土石混合填料工程力学性能试验研究

土石混合填料力学性能是影响路堤设计和施工的重要参数,相关研究一直是热点问题。为分析不同含水率、土石混合比例、击实功、土料厚度条件下土石混合体工程力学性能,开展了不同组合下土石混合体击实试验和大型直剪试验,揭示了上述因素对混合料最优含水率和力学指标的影响,并建立了土石混合填料力学指标计算方法。研究表明:总击实功、含水率和含石量对试样干密度影响较大,且随着含石量的增大,土石混合料最大干密度逐渐增大但最优含水率逐渐降低;干密度随着每层击实次数的增加而增加;随着法向应力的增大,土石混合料应力-应变曲线由应变硬化型逐渐变为应变软化型;随着含石量的增大,其内摩擦角随之减小但黏聚力随之增大,但增大幅度较小。成果可为土石混合填料路堤施工和设计提供理论参考。

不同充填度结构面抗剪强度尺寸效应试验研究

针对现有岩体结构面抗剪强度尺寸效应研究较少考虑充填程度差异影响的不足,首先基于渐进扩大法选取平均起伏差和平均起伏角相近的4种连续尺寸天然结构面形貌,并通过3D打印技术制作结构面面板,然后结合类岩石材料配制方法和毫米级充填装置制备5种充填度的充填结构面,最后通过课题组自主研发的大型结构面直剪试验系统开展3种法向应力条件下的室内直剪试验,获得充填结构面的剪切力学与破坏特征,并分析临界充填度和抗剪强度尺寸效应特性。结果表明:随着充填度的增加,结构面剪切破坏模式主要由“岩-岩”剪断破坏逐渐转变为“岩-土界面”滑动破坏,且结构面归一化峰值抗剪强度逐渐减小,直至达到临界充填度时趋于稳定;随着结构面尺寸的增加,临界充填度逐渐增加,变化范围为1.6~2.0;无充填结构面抗剪强度存在较明显的正尺寸效应,而充填结构面抗剪强度尺寸效应较不明显。通过尺寸效应机理分析发现,在不考虑结构面平均起伏角的影响下,平均起伏高度是影响临界充填度和抗剪强度尺寸效应的主要因素。上述研究可为充填结构面抗剪强度尺寸效应模型建立奠定试验基础。

盾构穿越土岩复合地层引起的土体位移研究

为研究土岩复合地层中盾构掘进引起的土体位移规律,基于Mindlin解和随机介质理论推导了隧道施工引起的土体位移计算公式,依托实际工程对地表及深层土体沉降规律进行了计算和可靠性验证。结果表明计算曲线与实测数据相吻合。随硬岩比增大,隧道施工引起的横纵向地表沉降值、横向沉降槽宽度均有所减小;硬岩层会减弱刀盘附加推力(p1)、盾壳侧摩阻力(p2)和土体损失对上部土体变形的影响,但附加注浆压力(p3)的影响将会增大。研究可为盾构穿越土岩复合地层引起的土体竖向位移预测提供参考。

土-石混合体土-水特性和微观结构的相关性研究

为探究秦巴山区土−石混合体土−水特性和微观结构的相关性,分别对不同孔隙比、含石量的土−石混合体开展非饱和入渗试验和压汞试验。试验结果表明:高压实度、低含石量下土−石混合体土−水特性曲线明显高于低压实度、高含石量土−水特性曲线;影响土−石混合体土−水特性的孔隙孔径在小于200μm范围内;含石量较低时,提高压实度造成孔隙向低孔径范围集中,使得土−水特性曲线在该孔径范围变陡;含石量较高时,提高压实度主要压缩大孔径孔隙(d>80μm),对小孔径孔隙的影响较小,使其土−水特性曲线较为一致。密实度较高时,增加含石量造成土−石混合体的孔隙分布更为均匀,土−水特性曲线由陡峭变为平缓;当密实度较低时,不同含石量下其小孔隙部分结构差异较小,土−水特性曲线较为一致。

土岩复合地层中盾构施工引起的地表位移预测

盾构穿越上软下硬土岩复合地层时极易引起地表沉降。为探究其规律,分析了盾构开挖面在复合地层中的收敛模式,考虑了层状地层对地表位移的影响,对传统的随机介质理论进行了简化,推导了复合地层中盾构施工引起的地表位移计算公式,依托杭州环城北路—天目山路盾构隧道工程进行了地表沉降的计算和可靠性验证,搜集并分析了26组地表沉降实测数据,反分析计算得到了对应的土体损失率,并进一步分析了土体损失率的分布及取值规律。结果表明:简化方法与传统随机介质理论计算结果相近,计算曲线与实测数据相吻合;复合地层中的土体损失率分布在0.09%~2.2%,与黏性土中类似;同一工程(区段)中土体损失率随硬岩比的增大而减小,且大致呈线性相关。

超载作用下土岩复合地层盾构隧道变形及破坏特征模型试验研究

地面突发堆载诱发运营期内地铁隧道病害的案例屡见不鲜,广州地区地铁隧道建设中常遇洞身上部为软土、砂层,下部为硬岩的土岩复合地层。目前对于局部超载作用下,土岩复合地层中盾构隧道变形与破坏特征并不明确,现行加固标准对于该种特殊地层的适用性也亟待验证。通过1︰5的土箱模型试验,探究不同硬岩比的土岩复合地层中隧道在正上方局部超载作用下的变形规律和破坏模式。试验结果表明:地层硬岩比对局部超载下盾构隧道的位移发展及其分布影响显著,结构的临界失稳荷载等级随着硬岩比增大而提高,结构破坏椭圆度随之减小,硬岩比的增大加强了结构外部围岩的约束作用,显著地控制了隧道椭变,但约束的加强也使结构呈现脆性性状,位移发展速率出现明显突变点;硬岩限制了其范围内管片的内力发展,且土岩交界面上部邻域管片产生应力集中现象,结构首先在此区域发生破坏,且常以贯穿式裂缝形式发展,随着硬岩比增大,结构呈崩角、劈裂等脆性破坏形式;隧道拱顶附加土压力会随结构失稳进入下降阶段,且随着硬岩比增大,软土压缩对地表超载的分散效应减弱,进而导致隧道拱顶附加土压力对地表超载更加敏感;将试验数据与现行加固标准对比分析,发现现行加固标准不适用于高硬岩比土岩复合地层中盾构隧道。研究成果可为加固标准结合地层因素优化提供理论支撑。

斥水剂作用下掺砂心墙料恒压渗透试验研究

为获得斥水剂作用下掺砂心墙料的渗透性能,采用自制恒压渗透仪,开展了不同土石比、击实数和水头条件下的恒压渗透试验,获得了掺砂斥水心墙料起渗历时、穿透水头和稳定渗透系数的变化规律.结果表明:起渗历时随着土石比的减小和击实数的增加而增加,随着水头的增加而减小.对于未掺砂的斥水心墙料,水头小于5 m时,水分能长时间停留在试样表层.对于掺砂斥水心墙料,穿透水头随着土石比的增大而减小,受击实数影响不明显.击实数相同时,稳定渗透系数与土石比呈较好的正相关线性关系;土石比相同时,稳定渗透系数与击实数呈较好的负相关线性关系.水头越大,掺砂斥水心墙料的稳定渗透系数有所增大,总体上影响不大.与传统掺砂心墙料防渗效果相比,掺砂斥水心墙料抗渗性能提升较明显,可为心墙设计提供新的思路.

基于离散元模拟的土石混合体剪切与变形特性研究

土石混合体是一种颗粒大小不一,物质成分复杂,结构分布不规则的非连续介质,其力学性质受多种因素的影响,运用离散元模拟程序PFC2D建立土石混合体直剪试验离散元模型,对不同含石量、不同块石—土颗粒粒径比、不同黏结强度的混合体进行直剪试验模拟,研究其对土石混合体抗剪强度以及破坏特征的影响。研究结果表明:离散元模拟试验与室内直剪试验结果基本吻合,证明了离散元剪切模型的可靠性;随着含石量的增高,土石混合体抗剪强度与其对应的剪切位移增加,剪胀与应变硬化现象更明显;10倍平均粒径比的土石混合体具有最高的抗剪强度;土石混合体的抗剪强度随着黏结力的增加而增加,而残余强度受黏结力的影响较小。

不同土石比的工程堆积体边坡径流侵蚀过程

工程堆积体可在短时期内极大程度地改变原地貌地形、土壤和植被条件,使其在降雨径流作用下将发生严重土壤侵蚀,因此是生产建设项目区水土流失最为严重的地貌单元。该文采用土工试验方法及野外实地放水冲刷法研究不同物质来源和土石比的工程堆积体边坡物理性质、侵蚀动力及径流侵蚀过程。结果表明：1）2种松散工程堆积体的物质组成和入渗性能均较原土差异明显,其中黄沙壤工程堆积体以≤0.25mm颗粒为主,其颗粒变异系数为原土的1.2-2.0倍,稳定入渗率为原土1.70-4.07倍;而紫色土堆积体级配良好,颗粒变异系数是其原土的2.2倍,稳定入渗率为原土的7.02-11.59倍。2）各种工程堆积体边坡侵蚀动力学参数随放水流量变大而增加,黄沙壤工程堆积体边坡径流流速在0.155-0.318 m/s之间变化,径流剪切力变化在27.632-57.154 N/m^2,土壤剥蚀率在0.337-77.071 g/（m2·s）之间;而紫色土工程堆积体边坡径流流速、剪切力和土壤剥蚀率分别在0.184-0.281 m/s,35.525-53.600 N/m^2和1.445-61.910 g/（m2·s）。3）土石混合质边坡在产流9 min内存在不同程度突变或波动,在相同条件下边坡累积产流量均表现为偏土质〉土石混合质,黄沙壤工程堆积体边坡累积产流量高于紫色土;而土石混合质边坡的产沙率呈连续性多峰多谷变化,边坡侵蚀沟壁土体崩塌脱落是造成产沙率波动的重要原因。该研究可为生产建设项目工程堆积体水土流失量预测和水土保持植物措施选择提供基本参数和技术支持。

土石比对碎石土强夯地基加固效果影响规律瑞利波检测分析

为了探讨土石比及大粒径块石对碎块石土强夯加固效果的影响规律,对3组不同土石比条件下碎块石土强夯地基的瑞利波检测数据进行了对比分析。夯后波速曲线具有明显的突变性,并随着土石比的减小其突变程度增强,突变段与大粒径块石有较好的对应性。波速增加比例曲线具有垂直分区特征,土石比对强夯加固区厚度影响较大。大块石对周边土体存在较强的扰动作用,夯后波速曲线往往表现为突然锐减,特别是当其位于夯后场地表层或较多大块石距离较近时表现更加明显。当大块石位于强加密区内时,加固深度随着大块石埋深增加而减小,且其埋深越靠近波速增加峰值点时加固深度越浅。研究成果对碎块石填土强夯地基的设计和施工具有参考价值。

土石混填路基压实度检测新方法探讨

土石混填路基变形模量和孔隙率随荷载增加而发生变化,土石颗粒受载前后体积不变,基于上述特点,建立了集中荷载作用下土石混填路基孔隙率和变形模量的变化模型,引进分级加载的思想和基于集中荷载作用于半无限空间的布辛奈斯克理论,建立了可考虑土石混填路基变形模量与孔隙率变化影响的路基表面竖向位移计算模型,利用土石混填路基表面静载试验曲线及曲线拟合方法确定了土石混填路基初始孔隙率,建立了土石混填路基压实度检测新方法.结合某工程实例进行测试结果对比分析,结果表明:新方法与传统方法测试结果吻合,能加快测试速度,降低对路基的破坏程度.

土石混合料的工程综合分类法研究

随着土石混合料越来越广泛地被道路、堤坝、基础等工程采用,快速、准确地预测其抗剪强度指标不仅有利于设计、计算,也有利于施工方案的制定和压实方法的选择。土石混合料的物理力学性质本质上是由颗粒的性质和其内部结构决定的,而现有的土石混合料的分类多从颗粒粒径和含量进行分类,无法从分类上判断其物理力学性质指标。通过室内击实试验、颗粒分析试验、剪切试验,结合非线性的分形几何学原理,对土石混合料进行以工程应用为目的的分类研究,提出了以岩性、含石量和混合料的颗粒组成分形为分类指标的土石混合料工程综合分类法,将土石混合料按3个层次划分为24类,并由试验指出不同类别土石混合料物理力学性质的差异。该综合分类法分类指标简单,指标确定方便,易于实际应用,并可根据分类预测混合料的物理力学性质。

种植方式和裸岩率对喀斯特洼地土壤养分空间分异特征的影响

选取桂西北典型喀斯特洼地,研究了种植方式和裸岩率对土壤养分空间分布的影响.结果表明:种植方式对土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、碱解氮(AN)、速效磷(AP)、速效钾(AK)和C/N有显著影响;裸岩率对SOC、TN、TP、TK、AN、AK和C/N有显著影响,对SOC、TN、TP和AN的影响程度大于种植制度的影响,这主要与农户在裸岩率较低的地段耕作强度较大有关;木豆-板栗地的SOC、TN、TP、TK、AN、AK等含量显著高于其它种植方式,说明退耕在一定程度上有利于土壤养分的积累;受地形地貌特征和土地利用结构的影响,SOC的空间分布表现为坡脚大于洼地;AP的空间分布与SOC不同,主要受施肥影响,表现为洼地高于坡脚.

典型喀斯特高基岩出露坡地表层土壤有机碳空间异质性及其储量估算方法

本研究基于详尽、系统的土壤采样调查,研究了喀斯特高基岩出露坡地典型样地（100 m×100 m）内表层土壤（0~15 cm）有机碳（SOC）含量的空间异质性特征,并以土壤斑块加和法为基准,探讨了传统空间插值方法和基于岩石出露率、土深校正的空间插值方法在喀斯特高基岩出露地区土壤表层有机碳储量估算中的适用性。结果表明,研究区SOC和容重均值分别为75.5 g·kg^-1和0.8 g·cm^-3,变异系数分别为30.6%与47.3%,皆呈现中等变异； SOC 半变异函数的最优拟和模型为指数模型,块金值和基台值分别为260.8与521.7,变程为52.5 m,其半变异函数分别在滞后距0~15.2 m与34.7~54.2 m范围内呈现明显的各向异性,说明在该尺度范围内微地貌与地形显著影响 SOC 的空间分布；利用土壤斑块加和法估算的样地表层 SOC 储量和碳密度分别为983.8 kg和0.1 kg·m^-2,利用传统空间插值方法估算的表层SOC储量和碳密度分别为86264.0 kg和8.6 kg·m^-2,利用基于岩石出露率、土深校正的空间插值方法估算的表层SOC储量和碳密度分别为2712.8 kg和0.3 kg·m^-2。其中传统空间插值方法大大高估了喀斯特地区表层 SOC 储量和碳密度值,用该方法估算的 SOC 储量为该区SOC实际储量的87.7倍,其误估率为8668.4%。说明传统地统计学方法不适合估算喀斯特高基岩出露坡地表层SOC储量及碳密度。而基于岩石出露率、土深校正的空间插值方法大大降低了估算喀斯特高基岩出露坡地表层SOC储量和碳密度的误差,为该区SOC实际储量及碳密度的2.7倍。说明校正后的地统计方法在估算该区高基岩出露坡地表层SOC储量时具有一定的适用性。以上研究表明,地统计方法是表示该区SOC空间分布的有效手段,但由于传统地统计方法难以精确拟合高基岩出露坡地土壤斑块的空间分布、微地貌特征、岩石出露率以及土层深度等信息,在估算同类坡地SOC储量和碳密度时必须修正估算公式以接近实际值。

基于静载试验的土石混填路基压实度检测新方法

针对现有路基压实度检测方法的局限性与不足,首先,利用土石混填路基在受载前后岩土颗粒体积不变的特性,建立出土石混填路基孔隙率的变化模型,导出土石混填路基变形模量的变化关系;其次,将土石混填路基视为半无限弹性空间,并考虑路基在荷载作用下变形模量发生变化的特征,引进分级加载的思想,导出基于布辛奈斯克解的土石混填路基在竖向荷载作用下的变形或沉降计算方法;然后,将土石混填路基初始孔隙率与荷载位移曲线建立关系,从而提出基于静载试验的土石混填路基压实度检测新方法;最后,将现场试验数据与基于理论公式进行拟合分析,其结果与传统方法较为接近,新方法具有可行性与合理性。

土石混合料强度特性的试验研究

开挖山体得到的土石混合料因强度高、施工方便而被广泛用作路基或基础的填料,但由于受地质条件、含石量、粒度分布范围及颗粒粒径等因素的影响,土石混合料的力学性质表现出明显的非线性,强度指标无法通过常规的试验设备检测,导致应用土石混合料填筑的路基或基础经常出现较大的差异沉降或滑塌,严重影响上部结构的使用。为了研究土石混合料的强度特性及其随各影响因素的变化规律,对室内大型直剪试验进行了改进,研制了新型的大型直剪试验系统,对不同类别土石混合料在不同影响因素下进行了击实试验和大型直剪试验。研究发现,在高应力条件下,土石混合料的剪切破坏不再完全符合库仑定律,抗剪强度应进行一定的折减;试验结果揭示了土石混合料的强度指标随各主要影响因素的变化趋势,初步建立了土石混合料指标随各影响因素的变化规律。结果还表明,母岩性质及含石量对混合料的强度指标影响较大,硬岩类混合料的内摩擦角普遍比软岩类高,混合料的强度随含石量变化规律为,当含石量小于30%时,含石量的变化对强度影响较小,随含石量的增加,混合料的强度也呈抛物线形增长,一般至含石量为70%左右达到峰值。

覆岩岩土比对开采沉陷的影响分析与数值模拟

以榆神矿区小保当井田2-2煤层覆岩为地质原型,基于区域地质条件和3个代表性钻孔构建了30个不同岩土比类型的数值模型,运用数值模拟试验的方法研究在地质条件和开采工艺相同的情况下,覆岩岩土比对开采沉陷的影响规律。研究结果表明:在250m和300m埋深水平下,下沉系数都会随着岩土比的增大而减小;在350m埋深水平下,下沉系数整体上呈现随岩土比增大而变小的趋势(岩土比为2∶1的点除外)。针对3种不同埋深水平建立了岩土比与下沉系数的量化关系;在不同的埋深水平下,岩土比对下沉系数的影响程度不同,随着埋深的增加,下沉系数的减小幅度基本表现为先变大后变小。

桶形基础极限承载力特性研究

通过有限元计算,分析了不同长径比下横向和竖向承载力、载荷位移曲线以及耦合载荷作用下的极限承载力特性,并与实验结果进行了对照。结果表明:当竖向压力小于某临界值时,基础的横向极限承载力随着竖向压力的增加而增加;但是当竖向压力增大到超过该临界值以后,横向极限承载力反而会随竖向压力的增大而降低。随着长径比的增加,基础承载力,特别是横向承载力有比较明显的提高。

基于CT图像的土石混合体破裂-损伤的三维识别与分析

土石混合体是一种特殊的非连续非均匀地质材料,传统的岩土力学试验方法与分析理论难以直接用于分析其变形破坏行为。发展了一种基于CT扫描和图像处理技术的内部破裂与损伤的三维识别方法,利用自行开发的裂纹识别提取程序提取和分析了单轴压缩下不同含石率土石混合体变形破坏时的内部细观结构变化特征,建立了土石混合体破裂-损伤的三维重构模型,定量地分析了单轴压缩条件下土石混合体的内部损伤演化规律以及含石量的影响和作用。研究表明:该方法可以直观定量地表征土石混合体变形破坏的内部损伤特征与演化规律。石块对土石混合体损伤发展的影响与含石量密切相关,存在一个临界含石率。

川西高原冰碛层土石比确定方法研究

以四川西部的折多山、海子山冰碛层上的重大工程为例,系统地研究了冰碛层土石比的定义和确定方法。结果表明:冰碛层土石比不应机械地按照相关规范确定,而宜按工程类型、规模和施工水平确定;大型土石方工程土石比应按照勘察阶段初步确定,试验段校核,施工调整、修正的程序,采用综合方法确定。