Direct shear tests of coarse-grained fillings from high-speed railway subgrade in cold regions

In order to study the shear behavior of coarse-grained fillings taken from the subgrade bottom layer of a cold region high-speed railway,large scale direct shear tests were conducted with different normal pressures,water contents and temperatures.The results indicate that the relationship between shear displacement and shear stress changed from strain-softening at lower normal pressures to strain-hardening at higher normal pressures,in both unfrozen and frozen states.This phenomenon was mainly due to the shear dilatation deformation effect.The shear displacement-shear stress curves show similar stages.Besides,the shear stress rapidly increased and there was not an increment in the shear displacement during the initial stage of the shear process in the frozen state.In both the unfrozen or frozen states at the same water contents,the shear strength increased with increasing normal pressure.

Study on Shear Strength Characteristics of Columnar Jointed Basalt Based on in-situ Direct Shear Test at Baihetan Hydropower Station

Columnar jointed basalt(CJB) widely distributes in the dam site of the Baihetan Hydropower Station.The columnar joint structure and fracture development of CJB have significant influence on the mechanical properties of rock mass,and the mechanical properties of CJB are of great significance to the Baihetan Hydropower Project.Therefore,in-situ direct shear tests were carried out on ten test adit at different locations in the dam site area to study the shear behavior of CJB.In this study,21 sets of in-situ direct shear tests were conducted for rock types of type Ⅱ_(2),type Ⅲ_(1)and type Ⅲ_(2),with horizontal and vertical shear planes and two different specimen sizes of CJB.Shear strength parameters of CJB were obtained by linear fitting of in-situ direct shear test results based on the Mohr-Coulomb strength criterion.The results indicate that the shear strength parameters of CJB with horizontal shear plane increase as the increase of rock type grade.The shear strength parameters of CJB show obvious anisotropy and the friction coefficient of the horizontal shear plane is greater than the vertical shear plane.The friction coefficient in the horizontal direction of the shear plane is 1.27 times that in the vertical direction of the shear plane.With the increase of rock type grade,the difference of friction coefficient becomes larger.However,the cohesion changes little whether the shear plane is horizontal or vertical.In addition,the size effect of CJB in this area is significant.The shear strength parameters of large size(100 cm × 100 cm) specimens are lower than those of regular size(50 cm × 50 cm) specimens.The reduction of cohesion is greater than that of the friction coefficient.For rock type Ⅲ_(2),the cohesion of large-size specimens is 0.637 of the regular-size specimens.The reduction percentage of the friction coefficient for type Ⅲ_(2)is 1.66 times that of type Ⅲ_(1).The reduction percentage of the cohesion for type Ⅲ_(2)is 1.27 times that of type Ⅲ_(1).The size effect decreases with the increase of rock type grade.The research results of this study can provide an important basis for the selection of rock mechanics parameters in the dam site area of Baihetan Hydropower Station and the stability analysis of the dam foundation and rocky slopes.

Revisiting the response of western North Pacific tropical cyclone intensity change to vertical wind shear in different directions

不同方向垂直风切变对热带气旋强度变化的影响存在明显差异,但对热带气旋无维强度变化的影响却差异较小.研究发现不同方向垂直风切变对无维强度变化的影响的细微差异与热带气旋周围的高层西风槽,倒槽,低层季风槽等天气系统配置有关.这一结果表明,在研究不同方向切变对热带气旋强度变化的影响时,除了下垫面热力作用外,还应考虑与切变相关的天气尺度系统的热,动力作用.

砂土-混凝土接触面剪切带细观变形特征的试验研究

接触面剪切带的细观变形特征是研究结构物与土体相互作用的核心问题。为探明砂土-混凝土接触面剪切带变形特征,利用大型直剪仪开展砂土-混凝土接触面直剪试验,采用灌砂变形标记法实测砂土变形,依据标记线剪应变沿竖向的变化特征对砂土变形区域进行划分。在此基础上,研究粗糙度、法向应力和密实度对砂土-混凝土接触面剪切带细观变形特征的影响规律。研究结果表明:1)砂土可分为非剪切区、过渡区和应变集中区,应变集中区仅存在剪切面之上。2)规则型接触面的上剪切带厚度均值为33D_(50),远大于下剪切带9D_(50)和“光滑”接触面剪切带厚度20.4D_(50)。3)密实度对剪切带及其过渡区厚度的影响微弱,而粗糙度对其影响显著;法向应力、密实度对应变集中区厚度影响有限,应变集中区厚度随粗糙度的增大近似线性增大;应变集中区长度随粗糙度的增大先增大后减小,随密实度的增大近似线性增大,随法向应力增大而减小。4)随剪切位移增大,上剪切带厚度不断增大而下剪切带厚度先增大后保持基本不变,应变集中区的长度增大,但剪切位移对应变集中区厚度的影响有限。5)获得归一化剪切带厚度取值h_(t)/D_(50)与D_(50)的关系,在有限元模拟规则型结构与砂土的相互作用时,建议砂土体细化网格单元的范围不小于最大剪切带厚度37D_(50)。研究成果深化了砂土-规则型接触面剪切带变形特征的认识,可为大粗糙度、带肋桩的承载变形特性的精细化有限元模拟分析提供重要参考和依据。

灌木根系形态对土体强度影响的大型直剪试验研究

根系形态显著影响根土复合体强度,然而现有研究局限于草本根系根土复合体和室内常规直剪试验。为探究多年生灌木根系形态及空间分布对固土效果的影响,采用大型直剪试验装置(直径400 mm),对原状根土复合体进行了剪切试验。试验中测量了根系形态参数(根面积比RAR、根长密度、根体积密度和根表面积密度)、根土复合体抗剪强度和剪胀特性,探讨了根系沿深度的分布特征、根土复合体剪胀性以及根系形态参数与根土复合体抗剪强度的相关关系。结果表明,根系加剧了根土复合体的剪胀;在4个根系形态参数中,剪切带上的RAR和根表面积密度与根系对剪切强度的贡献之间相关性较好;Wu模型能反映根系固土的本质,却存在强度被高估或低估的问题。研究成果有助于推动植物根系在固土领域的应用。

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。

含粗粒滑带土剪切带演化及空间展布规律研究

对含不同强度粗颗粒的滑带土进行了可视化中型直剪试验,通过竖直置入铝丝观察剪切后铝丝变形情况获取剪切破坏带的空间信息,并建立了剪切带空间曲面方程。通过粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术对可视面处二维剪切带信息进行提取,并与剪切试验得到的空间曲面方程的边界外推值进行对比,证明了空间曲面方程与PIV技术能够描述剪切带特征。然后通过PIV技术对不同剪切总位移与某一剪切位移下短时间内相对位移规律进行了分析。最后分析了预制损伤与粗颗粒强度对剪切带特征的影响。研究结果表明,剪切带形状为两端薄中间厚的带状,可采用高斯曲面方程对剪切带轮廓进行拟合。剪切带在发展过程中经历压密、自由损伤、损伤沿固定路径发展与剪切带贯通4个阶段,损伤使得剪切带发展各阶段前移,粗颗粒强度会对局部剪切带变形产生较大影响而对整体剪切带的变形影响较小。该研究成果对于揭示滑坡剪切带形成与演变规律从而设计合理的边坡防治方案具有重要意义。

泥石流物源土体标度分布参数与粘聚力的关系

颗粒级配影响土体力学性质(如粘聚力)。细颗粒(尤其是粘粒)含量对粘聚力起着决定性作用。颗粒级配可用土体特殊粒径(如D50等)来表征,但并不能避免同参异效等问题。采用土体标度分布μ和Dc两个参数,可准确地描述土体颗粒组成特征,但该分布参数的物理意义,以及特征参数与土体力学参数之间的关系尚不明确。本文实施室内试验测试,采用标度分布表征土体颗粒组成,研究在不同含水率和标度参数条件下土体粘聚力的变化特征,探讨土体颗粒组成、含水率和粘聚力之间的关系。结果表明:(1)标度分布参数μ随着细颗粒含量的增加而增大,并呈现指数函数关系;(2)随着细颗粒含量的增加,粘聚力先迅速增大后缓慢增加并趋于稳定,且粘聚力c与标度分布参数μ呈现对数函数关系;(3)粘聚力随着含水率的增大先增大后减小,即存在一个使得土体粘聚力达到最大值的含水率阈值,在达到此阈值之前,细颗粒含量对粘聚力的影响较为显著,达到该阈值之后,含水率成为更主要的影响因素;(4)基于试验结果,得到土体粘聚力随含水率及标度参数共同影响下的二元模型。研究可为明确标度分布参数的物理意义以及确定土体力学参数提供试验依据。

土体与混凝土界面剪切特性试验研究

为研究土体与混凝土两者之间的相互作用机制,通过大型直剪仪,对不同土体、法向应力及含水率条件下,土-混凝土界面的剪切特性进行了一系列试验研究。研究结果表明:对于砂土、淤泥及砂质泥岩,土-混凝土界面的抗剪强度呈现出随法向应力增大而增大、随含水率增大而降低的特性;砂-混凝土界面的内摩擦角和黏聚力受含水率影响不明显;随含水率提高,淤泥、砂质泥岩与混凝土界面的内摩擦角显著降低,黏聚力先升高再降低。研究成果可为不同土体的侧摩阻力分析提供参考。

Scale dependence of direct shear tests

Direct shear test has been widely used to measure the shear strength of soils and other particulate materials in industry because of its simplicity. However, the results can be dependent on the specimen size. The ASTM (American Society for Testing and Materials) publications suggest that for testing soils the shear box should be at least ten times the diameter of the largest particle and the height of the box should be no more than half of its diameter. These guidelines are empirically based. A series of two-dimensional numerical direct shear tests are performed to investigate this scaling effect. By analyzing the bulk friction, particle translation and rotation, percentage of sliding, average volume (area) and shear strain and the evolution of the shear band, we find that the traditional guidelines for direct shear tests are questionable. Scaling dependency of bulk friction on the property of granular materials is clearly present. Our current analysis points out that the scaling effects can vary significantly depending on the particle properties other than their sizes. Of all the parameters we observed, particle rotation appears to have a decisive correlation with the bulk friction. Formation of a shear band is universal. As the shearing progresses, particle rotation begins to concentrate near the shear plane. By defining the width of a shear band as the standard deviation of the distribution of translational gradient or the standard deviation of the distribution of particle rotation, quantitative evolutions of shear band are presented. Both measures of the shear band width dropped rapidly during pre-failure stage. After peak stress both measures begin to approach steady state as the bulk friction stabilizes to the residual stage. These observations suggest that structure formation inside the shear band controls the scaling effect.

Shear behavior of coarse aggregates for dam construction under varied stress paths

Coarse aggregates are the major infrastructure materials of concrete-faced rock-fill dams and are consolidated to bear upper and lateral loads. With the increase of dam height, high confining pressure and complex stress states complicate the shear behavfor of coarse aggregates, and thus impede the high dam＇s proper construction, operation and maintenance. An experimental program was conducted to study the shear behavior of dam coarse aggregates using a large-scale triaxial shear apparatus. Through triaxial shear tests, the strain-stress behaviors of aggregates were observed under constant confining pressures： 300 kPa, 600 kPa 900 kPa and 1200 kPa. Shear strengths and aggregate breakage characteristics associated with high pressure shear processes are discussed. Stress path tests were conducted to observe and analyze coarse aggregate response under complex stress states. In triaxial shear tests, it was found that peak deviator stresses increase along with confining pressures, whereas the peak principal stress ratios decrease as confining pressures increase With increasing confining pressures, the dilation decreases and the contraction eventually prevails. Initial strength parameters （Poisson＇s ratio and tangent modulus） show a nonlinear relationship with confining pressures when the pressures are relatively low. Shear strength parameters decrease with increasing confining pressures. The failure envelope lines are convex curves, with clear curvature under low confining pressures. Under moderate confining pressures, dilation is offset by particle breakage. Under high confining pressures, dilation disappears.

岩体原位直剪试验声发射特征及破坏机理研究

声发射技术目前主要应用于小尺度岩石(≤10 cm)的破坏特征研究,但对大尺度岩石(≥70 cm)的破坏特征研究较少,大尺度岩石更接近工程实际,更能反映工程岩体的宏观特征。为探究大尺度岩石(≥70 cm)的裂隙分布、破坏过程和破裂机制的演化规律,在对软弱碳质黑云母片岩进行原位直剪试验时声监测声发射参数,并采用声发射参数分析、声发射波形分析、时频分析技术对声发射信号解析。分析发现:岩体的剪切破坏过程可分为3个阶段:(1)裂纹萌生(弹性变形)阶段,岩体中不存在或存在非常微弱的声发射事件。(2)裂纹扩展阶段,在岩体中观察到少量微裂纹并不断扩展,声发射事件累积,但总体数量较少。(3)破坏阶段,声发射事件显著增加,微裂纹继续扩展和贯通,直至形成宏观断裂。同时将基于振幅的统计指标b和基于r值的统计指标变异系数CV(r)值对比分析,表明CV(r)可以作为岩石断裂破坏强度的判据。本文研究结论如下:岩体受剪切荷载处首先出现声发射事件,随剪切荷载的增大新增的声发射事件逐渐前移,表明微破裂首先围绕在直剪试验岩体的受力部位附近。在岩体破坏阶段,微裂隙集中在局部区域,岩体产生应力集中现象。岩体声发射试验与直剪试验结合可应用于监测及预报工程岩体结构面动力剪切破坏行为特征,预测岩石破裂前兆并可作为现场直剪试验结果的相互验证的有利手段。

含水率对土石混合料力学特性影响试验研究

为研究初始含水率对土石混合料力学特性的影响,选取典型土石混合料开展大型三轴固结排水剪切试验。结果表明,随着初始含水率增加,土石混合料应力-应变曲线呈下降趋势,且围压越高下降幅度越明显。高围压、高含水率将抑制土石混合料剪胀,且剪缩特性更明显,从而应力-应变关系逐渐由硬化软化组合型过渡到持续硬化型。土石混合料剪切强度与正应力呈现非线性关系,含水率增大将导致土石混合料剪切强度参数减小。通过邓肯-张模型较好地拟合了土石混合料的应力-应变关系,并得出了材料参数随含水率的变化规律。

黏质粗颗粒土固结特性及对慢剪速率的影响

黏质粗颗粒土慢剪剪切速率与固结时间相关。为了探索不同固结压力下适用的剪切速率,对泥岩和黄土混合料进行大型压缩试验,以固结度达到90%所对应的时间t_(90)为基准,研究试样固结特性及剪切速率确定方法。试验结果表明:试样固结系数随固结压力增加呈先迅速减小后略有增加的趋势,拐点压力附近渗透系数已趋于稳定,而压缩系数变化显著。剪切速率与固结系数呈线性关系,固结压力小于1000kPa时,剪切速率应根据固结系数进行确定,固结压力大于1000kPa时,试验可按0.03mm/min剪切速率进行。

单剪与常规三轴条件下土石混合体强度特性差异

开展土石混合体的大型叠环式单剪试验与大型三轴试验,根据颗粒材料及砂土的单剪试验规律分析单剪试样应力状态,探讨两种试验条件下土石混合体的强度特性差异。结果表明:①对应相同小主应力,试样在单剪过程中的大主应力率水平更低、变化范围更小,主应力比峰值更低,对应极限应力摩尔圆更小;②单剪条件下的割线剪切模量各向异性,其中水平向割线剪切模量在剪切过程中恒低于三轴条件下的割线剪切模量,但差值随主应力轴与主应变轴间的非共轴度减小而减小;③对于采用试料,单剪条件下的摩尔-库仑抗剪强度指标值显著低于三轴条件下的值,其中内摩擦角低约9.5%。初步研究认为,单剪过程中的主应力轴旋转以及非共轴性是造成土石混合体2种试验强度特性差异的重要原因。

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。

加筋土挡墙墙趾界面剪切刚度计算模型研究

在硬质墙面加筋土挡墙数值模拟中,墙趾界面参数的选取对模拟结果的正确性至关重要。然而,墙趾界面剪切刚度仅能通过混凝土界面剪切试验获取,其过程繁琐、周期长。开展大型剪切试验研究混凝土界面剪切刚度与界面摩擦角、正应力的关系,在此基础上提出墙趾界面剪切刚度计算模型,该计算模型的输入参数为墙高和墙趾界面摩擦角,其中墙趾界面摩擦角可通过简单的混凝土斜板试验获得。采用该计算模型为3组不同墙趾约束条件的加筋土挡墙数值模型选取了墙趾界面剪切刚度值。3组挡墙数值计算得出的筋材应变均与实测值相吻合,筋材拉力分布随墙趾约束条件的变化规律与已有的模型试验结果一致,证明了墙趾界面剪切刚度计算模型的可行性。

土石混合体大型三轴剪切变形特性及模拟方法

土石混合料是山区高填路基工程常见的填筑材料,其剪切变形特性及模拟方法是路基填筑设计的重要依据,但其研究仍存在诸多问题。【目的】为了更全面弄清多因素影响下土石混合体剪切变形特性,建立一种能够模拟土石混合体剪切变形过程的本构模型。【方法】首先,考虑含石量、含水率、岩性和土性等四种因素,采用正交设计试验方法,开展多因素多水平下土石混合体大型三轴剪切试验研究;然后,引入统计损伤力学理论,建立土石混合体轴向损伤模型和轴向损伤演化模型,进而建立土石混合体统计损伤本构模型,给出模型参数的确定方法;最后,将理论模型曲线与土石混合体剪切试验曲线进行比较。【结果】结果显示:土石混合体轴向剪切变形呈明显的阶段性特征;随着含石量由25%增加至70%,内摩擦角由35.5°近似线性增加至46.8°;内摩擦角不随土性和岩性的改变而显著变化;随着含水率由0增加至5%,内摩擦角由40.2°增加至42.4°,但随着含水率持续增加至试样饱和,内摩擦角逐渐减小至36.8°;此模型能够较好地模拟不同围压条件下土石混合体应力-应变试验曲线。【结论】结果表明:随着围压的增大,应变类型由软化型不断向硬化型转变,体应变由剪胀型不断向剪缩型转变;土石混合体内摩擦角的影响因素主次排序为含石量→含水率→岩性→土性;统计损伤理论能够应用于阐释土石混合体变形力学特性。

松散堆积体大型直剪试验及强度取值方法研究

为掌握堆积体力学强度特性及含水量对其影响规律,以三峡地区某典型滑坡松散堆积体作为研究对象,对不同含水量条件下堆积体开展室内大型直剪试验,分析堆积体剪切过程中的应力-应变、颗粒破碎、体积应变、剪切面破坏等宏观力学特征,并提出适用于堆积体抗剪强度的取值方法。研究结果表明:(1)不同含水量下堆积体均呈明显的应变硬化特征,剪应力-位移曲线无显著的峰值,但存在一定程度的应力“跳跃”现象;(2)堆积体剪切过程产生了较为明显的颗粒破碎现象,表现为颗粒相对破碎率随含水量降低或法向应力增大而增大;(3)剪切破坏面形态并非理想的平面,随含水量增大,剪切面由“上凸下凹”不规则状逐渐向空间上与剪切缝成一定夹角的平直破坏面转变;(4)结合剪切过程中剪切面上法向应力、剪切应力和应力比特征分析,提出了基于应力比的堆积体抗剪强度取值方法,并验证了该方法的有效性,该方法不仅操作简便、人为干扰小,且更能反映土石混合堆积体的剪切破坏实质;(5)水对堆积体具有明显的软化作用,随含水量增大,表观黏聚力c和内摩擦角φ近似线性降低,且表观黏聚力的劣化效应大于内摩擦角。研究成果可为西南山区堆积体剪切力学特性与强度取值确定提供参考依据。

降雨淋滤下废弃尾矿土重金属迁移及其与抗剪特性相关性研究

废弃尾矿在经过降雨淋滤作用后重金属含量会沿垂直剖面呈现出明显的规律性,对其抗剪强度也有较大的影响,探究它们之间的变化规律有较大理论和现实意义。以辽宁省辽阳县某铜铅锌共生废弃尾矿库为背景,在实验室配制与现场实际分层情况相符的尾矿土壤样品,通过自制的大型土柱分层装填,开展淋滤试验。分析分层土壤中重金属元素在不同降雨p H值、降雨强度、降雨历时综合影响下的垂向迁移特征基础上,通过直剪试验进一步探究淋滤作用对尾矿的抗剪强度的影响以及重金属污染物含量与抗剪特性之间的相关性。结果表明:(1)酸性降雨下,土壤中重金属Cu和Zn含量在0~20 cm深度显著降低,而碱性淋滤下含量稍有增大;随着p H值的增大土壤的抗剪强度总体是变小,内摩擦角逐渐变大、黏聚力逐渐变小;(2)同一土柱中,Cu、Pb和Zn浓度随分层深度增加逐渐减小;随降雨强度的增大而增大;淋滤作用能有效增大尾矿的抗剪强度;尾矿淋滤后的抗剪强度指标与降雨强度呈正相关;(3)分层土壤中Cu、Pb和Zn浓度随淋洗时间的增加,三者相比初始水平均有大幅度的减少,铅没有出现表层累积的情况;尾矿淋滤后的抗剪程度与降雨时长也呈正相关;但尾矿流量组的抗剪强度指标增加明显小于时间组的强度指标;(4)淋滤后的尾矿抗剪强度与重金属污染物含量呈反比关系。研究结果可为我国废弃尾矿库污染物迁移以及稳定性分析提供重要参考。