考虑孔隙比影响的堆石料湿化试验及湿化模型

对某堆石坝的坝壳料进行了不同密实状态下的单线法三轴湿化试验,分析了湿化变形随围压、应力水平以及初始孔隙比的变化规律。结果表明:在围压和应力水平相同条件下,随着初始孔隙比的减小,堆石料湿化轴向应变和体积应变均明显降低;初始孔隙比对湿化应力剪胀规律影响不大,采用对数形式的湿化剪胀方程可对不同初始孔隙比条件下的湿化应力剪胀关系进行统一描述。对指数形式的湿化轴向应变经验模型进行修正,构建了考虑初始孔隙比及应力状态影响的湿化轴向应变计算模型,并联立湿化剪胀方程推导了湿化体积应变的计算公式,通过对三轴湿化试验结果进行模拟验证了该公式的合理性。

砂-粉混合料颗粒接触状态的临界条件确定

砂-粉混合料被广泛应用于高速铁路路基、人工筑岛及海底沉管隧道垫层等重大工程,如何科学地表征砂-粉混合料复杂的颗粒接触状态及连续演变的力学行为特征,并深入揭示其对混合料静/动力学特性的影响已是一项紧迫的基础性科学研究任务。本文基于代表性砂-粉混合料的基本物理性能指标及力学特性指标试验数据,验证Rahman等提出的区分“细粒填充砂粒”和“砂粒悬浮细粒”的阈值细粒含量FCth半经验公式预测能力。基于理想二元介质材料的理论最小孔隙比计算方法,提出确定中间性态土颗粒接触状态临界条件参量FC_(in-min)和FC_(in-max)的方法,分析各参数对FC_(in-min)和FC_(in-max)的影响规律,建立基于基本物理性能指标的FC_(in-min)和FC_(in-max)预测方法,最终提出全FC范围(FC=0~100%)的砂-粉混合料各颗粒接触状态临界条件参量的有效评价方法。

橡胶混合黏土小应变剪切模量特性试验研究

为了研究橡胶混合黏土(混合土)的动变形特性,对不同橡胶掺量、橡胶粒径和围压的混合土开展共振柱试验,分析动剪切模量G和阻尼比λ的发展规律,并基于二元介质模型,提出了表达混合土接触状态的骨架孔隙比e_(sk)计算方法,进一步依托骨架孔隙比e_(sk)对混合土的最大动剪切模量G_(max)进行评价。结果表明:掺入橡胶颗粒后,混合土的G减小,λ增大,且橡胶掺量增大时,混合土的G减小、λ增大;围压增大时,混合土的G增大、λ减小;橡胶粒径增大时,混合土的G增大、λ减小。随着橡胶掺量增大,骨架孔隙比e_(sk)增大,G_(max)降低;在相同橡胶掺量时,随着橡胶粒径的增大,e_(sk)增大,G_(max)升高。在Hardin公式的基础上,基于骨架孔隙比e_(sk)提出了考虑橡胶掺量和橡胶粒径的G_(max)表征模型,该模型具有较好的准确性,可为评价橡胶混合黏土G_(max)提供依据。

饱和珊瑚砂体应变发展模式与预测模型试验研究

珊瑚砂具有较好的排水条件,地震、波浪荷载作用下饱和珊瑚砂产生的排水变形易引起海床和附近结构物的破坏。利用GDS循环三轴仪,针对南沙岛礁饱和珊瑚砂试样进行了一系列循环排水加载试验,以探究细粒含量FC、相对密度D_r及循环应力比CSR对饱和珊瑚砂变形特性的影响。试验结果表明,饱和珊瑚砂的累积体应变ε_(vp)的发展速率和变形程度随FC、CSR的增大而增大,随D_(r)的增大而减小。饱和珊瑚砂ε_(vp)-N关系曲线呈现出循环平稳和循环蠕变两种发展模式。引入潜在破坏系数DP表征FC对ε_(vp)发展模式的影响,建立了DP×CSR-D_(r)框架的饱和珊瑚砂体应变发展模式评价方法。为表征FC及D_(r)对饱和珊瑚砂ε_(vp)-N关系曲线的影响,引入了骨架孔隙比e_(sk)*,发现两种发展模式下ε_(vp-s)与e_(sk)*均存在良好的相关性,遂建立了排水循环加载条件下饱和珊瑚砂的体应变发展模型,可以较好地预测饱和珊瑚砂的累积体应变发展规律。

覆岩离层注浆采空区自燃“三带”分布规律

覆岩离层注浆技术通过压实采空区内的破碎岩体,改变了采空区的流场特性和自燃“三带”的分布情况。为了探讨屯兰矿22301综采工作面离层注浆件下采空区遗煤自燃风险范围,基于实测和数值模拟相结合的方法,对该工作面采空区内存在的自燃“三带”进行准确划分;并提出了注浆钻孔的空隙率三维数学模型,评估不同注浆钻孔位置对采空区流场的影响。结果表明:修正后的空隙率三维数学模型能更好地反映注浆后采空区的气体流场,其模拟结果与现场实测结果的残差精度提高22%;相比于未注浆情况,离层注浆后采空区受到压实作用,有效抑制采空区自然发火的危险性,并导致工作面漏风风流向上汇聚,使采空区垮落带较高位置的氧气体积分数增加;注浆钻孔的布置参数对采空区流场将产生影响,其影响关联度依次为钻孔间距、钻孔排数、钻孔影响半径。

结构性对软黏土次固结特性影响的试验研究

【目的】分析软黏土原状样和重塑样次固结系数随固结压力的演化规律,比较不同试样的孔隙比和孔径分布曲线,探究结构性影响软黏土次固结特性的内在机理。【方法】对上海和温州软黏土的原状样和重塑样开展不同固结压力下的次固结试验及相同孔隙比下的压汞试验,得到试样在对应固结压力下的次固结系数及孔径分布曲线。【结果】原状样的次固结系数随固结压力的增大呈先增大后减小的变化规律,重塑样的次固结系数基本不受固结压力的影响。相同孔隙比下的原状样和重塑样在孔径分布上存在明显差异,而两者的次固结系数基本一致。但是,相同压力下的原状样和重塑样的次固结系数差值与孔隙比差值具有良好线性关系。【结论】固结压力对原状样次固结系数具有重要影响,但对重塑样次固结系数的影响可忽略不计。此外,相同压力下的原状样和重塑样的次固结系数差异,主要是结构性引起两种试样的孔隙比不同所致的,而孔隙结构对次固结系数的影响可忽略不计。

地铁车站下水平冻结过程中冻胀的热−水−力耦合模型研究

随着地下空间大规模开发利用,人工冻结法在隧道下穿上覆结构工程中得到广泛应用,但上覆结构对冻胀变形控制要求也越来越高,而上覆既有结构与冻结法工艺的相互作用规律尚不明晰。为此,提出多物理场耦合冻胀变形计算方法。依托上海地铁18号线国权路站下穿既有10号线上部运营车站的盾构隧道工程,以上海第⑤_(1)层灰色黏土为对象,研究新建隧道冻结法施工对上部运营车站主要结构的扰动作用。以孔隙比、冻结温度和平均水压力为耦合变量,考虑水分迁移,推导冻胀变形公式,改进热−水−力耦合的冻胀计算模型。基于黏性土的冻胀试验,获得冻胀试样的应力−应变关系,描述黏性土孔隙结构的变化规律。利用软件COMSOL Multiphysics的弱形式模块,开展热−水−力三场耦合数值模拟。结果表明:模拟结果与监测数据具有较高的拟合度,并小于预定的控制值,验证了耦合理论的正确性。研究成果可为类似冻结下穿隧道工程,提供一种多物理场耦合作用的上覆结构变形计算方法;为下穿隧道工程冻结法设计及施工提供有效的计算参数;为制定下穿隧道工程冻结法加固施工的安全控制指标,提供科学依据。

振动排水条件下软黏土的渗透特性试验研究

为研究振动排水条件下软黏土的渗透特性,采用振动排水固结仪和变水头渗透试验装置,对软黏土进行振动排水条件下的渗透试验,分析了荷载幅值、频率以及孔隙比对软黏土渗透性的影响规律。研究结果表明:软黏土的渗透系数随着加载时间的增加呈现先减小后增大再减小的趋势;随着载荷幅值的增大,渗透系数的增幅亦相应增大;不同频率下的渗透系数在加载中期增幅不同,1 Hz时对应的增幅最高;提出了适用于振动排水条件下e-k非线性表达式,渗透系数随着孔隙比的减小而减小。研究结论可为振动排水固结法的设计及应用提供参考。

考虑孔隙比的冻胀弱敏感性土修正PCHeave模型研究

针对我国严寒地区高速铁路路基填料和机场填方等工程具有严格的压实度要求,而考虑孔隙比的冻胀弱敏感性土冻胀影响研究尚未有系统性的理论分析,采用理论与经验分析相结合的方法,基于冻胀弱敏感性土的孔隙比与渗透系数和未冻水含量之间的关系,建立考虑孔隙比的修正PCHeave模型。基于该模型分析孔隙比与冻胀量、冻结深度和冻胀率之间的关系,并进行试验对比验证。研究结果表明:孔隙比与冻胀弱敏感性土的未冻水含量之间存在很好的线性关系;冻胀弱敏感性土的冻胀量和冻胀率均随孔隙比先增大再减小,即存在一个最不利孔隙比使得冻胀量和冻胀率均达到最大值;冻胀弱敏感性土的冻结深度随孔隙比增大而逐渐增大;若仅考虑孔隙比对饱和渗透系数的影响,冻胀量和冻胀率均随孔隙比显著增加,若仅考虑孔隙比对未冻水含量的影响,冻胀量和冻胀率均随孔隙比减小,但减小幅度很小。冻胀弱敏感性土通常被认为不能产生显著冻胀,在一定孔隙比下也能产生较大冻胀,同时考虑孔隙比对饱和渗透系数与未冻水含量的影响要更合理。冻胀弱敏感性土的冻胀不能忽略孔隙比的变化,与试验结果对比,该模型能够较好地描述孔隙比对冻胀弱敏感性土的冻胀影响。

硬沥青改性沥青混凝土黏结层路用性能研究

选择硬沥青作为一种天然沥青添加剂,通过在沥青混凝土黏结层中添加6%,7%,8%的硬沥青,与未添加硬沥青的混合物进行比较,评估硬沥青对沥青混凝土性能的影响。结果表明:添加硬沥青的混合物稳定性提高的同时,流动性增加,导致混合物具有更大的变形性;当硬沥青添加比例为6%时,混合物具有最优路用性能,表明在沥青混凝土黏结层中添加适量的硬沥青可有效提升道路铺装的质量和耐用性。

透水沥青混合料车辙试验离散元仿真

为分析车辙对透水沥青混合料内部空隙的影响,以透水沥青混合料PAC-13为研究对象,进行按级配上限及级配中值成型的沥青混合料试件的车辙试验,得到轮迹处的车辙及空隙率的变化规律;基于车辙试验数据,采用离散元软件PFC 2D,从细观角度建立透水沥青混合料离散元颗粒仿真模型,分析透水沥青混合料车辙产生过程中内部空隙及颗粒间接触力的变化规律,并考虑试件厚度对空隙率的影响。研究结果表明:车辆荷载作用处沥青混合料空隙率变化比其他部位大;在相同荷载作用下,级配中值沥青混合料的空隙率变化比级配上限沥青混合料小;级配上限沥青混合料的模型厚度增大,空隙率变化减小,颗粒间接触力向下传递的趋势降低,且车辙板底部所受颗粒间接触力较小;厚8 cm的车辙板在荷载位置的空隙率变化较大,且随距表面距离的增大,空隙率变化幅度减小。

基于空隙率数值模拟的水稳碎石级配研究

为了确定空隙率最小的CTB-30水泥稳定碎石级配,通过简化模型参数构建了离散元PFC3D的空隙率数值试验模型,粗集料级配采用数值试验确定,细集料级配通过i法确定,确定了空隙率最小的CTB-30级配,对CTB-30级配进行了力学性能验证与芯样强度测试。结果表明:19~31.5 mm、9.5~19 mm与4.75~9.5 mm三档集料空隙率最小的配比为42∶28∶30,i为0.75时细集料空隙率最小,粗、细集料的最佳比例为67∶33。采用重型击实法成型试件,在5%的水泥剂量下,与骨架密实级配中值、悬浮密实级配中值相比,空隙率最小的CTB-30级配的最佳含水率分别降低0.2%、0.4%,最大干密度分别提高0.018 g/cm^(3)、0.039 g/cm^(3),无侧限抗压强度分别增加3.8%、9.1%,劈裂强度分别增加5.7%、3.4%。通过试验段总结了施工要点,芯样检测结果超过室内试验结果,施工观感符合预期。

土石坝蓄水饱和湿化变形探讨

土石坝在蓄水期产生的过量变形会导致坝体结构应力重分布,进而使得某些部位损坏。对此,大量学者在筑坝料室内湿化特性及土石坝初期蓄水阶段应力变形的有限元模拟方面,开展了一系列研究。为进一步提高土石坝蓄水阶段变形控制水平,对现有研究成果进行了归纳分析,结果表明:坝料室内湿化试验技术的核心在于湿化变形测量、含水量测量及应力控制方法,在这些方面仍待进一步优化;关于湿化机理,目前仍缺乏有力的验证;按不同的湿化变形分解模式,会得到各异的湿化变形经验模型;“初应变法”数值模拟需假定湿化应变分解法则,“初应力法”得到的湿化变形较小。结合分析结果,提出以湿化孔隙比取代湿化变形,研究浸水饱和全过程中的孔隙比—饱和度关系的新研究思路。

福州地区饱和淤泥不固结不排水强度特性研究

为了解福州地区典型饱和淤泥的强度特性,进行三轴不固结不排水试验,并绘制应力圆曲线,获得抗剪强度指标C_(u)、φ_(u)值。为减少饱和度对强度指标的影响,依据勾股定理,对抗剪强度值进行修正,并分析饱和淤泥抗剪强度参数与含水率、孔隙比的相关关系,采用数理统计方法,总结含水率、孔隙比等对强度的影响。试验结果表明:饱和淤泥不固结不排水强度指标C_(u)、φ_(u)整体上是随着含水率、孔隙比的增大而呈减小趋势。

含有机质土渗透特性的研究

为了研究含有机质土的渗透特性,通过在蒙脱石、伊利石和高岭土中添加泥炭,分别配置了6组不同有机质含量的矿质土样。利用固结-渗透联合试验的结果,分析了固结压力、孔隙比、干密度、有机质含量及矿物成分对含有机质土渗透特性的影响。试验结果表明:随着固结压力、干密度、有机质含量的增加以及孔隙比的减小,渗透系数整体呈下降的规律。其关系可分为2个阶段:显著下降阶段及平缓下降阶段。在显著下降阶段,渗透系数随固结压力的变化幅度可达37%~78%;干密度、有机质含量提高1%,孔隙比降低1%,渗透系数分别降低1%~4%、2%~6%及1%~11%。在平缓下降阶段,渗透系数随固结压力的变化幅度为8%~11%;干密度、有机质含量提高1%,孔隙比降低1%,渗透系数分别降低0.2%~0.8%、0.5%~0.6%及0.9%~1.8%。矿物成分对土渗透特性的影响较大,3种矿质土的渗透系数由大到小为伊利石>高岭土>蒙脱石。

粘粒含量和孔隙比对微生物固化粉土效果影响研究

为研究粘粒含量和孔隙比对微生物固化粉土的影响效果,以黄河中下游典型粉土为研究对象,通过人工制作不同粘粒含量和孔隙比的粉土,采用蠕动泵将微生物菌液和营养盐对粉土进行低压注浆。分析了不同粘粒含量和孔隙比与碳酸钙生成量、单抽抗压强度和波速之间的变化规律。试验结果表明,当孔隙比为0.8且小于0.075 mm的粘粒含量为75%时,微生物加固粉土效果达到最优,继续增大孔隙比与粘粒含量,各项指标均呈现下降趋势。

关于C100混凝土强度不足的优化探讨

本文从原材料、试验细节、配合比等方面着手分析现有配合比强度不足的原因。通过对混凝土骨料空隙率的系统优化、胶材用量比例的对比筛选,以更低的砂率、更少的胶材用量,更低的成本,确保该项目C100混凝土满足布料施工性能的同时满足强度要求且有富余,配合比方向性的变化也更有益于混凝土的长期性能。

基于动态图像技术的南海钙质土颗粒形态特征研究

颗粒形态是一项重要的细观指标,影响着粒状土的物理力学性质。钙质土因为其特殊的生物成因,有着复杂的颗粒形态。为了研究其颗粒形态特征,采用PartAn 3D颗粒动态图像分析仪对粒径0.5~20 mm的南海钙质土颗粒开展形状测试,采用延伸率、扁平度、球形度、圆度、棱角度和凸度指标定量描述颗粒形态特征。结果显示:南海钙质土颗粒的延伸率、扁平度、球形度和圆度符合正态分布,而棱角度和凸度符合幂律分布;颗粒形状以块状居多,随着粒径的减小,钙质土颗粒变得更扁平,形状更规则;通过研究样本数量对颗粒形状量化结果的影响,建议采用形状指标的算术平均值量化单一粒组钙质土颗粒形状特征时,颗粒数目不少于600。最后,运用统计学中的主成分分析方法,得到一个综合考虑钙质土颗粒形状信息的新指标,建立了该指标与钙质土最大、最小孔隙比的关系。

多孔材料对氢气爆轰的抑制作用

为了研究多孔材料对氢气爆轰的抑制作用,在内径80 mm、长6000 mm的爆轰圆管中开展2H_(2)+O_(2)+3Ar预混气爆轰传播实验。在距点火头5000 mm处放置不同孔隙密度(10、20、40 ppi)厚度30 mm的Al_(2)O_(3)泡沫陶瓷和不同厚度(10、30、50 mm)孔隙密度20 ppi的泡沫铁镍金属,分别使用压力传感器、烟膜记录爆轰波压力、胞格结构,计算爆轰波传播速度。结果表明,速度亏损和胞格尺寸随着孔隙密度或厚度的增加而增大,但是均与初始压力成反比。两种多孔材料的材料特性不同,泡沫铁镍金属具有良好的导热性,因此对爆轰波的抑制效果强于Al_(2)O_(3)泡沫陶瓷。

基于剪切应变特征的饱和珊瑚砂超静孔压发展模型试验研究

利用空心圆柱扭剪仪,针对南沙岛礁饱和珊瑚砂试样进行了一系列不排水循环扭剪试验,以探究细粒含量FC、相对密度D_(r)及循环应力比CSR对饱和珊瑚砂超静孔压比R_(u)增长特性的影响。试验结果表明:R_(u)-N曲线发展速率随FC及CSR的增大而增大,随D_(r)的增大而减小;饱和珊瑚砂的R_(u)-N曲线发展速率明显超出了陆域石英砂,传统的Seed孔压模型对珊瑚砂孔压发展规律的表征不完全适用。相同的FC和D_(r)下,不同CSR作用下的珊瑚砂R_(u)与剪应变幅值γ_(a)具有唯一性关系。建立了基于剪应变特征的孔压发展预测模型,分析表明,孔压模型参数A为土性相关的常数,密度修正的孔压模型参数的B/(D_(r))^(1.5)与等效骨架孔隙比e_(sk)^(*)具有单一的负幂函数关系。