某露天煤矿泥岩的物理力学特性试验研究

本文对某大型露天煤矿一坑道泥岩的物理力学和物理化学特性的试验研究进行了全面的介绍。试验结果表明泥岩中含有的大量亲水性粘土矿物和少量的水稳性胶结物质及其较松弛的结构和高的含水量是泥岩物理力学特性形成和演变的基本因素。本文给出了在动态荷载作用下泥岩的强度与重复荷载次数之间的关系,泥岩在不同围压条件下的破坏机理以及泥岩强度与含水量之间的关系。最后,通过有限元的分析计算得出了均质泥岩路基与非均质(层状)泥岩路基的变形与轮压下的位移值。     

重复荷载作用下粉性路基土累积塑性变形研究

为研究不同含水率、压实度和应力水平下路基压实粉性路基土累积塑性变形影响因素与变化规律,开展了系列动三轴试验。根据累积塑性应变随加载次数的变化规律,获得了不同含水率、压实度下粉土的临界动应力。研究表明,粉性路基土临界动应力随压实度的提高而增大,随含水率的增大而减小。为避免路面结构的破坏,路基土应力状态应控制在临界应力界限范围内。鉴于此,针对路基土临界应力范围内的试验数据,建立了路基土累积塑性变形预估模型。该模型考虑了应力和加载次数的影响。回归分析表明,该模型具有较高的决定系数,即模型具有较高的合理性与可靠性。模型的建立为基于力学经验法的路基累积塑性变形计算提供了参数。最后以典型水泥混凝土路面为例,获得了不同轴载、轴型作用下粉土路基累积塑性变形,为进一步研究路基累积塑性变形对路面结构的影响提供了思路。     

长期循环荷载下人工结构性软土累积变形规律及预测模型

针对软土地区路基运营后显著的长期沉降效应问题,以及天然沉积软土均具有一定结构性的特点,制备了不同胶结强度的人工结构性土,开展了结构性土与相应重塑土的压缩试验和动三轴试验,分析了循环次数、动应力比和结构性强度对土体累积塑性变形的影响规律。试验结果表明:土体累积变形随着循环次数、动应力比的增大而增大,随着结构性强度的提高而减小;累积应变曲线可分为破坏型、稳定型和临界型3种形式。进而考虑土结构性影响,在已有累积变形模型基础上引入应力灵敏度S_σ参数,分别建立了结构性软土的破坏型和稳定型的累积变形模型,较好地预测了结构性软土不同变形状态的累积应变曲线,并分析了模型参数随应力水平和结构强度的变化规律。     

冻融循环条件下层理砂岩卸荷力学特性试验研究

研究层理砂岩在两种含水状态（自由饱水与真空饱水）、不同冻融循环次数（0次、20次、40次、80次、120次）条件下的三轴卸荷力学特性.研究表明：砂岩的强度随着冻融循环次数的增加而降低,真空饱水组的劣化程度较自由饱水组剧烈,外观损伤破坏主要出现在岩样端部边缘和层理面附近.加载与残余变形阶段产生轴向应变;卸荷阶段,围压降低与变形增长具有良好的相关性,随着冻融次数增加,卸荷阶段应变量减少,冻融作用对卸荷效应更敏感.冻融次数对破坏模式的影响有一定规律但不显著,试样破坏以剪切破坏为主,但随着冻融次数的增加,张拉破坏有增强的趋势.     

非饱和粉土的液化特性研究

使用非饱和土动三轴试验仪,对非饱和粉土进行动力强度试验,探讨了饱和度、动应力比及固结围压对非饱和粉土动力强度特性、液化特性及孔压特性的影响。试验结果表明：（1）非饱和粉土的动强度随饱和度的增加而下降,在相同动剪应力比下饱和度与液化振次在半对数坐标上成线性关系;（2）非饱和粉土的液化与不液化的临界曲线近似成S型,非饱和粉土的抗液化能力随饱和度增大而降低,当饱和度小于60%时,土样不会液化;（3）非饱和粉土的动孔压随振次增大而增长,孔压的增长呈现出三段式的模式。     

循环载荷下含水砂岩裂纹演化与损伤特征试验研究

基于矿井地下水库岩体频繁受到矿震、采动应力等循环荷载扰动这一工程背景,在实验室条件下开展了不同含水率砂岩单轴及循环加卸载试验,采用数字散斑技术,揭示了不同含水率砂岩裂纹扩展及破坏规律,基于电镜扫描微观分析,获得了循环载荷下不同含水砂岩微观劣化机制。试验结果表明：单轴及循环加卸载条件下,随着含水率增大,砂岩峰值强度均逐渐降低。干燥砂岩峰值轴向应变经历初始变形、等速变形、加速变形和失稳破坏4个阶段,含水砂岩经历初始变形、等速变形和失稳破坏3个阶段;随着含水率的增大,对应阶段内峰值轴向应变逐渐减小。通过变形率分析法验证发现,水对砂岩的变形记忆特性并无影响。单轴循环加卸载条件下,砂岩的破坏模式由干燥时的张拉−劈裂破坏逐渐向拉−剪混合破坏过渡,至饱和状态时呈现单一的剪切破坏。电镜扫描结果表明,随含水率增大,破裂结构面逐渐由光滑结构、浑圆状结构、片状结构向完全破碎结构过渡。随着含水率增大,绝对损伤参数不断增大,从侧面反映水岩耦合损伤的正相关性;累计损伤参数累积速率更快,同一循环周次下,累计损伤参数也更大。     

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。     

基于MIP的压实作用对"微膨胀性"重塑泥岩微观结构影响分析

泥岩的物理力学特性在很大程度上取决于土体内部微观孔隙结构特征及其变化规律,进而影响其工程特性,为探讨压实作用对高速铁路微膨胀性泥岩微观孔隙的影响,制备6种不同干密度的重塑泥岩试样,采用冷冻干燥机对饱和后的试样进行干燥,进而通过压汞试验对不同压实状态下的重塑泥岩微孔隙形状、孔隙体积、孔隙面积进行分析研究。结果表明,重塑泥岩中除了存在圆柱形孔外,还含有大量瓶颈孔;参照shear提出的孔隙划分方法对孔径不同的孔隙进行了分类,发现重塑泥岩中的孔隙多分布于颗粒间及团粒内,压实作用在微观上表现为对大孔隙的压缩引起的大孔隙向小孔隙的转化;压实度不同的泥岩孔隙总面积几近相同且孔隙面积多存在于颗粒内,压实作用越大,团粒内孔隙面积越小;对压汞法实测孔隙率小于理论计算孔隙率这一现象进行了合理的分析及说明,应用线性回归分析了实测孔隙率与计算孔隙率的关系;确定了通过压汞法测定泥岩微孔隙结构的科学性及合理性。研究成果可为膨胀泥岩地区高速铁路修建提供参考依据,对同类工程建设具有借鉴意义。     

南宁盆地第三系泥岩物理性质与强度关系的研究

根据南宁几大工程的泥岩物理试验参数,分析了南宁盆地第三系泥岩物理指标与强度的关系,得出物理指标与强度之间具有近似的单一关系,抗剪强度随含水量、孔隙比的减小而增大,而随干重度趋势的增大而增大。     

赤泥改性黄土的基本工程性质研究

为探究赤泥改性黄土的基本工程特性,进行无侧限抗压试验、直剪试验及渗透试验,得出赤泥改性黄土的最佳配比,建立了抗剪强度、无侧限抗压强度与电阻率的经验公式。通过动三轴试验,分析了循环动荷载下改性黄土的累积塑性变形、动弹性模量及浸出毒性。结果表明,随赤泥含量增加,改性黄土无侧限抗压强度和黏聚力都先增大后减小,当赤泥含量为15%时其28 d无侧限抗压强度达到3.5 MPa,较不掺入赤泥时提高约34.7%;改性黄土的渗透系数随赤泥含量增加先快速降低,至赤泥含量5%后趋于稳定;改性黄土的抗剪强度、无侧限抗压强度与电阻率呈良好的线性关系;改性黄土在循环动荷载下的临界动应力达600 kPa,最大动弹性模量比未改性黄土高出6倍,且其浸出液不具有浸出毒性。     

准平面应变条件下泥砂岩变形局部化的试验研究

自行研制了准平面应变试验装置,利用该装置在不同加载速度和不同含水率条件下对重庆红色泥砂岩的变形局部化进行了试验研究,并利用弹性波方法测定了变形局部化的起动时间。结果表明,在平面应变条件下,泥砂岩的局部化带倾角与加载速率之间存在类对数关系,研究结果也证明了局部化起动时间受加载速度与含水率的影响较大。     

降雨诱发浅表层黄土滑坡机理实验研究

黄土较松散,内部大孔隙和垂直节理发育,因其特殊的结构为雨水的快速入渗提供了通道。降雨型黄土浅层滑坡已造成了大量的经济损失与人员伤亡。为了有效减轻降雨诱发黄土滑坡对社会和经济的影响,开展降雨型滑坡室内实验研究,具有重大的现实意义。本文旨在研究不同降雨形式和不同坡体结构对黄土斜坡变形破坏过程影响,设计并进行了3组室内物理模型实验,分别为持续强降雨斜坡实验、持续强降雨斜坡（带垂直节理）实验和间歇性强降雨斜坡实验,且每组斜坡内埋设体积含水率传感器、基质吸力传感器和孔隙水压力传感器3种传感器记录其内部变化。通过对每一个黄土斜坡体内传感器的读数变化及实验现象进行分析,同时对不同实验条件下实验过程及结果进行对比,进而得出降雨条件下浅表层黄土滑坡的变形破坏规律,总结出该类滑坡的破坏模式及其诱发机理。实验前期,随着体积含水率不断增大,基质吸力逐渐减小至基本稳定,土体强度随之减小,实验后期上部土体饱和,斜坡产生的变形和土体排水不畅产生了超孔隙水压力,有效应力随之减小,土体强度减小至最小,导致滑坡产生。同时,坡体结构对斜坡稳定性的影响大于降雨形式的影响。     

黏性土压缩指标及其与饱和度的关系

压缩系数、压缩模量是评价土的压缩性的两个非常重要的参数指标,对于地基沉降计算具有重要意义。然而在实际工作中对于确定压缩性指标的方法上还存在一定的问题。本文从压缩系数、压缩模量的定义出发,对土的压缩模量、压缩系数及孔隙比之间的关系进行理论分析,推导了三者之间的两种关系式,分析了三者之间的对应关系。以合肥地区的弱膨胀性黏土为研究对象,通过6组不同饱和度下的黏性土样的多循环加卸载快速固结试验,讨论了快速固结试验中常用的变形量校正方法存在的问题,提出了改进的校正系数计算方法。探讨了土样压缩指标与加卸载循环次数及土样饱和度的关系,对压缩模量与饱和度之间的关系采用指数函数进行了曲线拟合,并对曲线拟合系数进行了概率统计分析。研究结果表明:随着加卸载循环次数的增加,土样由塑性状态向弹性状态过渡;压缩模量随着饱和度的增加而减少,并逐渐趋于稳定。     

Study on Deformation and Strength Behavior of the Large-sized Triaxial Rock Samples under Cyclic Loading

When in Institute of Soil and Rock Mechanics, Karlsruhe University, Federal Germany, the author of this paper performed some cyclic loading tests on the large-sized triaxial testing machine developed in this institute. The rock sample used were 60cm in diameter and 120cm in height. The work mainly included the study of deformation and strength behavior of the samples and was based on the viewpoint of analyzing the irreversible deformation. Under cyclic loading, although the irreversible deformation generally increased with the n umber of cycles, the deformation trends obtained at various stress levels distinctly differed from each other. At low stress levels a comparatively large irreversible deformation arouse from the first few cycles of loading. With the increase of the number of cycles its growth decayed gradually and tended finally to a stable constant value. When the stress level reached a certain “threshold” value, the situation became entirely different. The increase of the number of cycles caused an acclecrated growth of the irreversible deformation till a complete failure of the whole sample. The test results also illustrated that this characteristic stress value was slightly lower than the so-called “yield” value. The study of such a characteristic value is of great importance for under-standing the mechanical properties of rock masses under cyclic loading. The experimental curves of irreversible deformation vs. the number of cycles show a remarkable resemblance to corresponding rheological curves, which, perhaps, may not be accidental. It is propose in this paper that the relation of the strength obtained in conventional tests, the long-term strength in rheological tests and the strength under cyclic loading should be studied. Undoubtedly, it is significant for evaluating the strength and safety factor in rock engineering problems.     

周期荷载下岩石大型三轴试件的变形和强度特性研究

本文介绍了作者在联邦德国卡尔斯鲁厄大学土岩力学研究所利用该所研制的大型三轴试验机进行周期荷载下大型三轴试验的情况和结果。岩石为薄层灰岩,试件直径为60cm,高为120cm。整个研究工作是基于分析不可逆变形的观点来探讨变形和强度特性的。在周期荷载作用下,不可逆变形的总量随着循环次数的增加而增长;但在不同的应力水平下,不可逆变形的发展趋势具有显著的,甚至是质的差异。应力水平很低时,最初几次的循环荷载将导致产生较大的不可逆变形;随着循环次数之增加,其不可逆变形的增长率逐步衰减,最终趋向于一个比较稳定的常值。但是当应力水平达到某一“门槛”值后,情景则迥然不同;循环次数之增加将促使不可逆变形的加速增长,最终导致整个试件的破坏。试验结果表明,这一特征应力值略低于常规三轴试验中的所谓“屈服值”。研究结果表明,每一个加荷-卸荷循环过程中的不可逆变形主要发生在超过这一“门槛”值后的区段内。研究这样的特征值对于探讨周期荷载作用下岩体的力学性质是十分重要的。由试验获得的不可逆变形与循环次数的关系曲线在形态上与流变曲线十分相似。     

改良粉土强度的冻融循环效应与微观机制

为了研究冻融循环对改良粉土强度的影响规律及其作用机制,开展了不同初始压实度和初始含水率试样的冻融循环试验。对经历不同冻融循环次数作用后的试样进行无侧限抗压强度试验,探讨了冻融循环作用对改良粉土的长期强度的影响规律。试验结果表明,随着冻融循环次数增加,改良粉土的抗压强度下降,最终在6次冻融循环后趋于稳定;相同的冻融循环次数条件下,初始含水率越大,改良粉土的抗压强度衰减幅度越大。为了寻找冻融循环作用对改良粉土孔隙结构的影响规律,进而揭示冻融循环对试样结构损伤的机制,开展了改良粉土的细观孔隙结构试验。试验结果表明,不同的冻融循环次数和初始含水率对小孔径孔隙（ 10 nm）之间的结构影响不大;冻融循环作用主要损伤了大孔径孔隙（0.01～100 μm）之间的结构,从而降低了改良粉土的强度。     

石太线下行K135滑坡特征与成因分析

滑坡位于石太线下行K135路段右侧偏西，平面上呈近似椭圆形，由原有老滑坡复活而形成。根据滑坡勘察，滑坡所处地貌单元属侵蚀剥蚀低中山区，滑坡区地层组成为第四系松散堆积物下伏晚古生代二叠系石千峰组泥岩、砂岩互层。在分析滑坡几何特征、地质构造特征、水文地质条件及滑坡变形破坏特征的基础上，探讨了滑坡的成因，认为老滑坡的成因以自然形成为主，新滑坡则发育并活动于老滑坡堆积物中，因某部门在老滑坡体前缘修建收费站，进行了大面积不适当的工程开挖，形成临空面，加之降雨的作用降低了土体的粘聚力及抗剪强度，在上覆岩土体的重力作用下形成新滑坡。老滑坡为巨型厚层滑坡，属于自然滑坡，新滑坡为大型中层滑坡，属于工程滑坡。     

非饱和压实土率相关变形特征与时效模型

为研究高填方路堤压实土率相关变形特征,对不同压实度的非饱和压实土分别开展了不同加载速率以及不同围压条件下的CD三轴剪切试验,探讨了不同工况下压实土的剪切强度指标;借助GDS饱和土静态三轴仪的围压控制器来间接测定非饱和压实土体变的途径。试验结果表明：压实土强度及变形特征具有明显的时间相依性,加载速率越大,压实土的抗剪强度越高,超固结变形特性越强,抗剪强度指标黏聚力c值增幅较大、内摩擦角 值增幅较小;低围压下,压实土呈应变软化及剪胀变形,且压实度越高,应变软化及剪胀变形越显著,c值增加明显、 值增加缓慢。采用基于下负荷面的弹黏塑性本构模型对路基压实土的率相关变形特征进行表征,预测结果与试验数据吻合良好,表明该模型适用于高填方路堤长期沉降分析。     

循环荷载作用下正融粉质黏土强度特征与滞回环演化规律

季冻区路基春融过程中,特别是反复循环荷载作用下,极易造成承载能力显著降低、翻浆冒泥等灾害现象,但是目前对季冻区路基的研究大多数都停留在冻结土和经历冻融循环后全融土阶段,正融土的研究比较少。本文对正融粉质黏土进行了不同融化温度、冻结负温、含水率以及围压下的三轴单调加载和循环加卸载试验,研究发现经历循环加卸载的试样强度较单调加载绝大多数均有降低,每次循环会对试样造成一定的损伤;峰值强度随含水率的增大、围压减小而下降显著,主要由于试样顶端融化时存在大量水分和围压的约束作用造成;冻结负温和融化温度影响了融化速率,温度越低,前期强度越高,随时间推移影响减弱;用滞回环回弹模量定义了损伤变量,发现损伤变量与循环次数呈正相关;不同因素影响下,损伤变量的增长区别在于损伤快速发展和缓慢发展时对应循环次数上的差异;基于滞回环面积定义了耗散能,而损伤变量与耗散能却存在一定此消彼长的相关性。     

粘性土的动力特性实验及数值模拟

使用产自日本的DTC-306型多功能电液伺服动态三轴仪,对粉质粘土进行动三轴试验。在试验提供的各种参数和数据的基础上,利用有限元程序ABAQUS建立动三轴试件的三维有限元模型,模拟在循环荷载作用下粉质粘土的动力变形特性;并通过与动三轴试验相关数据的大量对比分析,验证了模型的可靠性。然后在建立的三维有限元模型的基础上,进一步用数值模拟的方法研究了土体动力变形与各影响因素间的关系,得出如下结论:初始弹性模量、阻尼系数、受荷形式对土的塑性变形影响最大,应力幅值、围压、频率、加荷周数次之,加载波形的影响最小,不同波形对塑性变形的影响取决于荷载最大值时历时的长短。有限元数值模拟方法在一定程度上可以替代动三轴实验。