冻结作用下土石坝护坡土石混合体水分迁移试验研究

土石坝护坡冻胀破坏主要由护坡砂砾料垫层、坝体填土自身冻胀和水分迁移共同作用引起。针对寒区土石坝护坡普遍存在的隆起、错位、坍塌等冻胀破坏问题,以寒区某土石坝护坡工程砂砾料垫层、坝体填土为研究对象,采用自研的土石混合体水分迁移冻结模型试验装置系统,开展了补水条件下单向冻结模型试验研究,研究了温度、含石量、水分迁移对土石坝护坡土石混合体冻胀特性的影响。研究结果表明:温度、含石量对土石混合体的冻胀特性影响显著;水分迁移受土石含量、温度和含水率影响,护坡砂砾料垫层和坝体填土含水率越大,冻结过程中水分迁移量越大,水分相变成冰的条件越充分;土、石分层对黏土温度变化影响较大,黏土和砾石分层可有效减小水分迁移量和冻胀量,对土石坝护坡防冻胀是有利的;土石混合体内部孔隙水相变成冰并在试样内部形成分凝冰是冻胀量增加的主要原因,土石混合体原位冻胀以及冻结过程中分凝冰的生长使冻胀量不断增加,且补水量越大,试样冻胀量就越大;不同温度、含石量下试样的冻胀量均随补水量的增加而基本呈线性增大,且含石量对冻胀量增加速率影响较小,温度对冻胀量增加速率影响较显著。研究成果可为寒区土石坝护坡设计和运行管理提供科学依据和技术支撑,补充了碾压式土石坝设计规范中的护坡设计。

冰水赋存演化下冻结土石混合体-结构界面强度劣化机制及模型

温升下冻结土石混合体-结构界面层孔隙内冰水赋存改变极易诱发强度劣化,而目前界面强度劣化机制及劣化规律定量表征的相关研究存在空白。制备0%,15%,30%,45%等4种含石率组合体试样,通过核磁共振、直剪试验研究了正融过程冰水赋存演化下界面强度劣化特性,结合莫尔-库仑准则首次提出以薄膜水及毛细水含量变化率为参变量的强度劣化模型。得到结论:含石改变界面孔隙结构分布使毛细水占比升高;温升下界面抗剪强度劣化程度随含石率增加而降低;正融后不同含石率界面黏聚力衰减程度均大于内摩擦角衰减程度;黏聚力、内摩擦角与未冻水含量关系曲线分别呈阶段非线性特点及两阶段线性特点,其实质在于薄膜水及毛细水发育使得界面黏聚力和内摩擦角产生不同程度及形式的劣化。模型分析表明:随含石率升高,薄膜水及毛细水劣化系数具有“此消彼长”的特性,颗粒间及颗粒与结构接触面滑动摩擦强度和咬合摩擦强度劣化比例系数分别呈现下降、上升趋势。

分级动荷载下土石混合体滞回曲线形态特征试验研究

城市回填区地层多以松散土石混合体形式存在,自身结构孔隙率大、强度低、工程性能较差,对隧道施工扰动和地铁列车运行等动载作用十分敏感。滞回曲线可反映土体在动荷载作用下的变形、刚度及能量耗散等特征,研究土石混合体滞回曲线对回填区地铁的施工和运营安全具有重要意义。利用KTLDYN伺服电机控制式动三轴试验系统,采用分级加载的方式对回填区土石混合体试样进行了循环荷载试验,研究了含石量P、含水率ω、固结应力比k_(c)和加载频率f对滞回曲线的形态特征(包括中心间距d、长轴斜率k、滞回曲线包围面积S和不闭合程度ε_(p))和骨干曲线的影响。研究结果表明:土石混合体的典型滞回曲线整体呈长梭形,两端呈尖叶状。d、S、ε_(p)随着振级的增加呈非线性增大,k随着振级的增加呈对数关系衰减。同一振级下,d和ε_(p)随着P、k_(c)和f的增大而减小,随着ω的增大先减小后增大;k随着P、k_(c)和f的增大而增大,随着ω的增大先增大后减小;S与P呈正相关,随着ω的增大先增大后减小,随着k_(c)和f的增大而减小。当动应变相同时,动应力和骨干曲线斜率均随P、k_(c)和f的增大而不断增大;随ω的增大先增大后减小。

块石破碎性质对土石混合体剪切带厚度的影响研究

土石混合体作为一种典型的浅表层堆积体,常引发不同规模的滑坡灾害。本文通过对比土石混合体在室内大型直剪和离散元(PFC2D)数值模拟直剪条件下剪切带厚度随含石量和上覆压力的变化特征,以期进一步揭示影响土石混合体剪切带厚度的主要控制因素。试验结果显示,室内试验中土石混合体的剪切带厚度主要受含石量的影响,其次为上覆压力,受块石尺寸的影响不明显。剪切带厚度随含石量从0增加到50%时表现为增大的趋势,随含石量的继续增大而表现为减小的趋势。但上覆应力小于200 kPa时,剪切带厚度随上覆应力的增大表现为增大的趋势,但上覆应力超过200 kPa时,其值表现为减小的趋势。然而,在数值模拟计算中,考虑块石不可破碎的情况下剪切带裂纹区域的宽度随含石量和上覆压力的增大表现为持续增大的趋势特征。分析认为,土石混合体剪切中大块石之间咬合后的齿轮带动效应是促使剪切带厚度增大的重要原因,而骨架结构含石量以及高垂直应力下块石咬合部位因高度的应力集中,随后导致的咬合棱角破碎,块石变形被限制在一定的区域内,却抑制了剪切带厚度的进一步增大。相反,在块石不可破碎的数值模拟计算中,高含石量试样内块石可持续的咬合滚动,促使周围的块石也发生变形,进而增大了剪切带的厚度。研究结果有利于揭示土石混合体的剪切变形破坏机制。

不同含石量条件下土石混合体击实特性试验研究

为探讨土石混合体填料的压实特性,对不同土石含量分布、不同含水量条件下的土石混合体进行了室内击实试验,对制备含石量为10%、30%、50%、70%和90%的土石混合体试样进行重型击实试验,得到土石混合体最大干密度、最佳含水量和含石量间的关系曲线。研究结果表明:不同含石量的土石混合体最佳含水量在4.3%~7.1%,最大干密度在2.211g/cm3~2.279g/cm3,与含石量相比,含水量对土石混合体最大干密度影响更大,在土石混合体的压实过程中,应严格控制最佳含水量。

加载与干湿循环作用下土石混合料蠕变特性试验

土石混合料在干湿循环作用下具有显著的蠕变性,其对高填方工程蠕变变形的影响不可忽略。为了研究了不同干密度及荷载水平对土石混合料湿化蠕变变形的影响,开展了9组土石混合料干湿循环作用下的压缩蠕变试验。结果表明,土石混合料的湿化蠕变变形随荷载水平的提高而增大,随干密度的提高而显著减小,但随着干密度进一步提高,湿化蠕变变形的减小幅度则明显弱化。土石混合料在干湿循环作用下的湿化蠕变变形与干湿循环次数对数之间较好地满足线性发展规律,初次湿化应变及湿化蠕变速率均同荷载水平及干密度之间符合幂函数特征,在此基础上提出了考虑不同干密度及荷载水平的土石混合料干湿循环蠕变经验模型。

冻融循环作用下土石混合体水-热-变形相互作用过程研究

冻融循环作用显著影响土石混合体的水-热-变形相互作用过程及力学特性。基于此,本文开展了单向冻融循环作用下土石混合体水-热-变形相互作用及无侧限抗压强度试验。通过单向冻融循环装置对30%砾石含量的土石混合体进行了4次单向冻融循环试验,每次循环根据设定的温度变化曲线持续168小时,模拟实际自然环境中冻结和融化的周期。同时,利用微机控制电液伺服万能试验机开展了未冻融和冻融循环后试样的力学特性测试,并探讨了冻融循环对土石混合体微观结构劣化机理的影响。研究结果表明:单向冻融循环对试样内温度、水分和变形有显著影响。冻融循环过程中土石混合体的融化速率大于冻结速率,试样在冻融循环过程中存在着体积未冻水的迁移和重分布。第一次冻融循环对土石混合体变形影响最为显著,试样的净变形随着冻融循环次数的增加先增大后趋于稳定。此外,反复的单向冻融循环改变了试样的孔隙结构。冻融循环后试样的抗压强度和变形模量分别减小了45.31%和60.92%,其衰减幅值随着冻融循环次数的增加而降低。

小断面土石组合地质条件下TBM施工围岩可掘性分级识别

围岩可掘性分级以及识别研究对隧道掘进机(TBM)高效率施工及智能化控制意义重大。依托南水北调安阳市西部调水工程TBM施工实际数据,利用掘进性能综合指标单位贯入度推力(FPI)、单位贯入度扭矩(TPI)建立了小断面土石组合地质条件下TBM施工围岩可掘性分级标准;提出了PCA-RF模型对围岩可掘性分级进行识别,并与BP、SVR和RF模型进行了比较讨论。结果表明:①建立的小断面土石组合围岩TBM施工可掘性分级标准是适用的,克服了土石组合围岩下传统围岩分类方法的局限性;②小断面土石组合围岩TBM施工可掘性分级PCA-RF识别模型的识别准确率达到了98.3%,高于BP、SVR和RF模型,可以满足工程施工需要。

复杂应力路径下土石混合体强度特性试验及工程应用

土石混合体由碎石与土组成,是一种介于土体与岩石之间的特殊路用填料,不同应力路径下土石混合体对路堤变形特性影响显著。文中开展不同应力路径下土石混合体三轴试验,分析应力路径、含石量与含水率对土石混合体抗剪强度的影响;根据有效应力路径原理,建立考虑应力路径的路堤填筑有限元模型,分析应力路径对路堤填筑施工方案的影响。结果表明,土石混合体试样在等p路径下的应力-应变曲线与常规路径相似,但等应力比路径下试样的应力-应变曲线存在明显差异;土石混合体试样的抗剪强度随含石量的增加而增加,随含水率的增加先增加后减小;基于应力路径原理,分层填筑的土石混合体路堤的变形小、稳定性更好。

酸碱环境下泥岩土石混合体剪切特性研究

【目的】我国中西部地层中泥岩土石混合体分布较为常见,其抗剪强度特性决定着泥岩地基工程及边坡的安全性和稳定性。泥岩土石混合体的抗剪强度特性易受外界酸碱环境的影响,为探究酸碱浓度对泥岩土石混合体抗剪强度特性的影响,【方法】将试样分别置于不同浓度的HCl和NaOH溶液浸泡2 h后,分别在100 kPa、200 kPa、300 kPa围压下开展室内三轴剪切试验,利用扫描电镜观察分析其内部结构特征变化规律。【结果】结果显示:泥岩土石混合体三轴应力-应变曲线与单纯泥岩和土体有明显的区别;随着酸碱浓度的增加,泥岩土石混合体峰值抗剪强度和残余强度均减小,黏聚力呈线性降低趋势,内摩擦角无明显变化;酸性环境下试样峰值抗剪强度、残余强度和黏聚力降幅大于碱性环境。【结论】结果表明:泥岩块石构成新的骨架系统;酸性环境较碱性环境对泥岩土石混合体的抗剪强度劣化效应更显著。研究成果可为泥岩土石混合体地基及边坡的稳定性分析及防灾工程提供参考。

基于残余位移增量判据的土石围堰边坡稳定性分析

针对有限元强度折减法在复杂水文地质环境下土石围堰边坡稳定性评价中效果欠佳的问题,引入残余位移增量判据,基于有限元强度折减法,考虑深厚覆盖层土石围堰不同水位下的渗流特征,通过计算坡面节点平均残余位移增量,获取边坡稳定系数,进一步通过位移增量分布图,探讨了围堰边坡潜在滑面位置及其形成机制。结果表明,在复杂水文地质环境下的土石围堰边坡稳定性评价中,残余位移增量判据相较经典失稳判据适用性更强。研究结果能够为工程实践提供指导。

咬合桩在土石围堰防渗结构中的应用

围堰的结构设计需要综合围堰堰体填筑料源、水流条件、降排水条件及施工需求等因素综合考虑,是实现施工导流工程功能最重要的环节之一。尤其是围堰的防渗结构设计决定了基坑初期排水、经常性排水的降水难度及需要投入的降排水设备,直接影响主体工程的施工安全及施工进度。围堰技术应用的稳定性直接决定着工程建设质量。

强夯法技术在土石地基处理中的应用

地基强夯处理是目前世界范围内应用较为广泛的一种提高地基承载力的方法,它以重型夯锤夯实的手段对地基进行加固,它广泛投入于砂土、碎石、低饱和度的粉土与黏性土、素填土和杂填土等地基土的处理。以湖北省龙背湾水电站营地场平工程项目为例,从强夯技术对土石地基进行加固处理、检测处理后地基的各项指标、检测结果等方面做浅层次的分析、研究和探讨。

山区高速公路土石分界高边坡滑移分析与处治措施

文章以桂柳高速公路改扩建K1185+880~K1186+100段左侧路堑边坡处治工程为研究对象,对土石分界边坡滑移进行原因分析,并研究采取“钻孔灌注抗滑桩+坡面防护”组合方案进行处治。经监测,边坡处治后未出现明显滑移,表明该组合方案有效可行,可为同类边坡滑移处治提供参考。

数字图像测量技术在土石围堰动态施工中的应用研究

土石围堰是关系到水利枢纽工程建设全局的重要临时性工程项目,一旦出现问题,后果十分严重。针对传统的测量仪器法和GPS法进行围堰动态监测主要有效率低、工作量大、成本高等缺点。提出运用数字图像测量技术,有效解决多点测量的问题,实现实时跟踪监测变形,已成功应用于海堤建设项目围堰边坡的动态位移监测,实现堰坡位移安全监测与预警等功能。

土石混合料力学特性和颗粒破碎研究

文中针对土石混合料开展了一系列的室内三轴固结不排水试验。通过对应力-应变关系曲线、强度参数以及颗粒破碎规律等方面进行分析,探讨土石混合料的力学性质与破碎特点。实验数据分析发现,含石量和相对破碎率呈正相关;围压增大,相对破碎率的破碎趋势会逐渐减缓,二者的关系符合Allometricl函数模型。此外,含石量的增加能够提高土石混合料的强度;内摩擦角随含石量的“低-中-高”具有着“慢-快-慢”的增长规律,Boltzmann函数模型能够较好地描述这一规律并具有一定的适用性;土石混合料的黏聚力在含石量较低时较大,含石量较高时黏聚力下降到一定程度后随含石量的增加缓慢增长。

基于集成学习算法的土石混合体斜坡稳定性预测模型研究

由于土石混合体具有显著的非均质性,导致土石混合体斜坡的稳定性难以预测。为此,基于49个土石混合体斜坡实例样本,选择含石率、基覆面倾角、坡高和坡角4个数据特征作为输入参数,将斜坡稳定性系数作为预测对象,采用Boosting、Bagging、Stacking 3种集成学习算法将各个基学习器的预测结果合并后输入线性回归模型,构建了斜坡稳定性预测模型,并且对比分析了3种算法模型在优化前和优化后的预测结果。结果表明:在3种算法模型中,Boosting算法模型的预测精度相对最高;在通过果蝇优化算法优化后,3种算法模型的预测精度都得到显著提升,而Boosting算法模型仍具有最高的预测精度,FOA-Boosting的R2值接近1。

土石混合体-基岩界面剪切力学特性块石尺寸效应

土石混合体-基岩界面的抗剪强度是控制坡体稳定性的重要参数之一,是工程设计的重要参数。为探究块石尺寸对土石混合体-基岩界面剪切力学特性的影响,开展了含不同块石尺寸的土石混合体-基岩界面室内大型剪切试验。结果表明:接触界面的破坏模式受块石尺寸和法向压力的影响不显著,均表现为应变硬化特征;法向压力会削弱块石尺寸效应的影响;随块石尺寸增加,抗剪强度和抗剪强度指标(φ、c)先增加后减少,既存在着正尺寸效应,又存在着负尺寸效应,尺寸效应对内摩擦角φ的影响有限,整体在29°波动,而对表观黏聚力c影响较大;不同块石尺寸试样在不同法向压力作用下均表现出了明显的剪缩行为,法向压力能够增强土石混合体的剪缩特性;土石混合体-基岩界面为薄弱的潜在滑移面,随着块石尺寸系数的增加,薄弱破坏面有向土石混合体内部转化的趋势。

不同配比土石混合体压实特性及颗粒破碎特征研究

为探讨土石混合体填料的压实特性及击实后混合体内部的颗粒破碎程度,在室内进行了不同含石量(P5)的击实试验及颗粒破碎试验。研究结果表明:当P5含量不变时,改变细粒料组成成分及比例对最优含水率的影响较最大干密度更明显;不同级配下土石混合体试样的初始含石量是影响颗粒破碎的关键因素;击实前后颗粒级配曲线所围成的面积可以表征粒径变化程度,粒径发生变化的主要区间为2.5~20mm,且粒径变化大小程度随着粒径减小呈递减小趋势;击实后分形维数与最大干密度和最优含水率有良好的拟合关系,最优含水率对击实后分形维数的影响较最大干密度更为显著;根据分形理论,击实后的分形维数较击实前均增大,且击实前后分形维数的差值与破碎指标都能够在某方面表征混合体的颗粒破碎程度;混合体的相对分形维数随着含石量的增加而增大,即相对分形维数越大,颗粒破碎程度越大。

冻融作用下土石混合体-混凝土界面强度劣化、孔隙结构演化及颗粒运移研究

土石混合体-混凝土界面在寒区工程广泛分布,其界面处颗粒骨架受冻融影响塌陷、重组,极易诱发界面强度劣化,是影响寒区工程安全运营的难题。解析冻融影响下界面的强度行为,揭示界面强度与孔隙结构和颗粒骨架的互馈效应,是解决此难题的关键。开展土石混合体-混凝土界面室内直剪试验,借助NMR分层测试及PFC数值模拟,获取界面区抗剪强度参数及孔隙结构演化特性,明晰界面颗粒旋转运移特征;基于分形维数理论,定量评价界面孔隙结构变化,阐释冻融下界面强度劣化机理。即强度骤降阶段界面处土石颗粒受冻胀挤压,其有序排列被打乱,联结、互锁作用弱化,此时孔隙体积、分形维数均增大,界面整体性下降;反翘阶段界面处大块土颗粒分裂重组、骨架塌落,形成块石为核、黏土在外覆盖的包裹体结构,孔隙内部复杂程度降低导致抗剪强度小幅提升;随冻融次数增加,碎石外土颗粒剥落,界面区孔隙体积及颗粒旋转量缓慢增大,界面逐渐脱黏劣化。研究成果对工程构筑物孕灾机制具有指导价值。