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。     

基于元胞自动机模型的堆积体动力学参数研究

堆积体是一种典型的二元介质,由软弱的基质土与坚硬的碎、块石构成。利用元胞自动机模型对随机离散单元进行演化,模拟堆积体的分布结构、“聚团”特征;利用弹性应力波传播原理计算波的等效速度,研究了堆积体内介质分布、软硬程度对动力学参数的影响规律。研究发现,堆积体内的波速由基质与充填物共同决定,基质材料越弱,地震波传播速度越慢,二者呈对数变化;堆积体内碎石含量越高,则波速越快,波速与充填碎石块含量呈对数关系增长,而振幅系数与碎石含量关系不大,主要取决于碎块石的分布结构;由于堆积体介质密度不均,导致堆积体内波传播速度与入射波频率密切相关,高频波速度快、低频波速度慢,横波速度与入射波频率成指数递增关系。研究表明,采用基于元胞自动机模型研究动变形参数,可以更好地反映出堆积体的波动力学性能,是一种获得复杂介质动参数的重要方法,可以弥补室内及现场试验的不足。     

降雨作用下欢喜坡冰水堆积体角砾土强度特性

为探究降雨作用下欢喜坡冰水堆积体角砾土的强度变化规律,进行了天然和4种不同降雨历时条件下的角砾土现场剪切试验,并结合土水特征曲线探讨了该类特殊土体的非饱和强度特性。降雨作用对欢喜坡冰水堆积体角砾土的抗剪强度有着显著的影响,其近似饱和时的黏聚力和内摩擦角比天然含水率情况分别降低64.3%和22.5%;降雨入渗使角砾土基质吸力迅速降低,因此在短时强降雨条件下会导致角砾土抗剪强度丧失过大,容易诱发浅层土体滑坡;建立了欢喜坡冰水堆积体角砾土非饱和黏聚力与含水率参数χ(w)的关系式,实际应用时可采用多项式函数来确定χ(w)。     

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。      

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。     

四川理县桃坪冰水堆积物非饱和强度特性

为探究含水率变化对桃坪冰水堆积物抗剪强度的影响,取原状土样进行了6种不同含水率条件下的不固结不排水三轴剪切试验,并结合土水特征曲线探讨了该类特殊土体的非饱和强度特性。含水率对桃坪冰水堆积物的抗剪强度有着显著的影响,其饱和时的黏聚力和内摩擦角比天然含水率情况分别降低40.0%和29.5%。建立了桃坪冰水堆积物非饱和黏聚力与含水率参数χ（w）的关系式,实际应用时可采用指数函数来确定χ（w）。含水率增大使冰水堆积物基质吸力迅速减小,其抑制土颗粒塑性滑动的能力大幅降低,土体中细小裂纹不断发育、扩张,导致其宏微观结构遭受破坏、抗剪强度出现衰减。针对桃坪堆积体上广泛存在的浅层滑坡,应积极开展堆积区降雨量动态监测、优化改进灌溉方式以及加强坡体表部排水设施建设等工作。     

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。     

粗粒含量对砾类土直剪过程中强度与变形特性影响的离散元模拟研究

粗粒含量对砾类土的工程力学特性具有重要的影响。本文对4组不同粗粒含量的强风化玄武岩砾类土进行了大型直剪试验,并获取相关的强度与变形参数,基于离散单元法颗粒流理论,采用粒间作用为平行黏结模型的圆球模拟土颗粒,建立了4种不同粗粒含量砾类土直剪的离散单元模拟的计算模型,并进一步校正了颗粒单元细观参数,模拟了不同粗粒含量砾类土100kPa垂直压力时的应力应变关系、垂直变形以及剪切带上的土颗粒运动与颗粒间作用力传递的影响特性,分析了粗粒含量对砾类土宏观及细观力学性质的影响机理。结果表明:砾类土表现出的粗粒含量越大强度越高的本质是由于随粗粒含量增加时,土颗粒间平均刚度增加及颗粒间的咬合作用使得摩擦系数增加,采用平行黏结模型能较好的拟合峰值前剪应力-剪位移曲线,但是峰后曲线段尤其对软化现象的适应性不是十分理想; 垂直位移-剪位移模拟值与试验值存在一定的偏差; 随着粗粒含量的增加,最大剪应力时粗颗粒对力链的控制表现得愈明显,相应的剪切带厚度约为剪切盒高度的1/3～1/5,并随粗粒含量增加而增大。     

干密度和细粒含量对砂卵石及碎石抗剪强度的影响

通过对河床砂卵石及爆破碎石的无黏性粗粒土直接剪切试验,对比分析了在不同试验状态下两种粗粒土的细粒含量和干密度分别对其抗剪强度参数的影响以及抗剪强度参数变化规律;试验结果表明,两种粗粒土的抗剪强度参数基本是随着干密度的增大而增大,摩擦角在细粒含量较小时稳定在某一特定值,随着细粒含量的增加而迅速减小;而当干密度增加到一定程度后不同试料在不同试验状态下,咬合力各自都将趋于某一稳定值。从两种试料的试验状态来看,非饱和固结抗剪强度参数相应地比饱和固结的大,河床砂卵石的抗剪强度参数比爆破碎石的大;对同一级配的河床砂卵石在不同相对密度下进行的直接剪切试验结果表明,其抗剪强度参数随着干密度的增大而增大,最终有趋于某一稳定值的趋势。     

不同剪切速率对风化砂改良膨胀土抗剪强度指标的影响

土的抗剪强度指标受含水率、剪切速率以及土样的类别等多个因素的影响。为了研究不同剪切速率对风化砂改良膨胀土的抗剪强度指标的影响规律,分别在2.4,0.8 mm/min剪切速率下对不同含水率和不同掺砂比例的风化砂改良膨胀土样进行了室内直剪试验,得到了不同剪切速率下改良膨胀土的抗剪强度指标值。试验表明:采用2.4 mm/min的剪切速率测得的抗剪强度指标比采用0.8 mm/min的剪切速率测得的值要大;通过对比试验数据可知,剪切速率对内摩擦角的影响比对黏聚力的影响相对来说较小,对砂土的抗剪强度指标的影响比对黏土的抗剪强度指标要小,对含水率较小的土样的抗剪强度指标的影响比对含水率大的土样的抗剪强度指标要大。对于风化砂改良膨胀土的抗剪强度指标的测定时的剪切速率应采用规范要求的0.8 mm/min。     

基于高分子复合材料改良砂土三轴剪切试验研究

为研究剑麻纤维和高分子固化剂复合改良对砂土工程特性影响,通过一系列三轴剪切试验,对不同掺量和长度的剑麻纤维与高分子固化剂改良砂土的剪切强度特性进行了研究,从峰值偏应力、应力应变曲线特征和抗剪强度参数等方面分别对改良机理进行了研究。研究结果表明,纯高分子固化剂改良砂土的峰值偏应力和黏聚力明显提升,由于固化剂粘结砂土颗粒,限制了变形过程中颗粒的相对滑动,内摩擦角略微降低。随纤维掺量的增加,不同围压下固化剂改良土体的峰值偏应力明显增加,应力硬化特征愈加明显,土体的黏聚力和内摩擦角随纤维掺量的增加保持单调递增趋势。在单纯添加固化剂的情况下,土体强度与固化剂浓度呈正相关的关系;在给定0.4%的纤维含量下,随着纤维长度的加长,纤维和高分子固化剂复合改良砂土的剪切强度先增强后降低;在纤维长度为18 mm时,土体的剪切强度达到最大,黏聚力达到最大207.57 kPa;纤维长度的改变对试样破坏时的轴向应变和土体的内摩擦角基本没有影响。     

四川茂县周场坪深层滑坡滑带土环剪试验强度研究

位于四川省茂县岷江左岸的周场坪滑坡为一大型深层蠕滑型古滑坡,其曾于1982年发生大规模快速复活并堰塞岷江。根据现场地质调查和工程地质钻探资料分析,该滑坡目前正处于深层蠕滑变形中,且降雨对滑坡变形速率具有重要影响。滑坡滑动速率和含水率对滑带土的力学强度特性,以及滑坡的变形和进一步破坏具有极大影响,为研究含水率和滑坡滑动速率对周场坪滑坡滑带土力学强度的影响,本文在滑带土基本物性测试分析基础上,开展了不同含水率(8%、15%和25%)和不同剪切速率(0.1 mm·min-1、5 mm·min-1和100 mm·min-1)的滑带土环剪试验。试验结果表明:在长距离剪切条件下,滑带土的抗剪强度随着含水率的增加而降低,且高含水率条件下强度降低幅度更大;随着剪切速率的增加,试样应变软化现象更加明显,其峰值强度和残余强度一般先增大后减小;由峰值强度和残余强度线性拟合的强度参数内摩擦角随剪切速率的增加则先增大后减小。研究认为在强降雨条件下,高含水率的条件使滑带土抗剪强度显著降低,易导致周场坪滑坡蠕滑加速,加快的滑动速率会再次降低滑带土的抗剪强度,从而导致滑坡发生周期性蠕滑,并可能再次发生整体复活堵塞岷江。     

不同含石量条件下土石混合体剪切变形特征的试验研究

三峡库区库岸广泛分布宽级配的土石混合体,土石混合体的力学性状及在外部作用下的变形响应对库岸滑坡的启动或复活有重要的影响。基于此,选择典型土石混合体滑坡进行现场调查和取样,利用室内大型直剪仪,结合打孔-插丝-灌砂的方法监测剪切过程中的试样内部变形演化特征,开展了不同含石量条件下的土石混合体试样的剪切变形特性试验研究。研究结果表明:含石量对土石混合体的强度和变形特性具有明显的控制作用。当含石量小于20%时,块石对试样影响较小,细颗粒土占主导作用,剪切过程中表现为细颗粒间错动式的剪切变形,强度依赖于细颗粒的强度,试样呈应变硬化特性;随含石量增加(20% ~80%),块石开始接触并逐渐形成骨架结构,加之细颗粒土的嵌合作用,剪胀作用增强,剪切过程中表现为混合体间啃掘式的剪切变形,强度由块石和细颗粒共同作用,试样逐渐表现为应变软化特性;含石量大于80%后,试样内块石占主导作用,但由于细颗粒较少,块石间的骨架结构存在较多空隙,试样结构效应有所降低,强度和变形性能有所弱化。     

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。     

土工格栅与土界面作用特性试验研究

土工格栅与土的界面摩擦特性指标是加筋土工程设计的关键。通过分析土工格栅与土的界面摩擦作用和进行了直剪摩擦试验和拉拔摩擦试验,测试了两种试验条件的界面摩擦特性。在两种试验条件下,土工格栅加筋土复合体的抗剪强度均有界面摩擦角φsq和界面凝聚力csq,且土工格栅与土相对位移量的不同,其复合体的强度机理有区别。在拉拔摩擦试验中,剪应力峰值强度对应的剪切变形值高于直剪摩擦试验中剪应力峰值强度的剪切变形值5～10倍以上。两种试验均有其适用性,而土与土工格栅的相对位移较小时直剪摩擦试验较能反映实际;土与土工格栅相对位移较大时土与格栅双面均发生相对位移,拉拔摩擦试验更为合适。随法向应力的增大,直剪摩擦和拉拔摩擦试验的剪应力峰值以及剪应力峰值对应的位移均提高。直剪摩擦的剪切速度小,剪应力峰值强度高,且达到峰值强度的剪切位移大;增加剪切速度,剪应力峰值强度降低,且对应的位移也减少,其原因是界面上的孔隙水压力消散和筋材的应力松弛。应根据具体工程的需要选择直剪摩擦试验和拉拔摩擦试验确定设计参数。     

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.     

Anisotropic shear strength characteristics of a tailings sand

The deposition process of tailings in a tailings dam may lead to the anisotropy of mechanical properties of tailings. To investigate the anisotropic shear strength characteristics of a tailings sand, samples deposited under gravity were sheared in a modified direct shear apparatus along different orientations of the shear planes relative to the bedding plane. The experimental results reveal that the anisotropy has a substantial effect on the peak shear strength of the tailings sand, leading to a variation in peak friction angle of 10°. It is found that the effect of anisotropy on the peak shear strength of the tailings sand is mainly attributed to the effect of anisotropy on soil dilatancy. On the other hand, the effect of anisotropy on the residual friction angle of the tailing sand is relatively smaller, likely due to the partial erasure of anisotropy at large shear deformation. The degree of anisotropy is reduced by an increase in normal stress. To achieve more accurate stability analysis of tailings dams, it is suggested to take into account the shear strength anisotropy of tailings soils.     

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。     

不同应力路径下土石混填体变形力学特性大型三轴试验研究

为更加全面地掌握土石混填体的变形、力学特性,采用大型三轴剪切仪分别在常规路径、等应力比路径和等p路径下对不同含石量的土石混填体进行了一系列试验研究。试验结果表明,在低围压下土石混填体的应变软化特征并不明显,其黏聚力普遍较低,而内摩擦角则较高,随试样的含石量从25%增加到70%,其内摩擦角和变形模量亦会随之增加。土石混填体在常规路径和等p路径下的应力-应变关系曲线比较相似,其所求得的抗剪强度指标亦比较接近;而等应力比路径下的应力-应变关系曲线的形态和发展过程均与之存在明显差别。土石混填体在常规路径下具有低压剪胀和高压剪缩的特性,含石量越高,低压剪胀性越明显,反之,则高压剪缩性更为显著;等应力比路径下试样的体积应变与轴向应变之间近似呈线性关系,其斜率随应力比增加而减小;等p路径下试样则是以剪胀性为主,尤其在平均主应力较低时更为显著。