筑坝粗粒料力学特性的缩尺效应研究

针对筑坝粗粒材料缩尺效应问题,统计分析三板溪、水布垭等大坝填筑料的级配特征,认为以Talbot曲线为原级配可作为高土石坝填筑料的“平均级配”,并将此原级配按现今粗粒料试验制样时最为常用的“混合法”进行缩尺,配制了最大粒径 为20～180 mm的试样。利用PFC2D软件,对各缩尺级配进行了多组、多种数值试验,揭示了各缩尺级配试样干密度极值、初始弹性模量及体积模量等关键物理量与各级配最大粒径的关系。结果表明：缩尺关系与密实度控制标准相关,在同一相对密度条件下各缩尺比试样力学参量为其最大粒径的单调函数,经推求可得原级配具备室内试验级配1.5～1.6倍的抗变形能力;而在同一干密度条件下,力学参量与各最大粒径呈先减小再增加的非单调关系。最后基于细观力学理论对造成缩尺效应的机制进行了解译。利用PFC2D数值试验从一定程度上拓展了仅靠实际三轴试验来研究粗粒料缩尺效应的粒径和思路。     

粗粒料级配缩尺方法对其最大干密度的影响研究

对某原型级配粗粒料,按规范要求采用剔除法、等量替代法、相似级配法、混合法等4种缩尺方法,获得15条模拟级配,相应的最大颗粒粒径分别为60、40、20 mm。在相同振动功能条件下,对模拟级配进行了最大干密度试验,研究同一原型级配经不同级配缩尺方法后其最大干密度值的变化规律。分析认为,最大干密度与缩尺后级配的不均匀系数、曲率系数、最大颗粒粒径、小于5 mm粒组含量等参量相关,提出了修正级配参数方法,即将最大干密度与级配相关参量归一化。最后进行了试样尺寸直径为1 m的原型级配粗粒料的击实试验,验证了归一化公式的合理性。     

粗粒料级配缩尺后压实密度试验研究

对某级配粗粒料采用混合法、剔除法、等量替代法和相似级配法等4种不同缩尺方法进行缩尺。缩尺后替代级配料的最大粒径分别为10、20、40和60 mm。对各替代级配料进行了相对密度试验。同时,为完善试验成果,又人工随意配置了3种级配料用于试验。最大、最小干密度试验分别采用振动台法和松填法。研究同一原型级配料不同方法缩尺后各级配土石料在同一压实功能情况下的最大、最小干密度与土料级配参数、最大粒径之间的关系。提出了一种将干密度与级配之间关系归一化的方法,并拟合了干密度与Cu、Cc及最大粒径之间的关系,据此可推求原型级配料的最大干密度。     

基于分形理论的粗粒料级配缩尺方法研究

按规范要求的剔除法、等量替代法、相似级配法、混合法等4种缩尺方法,对某粗粒料原型级配进行缩尺,得到15条试验模拟级配,相应的最大颗粒粒径分别为60、40、20 mm。对原型级配和缩尺后模拟级配,进行了最大干密度试验,引入粒径分形维数,研究粒径分形维数与级配缩尺方法、最大干密度的变化规律。分析认为,粒径分形维数是一个能综合反映级配的量化评价指标,可准确反映不同缩尺方法后的试验模拟级配;级配缩尺方法本身对最大干密度有较大的影响,相似级配法的最大干密度值与原型级配的最接近,等量替代法的差异性最大;粒径分形维数与最大干密度具有较好的线性归一化,利用归一化规律,可准确推求原型级配的最大干密度值,有较好的工程应用价值。     

粗粒料级配缩尺后最大干密度试验研究

对某级配粗粒料,采用剔除法、等量替代法、相似级配法和混合法等4种不同缩尺方法,依据规范要求进行缩尺。缩尺后替代级配料的最大颗粒粒径分别为20、40、60 mm。对各替代级配料采用振动台法进行了最大干密度试验,基于试验成果,结合分形理论,提出了一种将最大干密度与级配及细粒含量之间关系归一化的方法,并拟合了最大干密度与试验前级配的分形维数、小于5 mm颗粒的含量及最大粒径之间的关系,据此可推求出原型级配料的最大干密度,探讨了缩尺方法对替代料试验前后粒径分布曲线变化幅度的影响,总结出颗粒破碎分形维数与试验前级配的分形维数、小于5 mm颗粒含量及最大粒径之间的关系式,据此可推求出填筑后原型级配料的颗粒破碎分形维数。     

Effects of skeleton void ratio on the strength and deformation characteristics of coarse-grained soilEI北大核心

粗粒土强度变形特性与初始级配和制样干密度密切相关。为研究不同级配和密度组合的粗粒料强度变形特性,提出了一种计算简便、易于推广的粗粒土骨架孔隙比计算方法。开展的室内试验结果表明,该计算方法所得的骨架孔隙比与粗粒土力学特性之间存在较为明显的单调性变化规律。当试样尺寸一致时,随着骨架孔隙比减小,破坏剪应力增大,破坏摩擦角增大,黏聚力减小;平均初始切线弹性模量增大,平均初始切线泊松比减小。整体而言,骨架孔隙比越小,粗粒土强度、刚度越大。基于该结论,笔者提出了一种等骨架孔隙比粗粒土缩尺方法。     

钙质粗粒料颗粒强度和压缩特性的试验研究

目前对钙质土压缩特性的研究主要集中在钙质细砂,而实际工程中广泛存在钙质粗粒料,因此对钙质粗粒料压缩特性开展研究具有重要意义。通过颗粒强度测定仪和全自动大型固结仪对钙质土进行了单颗粒破碎试验和一维压缩试验,研究了颗粒粒径和相对密度对钙质粗粒料的颗粒强度和压缩特性的影响。单颗粒试验结果表明,钙质砂单颗粒的特征应力随着颗粒相对密度的增大而增大;单颗粒的破碎强度具有明显的尺寸效应,可利用单颗粒的特征应力进行标准化,且服从Weibull分布。压缩试验结果表明,单一粒径试样破碎后的分形维数随颗粒粒径的增大而增大;试样的Hardin破碎率与塑性功的关系为幂函数关系;在本次试验条件下,单一粒径试样的屈服应力与单颗粒的特征应力存在近似线性关系。     

颗粒破碎对绢云母片岩强度和变形影响的试验研究

为进一步弄清颗粒破碎对软岩粗粒料强度、变形的影响,开展2组不同初始干密度下的绢云母片岩粗粒料的固结排水三轴试验,分析了绢云母片岩粗粒料颗粒破碎规律,并探讨了颗粒破碎对绢云母片岩粗粒料力学性质的影响。结果表明,绢云母片岩粗粒料相对破碎率随围压的增加而增大,但颗粒破碎增幅速率受初始干密度影响较大,颗粒破碎与围压之间的关系可用线性关系描述;由于初始孔隙率的影响,使得试样在同一应力水平下高密度试样颗粒破碎明显高于低密度试样;颗粒破碎对高密度试样抗剪强度降低的影响高于低密度试样,导致两种干密度试样的应力-应变曲线在某处出现相交,最终出现初始密度低的试样抗剪强度大于初始密度高的试样抗剪强度的现象;高密度试样孔隙率较小,其剪胀因子一直保持在1附近,而低密度试样孔隙率较大,受颗粒破碎和剪胀的影响迟缓一些,低密度试样体变较高密度要大些,但整体上由于颗粒破碎和剪胀的影响,绢云母片岩粗粒料的体变均不大。     

材料状态对粗粒料力学特性影响的试验研究

粗粒料的力学特性与材料状态诸如围压、密度、岩性、级配等因素密切相关。通过粗粒料常规大型三轴各向等压固结排水剪切试验,研究了材料状态对粗粒料力学特性的影响,试验结果表明,初始干密度越小,应力–应变曲线硬化性越强,剪缩性越明显,随着初始干密度的增大,应力–应变曲线的软化性和剪胀性逐渐增强;岩性对粗粒料的力学特性也有明显影响,岩性越硬,应力–应变曲线的软化现象越明显,试样的剪胀性也越大,抗剪强度也越高;级配对粗粒料的力学特性也有重要影响,粗砂和细砾含量相同时,粗砾含量越低,粗粒料抗剪强度越小,体胀变形越大;不同围压的试样孔隙比随着剪切变形的发展逐渐趋向于临界孔隙比,且在平均正应力对数坐标系内呈较好的线性关系;围压、密度、岩性、级配等影响因素下,粗粒料的Rowe剪胀模型参数的归一性都较好,说明Rowe剪胀模型能反映粗粒料的材料状态对其力学特性的影响。     

干密度对粗粒料力学特性的影响

粗粒料的力学特性不仅取决于应力状态,还与粗粒料本身的松密程度密切相关,即与粗粒料的材料状态相关。通过不同初始干密度的粗粒料常规大型三轴各向等压固结排水剪切试验研究了干密度对粗粒料力学特性的影响。试验结果表明：粗粒料应力-应变曲线的形态取决于密度和围压的共同作用,破坏状态之前密度和围压共同决定了粗粒料的强度和变形,而当应变足够大处于渐进状态或临界状态时,粗粒料的应力和体积应变受初始干密度的影响逐渐减小直至消失。对于软化型曲线,相变状态的应力小于渐进状态的应力,而渐进状态的应力小于破坏状态的应力。无论围压大小如何,随着初始干密度的增大,应力-应变曲线的硬化性逐渐减弱,而软化性则逐渐增强。     

广西红粘土击实样强度特性与胀缩性能

通过对广西贵港红粘土重型击实样的室内试验研究,探讨了其力学特性、胀缩性能、孔径分布特征与含水量之间的关系。结果表明：干密度指标总体上能反映红粘土击实样的强度规律,但非饱和击实样强度峰值对应的含水量因基质吸力作用而偏小,饱和后土体由于吸水膨胀与基质吸力的消失,使得强度峰值对应含水量较饱和前明显增大,红粘土在最优含水量下压实,虽可获得很高的压实度,但饱和后的强度并非最大;红粘土击实样的胀缩性能主要由含水量决定,同时,受到干密度的影响;孔隙主要以孔径在0.01～0.05μm范围内的小孔隙为主,为进一步掌握红粘土的工程力学特性提供了帮助。     

弱膨胀土工程特性及其路基处治对策

针对湖北襄-荆高速公路膨胀土,在室内开展了弱膨胀土的压实特性、胀缩性状、力学特性试验研究,发现压实膨胀土的工程性状受含水率与压实度的影响,胀缩特性是膨胀土的固有特性,其大小取决于起始湿度和密度;击实膨胀土的最佳含水量和最大干密度随击实功变化而变化,压实功愈大,土的最大干密度也愈大,而对应的最佳含水量愈小;膨胀土的CBR值随其含水率的变化规律类似于击实曲线,但CBR峰值含水率大于最佳含水率,为深入认识膨胀土的工程特性提供了帮助。因此,利用弱膨胀土填筑路堤时,不仅要考虑经过击实后的土的性质,而且还要考虑在填方建成、条件改变后土的性能;膨胀土路堤填筑除考虑压实度与CBR值要求外,尚需考虑胀缩总率的影响。最后,推荐了弱膨胀土路堤结构型式,并提出了弱膨胀土用于路堤填筑的控制标准。     

土石混合料的压实特性研究

基于某大型场平工程填筑质量抽检结果,探讨了粗料含量（粒径大于5 mm颗粒含量）、填料最大粒径以及填料级配情况对土石混合料现场压实特性的影响。研究发现：当粗料含量逐渐增加时干密度呈逐渐增大趋势,但达到90%左右时,干密度离散性较大,建议粗料含量的合理值为60%～80%;同样,当填料最大粒径逐渐增大时干密度也随着最大粒径的增大而呈逐渐增大趋势,但当超过松铺厚度（800 mm）的30%以后,干密度则逐渐减小,且离散性较大,建议最大粒径的合理值为松铺厚度的30%;填料级配良好与否和压实特性无明显的相关性,但级配应连续。该研究对类似工程有一定的借鉴意义。     

大石峡高面板坝筑坝砂砾料现场大型相对密度试验

当前,主要采用相对密度来表征筑坝砂砾料的密实程度,并以此来评价大坝的施工碾压质量。受试验设备尺寸和击实功能的限制,室内试验难以反映现场实际筑坝砂砾料粒径大、采用大型碾压机具进行高强度碾压的实际情况,试验确定砂砾料最大干密度值偏低,难以直接用于指导实际工程。针对大石峡高面板坝筑坝砂砾料,在工地现场采用实际筑坝碾压设备和大型相对密度桶,对原级配坝料开展相对密度试验,研究了坝料的压实特性,确定了不同级配（含砾量）坝料的相对密度特性指标。研究表明：比较室内试验成果,现场试验确定砂砾料最大干密度值有较大提高;随着含砾量的增加,砂砾料的最大、最小干密度值先增加、后减小,存在压实密度最高的最优含砾量特征值;强振碾压使得弱胶结砂砾料产生不同程度的颗粒破碎效应,颗粒破碎的程度和土料的原始级配特性相关联。     

广西红土击实特性的影响因素及机理分析

红土是由原岩在湿热气候条件下经过红土化作用形成的具有高含水率、大孔隙比、较高强度和较低压缩性的一种特殊土。由于其特殊的工程地质性质形成了红土具有较大工后沉降的特性。目前,工程中普遍采用强夯的地基处理方法对其进行处理,对于夯后红土地基变形则通过现场监测结合室内试验的方法进行研究。笔者通过室内击实试验和击实后红土的高压固结试验,深入探讨影响红土击实效果和击实后压实性的主要因素,并对各影响因素进行影响机理分析。试验结果表明：红土的击实效果与击实功成正比,与黏粒质量分数、塑性指数、游离氧化铁质量分数成反比;击实后红土的压缩模量受含水率、干密度及饱和度等因素的综合影响,并且各因素的影响程度不尽相同;当含水率大于18%时,土体处于近饱和状态,含水率与干密度已经不能反映饱和红土的压实性了,即在实际的强夯工程上这种土的含水率不宜大于18%,否则会产生较大的工后沉降。     

Effect of Biochar Produced from Mesquite on the Compaction Characteristics and Shear Strength of a Clayey Sand

Biochar is a carbon-rich and low microbial degrading material obtained after pyrolysis of biomass in the absence or limited content of oxygen. The impact of biochar on hydraulic properties of soil is extensively studied in agricultural and geotechnical or geoenvironmental engineering for potential application in bioengineered structures. While a little study is conducted to assess its effect on soil mechanical properties, especially shear strength. However, the effect of biochar on the combined shear strength and compaction characteristics of soil is not studied. The shear strength of biochar amended soil is thought to be related to the compaction characteristics. In addition, the effect of biochar on the shear strength of the soil is soil and biochar specific. In this study, an attempt was made to investigate and better understand the effect of biochar on the shear strength and compaction characteristics of a clayey sand for potential application in bioengineered structures. Standard proctor, direct shear and unconfined compression tests were conducted on bare soil and soil amended with 5, 10 and 15% (w/w) biochar. The experimental results revealed that the amendment of biochar from 5 to 15% (w/w) decreased the dry density and increased the shear strength parameters such as cohesion (c) and angle of internal friction (ϕ) of the soil. While it decreased the undrained shear strength (c_u) at higher compaction density (> 0.95MDD) and increased at lower compaction density (< 0.9MDD). Thus, in undrained condition, the initial compaction density has a strong influence on the shear strength of biochar amended soil. In addition, the increased c and ϕ and decreased dry density in biochar amended soil is observed to increase the stability of slopes (hypothetical). The increase of c and ϕ is believed to be due to the roughness and active chemicals (functional groups) present on the surface of the biochar. The decreased c_u at higher density is believed to be due to the lubricating effect by the higher water content.

     

掺绿砂改良膨胀土室内试验研究

绿砂高额的处理费用与其具有的再利用潜力相比,使绿砂再利用的研究得到重视,尤其对公路路基改良具有很大的利用潜力。针对膨胀土路基的胀缩问题,围绕绿砂及膨胀土-绿砂混合物进行一系列室内土工试验,探讨绿砂作为公路膨胀土路基改良剂的可行性。在不同含水率及不同配比条件下,对绿砂以及绿砂改良后膨胀土的基本物理性质、击实特性、力学特性等进行室内对比试验分析。分析结果表明,绿砂改良膨胀土试样的强度主要取决于试样的含水率、掺砂率;随着掺砂率的增加,塑性指数逐渐降低,最佳含水率也随之减小,最大干密度增大的幅度变化很小,无侧限抗压强度先降低而后提高,其后又降低。