宽级配砾石土缩尺强度特性试验研究

宽级配砾石土广泛分布于泥石流易发区,其强度特性是正确评价泥石流启动和防治设计的关键性问题。为探讨宽级配砾石土强度参数与最大颗粒粒径和颗粒级配的关系,针对3种不同颗粒级配缩尺处理后最大粒径分别为30mm、20mm、10mm和5mm的宽级配砾石土进行三轴固结不排水强度试验。结果表明,宽级配砾石土具有液化特性,试验曲线表现为应变软化、应变硬化和应变软化-硬化3种形态;对于出现液化的土体,有效内摩擦角随着最大粒径的增大而线性增大;有效内摩擦角随着不均匀系数的增大而增大,两者呈二次函数关系;随着特征粒径的增大呈分段线性增大。研究结果为泥石流启动预测和防治工程设计的参数选取提供一定参考支持。     

蒋家沟砾石土不同粗粒含量直剪强度特征

蒋家沟流域内大量泥石流由滑坡引发,滑坡转化为泥石流的3个过程中,首先是在斜坡体内大范围剪切破坏。在其物源区与沉积区内分布大量砾石土,其强度特征对于蒋家沟泥石流的起动机制具有重要意义。由于砾石土颗粒粗大,粗细粒配比和试验尺寸对强度特征有一定的影响。为此在室内现场两用大型直剪仪下进行蒋家沟砾石土不同粗粒含量下的直剪强度试验,结果表明：在干密度为2.0 g/cm3、含水率为7 %时,砾石土除在粗粒含量为74.31 %的低垂直压力（50,100 kPa）时剪应力-水平位移关系有峰值外,其余土样没有明显峰值;同一粗粒含量试样在水平剪切应变值为0.02时的剪切模量 随垂直压力增加而增大;在相同垂直压力下, 随粗粒含量增加而增大,且在较低垂直压力下的 随粗粒含量增长更为显著。内摩擦角值随粗粒含量增加而增大;黏聚力在粗粒含量为48.7 %时最小。粗粒含量小于 48.7 %时,试样黏聚力值随粗粒含量增大而减小;当粗粒含量大于48.7 %时,黏聚力随粗粒含量增加而显著增大。     

粗粒料大型三轴试验的尺寸效应研究

采用大型三轴仪,对双江口高土石坝的砂岩过渡料进行试验研究。通过对不同试样直径D和不同最大粒径dmax的过渡料进行等?3应力路径试验,分析了D、dmax对应力-应变-强度特性的影响,研究了室内试验存在的尺寸效应。结果表明,对同一种级配试样,破坏主应力差、内摩擦角和初始切线模量随试样直径的减小而增大;在低围压下破坏主应力差和内摩擦角的增大趋势明显,但随围压增大,增大幅度减小;对同样的试样直径,最大粒径增大,破坏主应力差和内摩擦角增大,同样这种增大趋势在低围压下明显。     

考虑颗粒破碎的粗粒土剪胀性统一本构模型

粗粒土作为无黏性散粒状材料具有状态依赖特性,土体的剪切特性受密度和应力水平影响。易破碎是粗粒土的另一个特点,颗粒破碎影响粗粒土的剪胀、内摩擦角、峰值强度和渗透系数。为了能够准确地描述粗粒土的应力-应变关系,采用初始状态参量描述粗粒土的内部状态,根据三轴试验数据建立考虑颗粒破碎耗能的应力-应变关系,采用相关联流动法则推导考虑颗粒破碎的粗粒土剪胀性“统一本构模型”,并建立初始状态参量与模型参数之间的关系。所建立的统一本构模型既考虑了颗粒破碎对剪胀、内摩擦角的影响,又考虑了剪切特性对土体初始状态的依赖。采用变异粒子群算法拟合试验曲线,确定模型参数。模型计算结果能够很好地拟合试验曲线。采用同一组参数对假定的初始状态进行模拟计算,计算结果表明,模型能够模拟不同初始密度和应力水平下粗粒土变形的一般规律。     

颗粒形状对粗粒土剪切变形影响的细观研究

颗粒形状是影响粗粒土密实度、力学与渗流等特性的主要因素之一。为了分析颗粒形状对粗粒土剪切特性的影响,采用离散元法生成4种不同形状的颗粒组,进行粗粒土直剪试验模拟与剪切宏细观响应研究,得出了颗粒形状对剪应力-剪位移、体应变-剪位移的影响,分析了粗粒土剪切应力、应变特性与剪胀特性。通过分析剪切带厚度、颗粒旋转量值、平均接触数、孔隙率及接触力系等宏细观参量的演化规律,研究颗粒形状在宏细观尺度上对粗粒土的影响。研究表明:异形颗粒间的咬合自锁作用大于纯圆颗粒,试样的抗剪强度有随形状系数的减小而增大的趋势。试样颗粒在外荷载作用下发生运动,应变主要表现在颗粒运动剧烈、剪胀幅度较大的剪切带内。颗粒形状系数F减小,试样的初始平均接触数增加,内摩擦角φ增大,剪切带内孔隙率增量越大,剪胀幅度越大。剪切过程中强力链聚集于剪切带内并起骨架作用,随着形状系数的减小,力链长度在0～5所占百分比呈增大趋势;剪切带内强力链的数目随着形状系数的减小而增加,峰值含量在30%～35%之间。     

粗粒料颗粒破碎数值模拟研究

粗粒料在外力作用下存在明显的颗粒破碎特性,研究颗粒破碎过程是当前研究的热点问题之一。基于粗粒料单颗粒破碎机制,考虑单颗粒破碎强度与直径的变化规律,采用非线性接触H-Z模型和密度控制法建立了粗粒料颗粒破碎数值模型。开展粗粒料双轴剪切试验数值模拟研究,并与室内试验结果进行对比分析。研究表明：建立的粗粒料颗粒破碎数值模型能够较好地模拟粗粒料偏应力与轴向应变和体积应变与轴向应变的关系;数值模拟获得的粗粒料颗粒破碎率与室内试验结果基本一致;去除试样制备过程和固结过程引起的颗粒破碎,不同围压条件下的颗粒破碎率归一化后基本重合,且可以近似地采用双曲线函数进行拟合。颗粒破碎率随着围压的增大,逐渐增大,试验级配趋于Einav提出的颗粒破碎的最终级配（分维数等于2.6）     

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。     

颗粒级配对粗粒土强度与变形特性影响的研究

采用三维颗粒流软件PFC3D的内置FISH语言,进行二次开发,模拟粗粒土级配,建立一个研究高铁填方路基粗粒土变形特性的颗粒流模型。通过粗粒土三轴试验,标定了表征粗粒土细观力学性质的模型参数,并验证了模型的有效性。考虑粗粒土曲率系数和不均匀系数对颗粒级配的影响,模拟并研究了5种不同级配下粗粒土在3种不同围压下的变形特性。试验结果表明,曲率系数对粗颗粒土变形特性影响较大,当其有效粒径与中值粒径及限制粒径的差距过大时,粗粒土中颗粒填充及致密性将变差,变形增大,强度降低。以较大曲率系数与较大不均匀系数组合的粗粒土受力性能较好,但此种级配的粗粒土压缩性大。级配良好且不均匀系数较大,其应力链分布越均匀,颗粒的挤压效果越显著,力的传递和分配也越均匀。     

砂土力学性质的细观模拟

基于颗粒流理论,对砂土的室内双轴试验和砂土剪切带形成与发展进行了数值模拟,基本再现了砂土试样应力-应变关系。主要研究了颗粒粒径、颗粒摩擦系数等细观参数变化时试样宏观性质的变化情况。对比分析了室内试验和颗粒流数值模拟试验的砂土剪切带特征。同时对比研究了模型试样颗粒粒径、颗粒刚度和摩擦系数等细观参数的变化,对剪切带的形成与发展过程的影响。结果表明：通过颗粒流数值模型试验可以有效模拟砂土剪切带的形成与发展机理。     

堆石料颗粒破碎特征的大型三轴试验研究

针对多个堆石料进行的大型三轴剪切试验,研究了颗粒破碎情况。结果表明,在试样制备过程所发生的颗粒破碎不可忽视。为了在固结开始前保持初始设计的级配,应将设计级配相应下调一定数值来制备试样。分析试验数据表明,大颗粒主要发生的是表面破碎,而整个试验过程中在剪切完成后的颗粒破碎率与围压之间呈线性增加关系,且风干样的颗粒破碎率小于饱和样的破碎率。     

汶川地震区崩滑堆积体强度现场直剪试验研究

以汶川震区漩口一带地震诱发的松散堆积体为研究对象,开展碎石土原状样和重塑样的现场直剪对比试验,探讨不同法向应力、不同粒度组成和不同含水率等条件下碎石土的剪切强度特性。研究结果表明,地质成因和岩土体结构相似、粒度组成不同且级配不良的碎石土的剪切强度特性具有相似性;原状样剪切强度明显高于相同干密度和含水率的重塑样;级配良好的碎石土应变硬化程度略高于级配不良的碎石土,当粒径大于5 mm的粗颗粒含量大于42.9%时,随粗颗粒含量增加,碎石土的内摩擦角增加,而粘聚力则先减小后增大;抗剪强度指标与含水率呈线性负相关关系,随着含水率增高,碎石土抗剪强度降低,其中粘聚力较内摩擦角下降更明显。综合前人研究和本次试验结果,建议汶川震区类似结构组分碎石土天然状态下的剪切强度指标c值取15±3 k Pa,φ值取30°±2°。     

非饱和紫色土三轴试验颗粒流宏细观参数关系研究

为确定非饱和紫色土颗粒流宏细观力学参数间关系,采用三维颗粒流软件(PFC3D)并结合控制变量法与莫尔-库仑破坏准则,对不同含水率(8%、10%、12%、14%、16%、18%)及围压(100kPa、200kPa、300kPa、400 kPa)条件下的非饱和紫色土三轴固结不排水试验进行了数值模拟,并与室内结果进行对比。结果表明:重塑紫色土黏聚力随含水率增加呈先增后减的趋势,且存在临界含水率12%;内摩擦角与含水率呈一阶线性负相关。紫色土的宏观强度参数黏聚力与细观参数切向黏结强度呈线性正相关,而内摩擦角值由颗粒切向黏结强度及摩擦系数共同决定。建立了紫色土含水率与颗粒切向黏结强度、摩擦系数之间的定量关系,通过细观参数切向黏结强度及摩擦系数的改变来模拟不同含水率下紫色土的黏聚力与内摩擦角的变化,将数值模拟的应力-应变曲线与室内试验曲线进行对比,验证了该关系的正确性。利用PFC3D内置的切片工具对含水率为12%,围压为200kPa的数值试件进行剖切,可以较好地观察到紫色土三轴微观颗粒的运动情况及颗粒间接触力的分布特征,为深入探究紫色土的抗剪强度特性及应力-应变性状提供参考。     

冻融及含水率对压实黏质土力学性质的影响

针对自然环境因素对季冻区路基强度与稳定性的影响,以京哈高速公路四平-长春段沿线的黏质土为研究对象,对不同含水率的土样进行0～16次冻融循环试验。通过室内三轴试验,分析了冻融次数和含水率对压实黏质土试样力学特性的影响规律,并探讨了其影响机制。研究结果表明,当试样的含水率小于最佳含水率时,随着冻融次数和含水率的增加,压实黏质土的应力-应变曲线由应变软化型向应变硬化型转变,试样的破坏形式逐渐由脆性破坏转为塑性破坏;压实黏质土的极限强度、弹性模量和黏聚力整体上均随冻融次数的增加而呈衰减趋势,内摩擦角与冻融次数的关系并无规律可循,但各个力学参数均在经历8次冻融循环后基本趋于稳定;含水率对压实黏质土的力学性质影响显著,极限强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角均随含水率的增加大幅减小。综合考虑冻融循环和含水率对压实黏质土力学性质的影响规律,建议季冻区路基应做好排水工作以降低路基含水率水平,并将经历8次冻融循环后的力学指标作为工程设计参考值。     

考虑应变局部化的粗粒料剪切损伤力学机制

针对粗粒料的应变软化、剪胀等力学特性,通过考虑以剪切带为标志的应变局部化现象,建立了具有广泛适用性的剪切损伤力学模型。损伤模型采用了包体理论中的剪切带数学简化,基于应变等价原理、Weibull分布,推导了粗粒料的应力-应变关系方程。从剪胀作用的机制出发,提出可以描述剪胀弱化的轴向塑性应变和体积塑性应变的非线性函数关系。结合粗粒料三轴压缩试验中的伺服过程,提出了基于遗传算法的损伤模型参数确定方法。通过开展不同围压下的粗粒料三轴压缩试验,对剪切损伤力学模型进行验证,进一步分析了参数演化对粗粒料强度和变形特征的影响。研究结果表明,考虑应变局部化特征的剪切损伤力学模型可以高精度的模拟粗粒料的应变软化和剪胀等特征,有效揭示剪切带内部变形对试样整体宏观变形的影响机制,模型中剪切带参数和围压的关系与粗粒料细观机制一致,计算得到强度组成与颗粒破碎、重组特征较为吻合。     

钻孔剪切试验及其在黄土中的应用

钻孔剪切试验是一种通过在钻孔侧壁上进行直剪试验来测定土体黏聚力和内摩擦角的原位测试方法。阐述和总结了钻孔剪切试验的基本原理、试验和数据处理方法。为了评估钻孔剪切试验测定黄土抗剪强度指标的适用性,采用Iowa钻孔剪切试验仪实测了不同深度黄土的抗剪强度指标,并与室内三轴剪切试验（CU）和直剪试验结果进行了对比。试验结果显示,钻孔剪切试验用于测定黄土的抗剪强度指标时,抗剪强度与法向压力具有较好的线性相关性;试验黄土的钻孔剪切试验应力-应变关系曲线为应变软化型;钻孔剪切试验结果与室内三轴剪切试验（CU）和直剪试验结果相比,黏聚力降低,内摩擦角增大;均质黄土地层的钻孔剪切试验数据离散性相对较小,可采用“整体”破坏包线法对抗剪强度指标进行统计。     

Residual strength of slip zone soils

Slip zones of ancient landslides are commonly composed of fine-grained soils with amount of coarse-grained particle. Residual strength of slip zone soil is an important parameter for evaluating reactivation potential and understanding progressive failure mechanism. In this study, the residual strength is examined by in situ direct shear tests, improved laboratory reversal shear box test, precut specimen triaxial shear test and ring shear test. Some residual shear behaviors are recognized. Field residual strength is the average operational resistance along the sliding surface not an ideal drained strength, which is less than peak and greater than residual strength measured in laboratory. Stress–displacement curves obtained from in situ shear and laboratory reversal direct shear demonstrate strain-hardening which have no significant peak, but the shear stress is decreased gradually with increasing displacement. Residual friction coefficient depends on the normal stress, and this dependence is relevant to the interaction of rolling and sliding of particles. Residual friction angle is closely related to coarse fraction and dry density, appearing a linear increase with increasing coarse fraction and a form of polynomial function with increasing dry density. The influence of shearing rate on residual strength can be negligible.     

Q3砂黄土真三轴强度变形特性研究

为了研究Q3砂黄土强度变形特性,以甘肃永靖黑方台Q3砂黄土为研究对象,利用西安理工大学研制的真三轴仪,进行了3个围压（50、100 kPa 和200 kPa）、3个b值（0、0.25和0.5）和3个含水率（5%、10%和15%）不同工况试样破坏情况的真三轴试验。试验结果发现：（1）真三轴条件下Q3砂黄土剪切破坏方式以侧胀破坏、单缝剪切破坏为主,其次少数土样发生锥形破坏、双缝剪切破坏和T型缝剪切破坏。（2）相同围压和含水率、不同中主应力比（b）的情况下,Q3砂黄土的主应力差随中主应力比增大而增大,应力-应变关系曲线为强硬化型,剪胀现象明显;中主应力比对广义剪应力和广义剪应变之间关系有一定影响,随b值增加,曲线依次增加;随b值的增加,强度降低,广义剪应力与平均球应力比（q/p）与主应变关系曲线逐渐变缓,且曲线依次降低。（3）随含水率增加,Q3砂黄土由固态向半固态转化过程中,不同中主应力比时黏聚力均出现明显降低,但内摩擦角则出现微小增加。     

崩积体剪切性能试验研究

崩积体是一种由土体和块石堆积形成的天然地质体,其内部结构特征在很大程度上控制着崩积体的物理力学特性。通过对崩积体进行现场实地踏勘,收集典型工点的崩积体试样,考虑原样级配,开展了对崩积体重塑样的室内大尺度直剪试验,获得了不同含石量、块石形状、土体性质以及应力状态下崩积体的剪应力-应变曲线与抗剪强度曲线,分析并探讨了其变形与强度特性变化规律及内在机制,首次提出了崩积体抗剪强度随含石量增长模式曲线。研究结果表明：崩积体剪应力-应变曲线较常规的单一介质有显著区别。在低法向应力下,崩积体表现为剪胀,而在高法向应力下,则表现为先剪缩后剪胀。崩积混合体的抗剪强度随含石量的增加经历了缓慢增长－快速增长－缓慢增长的过程,其内摩擦角增量与含石量（含黏性土崩积体为0～80%,含砂土崩积体为40%～80%）近似成线性增长的关系。相同含石量情况下,含不规则形状块石的崩积体内摩擦角显著高于含规则形状块石的混合体。