土石混合料剪切特性及块石破碎特征

通过室内大型直剪试验和基于PFC2D的颗粒离散元数值模型,探讨考虑块石破碎的土石混合料的剪切特性及块石破碎特征。以土石混合料室内大型直剪试验和筛分试验为基础,提出了一种能真实描述块石形态特征并准确反映块石破碎效应的土石混合料颗粒离散元数值建模方法,模拟并分析了6种含石量土石混合料在4种不同法向应力作用下的剪切特性及块石破碎特征。结果表明：土石混合料抗剪强度随含石量的增大而增大,且基本符合摩尔-库仑（M-C）强度准则,随着含石量增大,内摩擦角呈现“慢-快-慢”增长趋势,黏聚力则呈现先增后减再增大的变化趋势。剪切后土石混合料块石破碎形式可归纳为表面研磨、局部破碎、完全破裂、完全破碎4种方式。提出了一种新的颗粒破碎指标,该指标能够准确描述粒径大于5 mm的块石的破碎程度,其随含石量和法向应力的增大而增大。通过对土石混合料颗粒离散元数值模型剪切面的分析发现,剪切面出现“剪斜”现象,其起伏程度随含石量增大愈加明显,且随着含石量增大剪切面附近剪裂隙数量增多,土石混合料在剪切过程中的破坏为拉-剪混合破坏。     

土石混合体块石破碎影响因素的颗粒流数值研究

颗粒破碎是土石混合体的一种基本属性,机理复杂,影响因素众多。鉴于室内试验受设备、材料等因素限制且费时费力,本文采用Monte Carlo思想构建了能够真实反映块石破碎过程的PFC2D颗粒离散元数值模型,在室内直剪试验和筛分试验基础上进行了数值剪切试验,系统性探究土石混合体块石破碎特性的影响因素及基本规律。结果表明:在法向应力作用下,剪切后试样出现明显的块石破碎现象以分散应力;块石粒径对块石破碎程度影响显著,块石粒径越大,破碎势越大,越易破碎;块石浑圆度较小时,颗粒间接触面积较小,应力集中显著,破碎率较大;颗粒级配连续、良好时,颗粒间咬合充分接触完全,接触受力点较多,碎裂更不易发生;试样初始孔隙率对破碎率影响较小,相同法向应力下,随着孔隙率增大,块石破碎程度呈现轻微增大趋势。     

法向应力对接触面循环单剪力学特性的影响研究

法向应力对土与结构接触面循环单剪力学特性的影响研究具有重要意义。运用80 t大型三维接触面试验机,进行了不同法向应力下粗粒土与结构接触面单剪试验,分析了法向应力对接触面循环单剪力学特性的影响规律。试验结果表明,法向应力对接触面变形位移、滑动位移、切向应力、可逆性剪切体变和不可逆性剪切体变以及抗剪强度等接触面性能参量的数值有显著影响,但对参量间关系形式影响较小。法向应力越大,接触面变形位移在初始几个循环内越大,随循环剪切的进行,其减小速率越快,最终稳定值越小;切向刚度越大,切向应力稳定值也越大,初始几个循环内切向刚度系数越小;不可逆性剪切体变越大,可逆性剪切体变峰值和稳定值越小,相变位移和相变应力比越小;抗剪强度越大,其异向程度则先增大后减小。不同法向应力下,接触面循环抗剪强度与法向应力符合摩尔-库仑准则;切向应力比-切向位移关系、不可逆性剪切体变和剪切功密度关系均具有良好一致性,基本不受法向应力影响,可用双曲线模型描述,这将大大简化接触面本构描述。     

剪切速率对重塑饱和黏土强度影响试验

对不同干密度的重塑饱和黏性土进行直剪试验,探讨了剪切速率对重塑饱和黏性土剪应力-剪位移曲线的影响,分析了内摩擦角随剪切速率的变化关系。试验结果表明,干密度越小的重塑土,剪切速率对其内摩擦角的影响越明显。剪切速率主要影响剪切面附近的孔隙水压力,进而影响土体抗剪强度。剪切速率越大,剪切面周围超孔隙水压力越大,使土体总强度降低。在相同的法向应力下,不同剪切速率引起的剪切面周围孔隙水压力增量与抗剪强度差值成正比关系。当剪位移为7 mm时,剪切速率越大,土颗粒位移比较平直,剪切破坏面越平整。      

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。     

重复剪切作用下结构面起伏角度对其力学特性影响研究

在室内直剪试验的基础上,研究了重复剪切作用下起伏角对结构面变形和强度的影响。采用钢制模具和混凝土材料预制4种起伏角度结构面,分别在5级法向应力下进行6次直剪试验,记录每次剪切过程中的切向应力和法向位移随切向位移的变化。通过对切向应力和法向位移随切向位移变化曲线分析可知,首次剪切时,法向应力和起伏角度越大,结构面剪切破坏方式越容易从滑移破坏过渡为剪断破坏,对于同一种剪切破坏方式,法向应力越大,对结构面磨损或剪断的作用越强烈,峰值剪胀位移越小,起伏角度越大,锯齿被磨损或剪断的高度越大;第2次剪切开始,不论法向应力和起伏角度如何,结构面的剪切破坏方式基本上都转变为滑移破坏。     

土石混合体-基岩界面剪切力学特性块石尺寸效应

土石混合体-基岩界面的抗剪强度是控制坡体稳定性的重要参数之一,是工程设计的重要参数。为探究块石尺寸对土石混合体-基岩界面剪切力学特性的影响,开展了含不同块石尺寸的土石混合体-基岩界面室内大型剪切试验。结果表明：接触界面的破坏模式受块石尺寸和法向压力的影响不显著,均表现为应变硬化特征;法向压力会削弱块石尺寸效应的影响;随块石尺寸增加,抗剪强度和抗剪强度指标（φ、c）先增加后减少,既存在着正尺寸效应,又存在着负尺寸效应,尺寸效应对内摩擦角φ的影响有限,整体在29°波动,而对表观黏聚力c影响较大;不同块石尺寸试样在不同法向压力作用下均表现出了明显的剪缩行为,法向压力能够增强土石混合体的剪缩特性;土石混合体-基岩界面为薄弱的潜在滑移面,随着块石尺寸系数的增加,薄弱破坏面有向土石混合体内部转化的趋势。     

地下工程衬砌与减震层接触面力学特性直剪试验及数值仿真

泡沫混凝土作为隧道减震材料在抵抗地震压剪荷载方面具有重要作用,为了研究减震层-衬砌接触面在地震压剪荷载作用下的破坏特征与剪应力演化规律,利用RMT-150C电液伺服试验机开展了二者接触面在不同法向应力下的直剪试验,获得了剪应力-剪切位移、峰值强度、残余强度、剪切刚度的变化规律及接触面的破坏特征和物态变化。根据有限元模拟结果,探究接触面上剪应力的分布及演化规律。研究表明：泡沫混凝土-衬砌接触面的破坏特征受法向应力与泡沫混凝土密度共同影响,其剪应力-剪切位移曲线形态可归结为3种类型,且随泡沫混凝土密度和法向应力的变化可以相互转化;泡沫混凝土密度及法向应力对接触面峰值强度、残余强度及剪切刚度的影响是相互的,且法向应力的影响权重较大。根据剪应力-剪切位移曲线的变化规律,提出了复合指数模型来反映泡沫混凝土-衬砌接触面在压剪作用下损伤演化及摩擦滑移过程,研究结果可以为更加有效的抗减震设计提供一定参考。     

边坡岩体软弱夹层力学特性试验研究

采用自制试验装置,进行边坡岩体中的软弱夹层的力学特性试验。分析实测的剪应力-变形曲线发现,该曲线有明显的比例极限、屈服点和峰值点,表明在试件受力变形初期,剪切力-变形近似呈线性关系,剪切刚度为常量;随法向应力的增大,峰值剪应力呈线性增长,达到峰值强度之后,随剪切变形增大,抗剪强度变化不大,残余强度近似等于峰值强度,表明试样发生剪切破坏,其破坏类型呈“塑性”破坏型。软弱夹层的剪切变形可分为3个阶段,各个阶段的强度参数不同,对边坡工程来说,为保证其有足够的安全系数,建议软弱夹层强度参数取低值。根据试验结果得到的法向应力-压缩位移关系曲线近似呈双曲线型,当法向相对位移小于3.4 mm时与理论结果更为接近。     

黏结强度对异质土界面强度与变形特性影响试验研究

我国黄土高原地区黄土沉积覆盖于新近系三趾马红土之上,形成具有胶结的异质土界面。为研究黏结强度对黄土–三趾马红土界面抗剪强度与变形特性影响,开展其剪切力学试验研究,探讨界面间黏结强度对界面破坏模式、界面变形与抗剪强度特性影响规律。结果表明:(1) 有无界面黏结导致异质土界面试样破坏模式不同,界面黏结增大了试样沿界面间的滑动阻力,试样剪切破坏更趋于剪断模式,剪断面损伤程度也越高;(2) 异质土界面剪应力–剪应变曲线均呈应变软化型,有无界面黏结导致界面试样剪切变形特征不同,有界面黏结试样剪切破坏位移大,峰值强度后剪应力降低幅值大,试样脆性剪断破坏特征越显著;(3) 剪切过程中异质土界面产生明显的竖向剪胀变形,有界面黏结试样竖向剪切位移小,且其随界面粗糙度、法向应力变化幅值小;(4) 异质土界面抗剪强度呈非线性变化,界面黏结存在显著提升了界面试样抗剪强度。当异质土界面间粗糙度较低时,黏结强度对界面试样抗剪强度提升幅度大;当异质土界面间粗糙度高时,黏结强度对界面试样抗剪强度的提升幅度下降,此时界面抗剪强度主要受控于界面两侧土体抗剪强度。      

含石量对软质岩土石混合料土力学特性影响研究

在中国西南地区边坡工程中大量存在含软岩的土石混合体（S-RM）,其力学特性与软岩破碎特性有别于以往研究的块石强度较高的土石混合体。本文通过大型室内剪切仪开展了不同含石量（WBP）的剪切试验研究含石量对软岩土石混合体力学特性的影响,基于筛分试验研究软岩块石破碎特性,结果表明:当S-RM密度一定时,随着WBP的增加,S-RM剪切强度增加,应变硬化现象增强;S-RM黏聚力随含石量的增加呈线性增长,内摩擦角在含石量为20%~60%时随含石量的增加呈线性增长;S-RM在剪切破坏过程中软岩块石出现破碎现象,当法向应力一定时,块石破碎率随土石混合体含石量增加而增长;S-RM块石破碎率随内摩擦角增加呈指数形式增长,表明块石之间咬合作用越大,块石的破碎程度越高。     

土石混合体的剪应力波动和跌落行为机制

土石混合体在剪切过程中存在剪应力跌落的现象,基于该现象,本文采用大型直剪试验的方式,考虑不同含石量(0%、30%、50%、70%)、上覆垂直压力(50,200,300,400 kPa)、块石尺寸(9.5～19.0 mm、19.0～31.5 mm、31.5～53.0 mm) 3个主要控制因素,进行室内剪切变形试验,研究直剪过程中发生的剪应力跌落现象。同时,通过在试样内部钻孔、埋置细铝丝与干灰的方法获取剪切带变形厚度,结合其大小理解剪应力的脆性跌落特征和剪切带块石变形特征。基于试验分析表明,具备骨架结构且所含块石尺寸大于剪切带厚度的土石混合体试样在高垂直应力下的剪切过程中易出现块石应力集中,形成锁固体块石,该类块石往往控制着试样一定时空下的整体剪切强度,其受剪切作用翻滚、滑移甚至咬合棱角破碎是导致剪应力瞬间大幅度跌落的直接原因。高含石量、大尺寸块石、高垂直应力是形成块石应力锁固体的必要条件。低含石量状态(<50%),剪切带块石多顺剪切方向翻滚,越靠近剪切面边缘,变形越明显,块石相对空间位置变化较小。高含石量状态(>70%),剪切带块石可见相互滑移、攀爬,块石相对空间位置变化明显。块石尺寸小于剪切带厚度时,剪应力多呈现波动特征,而块石尺寸接近剪切带厚度时,剪应力波动加剧,出现明显的应力跌落,对应垂直位移出现突变。满足含石量高于70%、块石尺寸大于剪切带厚度的试样在相对较大的上覆垂直应力作用下易形成块石应力锁固体。     

含石量对土石混合体剪切特性影响的颗粒离散元数值研究

采用基于PFC2D接触黏结模型的离散元数值模型,探讨含石量变化对土石混合体剪切特性的影响。利用室内大型直剪试验对表征土石混合体细观力学性质的模型参数进行标定,模拟分析了4种不同含石量土石混合体在4种不同围压作用下的剪切特性。试验结果表明:相同法向应力作用下,含石量越高,峰值剪应力越大,达到峰值剪应力时的剪应变越大,软化后强度越高,剪胀特性越强,剪切"跳跃"现象越明显。土石混合体摩擦角随含石量增高而增大;黏聚力随含石量增高而减小,含石量超过50%后基本不变。相同含石量的土石混合体,法向应力越高,峰值剪应力越大,应变软化特性越强。土石混合体剪切过程中以克服摩擦能和应变能为主,动能变化几乎为零。     

含水率对土石混合体力学特性影响的试验研究

土石混合体的变形和剪切强度参数主要受含石率、块石形状、土体性质和水等因素的影响,现阶段的研究主要集中在前3方面因素,少有考虑水对其力学性能的影响.本文通过采用卵石、粉质黏土和水的不同比例制备混合体重塑试样,开展室内大型直剪试验.研究结果表明:随着模型剪切位移增加,土石混合体应力-切向位移关系曲线表现出3个阶段:线性变形阶段、初始屈服阶段、硬化阶段.含石率和含水率共同作用影响土石混合体材料力学性质.其中土石混合体的抗剪强度随含水率的增加经历了缓慢减小-快速减小-缓慢减小3个过程; 当含石率相同时,内摩擦角随着含水率的增加,经历了两个阶段的下降过程:低含水率的缓慢下降和高含水率的快速下降.     

土石混合体工程地质力学特性及其结构效应研究

土石混合体是一种土-石混杂、分布广泛、性质特殊的地质体,也是众多山区滑坡的重要载体.复杂的土-石结构组成是此类介质物理力学特性复杂、难以把控的关键.本文通过多尺度宏-微观室内和现场物理力学试验与模拟,对土石混合体的强度特性、变形特性和渗透特性及其结构控制机理展开了深入研究,系统阐明了含石量、块石形状、基质组分、土-石级配等关键结构因子的制约规律,进一步揭示了土石混合体强度和变形特征随机性的土石结构控制规律,提出了不同结构状态下强度参数的正确获取方法;研究了不同含石量土石混合体的非线性渗透特性,获得了非线性渗流计算模型及其抗渗变形优化设计方法,为全面建立基于真实土石结构和非线性本构关系的新一代土石混合体滑坡预测预警体系提供一定的理论支撑.     

含石量和颗粒破碎对土石混合料强度的影响研究

The characteristics of particle breakage and shear strength of soil-rock aggregate with six rock contents under six normal pressures were studied from macro and mecro perspectives by large-scale direct shear test, particle observation test and particle sieving test. The relationship between macroscopic shear strength properties and mecroscopic particle breakage characteristics was established, thus further revealing the influence mechanism of rock content and particle breakage on the shear strength characteristics of soil-rock aggregate. The results showed that particle breakage mainly occurred near the shear plane. The breakage morphology can be divided into surface grinding, local fracture, complete fracture and complete breakage, resulting from the stress concentration caused by uneven contact forces between particles. Due to particle breakage, the content of fine particles increased, coarse grains decreased, and intermediate grains fluctuated. The relative particle breakage Br increased with the increase of normal pressure ?n or rock content P5, which accorded with the function of two variables. With the increase of normal pressure ?n, the shear strength τ increased nonlinearly and met the modified M-C strength criterion. When the rock content P5 increased, the cohesive force c0 of soil-rock aggregate decreased, the internal friction angle ?0 of soil-rock aggregate increased, and the non-linear parameter Δ? increased. Particle breakage was the direct cause of non-linear strength characteristics of soil-rock aggregate.     

Geomechanical Characterization of Zhangmu Soil-Rock Mixture Deposit

Zhangmu deposit is a typical soil-rock mixture (S-RM) deposit made up of very complicated inhomogeneous materials containing soil matrix and rock blocks of various sizes. The slope shows evidences of instability phenomena characterized by shallow landslides and several extensive cracks along slide crown, which seriously affects the life of local residents. In order to characterize the mechanical behavior of the deposit with evaluation of the actual strength parameters and permeability while taking into account the influence of the block proportion, seven test points were established for in situ S-RM and constant-head injection tests on a large scale. The results indicated a larger internal friction angle and lower cohesion for S-RM from in situ tests compared to tests results obtained from laboratory testing. Moreover, it was noted that the strength parameters were correlated with the block proportion by weight (WBP) of S-RM, while both internal friction angle and cohesion were observed to be strongly affected by a critical WBP threshold (70 %), which is in agreement with the common S-RM mechanical behavior. Furthermore, permeability increases with WBP increase to more than 70 %, denoting a similar threshold to the findings observed in strength characteristics.