土石混合料强度特性的试验研究

开挖山体得到的土石混合料因强度高、施工方便而被广泛用作路基或基础的填料,但由于受地质条件、含石量、粒度分布范围及颗粒粒径等因素的影响,土石混合料的力学性质表现出明显的非线性,强度指标无法通过常规的试验设备检测,导致应用土石混合料填筑的路基或基础经常出现较大的差异沉降或滑塌,严重影响上部结构的使用。为了研究土石混合料的强度特性及其随各影响因素的变化规律,对室内大型直剪试验进行了改进,研制了新型的大型直剪试验系统,对不同类别土石混合料在不同影响因素下进行了击实试验和大型直剪试验。研究发现,在高应力条件下,土石混合料的剪切破坏不再完全符合库仑定律,抗剪强度应进行一定的折减;试验结果揭示了土石混合料的强度指标随各主要影响因素的变化趋势,初步建立了土石混合料指标随各影响因素的变化规律。结果还表明,母岩性质及含石量对混合料的强度指标影响较大,硬岩类混合料的内摩擦角普遍比软岩类高,混合料的强度随含石量变化规律为,当含石量小于30 %时,含石量的变化对强度影响较小,随含石量的增加,混合料的强度也呈抛物线形增长,一般至含石量为70 %左右达到峰值。     

基于颗粒接触状态理论的砂-粉混合料剪切波速试验

为探究细粒含量FC、相对密实度D_r、初始有效围压■对饱和砂-粉混合料剪切波速V_s的影响,对不同FC、D_r和■组合情况的混合料开展了一系列弯曲元试验。试验表明:随着FC的增加,松散-中密混合料的V_s先减小再增大,而密实混合料的V_s呈减小趋势;FC相同时混合料的V_s与固结后孔隙比e_c呈负线性关系,但不同FC的混合料的V_s与e_c没有单一的负线性关系;不同FC、D_r、■组合的砂-粉混合料的V_s与等效骨架孔隙比e_(sk)*具有很好的负线性关系。文献中三类砂-粉混合料的V_s试验数据也佐证了这一结论。这说明e_(sk)*是与砂-粉混合料V_s唯一具有负线性相关的物理状态指标。     

土石混合料的压实特性研究

基于某大型场平工程填筑质量抽检结果,探讨了粗料含量（粒径大于5 mm颗粒含量）、填料最大粒径以及填料级配情况对土石混合料现场压实特性的影响。研究发现：当粗料含量逐渐增加时干密度呈逐渐增大趋势,但达到90%左右时,干密度离散性较大,建议粗料含量的合理值为60%～80%;同样,当填料最大粒径逐渐增大时干密度也随着最大粒径的增大而呈逐渐增大趋势,但当超过松铺厚度（800 mm）的30%以后,干密度则逐渐减小,且离散性较大,建议最大粒径的合理值为松铺厚度的30%;填料级配良好与否和压实特性无明显的相关性,但级配应连续。该研究对类似工程有一定的借鉴意义。     

土石混合料剪切特性影响因素的离散元数值研究

土石混合料剪切特性控制着高填方边坡的稳定性。土石混合料特殊的结构、物质及粒径组成等极其复杂,为探究土石混合料剪切特性影响因素及其规律,在室内试验基础上,基于PFC2D构建了颗粒离散元数值模型,分析了颗粒级配、初始孔隙率、块石尺寸及块石形状等因素对土石混合料剪切特性的影响。结果表明:土石混合料的剪应力-剪切位移曲线主要包括4个阶段:弹性变形、局部剪切、剪切破坏以及残余变形;块石形状、颗粒级配及初始孔隙率对土石混合料的破坏模式无明显影响,破坏模式均为应变软化型;当土石混合料的颗粒级配较差时,剪应力随剪切位移的增加出现较大波动,曲线出现明显"跳跃"现象;当含石量一定时,相同法向应力条件下,块石尺寸越大,土石混合料的抗剪强度越大,且随着法向应力的增大,不同块石尺寸的试验组之间抗剪强度差值也越大,块石尺寸对土石混合料抗剪强度的影响越明显。     

压实度和基质吸力对土石混合填料强度变形特性的影响研究

针对土石混合料高填方工程分析计算参数和模型确定难题,采用非饱和土三轴仪进行了控制基质吸力和净围压的36个固结排水剪切试验,定量研究了压实度、基质吸力、配合比对非饱和重塑混合料强度变形特性的影响,建立了非饱和压实土抗剪强度、切线变形模量和切线体积模量修正算法表达式。试验结果表明:破坏应力、黏聚力随吸力的增加基本呈线性增长,吸力变化对有效内摩擦角影响不大;破坏应力与强度参数随压实系数的提高而增大;土石比为4:6的土样破坏应力和强度参数整体略高于2:8的土样,有效黏聚力随粉质黏土含量的增加而增大。配合比和压实系数相同的土样,净围压或吸力越大,试样强度越大,体变逐步由剪缩趋于剪胀;净围压和吸力相同的土样,在相同配合比时,压实系数越高,应变曲线逐渐由应变硬化型向理想弹塑型转变,低净围压下部分土样趋于应变软化型。修正后的非饱和土非线性增量本构关系符合大面积填方工程实际,可用于高填方地基变形计算和高填方边坡稳定性分析。     

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。     

含石量和颗粒破碎对土石混合料强度的影响研究

采用室内大型直剪试验、颗粒标记观察试验和颗粒筛分试验分别从宏、细观角度对6种含石量的土石混合料在6种法向压力条件下的颗粒破碎特征和剪切强度特性展开研究,并建立宏观剪切强度特性与细观颗粒破碎特征之间的联系,从而更深入地揭示含石量和颗粒破碎对土石混合料剪切强度特性的影响机制。结果表明:(1)颗粒破碎主要发生在剪切面附近,破坏形态可分为表面研磨、局部破裂、完全破裂和完全破碎4种,是颗粒间不均匀的接触力作用产生应力集中的结果;(2)颗粒破碎造成细粒组含量升高、粗粒组含量降低和中间粒组含量波动变化;(3)颗粒相对破碎率B_r随着法向压力σ_n或含石量P₅的增大而增大,且符合一定的二元函数关系式;(4)随着法向压力σ_n的增大,抗剪强度τ呈非线性增长规律,满足修正的M-C强度准则;(5)当含石量P₅增大时,土石混合料的黏聚力c₀减小、内摩擦角φ₀增大、非线性参数Δφ增大;(6)颗粒破碎是造成土石混合料强度非线性特征的直接原因。     

土石混合料的结构分类

探讨了振动三参数：离心力、激振频率和名义振幅对土石混合料振动压实效果的影响,提出了两种对比工艺。并根据土石混合料在同一振动工艺下的压实特性,指出土石混合料具有三种结构类型,以最大干密度为判据,含石量为指标进行了结构分类,给出了分类区间。     

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.     

非饱和土稳态孔隙比变形理论研究

非饱和湿陷性土与湿胀性土分别具有亚稳态孔隙比结构和超稳态孔隙比结构,广义吸力是维持这种结构稳定的主要因素。随着广义吸力的丧失,两种结构均处于一个不稳定的孔隙状态,土体会向一个更加稳定的孔隙比结构发展。超孔隙比结构孔隙比增大,土体产生膨胀,亚稳孔隙比减小,土体产生收缩。基于这一稳态孔隙比理论,建立了广义吸力丧失引起的孔隙比的增量方程,来统一考虑非饱和土的湿陷性和湿胀性变形特性,并通过经典试验数据验证了增量方程的合理性     

掺砂率对膨润土与砂混合物膨胀特性的影响

膨润土与砂混合物的膨胀特性是评估核废料深层地质处置工程长期性能的重要指标。对比不同膨润土及其与砂混合物的膨胀试验结果可知,对纯膨润土及其低掺砂率混合物,浸水膨胀完成后蒙脱石孔隙比em与竖向应力?v在双对数坐标内呈惟一的线性关系,利用该线性关系可预测浸水完成后不同竖向应力下的体积变化量及不同初始状态对应的膨胀力;对高掺砂率混合物,在砂骨架形成之前,em-?v线性关系成立,随着竖向应力的增大,砂骨架形成,对应的em值脱离em-?v线性关系,混合物中掺砂率越大,脱离该线性关系时的竖向应力就越小。砂骨架形成前,砂颗粒被蒙脱石包围,外力由蒙脱石承担,最终变形量由试样中单位体积蒙脱石的含量决定;砂骨架形成后,竖向应力最终由砂骨架和蒙脱石共同承担。利用砂骨架孔隙比的概念可确定各种不同掺砂率混合物形成砂骨架时的应力起偏点。同时,还可确定混合物能够形成砂骨架的掺砂率范围。     

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。     

饱和膨润土及其与砂混合物的压缩变形特性

对用不同制样方法得到的饱和膨润土及其与砂混合物进行了压缩试验。试验结果表明,饱和膨润土的压缩曲线呈双线性,不同于普通黏土的压缩曲线。压缩试验中量测了侧向应力,由此得到的饱和膨润土的静止侧向压力系数值较一般黏土的数值要大。对膨润土与砂混合物的击实样进行了由非饱和到饱和状态的浸水试验,并得出试验过程中侧向应力的变化规律。由于浸水饱和的试样和抽真空饱和的试样在较高压力时压缩曲线趋于一致,可采用快速抽真空饱和的方法进行试验研究,以缩短非饱和混合物击实样浸水饱和所需时间。引入骨架孔隙比的概念,用来判断膨润土与砂混合物中砂骨架是否形成,得出影响混合物压缩特性的决定因素。     

A study on the limit void ratio characteristics of medium to fine mixed graded sands

The minimum and maximum void ratios, corresponding to states of densest and loosest packing, of 111 systematically prepared mixed graded sand samples are determined with Method 2A and Method B according to ASTM D 4253 and ASTM D 4254 standards, respectively. Although, those standards are applicable to soils that may contain up to at most 15% fines content, for the harmony of the results even for samples having fines content greater 15%, no other methods are used throughout the experimental program. The test results show that 3rd degree polynomial equations derived from existing experimental data, as a function of packing material percentage, are quite reasonable (R² ≈ 1.0) to estimate the variation of minimum and maximum void ratios for the sands considered. Furthermore, error analysis of the limit void ratios is also carried out. It is found that predictability of maximum void ratio for the soil types and gradations considered is more accurate than that of minimum void ratio.     

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。     

Effects of skeleton void ratio on the strength and deformation characteristics of coarse-grained soilEI北大核心

粗粒土强度变形特性与初始级配和制样干密度密切相关。为研究不同级配和密度组合的粗粒料强度变形特性,提出了一种计算简便、易于推广的粗粒土骨架孔隙比计算方法。开展的室内试验结果表明,该计算方法所得的骨架孔隙比与粗粒土力学特性之间存在较为明显的单调性变化规律。当试样尺寸一致时,随着骨架孔隙比减小,破坏剪应力增大,破坏摩擦角增大,黏聚力减小;平均初始切线弹性模量增大,平均初始切线泊松比减小。整体而言,骨架孔隙比越小,粗粒土强度、刚度越大。基于该结论,笔者提出了一种等骨架孔隙比粗粒土缩尺方法。     

土石混合体注浆扩散机制及影响因素试验研究

为了研究浆液在土石混合体中的扩散机制及其影响因素,以重庆地区土石混合体为研究对象,研制了一套可重复使用的室内注浆模型试验系统,开展了不同含石量、孔隙比、浆液黏度和注浆压力等条件下土石混合体注浆模型试验研究。研究结果表明：浆液在土石混合体中主要以渗透、劈裂的方式扩散。当含石量由低到高变化时,浆液主要扩散方式由劈裂扩散转化为渗透扩散;中等含石量时,劈裂扩散与渗透扩散相当。在试验的基础上,结合支持向量机制论建立了土石混合体注浆扩散半径预测模型,并基于该模型的计算结果,获得了渗透扩散半径和劈裂扩散半径影响因素的影响次序分别为：含石量>浆液黏度>孔隙比>注浆压力、含石量>注浆压力>浆液黏度>孔隙比。含石量对扩散形式的影响最大,对扩散半径值的影响占主导地位,建议实际工程中应根据土体含石量分区段进行注浆技术参数设计。     

细粒含量对饱和砂土动弹性模量与阻尼比的影响研究

利用GDS循环三轴试验系统,进行一系列不同细粒含量砂土的不排水动三轴试验,研究细粒含量对饱和砂土动弹性模量与阻尼比的影响。试验结果表明,砂土的动弹性模量随细粒含量的增加而减小,但当超过细粒含量的临界值30%后,变化趋势则相反;阻尼比随着细粒含量的增加呈现先增大后减小的趋势,其细粒含量的临界值也为30%。当细粒含量小于30%时,砂土的动力特性主要由粗粒决定,粗粒间形成的骨架孔隙比随细粒含量的增加而增大,相同应变水平下抵抗变形的能力随之减弱,从而使动弹性模量减小。同时,土颗粒间接触点的减少使应力波在土中传播速度变慢,使得土体对动荷载反应的滞后性增强,阻尼比随之增加;当细粒含量大于30%后,砂土的动力特性主要由细粒决定,细粒间孔隙比随着细粒含量的增加而减小,从而使砂土的动弹性模量与阻尼比呈现出相反的变化趋势