透明土强度特性与细观机制的试验研究

以熔融石英砂为骨架材料、纳米级疏水性气相二氧化硅粉为胶结剂、正十二烷和15号白油的混合矿物油为孔隙流体配置的新型透明土,具有良好的透明度和适中的强度,是开展岩土工程物理模型变形发展过程与破坏机理研究的理想相似材料。针对影响该新型透明土强度特性的主要影响因素,采用直剪试验研究了含水率和石英砂粒径对透明土强度的影响规律,并采用光学显微镜分析了透明土强度变化的细观结构机制。研究结果表明:①透明土试样在低轴压下的位移-力曲线表现出软化特性,而在高轴压下表现出硬化特性;②含水率对透明土试样的黏聚力影响较为明显,而对内摩擦角影响较小,其强度的最佳含水率为23%左右;③随着石英砂颗粒粒径的增大,试样的黏聚力呈线性降低而内摩擦角呈先缓慢后快速增加的趋势;④在细观结构上,孔隙大小、胶结剂与混合液的胶结作用影响透明土的黏聚力,而团聚石英砂颗粒间的咬合互锁、细颗粒石英砂的润滑作用影响透明土的内摩擦角。

可视化软土隧道模型试验相似材料的配置及其物理力学特性研究

可视化的模型试验是明晰软土隧道开挖诱发连锁事故触发机理的有效手段,而合理配比的相似材料是保证模型试验可靠性的关键。选取正十二烷、15#白油、熔融石英砂和纳米级白炭黑配置透明软土相似材料。通过密度与含油率测试、标准固结试验和固结快剪试验,开展配制材料力学和变形特性分析。研究结果表明:相似材料的密度在1.30~1.59 g/cm^(3)之间,含油率在36.13%~124.71%之间,初始孔隙比在0.70~2.34之间,压缩系数在0.09~1.04 MPa^(-1)之间,压缩模量在0.96~20.11 MPa之间,黏聚力在2.3~31 kPa之间,内摩擦角在14.82°~27.07°之间时,与天然软土相似。试样的e-p曲线均具有较为明显的“上凹型”,e-lgp曲线均呈近似直线下降趋势。每组配比的固结系数在7.87×10^(-4)~2.02×10^(-2)cm^(2)/s之间,符合天然软土固结系数取值范围。透明软土归一化后的剪应力-剪切位移曲线与天然软土的相同,均呈现应变硬化的特点。