考虑孔隙比影响的堆石料湿化试验及湿化模型

对某堆石坝的坝壳料进行了不同密实状态下的单线法三轴湿化试验,分析了湿化变形随围压、应力水平以及初始孔隙比的变化规律。结果表明:在围压和应力水平相同条件下,随着初始孔隙比的减小,堆石料湿化轴向应变和体积应变均明显降低;初始孔隙比对湿化应力剪胀规律影响不大,采用对数形式的湿化剪胀方程可对不同初始孔隙比条件下的湿化应力剪胀关系进行统一描述。对指数形式的湿化轴向应变经验模型进行修正,构建了考虑初始孔隙比及应力状态影响的湿化轴向应变计算模型,并联立湿化剪胀方程推导了湿化体积应变的计算公式,通过对三轴湿化试验结果进行模拟验证了该公式的合理性。

砂-粉混合料颗粒接触状态的临界条件确定

砂-粉混合料被广泛应用于高速铁路路基、人工筑岛及海底沉管隧道垫层等重大工程,如何科学地表征砂-粉混合料复杂的颗粒接触状态及连续演变的力学行为特征,并深入揭示其对混合料静/动力学特性的影响已是一项紧迫的基础性科学研究任务。本文基于代表性砂-粉混合料的基本物理性能指标及力学特性指标试验数据,验证Rahman等提出的区分“细粒填充砂粒”和“砂粒悬浮细粒”的阈值细粒含量FCth半经验公式预测能力。基于理想二元介质材料的理论最小孔隙比计算方法,提出确定中间性态土颗粒接触状态临界条件参量FC_(in-min)和FC_(in-max)的方法,分析各参数对FC_(in-min)和FC_(in-max)的影响规律,建立基于基本物理性能指标的FC_(in-min)和FC_(in-max)预测方法,最终提出全FC范围(FC=0~100%)的砂-粉混合料各颗粒接触状态临界条件参量的有效评价方法。

橡胶混合黏土小应变剪切模量特性试验研究

为了研究橡胶混合黏土(混合土)的动变形特性,对不同橡胶掺量、橡胶粒径和围压的混合土开展共振柱试验,分析动剪切模量G和阻尼比λ的发展规律,并基于二元介质模型,提出了表达混合土接触状态的骨架孔隙比e_(sk)计算方法,进一步依托骨架孔隙比e_(sk)对混合土的最大动剪切模量G_(max)进行评价。结果表明:掺入橡胶颗粒后,混合土的G减小,λ增大,且橡胶掺量增大时,混合土的G减小、λ增大;围压增大时,混合土的G增大、λ减小;橡胶粒径增大时,混合土的G增大、λ减小。随着橡胶掺量增大,骨架孔隙比e_(sk)增大,G_(max)降低;在相同橡胶掺量时,随着橡胶粒径的增大,e_(sk)增大,G_(max)升高。在Hardin公式的基础上,基于骨架孔隙比e_(sk)提出了考虑橡胶掺量和橡胶粒径的G_(max)表征模型,该模型具有较好的准确性,可为评价橡胶混合黏土G_(max)提供依据。

长江漫滩相超固结软土最大动剪切模量试验研究

为探究长江漫滩相超固结软土最大动剪切模量G_(max)变化特征,利用弯曲元对原状长江漫滩相软土开展了系列试验研究,探讨了不同超固结比H_(OCR)、初始有效固结围压σ'_(3c)及孔隙比e对漫滩相软土G_(max)的影响规律。试验结果表明,当σ'_(3c)和H_(OCR)均相同时,G_(max)随e的增大而减小;H_(OCR)的增大会导致G_(max)随e的衰减速度逐渐降低,而σ'_(3c)的增大不会引起G_(max)衰减速度的变化。孔隙归准化最大剪切模量G_(max)/F(e)随归准化初始有效围压σ'_(c0)/Pa的增大而增加,但其增长速率逐渐降低,G_(max)/F(e)与σ'_(3c)/Pa呈幂函数关系。基于回归分析,提出了合理表征具有不同超固结状态、初始应力条件及密实程度的长江漫滩相软土G_(max)预测方法,并通过独立试验验证了该方法的有效性。

电渗透系数试验装置研制及其影响因素

为深入探讨饱和土的电渗透系数及其影响因素,自制了一种简单便捷的电渗透系数试验装置。该装置可以保证在电渗试验过程中试样含水率和孔隙比相对稳定,并排除由于试样两端水头差引起水力渗流的影响。利用该试验装置对5种不同孔隙比的饱和重塑黏性土试样进行电渗试验,结果表明,在低电压和小孔隙比条件下排水量与时间成正比。在此基础上,探讨了电势梯度及孔隙比对电渗透系数的影响规律。试验结果表明,电渗透系数随着电势梯度或孔隙比的增大而增大,且与电势梯度和孔隙比均近似呈线性关系。其中,孔隙比对电渗透系数的影响较大。

饱和珊瑚砂体应变发展模式与预测模型试验研究

珊瑚砂具有较好的排水条件,地震、波浪荷载作用下饱和珊瑚砂产生的排水变形易引起海床和附近结构物的破坏。利用GDS循环三轴仪,针对南沙岛礁饱和珊瑚砂试样进行了一系列循环排水加载试验,以探究细粒含量FC、相对密度D_r及循环应力比CSR对饱和珊瑚砂变形特性的影响。试验结果表明,饱和珊瑚砂的累积体应变ε_(vp)的发展速率和变形程度随FC、CSR的增大而增大,随D_(r)的增大而减小。饱和珊瑚砂ε_(vp)-N关系曲线呈现出循环平稳和循环蠕变两种发展模式。引入潜在破坏系数DP表征FC对ε_(vp)发展模式的影响,建立了DP×CSR-D_(r)框架的饱和珊瑚砂体应变发展模式评价方法。为表征FC及D_(r)对饱和珊瑚砂ε_(vp)-N关系曲线的影响,引入了骨架孔隙比e_(sk)*,发现两种发展模式下ε_(vp-s)与e_(sk)*均存在良好的相关性,遂建立了排水循环加载条件下饱和珊瑚砂的体应变发展模型,可以较好地预测饱和珊瑚砂的累积体应变发展规律。

覆岩离层注浆采空区自燃“三带”分布规律

覆岩离层注浆技术通过压实采空区内的破碎岩体,改变了采空区的流场特性和自燃“三带”的分布情况。为了探讨屯兰矿22301综采工作面离层注浆件下采空区遗煤自燃风险范围,基于实测和数值模拟相结合的方法,对该工作面采空区内存在的自燃“三带”进行准确划分;并提出了注浆钻孔的空隙率三维数学模型,评估不同注浆钻孔位置对采空区流场的影响。结果表明:修正后的空隙率三维数学模型能更好地反映注浆后采空区的气体流场,其模拟结果与现场实测结果的残差精度提高22%;相比于未注浆情况,离层注浆后采空区受到压实作用,有效抑制采空区自然发火的危险性,并导致工作面漏风风流向上汇聚,使采空区垮落带较高位置的氧气体积分数增加;注浆钻孔的布置参数对采空区流场将产生影响,其影响关联度依次为钻孔间距、钻孔排数、钻孔影响半径。

结构性对软黏土次固结特性影响的试验研究

【目的】分析软黏土原状样和重塑样次固结系数随固结压力的演化规律,比较不同试样的孔隙比和孔径分布曲线,探究结构性影响软黏土次固结特性的内在机理。【方法】对上海和温州软黏土的原状样和重塑样开展不同固结压力下的次固结试验及相同孔隙比下的压汞试验,得到试样在对应固结压力下的次固结系数及孔径分布曲线。【结果】原状样的次固结系数随固结压力的增大呈先增大后减小的变化规律,重塑样的次固结系数基本不受固结压力的影响。相同孔隙比下的原状样和重塑样在孔径分布上存在明显差异,而两者的次固结系数基本一致。但是,相同压力下的原状样和重塑样的次固结系数差值与孔隙比差值具有良好线性关系。【结论】固结压力对原状样次固结系数具有重要影响,但对重塑样次固结系数的影响可忽略不计。此外,相同压力下的原状样和重塑样的次固结系数差异,主要是结构性引起两种试样的孔隙比不同所致的,而孔隙结构对次固结系数的影响可忽略不计。

地铁车站下水平冻结过程中冻胀的热−水−力耦合模型研究

随着地下空间大规模开发利用,人工冻结法在隧道下穿上覆结构工程中得到广泛应用,但上覆结构对冻胀变形控制要求也越来越高,而上覆既有结构与冻结法工艺的相互作用规律尚不明晰。为此,提出多物理场耦合冻胀变形计算方法。依托上海地铁18号线国权路站下穿既有10号线上部运营车站的盾构隧道工程,以上海第⑤_(1)层灰色黏土为对象,研究新建隧道冻结法施工对上部运营车站主要结构的扰动作用。以孔隙比、冻结温度和平均水压力为耦合变量,考虑水分迁移,推导冻胀变形公式,改进热−水−力耦合的冻胀计算模型。基于黏性土的冻胀试验,获得冻胀试样的应力−应变关系,描述黏性土孔隙结构的变化规律。利用软件COMSOL Multiphysics的弱形式模块,开展热−水−力三场耦合数值模拟。结果表明:模拟结果与监测数据具有较高的拟合度,并小于预定的控制值,验证了耦合理论的正确性。研究成果可为类似冻结下穿隧道工程,提供一种多物理场耦合作用的上覆结构变形计算方法;为下穿隧道工程冻结法设计及施工提供有效的计算参数;为制定下穿隧道工程冻结法加固施工的安全控制指标,提供科学依据。

振动排水条件下软黏土的渗透特性试验研究

为研究振动排水条件下软黏土的渗透特性,采用振动排水固结仪和变水头渗透试验装置,对软黏土进行振动排水条件下的渗透试验,分析了荷载幅值、频率以及孔隙比对软黏土渗透性的影响规律。研究结果表明:软黏土的渗透系数随着加载时间的增加呈现先减小后增大再减小的趋势;随着载荷幅值的增大,渗透系数的增幅亦相应增大;不同频率下的渗透系数在加载中期增幅不同,1 Hz时对应的增幅最高;提出了适用于振动排水条件下e-k非线性表达式,渗透系数随着孔隙比的减小而减小。研究结论可为振动排水固结法的设计及应用提供参考。

考虑孔隙比的冻胀弱敏感性土修正PCHeave模型研究

针对我国严寒地区高速铁路路基填料和机场填方等工程具有严格的压实度要求,而考虑孔隙比的冻胀弱敏感性土冻胀影响研究尚未有系统性的理论分析,采用理论与经验分析相结合的方法,基于冻胀弱敏感性土的孔隙比与渗透系数和未冻水含量之间的关系,建立考虑孔隙比的修正PCHeave模型。基于该模型分析孔隙比与冻胀量、冻结深度和冻胀率之间的关系,并进行试验对比验证。研究结果表明:孔隙比与冻胀弱敏感性土的未冻水含量之间存在很好的线性关系;冻胀弱敏感性土的冻胀量和冻胀率均随孔隙比先增大再减小,即存在一个最不利孔隙比使得冻胀量和冻胀率均达到最大值;冻胀弱敏感性土的冻结深度随孔隙比增大而逐渐增大;若仅考虑孔隙比对饱和渗透系数的影响,冻胀量和冻胀率均随孔隙比显著增加,若仅考虑孔隙比对未冻水含量的影响,冻胀量和冻胀率均随孔隙比减小,但减小幅度很小。冻胀弱敏感性土通常被认为不能产生显著冻胀,在一定孔隙比下也能产生较大冻胀,同时考虑孔隙比对饱和渗透系数与未冻水含量的影响要更合理。冻胀弱敏感性土的冻胀不能忽略孔隙比的变化,与试验结果对比,该模型能够较好地描述孔隙比对冻胀弱敏感性土的冻胀影响。

硬沥青改性沥青混凝土黏结层路用性能研究

选择硬沥青作为一种天然沥青添加剂,通过在沥青混凝土黏结层中添加6%,7%,8%的硬沥青,与未添加硬沥青的混合物进行比较,评估硬沥青对沥青混凝土性能的影响。结果表明:添加硬沥青的混合物稳定性提高的同时,流动性增加,导致混合物具有更大的变形性;当硬沥青添加比例为6%时,混合物具有最优路用性能,表明在沥青混凝土黏结层中添加适量的硬沥青可有效提升道路铺装的质量和耐用性。

基于高空隙率的嵌卡力对块石护面结构稳定性的影响

为研究块石护面结构的抗风浪能力,引入块石间嵌卡力及空隙率因子,构建了块石护面临界稳定力学平衡方程,开展了块石护面现场抗脱稳定试验。结果表明,在工程应用中,块石护面结构的抗风浪能力与护面厚度、块石间的嵌卡力成正比,与块石下表面面积、空隙率成反比;采用C40混凝土“嵌缝”优化后,单位面积嵌卡力平均值为68.53kPa;空隙率为45%、40%的混凝土生态嵌缝块石失稳时,其抗脱临界值分别为抛理块石的8.87、12.86倍,其失稳时所受的嵌卡力约为重力与摩擦力之和的2.76、7.78倍;块石护面结构现场抗跳脱稳定试验与理论计算结果及变化规律一致;在保证护面结构空隙率大于40%的前提下,采用侧砌或竖砌的抛理工艺、“对角式”或“三角式”嵌缝工艺,可有效提高块石护面结构的抗风浪能力。研究结果为块石护面结构设计及加固提供理论参考。

透水沥青混合料车辙试验离散元仿真

为分析车辙对透水沥青混合料内部空隙的影响,以透水沥青混合料PAC-13为研究对象,进行按级配上限及级配中值成型的沥青混合料试件的车辙试验,得到轮迹处的车辙及空隙率的变化规律;基于车辙试验数据,采用离散元软件PFC 2D,从细观角度建立透水沥青混合料离散元颗粒仿真模型,分析透水沥青混合料车辙产生过程中内部空隙及颗粒间接触力的变化规律,并考虑试件厚度对空隙率的影响。研究结果表明:车辆荷载作用处沥青混合料空隙率变化比其他部位大;在相同荷载作用下,级配中值沥青混合料的空隙率变化比级配上限沥青混合料小;级配上限沥青混合料的模型厚度增大,空隙率变化减小,颗粒间接触力向下传递的趋势降低,且车辙板底部所受颗粒间接触力较小;厚8 cm的车辙板在荷载位置的空隙率变化较大,且随距表面距离的增大,空隙率变化幅度减小。

基于空隙率数值模拟的水稳碎石级配研究

为了确定空隙率最小的CTB-30水泥稳定碎石级配,通过简化模型参数构建了离散元PFC3D的空隙率数值试验模型,粗集料级配采用数值试验确定,细集料级配通过i法确定,确定了空隙率最小的CTB-30级配,对CTB-30级配进行了力学性能验证与芯样强度测试。结果表明:19~31.5 mm、9.5~19 mm与4.75~9.5 mm三档集料空隙率最小的配比为42∶28∶30,i为0.75时细集料空隙率最小,粗、细集料的最佳比例为67∶33。采用重型击实法成型试件,在5%的水泥剂量下,与骨架密实级配中值、悬浮密实级配中值相比,空隙率最小的CTB-30级配的最佳含水率分别降低0.2%、0.4%,最大干密度分别提高0.018 g/cm^(3)、0.039 g/cm^(3),无侧限抗压强度分别增加3.8%、9.1%,劈裂强度分别增加5.7%、3.4%。通过试验段总结了施工要点,芯样检测结果超过室内试验结果,施工观感符合预期。

砂土地基液化沉降的数值模拟探究

砂土地震液化是指原本稳定的砂土,在地震作用下转化为混合液体的过程。砂土地基的液化沉降直接影响上部建筑的安全。为探究砂土地基抗液化处理的可行性办法,采用有限元程序Dbleaves和已构建好的本构模型,围绕初始孔隙比和初始结构度两个因素进行数值模拟,以期为实际应用提供参考。结果表明:①初始孔隙比较小的砂土在动荷载下的液化沉降较小;②当砂土初始孔隙比较小时,减小其初始结构度可以减小其在动荷载下的液化沉降;当砂土初始孔隙比较大时,减小其初始结构度反而会增大其在动荷载下的液化沉降。

土石坝蓄水饱和湿化变形探讨

土石坝在蓄水期产生的过量变形会导致坝体结构应力重分布,进而使得某些部位损坏。对此,大量学者在筑坝料室内湿化特性及土石坝初期蓄水阶段应力变形的有限元模拟方面,开展了一系列研究。为进一步提高土石坝蓄水阶段变形控制水平,对现有研究成果进行了归纳分析,结果表明:坝料室内湿化试验技术的核心在于湿化变形测量、含水量测量及应力控制方法,在这些方面仍待进一步优化;关于湿化机理,目前仍缺乏有力的验证;按不同的湿化变形分解模式,会得到各异的湿化变形经验模型;“初应变法”数值模拟需假定湿化应变分解法则,“初应力法”得到的湿化变形较小。结合分析结果,提出以湿化孔隙比取代湿化变形,研究浸水饱和全过程中的孔隙比—饱和度关系的新研究思路。

对沥青混合料配合比设计规范的解读与实践

为更好地掌握与运用《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)附录B“热拌沥青混合料配合比设计方法”,对规范相关条款进行了研究解读,阐述了沥青混合料体积设计方法的原理,分析了各体积参数的意义以及各参数之间的内在逻辑关系,着重探讨了最小矿料间隙率与空隙率的变化规律,并通过举例验证了计算法确定最佳沥青用量的可行性。结果表明:1)最小矿料间隙率的作用是保证沥青混合料具有最小的沥青膜厚度;2)当矿料组成和沥青含量已定时,采用不同压实功,试件的矿料间隙率随其空隙率的增减而增减;3)采用理论计算方法,有利于更准确快捷地确定最佳沥青用量,缩短目标配合比设计的周期。

福州地区饱和淤泥不固结不排水强度特性研究

为了解福州地区典型饱和淤泥的强度特性,进行三轴不固结不排水试验,并绘制应力圆曲线,获得抗剪强度指标C_(u)、φ_(u)值。为减少饱和度对强度指标的影响,依据勾股定理,对抗剪强度值进行修正,并分析饱和淤泥抗剪强度参数与含水率、孔隙比的相关关系,采用数理统计方法,总结含水率、孔隙比等对强度的影响。试验结果表明:饱和淤泥不固结不排水强度指标C_(u)、φ_(u)整体上是随着含水率、孔隙比的增大而呈减小趋势。

含有机质土渗透特性的研究

为了研究含有机质土的渗透特性,通过在蒙脱石、伊利石和高岭土中添加泥炭,分别配置了6组不同有机质含量的矿质土样。利用固结-渗透联合试验的结果,分析了固结压力、孔隙比、干密度、有机质含量及矿物成分对含有机质土渗透特性的影响。试验结果表明:随着固结压力、干密度、有机质含量的增加以及孔隙比的减小,渗透系数整体呈下降的规律。其关系可分为2个阶段:显著下降阶段及平缓下降阶段。在显著下降阶段,渗透系数随固结压力的变化幅度可达37%~78%;干密度、有机质含量提高1%,孔隙比降低1%,渗透系数分别降低1%~4%、2%~6%及1%~11%。在平缓下降阶段,渗透系数随固结压力的变化幅度为8%~11%;干密度、有机质含量提高1%,孔隙比降低1%,渗透系数分别降低0.2%~0.8%、0.5%~0.6%及0.9%~1.8%。矿物成分对土渗透特性的影响较大,3种矿质土的渗透系数由大到小为伊利石>高岭土>蒙脱石。