祁连山南北麓明长城夯土抗剪强度指标与分维值相关关系

夯土是具有明显时代、地域、工艺和取材属性的土体,其抗剪性能评价和参数获取是干旱、半干旱地区夯土遗址稳定性评价和控制领域所面临的基础性问题。选取了分布于祁连山南北两麓的我国规模最大的线性遗址明长城18处段落的原状夯土作为研究样本,在建造地点、年代和工艺调查的基础上,采用直接剪切试验、土-水特征曲线测试、颗粒分析试验、相关与回归拟合分析对夯土抗剪强度指标、孔隙和颗粒特征及其联系进行了系统的研究。研究结果表明：18处不同属地夯土依据黏聚力和内摩擦角的取值大小可划分为抗剪性能弱型和抗剪性能强型,颗粒及孔隙的组成与分布具有良好分形特征;黏聚力和内摩擦角值与粒度分维值和孔隙分维值存在量化对应关系,以分维值为变量建立数学模型预测的抗剪强度指标与实测值的误差不超过7.5%,为有效获取抗剪参数和评价抗剪性能提供了新途径。     

排土场土石混合体分形特征与抗剪强度特性研究

露天矿山剥离堆积的土石混合体颗粒尺度不一,且力学性质异常复杂。以西藏甲玛铜矿南坑排土场为研究对象,采用现场勘测的方法测定堆积体的粒度组成及其分布特征,开展室内重塑土样的固结排水三轴压缩试验,以分析土体屈服强度特性与剪胀性,以及抗剪强度参数的取值。研究结果表明,自排土台阶坡顶至坡底,土石混合体的土粒减少且块石增多,颗粒的平均粒径呈指数关系增大;土体的粒度分布具有显著的分形结构特征,随块石含量的增大,其粒度分形维数减小。块石含量不同的土样在偏差应力作用下均表征出压密、屈服、塑性流动破坏的剪切特性,且围压条件与块石含量是影响土体剪切变形的两个关键因素,低围压时增加块石含量,土体更易产生剪胀。摩尔库伦强度准则能客观反映土体屈服的现象及过程,随块石含量的增加,土体的黏聚力呈线性减小且内摩擦角呈指数增大。     

考虑粒径对砂土宏细观剪切性质的试验研究

为探究砂土粒径对其抗剪强度的影响，利用应变控制式直剪仪和离散元软件，分别进行了3种不同平均粒径砂的剪切试验，从宏观、细观两个角度对砂展开了剪切特性分析。研究表明：抗剪强度随法向应力和平均粒径的增加而增大，内摩擦角随平均粒径的增加而增大。建立了砂土抗剪强度多元线性预测模型，且模型预测准确。平均粒径的增加致使剪切带厚度增大。剪切带厚度与法向应力关系可用一元二次函数表达。因此，在实际工程施工中，合理采用粒径较大的砂土有利于提高抗剪能力。     

散体云母片岩粒度分形特征及其与抗剪强度参数的关系

在室内试验的基础上,应用分形几何理论研究某露天矿排土场散体云母片岩的粒度分形特征,探讨了分维数与散体云母片岩物料中粗颗粒含量及其抗剪强度参数的相关性。研究结果表明：（1）分维数与散体物料中粗颗粒含量呈反方向变化关系,即分维数会随着粗颗粒含量的增大而减小;（2）当分维数值在1.887～2.631范围内时散体云母片岩粒度组成级配良好,说明分维数可以代替Cu、Cc用来表征散体岩石物料的粒度组成及其级配优良性;（3）在优良级配下分维数与散体剪切强度参数中的内摩擦角之间具有比较好的相关性,并呈负指数函数关系,而黏聚力与分维数规律性不明显。     

超高台阶排土场散体块度分布规律及抗剪强度参数的研究

“明显的粒径分级”是超高台阶排土场的重要特征,而散体岩土块度分布及其抗剪强度参数是影响超高台阶排土场稳定性和灾害防治的两个关键因素。针对江西某铜矿排土场,开展了现场粒径调查和散体室内试验研究,探讨了排土场散体岩土块度随排土场高度变化的分布规律,分析了散体岩土块度分布参数与其物料抗剪强度参数的定量关系式。研究结果表明,平均粒径 、粗料含量P>5 mm和最大粒径是随排土场高度的增加而明显减小,这表明排土场的堆积散体具有“明显的粒径分级”现象;“Gandin-Schuhmann模型”拟合的分布参数与排土场高度呈递减函数;分布参数B越大,粒度组成中粗颗粒含量越多,剪切强度参数内摩擦角φ值越大,且分布参数B与内摩擦角φ呈指数函数关系。研究成果可为超高台阶排土场稳定性分析及灾害防治提供理论依据。     

模拟月壤的抗剪强度特性试验

对火山玄武岩破碎后形成的6个粒组区间的试样依规范进行直剪试验,得出不同相对密度下的内聚力和内摩擦角试验数据;根据抗剪强度参数的统计结果,按Chauvenet法剔除粗差数据,并评价变异性,以提高数据的准确性和可靠度。对试样在不同的相对密度下和不同粒组区间的力学规律进行对比、研究分析后得出:模拟月壤的内聚力为0.33~5.5kPa,内摩擦角为29.1°~35.65°;抗剪强度参数与颗粒粒径、密度具有较好的线性关系;颗粒粒径决定了密度的变化范围,这导致了抗剪强度参数在密度的一定的范围内随之变化,而总的变化趋势却是由粒径来控制的。根据以上结论,按一定颗粒级配研制模拟月壤混合样,其内聚力为0.16~1.59kPa,内摩擦角为34.8°~45.5°,符合真实月壤的实际情况。可为后续的模拟月壤研制和性能评估提供参考。     

中国南海岛礁吹填珊瑚砂剪切力学特性

珊瑚砂作为一种特殊的生物碎屑沉积物,我国南海广泛分布,其具有多孔、非均质、非连续等工程特性,作为填岛的材料和工程建设的基础,吹填珊瑚砂的力学特性是珊瑚岛礁工程研究的关键科学问题。中国南海降雨量大,吹填珊瑚砂渗透性好,工程荷载高,含水性和高荷载对于吹填珊瑚砂剪切力学特性的影响非常显著。利用自主研制的土石混合体大型剪切力学试验机,采用中国南沙某岛礁吹填珊瑚砂,在级配和组分分析的基础上,研究不同密实度、含水量条件下高轴向荷载珊瑚砂的剪切力学特性,通过试验结果分析得出如下结论:(1)含水量增加导致吹填珊瑚砂抗剪强度减小,呈负相关关系;密实度增加引起抗剪强度增加,呈正相关关系;(2)含水量对吹填珊瑚砂内摩擦角影响显著,呈负相关关系,含水量大于10%,内摩擦角降低较小;密实度90%时,含水量大于5%,黏聚力降低较小;(3)密实度对吹填珊瑚砂的黏聚力影响规律不明显,密实度对内摩擦角影响较显著,当含水量大于5%时,随着密实度的增加内摩擦角显著增大;(4)在高荷载条件下,含水量和密实度对吹填珊瑚砂抗剪力学特性影响较为显著,含水量小、密实度大的吹填珊瑚砂抗剪特性最强,对于岛礁填岛工程设计及场地条件改性具有指导意义。     

安哥拉Quelo砂抗剪强度特性试验研究

基于安哥拉Quelo（Muceque）砂原状土和重塑土的直剪试验,探讨了结构性、含水率、干密度对Quelo砂抗剪强度的影响。试验结果表明,结构性对Quelo砂的抗剪强度影响较为复杂,原状土与重塑土的抗剪力学指标具有明显差异;Quelo砂遇水软化特性显著,原状土和重塑土的黏聚力和内摩擦角随含水率的增大近似呈对数衰减;Quelo砂级配良好,压实后抗剪强度高,适宜用作回填材料,重塑土的黏聚力随干密度的增大近似呈线性增大,内摩擦角随干密度的增大分为稳定段和增大段,呈分段函数的特征。     

粗颗粒含量对砾石土抗剪强度影响的试验研究

粗、细颗粒的相对含量是影响砾石土抗剪强度大小的最主要因素之一。本文通过设计改进的直剪试验,试验研究了不同粗颗粒含量砾石土剪切过程中的强度-变形特征。研究结果表明:粗颗粒含量的多少对砾石土土体抗剪强度有重要影响,粗颗粒含量在70%附近时,砾石土土体的内摩擦角最大,抗剪强度最大。     

全尾砂-废石混合回填膏体流动特性变化规律

质量浓度、废石掺量是影响尾砂-废石混合回填体流动特性的主要因素,研究这些因素对膏体流动性的影响规律,对于控制膏体流动性具有重要意义。采用改进的小型直剪装置进行混合回填体直剪试验,以黏聚力、内摩擦角、抗剪强度为依据,综合得出了混合回填膏体流动性变化规律。试验结果表明,膏体在受力变形前期呈较为明显的似弹性性质,随废石掺量增加,位移-剪应力曲线中阶梯状变化趋势增加;回填体黏聚力取决于质量浓度,内摩擦角受质量浓度和废石掺量影响程度基本相同,两者协同作用;质量浓度在80%～88%范围时,黏聚力随质量浓度增大呈非线性增大,内摩擦角与质量浓度呈S型变化趋势;抗剪强度随质量浓度的增大而增加,在82%～84%区间抗剪强度变化显著,流动性出现突变。     

含石量对土石混合体剪切特性的影响

为了探究不同含石量对土石混合体的抗剪强度及剪胀性的影响,利用先进的大型单剪试验仪进行了21组大型单剪试验。试验设计了从0%～80%含石量共7组试验样品,在100、200、300 kPa三种不同的法向压力下进行单剪试验。基于试验结果,分析了含石量对土石混合体的抗剪强度和剪胀、剪缩特性之间的关系。试验结果表明,在相同的法向压力下,随着含石量的增加,土石混合体的内摩擦角及黏聚力总体上有先增大后减小的趋势。当土石混合体在含石量为40%～50%之间时,其抗剪强度最大。研究表明：土石混合体抗剪强度受到土石混合体孔隙比的影响,同时随着含石量的增加,土石混合体中的结构形式及主导颗粒也相应的发生变化。当含石量在0%～20%之间时,细集料在土石混合体中占主导地位,土石混合体为悬浮密实结构,此时土石混合体的抗剪强度与基质颗粒的性质相近;当含石量在20%～50%时,土石混合体为骨架孔隙结构,随着含石量的增加,土石混合体的骨架逐渐形成,颗粒之间咬合力增加,使得黏聚力及内摩擦角都有明显提高;当含石量超过50%之后,土石混合体表现为骨架密实结构,孔隙率开始上升并且细粒料开始大幅减少,细集料不能充分填充块石之间的孔隙,于是土石混合体抗剪强度开始下降。     

基于细观统计的砂土摩擦特性与破坏机制研究

砂土是一种典型的颗粒材料,其力学特性和变形机制是细观颗粒在荷载作用下的宏观表现,鉴于砂土具有显著的颗粒性和碎散性,使得对其进行细观颗粒层面的研究非常必要。将土颗粒简化为空间椭球体,假设方向角满足正态分布规律,应用细观统计的方法,从颗粒层面对砂土的摩擦特性和破坏机制进行研究。砂土剪切面上的摩擦特性主要是颗粒在剪切荷载作用下,克服垂直于剪切面应力抬升所遇到的阻力。颗粒运动方向与剪切面滑移方向的夹角可视为单个颗粒的摩擦角,颗粒摩擦角满足与方向角同样的正态分布规律;砂土的剪切破坏是颗粒重排列和应力重分布的过程,该过程中一部分颗粒摩擦角不断弱化,而承载颗粒数量逐渐增多,土体内部应力分布渐趋均匀;随着垂直于剪切面荷载的增大,砂土内摩擦角随之弱化减小,内摩擦角与荷载之间具有对应关系,可进行量化计算。     

钙质土的剪切特性试验研究

钙质土因其颗粒形状不规则、易破碎、高孔隙比等特征,其力学性质较为特殊。采用室内大型直接剪切试验设备,对取自南海珊瑚礁和三亚岸礁的粗颗粒钙质土进行了直剪试验,研究了粗颗粒钙质土在不同含水率、不同密度和不同矿物组成条件下的钙质土剪切特性。结果表明,粗颗粒钙质土表现出与常规无黏性土截然不同的力学性质,即（1）与石英砂相比,表观黏聚力较大,内摩擦角较高,软化性较弱;（2）表观黏聚力随着平均粒径的增大而增大,内摩擦角随着干密度的增大而增大;（3）与峰值强度相比,土体剪切破坏后其残余强度的表观黏聚力锐减而内摩擦角仅略有减小。研究成果可为岛礁工程建设提供借鉴,也可为其他粗颗粒土的研究提供参考。     

排土场散体岩石粒度分布与剪切强度的分形特征

应用分形理论研究了矿山排土场散体岩石粒度分布的分维规律,建立了分维数与排土场散体物料剪切强度参数的定量关系式。研究表明,排土场岩石块度分布具有良好的分形结构,分维数值大小随着排土场高度的增加而增加,但不超过3。当采样尺度范围一定时,分维数越大,散体中细颗粒含量越多,平均粒径也越小。分维数与散体岩石的剪切强度参数摩擦角?呈负指数关系。分维数值可用于排土场粒度资料的统计分析与剪切力学强度参数的预测。     

掘削卵砾石地层颗粒离散元模拟中的细观参数取值讨论

卵砾石地层被掘削时,其主要破坏模式并非一般的宏观整体剪切破坏,而是刀具切入卵砾石间的缝隙,将卵砾石颗粒剥离出原始地层,该过程较为契合颗粒离散元的物理力学假设。为确定掘削工况下的颗粒材料最优细观参数,对不同的颗粒接触法向刚度、接触刚度比、粒间摩擦系数、颗粒形状、颗粒尺寸等的颗粒材料开展了截割三维仿真试验,并分析研究了不同细观参数对掘削效果的影响。计算结果显示:颗粒接触法向刚度、接触刚度比的多种细观参数组合可以对应同一个宏观弹性模量值,接触刚度比大的细观参数组合的抗掘削能力更大。颗粒形状、粒间摩擦系数的多种细观参数组合可以对应同一个内摩擦角值,形状复杂的颗粒材料具有更大的抗掘削能力。在宏观参数相同的情况下,平均粒径更大的颗粒材料抗掘削能力更大。因此,利用颗粒离散元模拟掘削卵砾石地层问题时,除需保证虚拟颗粒材料的宏观整体剪切破坏响应与真实材料基本一致外,还需根据材料的抗掘削能力进一步标定细观参数,以获得更贴近实际情况的模拟效果。文章提出的方法可以为其他颗粒离散元掘削工况数值模拟中的参数标定提供参照依据。