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。

粒度分布对红层土石混合体强度及颗粒破碎的影响

红层土石混合体已广泛应用于川渝地区公路、铁路的路基填筑,研究其强度及颗粒破碎特征可为该地区路基快速安全施工提供理论支撑。针对现有粒度分布评价方法对土石混合体适用性的不足,提出中间粒径块石相对含量C_(m)指标并拟定4个水平,选择四川盆地红层土石混合体为材料,比选叠环剪和大型直剪试验后,结合筛分试验探讨粒度分布对红层土石混合体强度及颗粒破碎的影响规律。试验结果表明:叠环剪试验中剪切面非人为固定,剪切带影响域明显大于大型直剪试验,相同试验条件下土石混合体强度低于大型直剪试验,且法向应力越大,强度差值越大。C_(m)对红层土石混合体的强度及颗粒破碎特征影响显著。随C_(m)的增大,黏聚力先减小后增大,内摩擦角先增大后减小,抗剪强度先增大后减小,均在C_(m)=0.543时有最值,此时,颗粒间的摩擦和重定向排列对强度的增强效应明显大于咬合减弱的负面效应,剪应力有二次攀升。叠环剪试验后,大粒径、中间粒径块石含量降低,土体含量增高,小粒径块石含量在C_(m)≤0.343时降低,C_(m)≥0.343时增高;颗粒相对破碎率随法向应力和C_(m)的增大,均呈先降低后升高的规律,C_(m)=0.343时颗粒相对破碎率最低。

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。

土石混合体边坡力学特性及稳定性分析方法研究进展

土石混合体边坡在我国分布比较广泛,在降雨、地震等外力作用下会产生滑坡等变形破坏现象。归类和分析了土石混合体力学特性物理模型试验和数值模拟试验以及边坡稳定性分析方法研究成果,得出块石尺寸和含石量是影响土石混合体剪切特性主要因素,块石排列可以忽略不计;雨水和冻胀等能够显著改变土石胶结介质力学参数,降低率约为20%;通过对比多种稳定性分析方法,认为离散单元法或数值流形法、连续—非连续耦合方法能够更有效分析具有强烈非均质体的土石混合体边坡。在总结已有研究成果和考虑土石混合体介质特点的基础上,提出了土石混合体力学特性和此类边坡稳定性分析方法研究上存在的不足之处,即:①在获取土—石胶结接触面力学参数相关特性指标上,缺少精密的试验设备或仪器,无法准确地测得接触面参数;②在土—石胶结接触面力学模型构建上,忽略了土体与块石间存在嵌入等情况,无法充分反映土—石胶结接触面在外力作用下的力学行为;③目前土石混合体边坡稳定性研究主要关注坡体力学特性以及降雨等作用下的相关参数变化,很少涉及多应力场(如降雨、地震、低温等组合作用)下的土石混合体边坡数值模拟,无法满足实际工程问题的相关需求;④现阶段构建三维土石混合体边坡数值模型上,仅有少数考虑结合数字图像等计算机技术还原真实块体下的三维数值模型,尚需进一步研究分析块石接触面差异分布、超大粒径块石模拟等相关问题。

基于数字图像相关方法分析土石混合体的变形行为

为探讨荷载作用下土石混合体的变形行为,通过开展土石混合体的无侧限抗压试验,结合数字图像相关方法(DIC技术)分析不同含石量试样单轴压缩过程中位移、应变(裂缝扩展)演化规律。结果表明:①随着加载的进行,试样水平方向位移较垂直方向更加明显,故变形能力在垂直方向较水平方向更强,抗压性能优于抗剪性能;随着含石量的增大,试样竖向承载能力持续增强;②随着含石量增加,土石比例对试样裂缝损伤发展的抑制作用强于促进作用,导致承载能力随含石量增加而增强;③试样整体在载荷作用下位移变化阶段主要为初始压实、弹性压缩、弹塑性(塑性膨胀)和破坏阶段;在峰值荷载水平下,加载板影响区域发生局部压碎、脱落,直接导致试样出现裂缝扩展行为且压实性能发生断裂失效;④试样在压缩过程中裂缝数量随含石量的增加而逐渐增加,且裂缝分布广泛,裂缝的宽度呈现出逐渐增大的趋势,且应变云图可以更好地表现试样变形、破坏特征;⑤DIC技术应用于土石混合体在抗压试验中变形破坏的研究,不仅能够得到试样破坏过程中观测面的三维全场位移和应变,而且能够直观地反映试样表面裂隙的产生、扩展及相互连通的演化过程,也能够确定裂纹的位置、形态及扩展方向等具体信息。

基于振动台试验的不同含石率土-石混合体边坡地震动响应差异性研究

针对土-石混合体边坡动力响应特性尚不明确的问题,基于相似原理设计开展了3组不同含石率土-石混合体边坡大型振动台试验,系统地对比分析了不同含石率土-石混合体边坡动力响应的差异。研究结果表明:土-石混合体边坡在地震作用下的加速度响应符合自由面效应,即边坡在近坡顶端处的加速度放大效应要明显强于坡体内,而不同含石率土-石混合体边坡在不同频率正弦波激振作用下的动力响应差异明显,这是因为不同含石率土-石混合体边坡结构的动力特性存在差异;地震作用下,模型边坡动土压力由边坡浅表层至坡体内部呈不断增大趋势,但由于坡体变形与损伤程度不同,不同含石率边坡整体的动土压力响应程度不同;且在地震波分级加载过程中,边坡不同部位处动土压力的突变可作为边坡产生动力破坏的依据;随着含石率的上升,地震作用下边坡整体的变形程度逐渐降低:20%含石率边坡表现为由浅层至深层的连续滑动,而40%与60%含石率的边坡变形则相对较小,40%含石率边坡仅表层岩土体发生滑移,60%含石率边坡仅浅表层土体发生剥落,含石率的提升对土-石混合体边坡起到了加固作用。

考虑间断级配影响的土石混合体水力侵蚀分异机理

近年来,堆积体滑坡频发,已成为西南地区最典型的滑坡类型。研究表明,超过50%的库区堆积体滑坡诱因为水力侵蚀,因此降雨、岸坡侵蚀、波浪掏蚀成为库区滑坡灾害防治重点关注的问题。同时,土石混合体自身的间断级配会对其水力特性造成明显影响,进而导致水力侵蚀作用下堆积体内部的颗粒运移规律具有独特性。采用自主研发的土石混合体渗透侵蚀试验装置,模拟土石混合体内部细观侵蚀过程,阐明其侵蚀分异机理,揭示间断级配的影响。结果表明:土石混合体侵蚀过程主要分为快速侵蚀、侵蚀减缓、稳定渗流3个阶段,超过60%的侵蚀在快速侵蚀阶段完成;与良好级配试样相比,间断级配试样的侵蚀量更大,初始侵蚀更剧烈,快速侵蚀阶段更短暂;间断级配对土石混合体水力侵蚀分异的影响同样明显,细颗粒缺失结构的细颗粒尺寸单一,不易堵塞渗流通道,渗透系数高于良好级配试样,且最大渗透系数与最终渗透系数差异较小;中颗粒缺失结构因大量细颗粒下沉堵塞渗流通道导致渗透系数明显低于良好级配试样;粗颗粒缺失结构内部块石承载骨架结构差,孔隙大,易引发大块石局部破坏,渗透系数高于良好级配试样。

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。

基于细观模拟的土石混合体固结特性研究

土石混合体具有特殊的结构特性,当前数值模拟研究主要聚焦于强度和变形特征,较少从细观尺度探究其固结特性。该文引入无厚度单元法模拟土-石接触面并验证了其有效性,在此基础上构建了土石混合体结构随机分布模型,从细观尺度上探究了内部结构特征(土-石接触面参数、块石形状、含量及级配)对土石混合体固结特性的影响规律。结果表明:当块石含量不变时,含圆形块石的土石混合体固结沉降最小,其次为椭圆形,含多边形块石的土石混合体固结沉降最大;随着含石量的增加,土石混合体沉降和孔隙比均减小;当含石量一定时,含大尺寸块石较多的土石混合体发生的固结程度较高。

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。

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。

基于机器学习算法的块石形状分类及土石混合体数值模拟

现有块石形状特征的数值模型或过于简化块石形状或未进行块石形状的频率统计,为此基于主成分分析算法(PCA)和K均值聚类算法,提出新的建模方法.利用Matlab对土石混合体断面照片进行数字图像处理,得到块石轮廓样本;对块石轮廓进行形心原点化、长轴水平化、最大极径归一化等标准化处理,得到标准化后的块石轮廓向量.分别采用PCA和K均值聚类算法对块石轮廓向量进行降维和聚类,对得到的分类块石形状进行频率统计.建立考虑块石形状分类及频率、颗粒级配、块石倾角的土石混合体随机模型,进行双轴压缩数值模拟,分析塑性应变和应力-应变曲线特征.在较高含石量和较大块石粒径情况下比较模型的变形和抗压强度,考虑块石形状的土石混合体模型与传统含多边形块石的土石混合体模型差异明显.

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。

基于不同含石量的土石混合体剪切力学性能分析

文章利用大型室内剪切仪,对不同含石量的土石混合体进行剪切和筛分试验,研究软岩块石的破碎特性以及混合体力学特性。结果表明,相同密度时期剪切强度随含石量的增加逐渐增大,并且应变硬化现象也不断加强;土石混合体的含石量与其黏聚力存在线性增长关系,含石量处于10%~50%之间时内摩擦角也呈线性增长趋势。剪切时,观察到块石发生了破碎,法向应力不变条件下,增加含石量会导致块石破碎程度的增大,此外随内摩擦角的增加土石混合体的块石破碎率呈指数形式增长,说明增强块石之间的咬合作用会导致块石破碎程度的增加。

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。

不同角度基覆面上土石混合体变形试验研究及对滑坡演化的启示

由于基覆面的角度会对土石混合体滑坡的变形破坏产生重要影响,研究土石混合体滑坡的基覆面角度作用规律对于全面评价土石混合体滑坡的稳定性具有重要意义,然而目前基覆面角度研究定量化不足。为了研究在不同角度基覆面情况下土石混合体的变形破坏,利用设计的大型推剪仪对不同角度基覆面情况下的土石混合体变形破坏开展试验研究。结果表明:随着基覆面角度的增加,剪切面与基覆面的夹角增大,剪切面与基覆面的距离也会增加。当基覆面角度为25°时,位于剪切破裂带的土石混合体整体运移程度最好,当基覆面角度为45°时,位于剪切破裂带的土石混合体破裂程度最严重,土石混合体的整体运移程度最差,滑裂带治理难度最大。随着基覆面角度的增加,最大剪应力先增大后减小,中间出现临界作用角度(为45°),此时土石混合体变形破坏过程中的最大剪应力达到最大,孔隙水压力变化值与土压力变化值达到峰值所需要时间最长。本研究阐明了不同角度基覆面上土石混合体的强度及变形特征,揭示基覆面角度对土石混合体强度及变形破坏的作用机理,并确定了土石混合体与基覆面作用的临界作用角度,为今后评价基于土石混合体基覆面角度控制作用的滑坡等地质灾害的稳定性提供了一定的理论依据。

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。

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。