾角计算,公式各参数物理意义明确,且均可由常规物性试验和室内单元体试验测得.研究表明,由提出的公式得到的理论值与试验值偏差基本在-5°～5°,平均误差、标准误差和均方误差等统计指标约为现有其他方法的1/3,且不同密实度或有效平均正应力下的倾角变化规律与试验结果一致.

平移变位模式下黏性土非极限主动土压力

针对经典朗肯与库仑土压力理论不能计算非极限土压力的事实.根据土体渐进破坏机理,结合已有文献对准主动状态下土体摩擦角、黏聚力发挥值与墙体位移关系的研究,采用水平层分析法,通过建立水平微元体基本受力平衡方程,推导出非极限状态下黏性土主动土压力分布的一阶微分方程式.在此基础上给出了土压力合力及其作用点位置计算式,相应简化条件下,所提公式能够简化为朗肯、库仑主动土压力公式.算例分析结果表明:理论计算值与实测值基本吻合,获得了平移变位模式下黏性土非极限土压力随位移变化的规律,对实际工程挡土墙的设计计算具有一定的参考价值.

排水条件下饱和砂土单调剪切特性试验研究

应用大连理工大学研发的土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪,控制试验过程的平均主应力和中主应力系数保持恒定,改变主应力方向,针对相对密度为30%、60%的饱和福建标准砂,进行一系列排水单调剪切试验.主要探讨排水条件下主应力方向和相对密度对砂土应力-应变关系、有效内摩擦角及体变特性的影响.试验结果表明:主应力方向对饱和砂土的单调剪切特性具有显著影响;不同主应力方向对应的应力-应变关系所表现出的变化规律取决于水平面与竖直面上受到的剪应力作用,相变及峰值广义剪应力和有效内摩擦角与主应力方向角之间存在抛物线型关系.同时相对密度的影响也不容忽略;同中密砂相比,松砂的剪缩现象明显,其峰值抗剪强度降低.

甘肃天水地区黄土极限状态边坡的统计分析

在实际工程边坡设计中,往往参考临近自然边坡的坡率设计来进行人工开挖边坡。基于这种工程类比法,现场实测甘肃天水地区51个坡高40～150m的黄土极限状态边坡断面,获得其坡高、坡宽及坡度参数,统计发现坡高与坡宽符合双对数线性关系,建立二者的相关方程;再将坡高按10m间距分段,每个坡高段取3个极限坡高,利用Morgenstern-Price法反演了不同坡高段的强度参数(内聚力和内摩擦角)。由反演结果发现,随着坡高的增大,黄土的综合内聚力增大,内摩擦角减小,此特点与黄土强度参数值随所处深度的变化规律基本一致。基于反演的强度参数和极限状态边坡坡高与坡宽的回归方程,进一步计算获得不同稳定系数下的坡高与坡宽的关系曲线,将该曲线制成图,可用来直接判定一个已知边坡的稳定系数,也可以用来确定拟设计边坡的坡度。

复杂应力条件下饱和砂土排水剪切强度的试验研究

针对相对密度为30%的福建标准砂,利用土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪,在不同初始固结条件下控制试验过程的平均主应力保持不变,改变中主应力系数和主应力方向,进行了应力控制式单调排水剪切试验,着重探讨中主应力系数和主应力方向对砂土剪切强度的耦合影响。试验结果表明:在相同的试验条件下,中主应力系数对饱和标准砂的应力-应变关系具有影响,但对体变特性的影响并不明显。上述现象同初始固结应力比的大小无关。平均主应力一定,广义剪应力随中主应力系数增大而降低的趋势同时依赖于主应力方向的作用。中主应力系数对内摩擦角的放大效应同样受到主应力方向的影响。基于广义双剪应力准则,引入考虑主应力方向影响程度的权重系数,结合试验结果给出了考虑中主应力系数和主应力方向耦合影响的强度指标表达式。

基于主动式纠偏的曲线顶管施工力学特性研究

曲线顶管施工技术在市政管线工程中得到越来越广泛的应用。在分析曲线顶管施工机理的基础上,提出并对比分析了3种管节纠偏方案,进而结合主动式纠偏方案的施工特点,对三维曲线顶管施工过程中管土间挤压作用力进行计算分析,并推导了管节顶进摩阻力计算公式,其后对管线平面夹角、管线半径及管径大小3个摩阻力影响因素进行单因素分析。考虑管外注浆对管土接触状态的影响,进而引入土压力作用系数对顶进摩阻力计算公式进行修正,并通过对比分析顶进摩阻力的现场实测值、规范建议值及公式计算值,给出了土压力作用系数的建议取值范围。研究表明:主动式纠偏方案在管节姿态调整、施工扰动控制及管身衬砌受力等方面优于其他两种纠偏方案;顶管施工过程中管土间的挤压作用力呈三维复杂状态,不能进行简单的叠加;管线平面夹角对管节转动摩阻力有显著影响,管线半径对侧向顶推摩阻力和管节转动摩阻力均有一定的影响,而管径大小则主要影响地层土压力摩阻力的数值;管土接触状态是真实存在的,其土压力作用系数的取值范围大致在0.2~0.6之间。

非饱和-饱和状态变化对土质边坡稳定性的影响研究

土质边坡在降雨条件下发生的破坏失稳与土体的非饱和-饱和状态变化存在必然的内在关联。考虑土质边坡的非饱和-饱和状态变化,以此建立非饱和土抗剪强度与基质吸力之间的函数关系,并结合基质吸力的理论分布规律,运用非饱和土边坡的稳定性分析方法研究边坡安全系数,分析土体由非饱和状态向饱和状态的转变过程中边坡安全系数的变化规律。结果表明,雨水入渗使得土体由非饱和状态向饱和状态进行转变;在坡脚处最先出现塑性区,并逐渐向坡顶发展,直至形成贯通塑性区而使土体破坏;土质边坡的滑移面由浅层滑移向深层滑移发展;结合不同的入渗深度下边坡的瞬态安全系数值的变化规律,能够量化计算边坡失稳的临界入渗深度值,为实际工程提供合理的判断依据。