相对密实度和固结应力比对北部湾海砂动力特性影响的试验研究

北部湾地区拥有丰富的海洋资源,海洋工程在这一地区的发展日益重要,了解海砂在不同固结应力比和密实度条件下的动力特性,对于海岸线保护、港口建设、堤防工程等都至关重要。为探究北部湾海砂的动力特性,针对北部湾海砂开展了一系列的固结不排水循环动三轴试验,分析了相对密实度和固结应力比对北部湾海砂的轴向累积应变、动弹性模量、动孔压以及滞回曲线的影响。研究表明:在相同振次水平下,随着固结应力比和相对密实度的增大,海砂的轴向累积应变随之减小;动孔压随着固结应力比的增大线性减小,在低相对密实度(Dr≤50%)下,动孔压随振次的增大而增大,在高相对密实度(Dr=70%)下,动孔压随振次先增后减;动弹性模量随着振次的增加出现刚度软化现象,增大相对密实度与固结应力比,较明显地减缓了动弹性模量的衰减速率;随着固结应力比和相对密实度的增大,滞回曲线包围的面积减小,滞回曲线由不封闭曲线转为封闭曲线。这些研究成果可以为北部湾围填海工程提供一定的参考。

基于计算流体力学-离散元耦合的相对密实度对断级配土体渗蚀效应的影响研究

土体几何因素(粒径比、细粒含量、相对密实度等)不仅影响土体内部稳定性,同时对侵蚀进程有着重要影响。基于离散单元法(discrete element method,简称DEM)与计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)耦合方法,建立了内部不稳定土渗流-侵蚀三维计算模型。考虑细粒含量及相对密实度对内部侵蚀过程的耦合影响,对细观变量:土体孔径分布曲线、颗粒接触数目以及内部传力机制进行分析,以揭示细粒含量与相对密实度的影响的细观机制。研究结果表明:相对密实度的增加降低了侵蚀质量比,且该影响程度与细粒含量相关,细粒含量越高,相对密实度的影响更加明显;内部不稳定土体渗蚀后沿渗流方向可分为上游侵蚀区、中部稳定区及下游侵蚀区。土体渗透性在侵蚀过程中的增长幅度随相对密实度的降低而逐渐增加,随细粒含量的增加而增加;相对密实度对渗蚀过程的影响可归因于三方面:相同水力梯度下渗流流量不同,内部孔隙尺寸分布存在差异,以及细颗粒对土体内部应力传递的贡献不同。研究结果加深了土体几何因素对内部渗蚀过程影响的理解,并为宏观侵蚀本构的建立提供了参考。

风化残积砂土相对密实度及含水率对抗剪强度的影响

全风化花岗岩回填土的抗剪强度受其含水率与相对密实度的影响。优化回填土含水率与相对密实度来提高土体抗剪强度是实现中缅油气管道龙陵段管道作业边坡坡面侵蚀治理的手段之一。以管沟回填的全风化花岗岩回填土为研究对象,通过室内直剪试验和人工降雨模型试验,研究该类土体抗剪强度参数随着含水率和干密度的变化规律以及其抗冲刷能力。结果显示:1)干密度为1.30 g/cm^(3)的土样的最佳含水率为15%,此时其黏聚力和内摩擦角分别为20.33 kPa和34.59°,当土体含水率增加至25%时,其黏聚力降低至3.63 kPa,内摩擦角减小到32.42°;2)通过击实方式将土体的相对密实度从0.06提高至0.83,土体的黏聚力和内摩擦角分别提高53%和18%,相对密实度为0.50时,对土体抗剪强度参数的改善效果最佳;3)人工模拟降雨实验结果显示,坡面侵蚀模数与土体的抗剪强度有关,尤其与内聚力呈负相关关系。综上,相同含水率条件下,提高土体的相对密实度,能有效改善土体的抗侵蚀能力。

密实度对格栅-再生混凝土骨料界面剪切特性的影响

为探究相对密实度、颗粒级配及法向应力等因素对格栅-再生混凝土骨料界面剪切特性的影响,通过大型直剪仪对不同相对密实度的再生混凝土骨料进行单调直剪试验。结果表明:在不同相对密实度、颗粒级配、法向应力影响因素下,界面均呈现出峰值后剪切软化现象;相对密实度对界面剪切特性有显著影响,随着相对密实度的增大,界面抗剪强度、剪切模量、似黏聚力、内摩擦角及整体剪胀量均呈现增大趋势;随着不均匀系数的增大,界面峰值抗剪强度与残余抗剪强度均增大,剪胀现象明显;界面峰值抗剪强度随法向应力的增加近似线性增长,增加幅值、剪胀量随法向应力的增大呈现减小趋势。

相对密实度对钢-砂界面循环剪切弱化影响研究

砂土的相对密实度对界面循环弱化具有重要影响。通过自主研发的大型界面环剪仪,开展了3种不同相对密实度砂土与钢板界面的循环剪切试验,研究相对密实度对循环弱化的影响。结果表明:相对密实度越大,相同循环下剪应力极值越大,法向应力越大,法向位移越小,最终剪缩量越小,砂土剪胀越明显,循环剪切的弱化作用越小,弱化到稳定状态需要的循环次数越多。

初始相对密实度对砂土强度特性影响的试验

针对两种级配不同的福建标准干砂,在不同固结压力下进行常规三轴试验,着重探讨不同初始相对密实度对砂土抗剪强度的影响.试验结果表明:考虑砂土的初始结构性,即初始相对密实度不同时,砂土的强度特性会发生较为显著的变化.相同试验围压下,随着密实度的增加,试样的初始切线模量有所增长、试样的峰值偏应力逐渐增大;而相同密实度的情况下,随着试验围压的增加,初始切线模量也有较为显著的增长、试样的峰值偏应力也逐渐增大;试样的内摩擦角随着初始相对密实度的增加基本呈线性增长.结合试验结果建立了砂土抗剪强度指标与初始相对密实度之间的关系,进而考虑初始相对密实度对莫尔-库伦准则进行修正.

基于颗粒离散单元法的获取任意相对密实度下级配颗粒堆积体的数值方法

土体的密实程度对土体的工程性质影响很大。获得给定相对密实度下的初始颗粒堆积体,是利用离散单元法进行土体细观力学分析的重要前提。基于离散单元法,首先获得颗粒在自重作用下稳定后的最松散堆积体。其次提出采用减小压实过程中颗粒间摩擦系数的拟振动压实法来模拟现实中的振动压实作用,并验证了其可行性。当压实过程中颗粒间摩擦系数为0时获得最密实堆积体。研究了拟振动压实过程中颗粒间摩擦系数与压实稳定后的堆积体孔隙率的关系。最后根据该关系可估算出获得任意给定相对密实度堆积体所需的压实过程中颗粒间的摩擦系数。研究结果表明:颗粒的配位数与粒径近似满足指数关系;通过减小压实过程中颗粒间的摩擦系数能较好的模拟振动压实效果;压实过程中颗粒间的摩擦系数与堆积体孔隙率满足负指数关系;该方法可获得任意相对密实度下的颗粒堆积体,可以为土体细观力学的数值模拟提供初始颗粒堆积结构。

考虑粗糙度和相对密实度下砂土-混凝土桩接触面力学特性试验研究

为探究粗糙度和土体相对密实度对砂土-混凝土桩接触面力学特性的影响规律,利用大型直剪仪开展了不同粗糙度、相对密实度下的砂土-混凝土接触面直剪试验,分析了粗糙度、相对密实度对砂土-混凝土接触面的剪切应力-切向位移、峰值剪切强度、割线摩擦角、归一化摩擦系数的影响.研究结果表明:密砂的剪切应力-切向位移曲线在光滑接触面下呈轻微软化型,随粗糙度增加,软化越明显;松砂的剪切应力-切向位移曲线始终呈硬化型.界面峰值剪切强度随法向应力增加呈非线性增长,土体相对密实度越大,非线性越明显.接触面割线摩擦角随法向应力增加呈指数衰减,而由于剪切强度增量较小,导致接触面峰值摩擦系数随法向应力增加呈幂函数衰减.存在临界粗糙度I_(cr),当I>I_(cr)时,接触面峰值摩擦系数和归一化割线摩擦角不再随粗糙度增大而增加,而是呈减小趋势.

初始相对密实度对粗颗粒土K0影响试验研究

静止侧压力系数是土体重要的力学参数,深入研究粗颗粒土静止侧压力系数有重要的理论意义和应用价值。关于初始相对密实度对粗颗粒土静止侧压力系数影响的研究几乎空白。为研究粗颗粒土在不同初始相对密实度条件下静止侧压力系数的变化规律,针对某堆石料及砂卵砾石料,利用新近研制的大型静止侧压力系数试验仪,对这两种粗颗粒土不同初始相对密实度试样进行大型静止侧压力系数试验。试验结果表明:土体静止侧压力系数随着竖向应力的增加呈减小趋势,而且这种趋势随着竖向应力的增大趋于平缓;粗颗粒土的静止侧压力系数与初始相对密实度存在线性负相关关系;土料类型对土体静止侧压力系数有一定影响,在正常固结状态下,砂卵砾石料静止侧压力系数可比堆石料大4.0%~7.5%。超固结状态下,砂卵砾石料静止侧压力系数可比堆石料大0~12.4%。通过分析堆石料静止侧压力系数试验结果,验证了笔者之前提出的静止侧压力系数与竖向应力关系式也适用于初始相对密实度不为0的粗颗粒土,并在该关系式的基础上,总结出一个能同时反映粗颗粒土静止侧压力系数与初始相对密实度以及竖向应力之间关系的经验公式。最后,利用砂卵砾石料静止侧压力系数试验结果验证了该经验公式的准确性及适用性。

土体含水率和相对密实度变化与植物根系固坡效果

在土样中加入植物纤维,模拟植物根系的加筋作用,采用三轴试验,研究含水率和土体相对密实度的变化对植物根系复合土抗剪强度指标变化的影响。结果表明:土体越密实,植物根系加筋效果越明显,相对密实度为85%时,可使最大主应力差增加20%～30%;相对密实度为75%时,植物根系的加筋效果不明显。黏聚力和内摩擦角也表现出类似的情形,无论是否加筋,黏聚力首先随含水率的增加而增大,含水率超过14%后,随含水率增加而减小;含水率在14%时,植物根系加筋对黏聚力提高的效果最明显。内摩擦角基本上随含水率的增加而减小,含水率越大,植物根系对内摩擦影响越小。研究成果可对植物固坡的设计提供依据。

相对密实度对含黏粒砂土动剪切模量与阻尼比影响的试验研究

利用GCTS共振柱系统开展一系列含黏粒砂土的动力特性试验,研究相对密实度对含黏粒砂土动剪切模量和阻尼比的影响,并探讨其影响规律。试验结果表明:相对密实度对动剪切模量、动剪切模量比、阻尼比、最大动剪切模量均有影响。动剪切模量随着相对密实度的增加而变大,但动剪切模量增大的幅度更大;当黏粒含量较小时,动剪切模量比随相对密实度的增加而变大,当黏粒含量较高(≥16%)时,相对密实度对动剪切模量比基本没有影响。阻尼比随相对密实度的增加逐渐变小;最大动剪切模量随相对密实度的增加而增大,但黏粒含量不同,其最大动剪切模量增大幅度不同,同时建立最大动剪切模量随相对密实度变化的关系式,并给出相关参数。

相对密实度对沉贯中吸力基础桶壁–砂土界面力学特性的影响

吸力基础是一种系泊海洋浮动平台及固定海上风电塔架的基础形式。吸力基础在砂土中吸力贯入时,沉贯阻力主要由内外壁摩阻力组成。吸力基础沉贯过程中基础–土体界面力学特性决定侧壁摩阻力的大小。开展界面剪切试验,研究了相对密实度及沉贯深度对吸力基础–砂土界面沉贯过程中相互作用的影响。结果表明:吸力基础–砂土界面剪应力随剪切位移增加,呈现出软化特征;随砂土密实程度的增加,界面摩擦系数、界面峰值强度和相对应的剪切位移逐渐增大;但上述参数随沉贯深度的增加先减小后逐渐增大。研究工况条件下,界面摩擦系数量值处于0.2~0.34。根据试验结果,得到了不同沉贯深度处基础桶壁摩阻力,基础侧壁摩阻力–贯入深度之间关系可用指数函数表示;内外壁摩阻力随砂土密实程度增加逐渐增大,外壁摩阻力增长幅度较内壁摩阻力更加明显,外壁摩阻力最大值是相同沉贯深度处内壁摩阻力的2.1倍。界面剪切试验中,砂土发生明显挤出现象,砂土挤出主要发生在剪切初期,对应剪切位移较小,可用于揭示吸力基础沉贯过程中,由于桶壁贯入造成的砂土置换侧向挤出现象。界面剪切过程中砂土颗粒发生破碎,填充至砂土颗粒间孔隙中,导致土体试样高度下降,砂土呈现出“剪缩”现象。发现界面摩擦角与土体内摩擦角之比随土体密实程度的增加逐渐降低。研究内容有助于准确得到沉贯摩阻力和沉贯所需吸力,确保吸力基础沉贯至预定位置。

相对密实度对松散堆积土体强度变形特性的影响

2008年汶川大地震后,在震中及附近地区形成了大量的松散堆积体,利用GDS三轴试验系统,对典型的松散堆积土体在不同相对密实度下的强度和变形特性进行了试验研究。结果表明:松散堆积土体应力应变曲线形态与围压有关,低围压时,表现为应变软化型,随着围压的增加,为应变硬化型;相对密实度越大,峰值主应力差越大;考虑土体黏聚力的影响时,抗剪强度参数c、φ值均随相对密实度的增大而增大;不考虑土体黏聚力的影响时,松散堆积土体峰值内摩擦角随相对密实度的增加而增加,而随围压的增加而减小。

考虑相对密实度的风积沙隧道围岩稳定性分析

为提高风积沙隧道施工安全性,以蒙华铁路王家湾隧道为依托开展施工模拟,探讨围岩稳定性变化规律.通过现场取土开展室内试验,得到围岩物理力学特性,并基于砂性围岩较强的非连续性,采用离散元软件进行不同相对密实度风积沙隧道施工过程模拟,对围岩应力动态变化及松动区发展进行监测分析.结果表明:在风积沙隧道开挖过程中掌子面前方围岩先行位移的发生范围与围岩相对密实度呈正相关,拱顶上方受扰动范围与围岩相对密实度呈负相关;在密实风积沙隧道中易出现掌子面挤出现象,而松散地层中发生顶部塌方灾害的风险较高;风积沙隧道开挖主要对掌子面前方2/3D~D、洞周及洞室上方0.5D~D内的围岩产生扰动;在相对密实度(Dr)为0.5和0.7的围岩条件下,围岩破坏模式与《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016)采用的破坏模式基本一致,Dr=0.9时围岩失稳形态大致呈椭球状.风积沙隧道围岩稳定性与其密实程度关系密切,细观颗粒的紧密结合能够有效抵抗外力作用,从而表现为宏观结构的稳定,地层稳定性随相对密实度的增大而提高.

初始相对密实度对饱和细海砂直剪特性的影响

以松散、中密、密实等不同初始相对密实状态的饱和细海砂为研究对象,利用直接剪切试验研究了饱和细海砂的剪切特性。研究表明:砂土的初始相对密实度对其应力应变关系有重要影响,密实砂土呈现强度软化,松散砂土呈现强度硬化;相对密实度越大,饱和细海砂的剪应力峰值越大;同一相对密实度,饱和细海砂的剪应力峰值随竖向应力的增大而增大。竖向应力较低时,不同密实度的饱和细海砂在剪切过程中,体积先减小(即剪缩)后增大(即剪胀);竖向应力较高时,呈先剪缩-剪胀-再剪缩的趋势。内摩擦角随相对密实度的增加而增大。

配比和相对密实度对橡胶砂静力参数的影响

为研究配比和相对密实度对橡胶砂静力参数的影响,对橡胶砂混合物的不同配比、不同相对密实度进行了三轴剪切试验,结果表明:在相同的橡胶含量下,试样的初始切线模量、偏应力与相对密实度呈正相关,偏应力峰值随相对密实度的增加近似线性增加;在相同的相对密实度下,橡胶砂的偏应力-轴向应变曲线随橡胶含量的增加表现出先上升后下降的变化规律,偏应力峰值随橡胶含量的增加近似线性减小,且偏应力达到峰值时对应的轴向应变变大;橡胶砂泊松比随相对密实度的增大而增大,但随着橡胶含量的增加,相对密实度对橡胶砂泊松比的影响变小。

相对密实度对砾砂初始切线模量的影响

针对基坑施工过程中周边土体由于受到扰动而发生结构性变化,致使土体强度和变形特性改变这一问题,选取典型砾砂进行不同围压下的三轴固结排水剪切试验,得到砾砂DuncanChang模型的相关参数.探讨了砾砂的初始切线模量Ei对相对密实度D_r的影响规律,并应用数学手段对与Ei有关的无量纲参数K和D_r的关系进行拟合.结果表明,相对密实度Dr对砾砂的强度和变形特性有着重要影响,ln K与D_r大致呈二次函数关系.

相对密实度对结构性砂土动剪切模量和阻尼比影响的试验研究

利用GCTS共振柱系统,开展了一系列人工结构性砂土的动力特性试验,研究了相对密实度对结构性砂土动剪切模量和阻尼比的影响。研究结果表明:相对密实度对结构性砂土的动剪切模量、阻尼比和最大动剪切模量均有影响,而动剪切模量比基本不受其影响。结构性砂土的动剪切模量和最大动剪切模量随着相对密实度的增加而变大;阻尼比随着相对密实度的增加而减小,但受其影响程度有限。建立了最大动剪切模量随相对密实度变化的关系式,并给出了相关参数。通过将部分工况下的结构性砂土与其重塑土进行对比试验,验证了结构性对砂土的动剪切模量和阻尼比都有显著的影响。最后给出了考虑砂土结构性动剪切模量比增大幅度、阻尼比减小幅度和最大动剪切模量增大幅度的推荐值,可供工程实际参考。

不同相对密实度下砂土侵蚀破坏试验研究

水力管线渗漏诱发城市地面塌陷灾害具有突发性、复杂性和高危害性的特点,对砂土在不同相对密实度侵蚀破坏过程进行试验研究可为灾前预防和灾后处理提供参考依据。文章设计了一种砂水流失可视化试验系统装置,采用数字照相量测技术对试验数据进行处理,运用图像分析法分析了砂土侵蚀过程,通过拟合法和理论分析法研究了砂土侵蚀破坏范围与砂土特性之间的关系。结果表明:砂土侵蚀发展过程分为渗水微流砂、砂水流失耦合加剧和弱流水少砂趋稳等3个阶段;砂体侵蚀过程可划分为塌落、流动、随动和稳定4个区域,流动区和随动区之间的破坏曲线呈二次抛物线形状;砂土流失量与破损口面积、水力梯度和侵蚀时间呈正相关,与破损口周长呈负相关。

相对密实度对沈阳砾砂峰值强度影响

为研究土体扰动过程中相对密实度与峰值强度的关系,针对沈阳地区砾砂,分别对不同相对密实度重塑样进行不同围压下的三轴固结排水剪切试验,得到砾砂Duncan-Chang模型的相关参数.随后,探讨了沈阳地区砾砂的峰值强度受相对密实度D_r的影响规律,并应用数学手段对过程参数M与D_r的关系进行拟合.结果表明:过程参数M与相对密实度D_r之间大致呈线性关系,以此建立砾砂峰值强度与相对密实度D_r的联系;而过程参数受到相对密实度D_r的影响很小,可近似认为l不随D_r变化.