冻结黏土空心圆柱试样制样方法

冻土空心圆柱仪是室内研究冻土在车辆荷载等复杂应力路径下力学特性的主要仪器,试验中为实现主应力轴方向在垂直于径向平面内连续旋转,其试样多采用薄壁空心圆柱试样,但由于空心圆柱试样薄壁的特点,增加了制样的困难,成为制约冻土空心圆柱试验研究进展的主要阻碍。为此,借鉴冻土三轴试验的制样方法,基于实验室现有的制样条件,设计了一套重塑冻结黏土空心圆柱试样的制样装置,可提高制样效率,减小制样过程中人为因素的影响;随后,基于该制样装置,提出了一种冻结黏土空心圆柱试样的制样方法,给出了制备重塑冻结黏土的制样步骤。最后,通过对所制备试样的物理力学性质测定,发现采用该制样方法可以制备含水率及干密度均匀、力学性质稳定的重塑冻结黏土试样;同时对两个平行制备的冻结黏土试样的不同主应力轴方向的定向剪切试验结果进行了比较,证明了所提出的制样方法具有良好的可重复性,且所得的冻土力学特性与已有研究成果吻合较好,可用于进一步系统研究复杂条件下冻结黏土的静、动力学特性。     

重塑土室内制样技术对比研究

通过对兰州黄土和北麓河粘土以不同制样方法进行重塑土样的制备, 对比了不同制样技术所得土样各层的干密度及含水量分布情况, 确定了制作均匀样品的较为适宜的制样方法. 结果表明: 两头压实法所制得的样品其干密度和含水量的分布较为均匀, 分布较有规律, 能得到初始损伤较小的试样, 比分层击实法及泥浆法更容易控制试样的均匀性. 对两头压实法而言, 压制时间不同, 对于试样整体的均匀性也有影响. 对于粘粒含量较高的土, 用两头压实法较短时间即可获得较均匀的试样.     

应力路径试验前后不同黄土的孔隙分形特征

为了解不同黄土孔隙形状复杂程度的差异和应力路径对孔隙形状复杂程度的影响,对两种黄土应力路径前后孔隙分形特征进行了研究。首先比较了3种分维模型所得孔隙分形维数的可靠性,然后选用热力学关系模型,由进汞、退汞试验得到地裂缝区黄土、充填黄土初始样和三轴应力路径试验后的孔隙分布,据此分析了两种土体进汞孔隙和退汞孔隙分形维数的差异和受载后的分形维数变化,根据退汞过程仅管形孔内的汞流出及孔隙由管形孔和球形孔组成的假定,得到了应力路径试验前后孔隙形状的改变。结果表明,热力学关系模型得到的孔隙分形维数合理、可靠。初始状态,原状和重塑充填黄土的孔隙形状比原状和重塑黄土复杂;常规三轴试验后试样孔隙比减少,孔隙分形维数增加,球形孔向管形孔转变;相对于常规三轴压缩试验,减围压三轴压缩试验后试样的孔隙分形维数较小,管形孔占总孔隙的体积比例较少;总体上管形孔的分形维数比球形孔大,且基本不受应力路径的影响,其占总孔隙的体积比例随着试样宏观孔隙比的减少而增加。     

重塑黄土饱和与固结时间三轴试验研究

饱和黄土三轴试验中,土样饱和及固结过程是否完成对试验结果至关重要。土工试验饱和方法中,通常所使用的抽气饱和是提高土样饱和度的有效方法,但对于重塑马兰黄土样,抽气饱和中试样浸水后会发生结构溃散。因此,土样只能在三轴仪上进行饱和。本研究基于GDS非饱和三轴仪对兰州地区的马兰黄土重塑样进行多次饱和试验与固结试验,提出在GDS三轴仪外压力室外部设置三通接头,将试样顶部和底部接通汇集为同一路径,将饱和路径与排水路径均缩短为原来的一半,可明显缩短试验饱和时间与固结时间,进而实现在土样达到预定饱和度情况下缩短试验总时间的目标。而且,本试验中土样上、下同时进水或排水,也符合土体在自然界真实赋存状态下的饱和与固结过程。经反复验证,该方法在粉质黏土重塑样的三轴试验中使用效果较好。     

基于三轴试验的黄土K0固结特性研究

静止土压力系数(K₀)是岩土工程中计算侧向土压力的关键参数,原状和重塑黄土的K₀系数在固结过程中的发展规律明显区别于黏土或砂土。为研究围压和初始孔隙比对原状和重塑黄土的K₀系数的影响,采用加装高精度局部径向位移计(LVDT)的应力路径三轴仪开展了K₀固结试验研究,结果表明:(1)重塑黄土的K₀系数受初始孔隙比(e₀)的影响较为明显,当试样的初始孔隙比减小(从0.775变为0.503),其K₀系数的最大降幅为55%;然而原状黄土的K₀系数受有效围压(σ₃′)的影响较为明显,比如在σ₃′ < 350kPa时,K₀系数为0.77~0.85,在σ₃′>350kPa时,K₀系数为0.46~0.51;(2)在固结过程中,原状黄土试样和重塑黄土试样的K₀系数均发生陡降,具体表现为重塑黄土密样(e₀<0.6)的陡降发生在固结的起始阶段,重塑黄土松样(e₀ ≈ 0.77)的陡降发生在有效围压接近100kPa,而原状黄土试样的陡降发生在有效围压为350kPa附近;(3)在相同的有效围压和密度条件下,原状黄土的K₀系数大于重塑黄土。采用核磁共振技术(NMR)获取了重塑和原状黄土的孔隙分布,并辅以试样的超孔隙水压力、排水体积等数据进行了讨论,发现结构性是造成黄土K₀系数差异的主要原因。     

不同围压下两种沥青混凝土成型试样三轴试验研究

为研究制样方法和围压对沥青混凝土力学特性的影响,进行了沥青混凝土试件的2种制样方法、4组不同围压下静三轴试验。试验结果表明:围压越高,沥青混凝土破坏强度越高,剪胀程度越小。相较于室内模拟钻芯试样,击实成型试样三轴试验应力-应变曲线的峰值强度更高,初始切线模量更大,剪胀现象更加明显;通过邓肯-张模型对试验曲线进行拟合,发现邓肯-张模型对沥青混凝土应力-应变的拟合效果并不好;邓肯-张模型不能模拟沥青混凝土的软化和剪胀现象。     

非饱和重塑黏土渗透性试验研究

工程中常常遇到非饱和土渗流问题,其渗透性是非饱和土的重要研究内容。采用常规压力板仪详细研究了重塑黏土在3种不同击实功和5种不同击实含水率下的土-水特征曲线,并用变水头法测量了相应的饱和土渗透系数。结合土水曲线和饱和渗透系数,基于Van Genuchten模型和Fredlund模型,详细探讨了重塑非饱和重塑黏土在不同击实条件下的渗透性。结果表明,土样饱和渗透系数随着击实含水率的增大而减小,且随着基质吸力的增大土样渗透性差别逐渐减小。当试样吸力达到1 MPa时,可认为不同击实含水率下试样的渗透性基本相同;在轻型击实和简化轻型击实下,试样渗透性很相似。重型击实功下试样的渗透系数和轻型击实下土样渗透系数的比值 随着吸力的增大而逐渐增大,在饱和状态时比值约为1/100,当吸力达到1 MPa时比值逐渐稳定在1/10右。     

结构性对非饱和Q_3黄土强度和屈服特性的影响

为研究结构性对黄土强度特性和屈服应力及屈服吸力的影响,以兰州非饱和原状Q3黄土及其重塑土为研究对象,利用非饱和土四联直剪仪和改进型非饱和土三轴仪进行了一系列的非饱和土直剪和各向等压加载以及三轴收缩试验。试验结果表明:原状黄土及其重塑土的黏聚力和内摩擦角均随吸力的增加呈线性增长趋势,吸力越大,抗剪强度越高;Q3原状黄土具有较高的结构性,其抵抗外力破坏的能力较高,而重塑土土粒之间结构比较松散,因此,原状土的抗剪强度要高于重塑土,尤其在低吸力和高含水率情况下;定义了黏聚力结构参数cM和内摩擦角结构参数M?,得到了黏聚力耦合值*c和内摩擦角耦合值*?随吸力变化的拟合公式,为实际工程抗剪强度指标的选取提供另一种尝试;原状黄土的屈服应力和屈服吸力均大于重塑土,在p-s平面上原状黄土的弹性区要大于重塑土;两种土的屈服应力之差随着吸力的增大而线性增大,屈服吸力趋近于一常数,受净平均应力的影响较小;试样屈服前,原状黄土较强的结构性导致其变形要小于重塑土,试样屈服后,两者变形差别不大。试验结果为进一步建立结构性模型提供了试验基础,也为黄土地区工程建设提供了参数依据。     

天水黄土结构性变化诱发滑坡敏感性分析

黄土高原地区黄土滑坡频频发生,尤其是近年来极端气候条件增多,集中强降雨导致甘肃天水地区黄土滑坡群发.2013年8月,在经历一周持续降雨之后,天水地区产生了大量的黄土滑坡以及黄土-泥岩接触面滑坡.黄土地区滑坡发生后一些滑坡的复活往往与黄土的结构性存在紧密联系.选取天水花南村滑坡后壁黄土为研究对象,利用GDS三轴仪对滑坡区黄土原状样和重塑样进行了固结不排水三轴压缩试验.试验结果表明,原状黄土表现出明显的应变软化特征,而重塑黄土的应变软化现象急剧减小,二者的孔隙水压力变化特征也有差异.同时基于三轴试验结果,绘制了原状黄土和重塑黄土的应力路径图,应力路径图再次证实了重塑样应变软化减小的现象.孔隙水压力随轴向应变变化图中可见,剪切初始阶段,重塑样的孔隙水压力增加较原状样更为迅速,对于滑坡的诱发更加敏感.     

重塑黏土空心圆柱试样制备技术改进及应用

受大体积制样降低土体均衡性及取芯扰动试样的影响,目前在包括主应力轴旋转等复杂应力路径下所开展的重塑软黏土力学特性试验研究的可靠性有待进一步提高。基于真空预压技术设计了制备重塑样的新型装置及方法,具有渗透排水与内壁成型双重作用的竖向排水体、分级施加真空负压以及多个试样同时制作等部件和技术,可快速制备大量空心圆柱试样,所制试样含水率具有较好的均匀性和一致性,减小了后期取芯对试样造成的扰动。开展了主应力轴旋转路径下的相关验证试验,从土体力学性能方面证明了所制试样用于研究复杂应力路径条件下土体性态演变规律的可靠性,为系统研究软黏土静动力学特性与长期稳定性提供了前提。     

土体抗拉强度试验研究方法的进展

理论上土体的抗拉强度与抗压和抗剪强度一样是描述土体力学性质的重要指标之一,也是研究土体张拉破坏特性的基础。由于土体抗拉强度在数值上相对较小,且难以准确测量,在岩土工程领域常常被忽视。随着工程中的张拉破坏问题越来越突出,土体抗拉强度特性引起许多学者的关注,相关研究成果也越来越多。文中对土体抗拉强度试验研究方法进行了系统的归纳和总结,对比分析了各种方法的优缺点,认识到,（1）土体抗拉强度试验方法总体上可分为直接法和间接法两大类,直接法是在试样两端直接施加拉力直到试样发生张拉破坏,根据破坏时的最大拉力及对应的破裂面面积计算出土体的抗拉强度。间接法主要通过一些理论假设,把压应力转换成相应的拉应力并基于一些理论公式计算土体抗拉强度;（2）按试样受力条件,直接法可分为单轴拉伸和三轴拉伸,一般都需要开发专门的拉伸试验设备,以实现拉力荷载的施加及其在试样内的有效传递。常用的方式有粘结、锚固、模具夹持及摩擦力传递等,都各有优缺点,但模具夹持法相对而言更具操作性。间接法中比较有代表性的有巴西劈裂试验、土梁弯曲试验和轴向压裂试验等,一般较适应于刚度较大的土体如化学固化土。最后,笔者提出了今后该课题的研究重点,包括制定土体抗拉强度试验方法规范及标准,研发简单易操作的土体拉伸试验设备,拉伸试验过程中土吸力的测量及控制方法,土体拉伸过程中应变场的准确获取方法及土体张拉特性的数值模拟研究等。     

Tensile strength of large-scale incipient rock joints: a laboratory investigation

In this paper, a testing methodology was developed in the laboratory to measure the tensile strength of large-scale incipient rock joints. In the test, an expansive grout was used to develop the tensile force. Each test comprises two phases: Phase i test and Phase ii test. The Phase i test identified sample failure time, while the Phase ii test measured the corresponding tensile force arising from the expansive grout. Ostensibly homogeneous rock samples without incipient joints were firstly tested to establish the methodology. Tensile strength of block samples containing incipient rock joints was then measured using the established testing scheme. The test results have been compared with those obtained from conventional Brazilian and uniaxial tension tests as suggested by ISRM. The proposed approach is capable of giving a measure of tensile strength of large-scale incipient rock joints, although somewhat smaller strength than that from the standard approaches was occasionally measured in the preliminary tests on ostensibly homogeneous samples. Effects of stress concentration, sample scale, loading rate and expansive tensile force on the testing results were discussed. Furthermore, this simple and practical testing scheme is proposed for the measurement of the in situ tensile strength of rock and incipient discontinuities in the field, which if successful will provide a more scientific guidance on the rock mass classification and engineering design.     

江坪河水电站溢洪洞围岩稳定性仿真分析

以江坪河水电站溢洪洞进口段为工程背景,基于大型有限元分析软件ANSYS,模拟地质地形,包括不同岩层、断层条件,采用弹塑性有限元模型和Drucker-Prager屈服准则,对溢洪洞施工全过程进行非线性数值仿真计算分析,得到了不同岩层围岩的应力和位移分布规律。通过对位移、应力场,特别是拉应力大小、深度的分析,以及塑性区和点安全系数分布等的综合分析,对溢洪洞进口段在开挖未支护和开挖后及时支护两种工况下的稳定性进行了评价。计算结果表明,隧洞进口段围岩开挖未支护时,洞顶下沉位移大,有大面积塑性区和超过岩体抗拉深度的区域,稳定性差。及时支护后,洞顶塑性区和超过岩体抗拉深度的区域减小,稳定性明显提高,但CK2强风化层支护区的点安全系数略大于1.0,且内部仍有小于1.0的区域。因此,建议CK2强风化层加强支护,最好采取钢拱架强支护措施,其结果为设计和施工提供了重要参考。     

高地温隧洞支护结构受力特性

高地温问题严重制约了地下工程的施工和安全运营,结合新疆某水电站引水洞存在的高岩温问题展开研究。根据地质资料设置了6种地温边界,研究隧洞围岩及支护结构在开挖、施做喷层、施做衬砌和过水等工况下的受力及变形特性,并与不考虑温度场时的分析结果进行了对比分析。研究表明:高温对隧洞稳定性有显著的影响,高温下锚杆轴力约为不考虑温度场时的294倍,衬砌环向拉应力约为不考虑温度影响时的2.13倍;保温层作用显著,若不考虑保温层的影响,锚杆轴力和衬砌拉应力会更大;过水对衬砌受力影响较大,过水后衬砌环向拉应力迅速增大为过水前的2.65倍。研究结果为类似工程的设计与施工提供借鉴。      

The presentation of an agro-environmental nanocomposite: the study of its acoustic,physical and mechanical properties

Nanocomposites can be used as an acoustic panel to adsorb noise. The aim of this study was to evaluate: (1) acoustic, (2) physical, and (3) mechanical properties of agro-environmental nanocomposites. To prepare the nanocomposites, wood flour, PVA glue, and aluminum nanoparticles (between 1 and 4 %) were hardly mixed and heated at near 220 °C for 120 min. In the next step, sound absorption coefficient, transmission loss, water absorption percentage, thickness swelling percentage, density, flexural strength, flexural modulus, tensile strength, and tensile modulus of nanocomposites were measured. This study showed that the increase in nanoparticle percentage led to the increase in flexural strength, flexural modulus, water absorption percentage, thickness swelling percentage, density, and sound absorption coefficient. But, the increase in nanoparticle percentage led to the decrease in tensile strength, tensile modulus, and transmission loss. The authors think that the nanocomposites are suitable as an agro-industrial nanocomposite to reduce noise.     

An Experimental Study of the Rate Dependence of Tensile Strength Softening of Longyou Sandstone

It is well-known that the strengths of sandstones measured under fully saturated conditions are smaller than those measured under nominally dry conditions. This strength softening phenomenon has profound implications to rock engineering. In this work we investigate the tensile strength softening of Longyou sandstone from China. Defining the strength softening factor as the ratio of the strength under nominally dry conditions over that under saturated conditions, the static compressive strength softening factor of Longyou sandstone is close to 2 and the static tensile strength softening factor is about 7.9. To further address the applications, where the load may be dynamic, we examine the rate dependence of the tensile strength softening of this sandstone. The dynamic tensile strength is measured using the split Hopkinson pressure bar system in combination with the Brazilian disc sample geometry. The results show that the tensile strength softening factor decreases with the loading rate. Because the saturated sample shows stronger loading rate sensitivity than the dry sample, the softening factor decreases with the loading rate.     

干湿过程中花岗岩残积土抗拉强度变化研究

利用自制的土体直拉强度测试仪,研究了重塑花岗岩残积土在不同含水率下、增湿过程和干燥过程中抗拉强度的变化规律,并从胶结力和湿吸力的角度讨论了抗拉强度变化规律的微观机制。结果表明：不同含水率条件下抗拉强度随含水率增加呈现先增后减,峰值两侧呈较好的指数规律;增湿过程中抗拉强度随含水率增加呈先增后减趋势,峰值两侧为一次函数规律;干燥过程中抗拉强度随含水率降低出现指数增加阶段、平稳阶段和小幅降低阶段3个阶段,其抗拉强度峰值为不同含水率条件下抗拉强度的4倍。花岗岩残积土在不同含水率和增湿过程中的抗拉强度的变化主要受湿吸力控制,而干燥过程中抗拉强度变化的同时受湿吸力和胶结力的控制,且胶结力对抗拉强度的贡献超过70%。土体的干燥开裂过程对应干燥过程中抗拉强度变化的几个阶段,干燥时湿吸力是土体内部拉应力的来源,这说明湿吸力既是抗拉强度的贡献者,同时也是抗拉强度的破坏者。该研究结果从另一种角度解释了土体抗拉强度的形成来源及其变化的主控因素。     

Research status and prospect of tensile strength of frozen soil北大核心CSCD

A comprehensive grasp of the research status of tensile strength of frozen soil is the basis for further research. Firstly,the typical methods that can be used to test the tensile strength of frozen soil are introduced,and the test conditions,sample forms and stress mechanism of different test methods are described in detail. The advantages and disadvantages of typical tensile strength test methods are compared and listed. Secondly,the research work and shortcomings based on different test methods are summarized. Then,the latest research progress of the influence of temperature,water content,loading（deformation）rate,soil quality and sample size on the change law of frozen soil tensile strength is comprehensively analyzed. Finally,it is proposed to develop and improve the research method and system of frozen soil tensile strength,and increase the testing research of warm frozen soil tensile strength,so as to obtain the prospect of more accurately simulating the tensile failure behavior of frozen soil. It is pointed out that the internal cause of the formation of the tensile strength and the tensile failure mechanism of frozen soil should be thoroughly revealed by combining the research methods of microstructure and digital image technology of frozen soil. Based on the multi-factor test,a more perfect prediction method of frozen soil tensile strength is explored. Meanwhile,expand the in-situ test research on the tensile strength of frozen soil,and strengthen the parallel research ideas of indoor and outdoor double tracks. Through the analysis of the research status and development trend at home and abroad,it provides reference and guidance for the experimental study of frozen soil tensile strength,the improvement of theoretical model of frost heave,geotechnical engineering design in cold regions and artificial freezing reinforcement engineering. © 2022 Science Press (China).     

加载速率对砂岩抗拉强度的影响机制

为研究加载速率对砂岩抗拉强度的影响效应及影响机制,设计开展5种加载速率的劈裂试验,综合分析抗拉强度、破坏特征、能量参数和劈裂面微观形貌变化规律及相关性。结果表明,(1) 随着加载速率增大,砂岩劈裂抗拉强度逐渐增大,总体呈现先陡后缓的趋势,加载速率在0.01～0.10 kN/s范围内时抗拉强度增长迅速,0.10～1.00 kN/s范围内时抗拉强度增长趋势渐缓;(2) 随着加载速率的增大,岩样吸收的总能量增大,弹性应变能占总能量的比值逐渐增大,耗散能占总能量的比值逐渐减小,加载至破坏时裂纹扩展形成宏观劈裂面的时间呈数量级减小,达到峰值应力时弹性应变能的释放,导致岩样破坏的突发性增强,使得劈裂面形貌特征在宏观和微观上逐渐变得复杂,对应抗拉强度逐渐增大;(3) 在岩石劈裂试验过程中加载速率、能量参数、劈裂面形貌特征与抗拉强度密切相关,加载速率影响加载过程中能量的总量与分配,能量参数的变化直接影响岩样的破坏过程及劈裂面的形貌特征,最后宏观上表现为抗拉强度的差异。文中相关分析方法和思路可为类似试验提供较好的参考。     

高分子固化剂/纤维改良砂土的抗拉强度试验研究

本文采用高分子固化剂和聚丙烯纤维对砂土进行复合加固,通过对不同聚丙烯纤维含量、固化剂含量和干密度的重塑试样进行抗拉试验,测量试样破坏时的最大拉应力,对比不同试样抗拉强度的变化规律,并结合扫描电镜对复合加固机理进行较为深入的分析。试验结果表明,高分子固化剂和聚丙烯纤维的复合加固能够显著提高砂土的抗拉强度,纤维含量、固化剂含量和干密度对改良砂土的抗拉强度均具有较大的影响。当干密度和高分子固化剂含量一定时,砂土抗拉强度随纤维含量的增加逐渐增加,当固化剂含量为4%,干密度为1.5 g·cm-3时,纤维含量从0.2%到0.8%,抗拉强度从79.06 kPa增加到194.51 kPa;当干密度和纤维含量一定时,砂土抗拉强度随着高分子固化剂含量的增加而增加,当纤维含量为0.8%,干密度为1.5g·cm-3时,固化剂含量从1%到4%,抗拉强度从63.16 kPa增加到194.51 kPa;当高分子固化剂含量和纤维含量一定时,抗拉强度随着干密度的增加先增加后减小,在干密度为1.55 g·cm-3左右达到峰值。复合加固结合物理和化学加固的优点,通过纤维在颗粒间的相互作用力和固化剂在颗粒间的联结力,从而提高改良砂土的抗拉性能。本研究结果为进一步研究砂土复合加固及其工程应用提供一定的参考依据。