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。     

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。     

基质胶结对土石混合体强度变形特性影响

利用应变控制式静力三轴剪切仪,对具有不同胶结程度和含石量的土石混合体试样进行了固结不排水剪切试验;通过对制备的土石混合体试样的应力-应变关系、孔隙水压力变化、有效应力路径和抗剪强度指标等试验结果的对比分析,探讨了不同胶结程度土石混合体试样的差别及产生原因.试验结果表明:不同胶结程度土石混合体破坏方式可分为剪切带破坏和鼓肚变形破坏两种基本类型;胶结使得土石混合体应力应变关系和孔隙水压力变化与未胶结土石混合体差异明显,胶结作用对土石混合体的剪胀和软化特性影响显著.在块石软硬程度、形状及试样密实度相近的条件下,不论是否胶结或胶结程度如何,土石混合体有效内摩擦角φ'与无量纲粒度分布特征参数D₅₀WBP/D₆₀具有较好的线性相关性.试验结论为确定不同胶结程度土石混合体强度提供了参考.     

温度和含冰量对冻结土石混合体力学特性的影响

冻结土石混合体是一种力学特性极为复杂的岩土材料,其力学特性对温度和含冰量等因素非常敏感。然而到目前为止,对于其力学行为随温度、含冰量及法向压力等的变化特征仍然缺乏足够的了解。本文开展了一系列的冻结土石混合体的直剪试验,研究了温度、含冰量及法向压力对冻结土石混合体剪切特性的影响。结果显示温度、含冰量及法向压力对冻结土石混合体的剪切行为都有重要影响。在其他条件相同时,冻结土石混合体的抗剪强度随着温度的下降呈指数形式增长。当温度高于-5℃时,抗剪强度增加很快,而当温度低于-5℃时,抗剪强度仅有微小增加。在-5℃时,冻结土石混合体的抗剪强度随着含冰量的增加先增加后减少。抗剪强度最大值出现在含冰量在11%左右。冻结土石混合体的粘聚力随着含冰量的增加先迅速增加,在含冰量大于11%以后,粘聚力又有微小下降,而内摩擦角随着含冰量的增加缓慢减小。冻结土石混合体的抗剪强度随着法向应力的增加而增加,但在高法向应力下,其塑性增强。     

冻融作用下土石混合体-混凝土界面强度劣化、孔隙结构演化及颗粒运移研究北大核心CSCD

土石混合体-混凝土界面在寒区工程广泛分布,其界面处颗粒骨架受冻融影响塌陷、重组,极易诱发界面强度劣化,是影响寒区工程安全运营的难题。解析冻融影响下界面的强度行为,揭示界面强度与孔隙结构和颗粒骨架的互馈效应,是解决此难题的关键。开展土石混合体-混凝土界面室内直剪试验,借助NMR分层测试及PFC数值模拟,获取界面区抗剪强度参数及孔隙结构演化特性,明晰界面颗粒旋转运移特征;基于分形维数理论,定量评价界面孔隙结构变化,阐释冻融下界面强度劣化机理。即强度骤降阶段界面处土石颗粒受冻胀挤压,其有序排列被打乱,联结、互锁作用弱化,此时孔隙体积、分形维数均增大,界面整体性下降;反翘阶段界面处大块土颗粒分裂重组、骨架塌落,形成块石为核、黏土在外覆盖的包裹体结构,孔隙内部复杂程度降低导致抗剪强度小幅提升;随冻融次数增加,碎石外土颗粒剥落,界面区孔隙体积及颗粒旋转量缓慢增大,界面逐渐脱黏劣化。研究成果对工程构筑物孕灾机制具有指导价值。     

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.     

土石混合体二维细观结构模型的建立与数值流形法模拟

为了揭示土石混合体在三轴循环荷载作用下的结构劣化特征和细观损伤演化过程,采用自行设计的工业CT机配套加载装置对块石含量分别为30%,40%和50%和土石混合体试样进行了低围压实时CT扫描力学试验。重点研究了块石含量对宏观应力-应变曲线、滞回环形态、裂纹几何形态参数和剪胀效应的影响。试验结果表明：反复的循环加卸载导致试样的塑性应变逐渐增大,应力滞回环呈现出稀疏-密集-稀疏形态。在相同应力幅值下,土体基质中块石的存在影响滞回环的形态,随着块石含量的增大,滞回环的面积减小,块石含量较高时,土石间咬合作用形成的骨架效应增强,从而土石混合体结构弱化过程中的能量耗散相应减弱。采用图像处理算法对试样在不同加载周数下的块石和裂纹进行了识别、提取和分析,块石含量较高时裂纹的起裂要先于低含石量的试样,不同含石量土石混合体试样在相同加载周数下的损伤程度有所不同,裂纹的面积、长度、平均宽度和分形维数随块石含量的增大而减小。由于土体和块石的高度弹性不匹配,土石混合体试样的应变局部化现象导致试样剪胀行为的差异,裂纹的扩展和宏观破裂面的形成受块石含量影响较大,土石混合体体积剪胀效应随着块石含量的增加而减弱。研究结果有助于深入理解工程扰动作用下土石混合体的损伤劣化机制,可为土石混合体有关的工程建设及防灾减灾提供必要的理论支撑。     

冻土区土石混合体冻融交界面剪切性能研究

随着全球气候变暖,多年冻土加速退化,冻土区土石混合体边坡稳定性问题日益突出。为探究不同含水率和碎石含量对土石混合体冻融交界面剪切强度的影响。开展土石混合体冻融交界面直剪试验,得出含水率(21%、24%、27%、30%)和含石率(0%、10%、20%、30%、35%、40%)对土石混合体冻融交界面抗剪强度变化的影响规律。试验结果表明:含水率对土石混合体冻融交界面强度的影响可分为快速下降和缓慢下降两个阶段。当含水率从21%增加到27%的过程中,土石混合体冻融交界面强度下降迅速。当含水率从27%增加到30%的过程中,界面抗剪强度继续下降,但下降速率减慢,即含水率对界面强度影响的阈值在27%左右。随着碎石含量增加,界面抗剪强度一直处于增长趋势。当含石率为10%的交界面强度相比不含石的交界面强度有明显增加,最大增长幅度为33%。当含石率大于30%时,土体抗剪强度增长迅速,即含石率对界面强度影响的阈值在30%左右。当含石率一定时,交界面处摩擦角随着含水率增加逐渐减小,在含水率达到27%后变化缓慢,而交界面黏聚力在含水率达到27%前快速减小后趋于缓慢下降。当含水率一定时,随着含石率增加,交界面摩擦角...     

块石含量及形状对胶结土石混合体力学性能影响的大型三轴试验

胶结土石混合体在自然界中分布广泛,为了揭示块石含量和块石形状对其力学特性的影响,开展了一系列室内大三轴试验研究。首先,通过掺有一定量水泥的土石混合体试样与未掺水泥的试样进行对比,以论证土石混合体有必要进一步划分为胶结土石混合体和无胶结土石混合体。然后,针对胶结土石混合体设计并进行了不同块石含量和块石形状的对比试验。最后,对胶结土石混合体力学特性的块石含量和块石形状效应进行了分析探讨。结果表明:水泥掺入比为3%的土石混合体试样较未掺水泥的试样强度和模量均有大幅提高,有明显的应变软化和局部化剪切带;在给定条件下,胶结土石混合体的峰值强度和脆性指数均随含石量的增加而减小;当含石量为40%时,块石为碎石的胶结土石混合体试样与块石为卵石的试样相比峰值强度略低,而残余强度略高;而当含石量为70%时,无论是峰值强度还是残余强度,块石为碎石的试样均比块石为卵石的试样大,围压较大时尤为明显。     

基于均匀化理论的土石混合体应力应变关系

将土石混合体等效为理想的二元介质混合材料,假定块石元为理想的脆弹性材料,土体元为典型的弹塑性材料。选取邓肯-张模型定义土体的本构关系,引入块石元局部应变系数建立土石混合体代表单元体积平均应变与其中块石元、土体元微应变的桥联关系。通过均匀化理论对土石混合体代表单元的一般应力应变关系进行了详细探讨。选取广东省云罗高速高填路基土石混填料中的残积粉质粘土,通过室内常规三轴压缩实验对土体邓肯-张模型的参数进行标定,描绘出不同围压及不同含石率条件下土石混合料一般应力应变关系曲线图。结果表明,均匀化理论得到的函数关系式能够较好地反映土石混合体在不同条件下的一般应力应变关系。随着土石混合体含石率的提高其抗剪能力显著增加,但当含石率小于0.3时,块石元的增强效应并不明显。     

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。     

土石混合体边坡细观特征对滑面形成影响研究

土石混合体是由软弱的土颗粒与刚度较大、强度较高的块石混合而成,因此土石混合体边坡失稳时,其滑动面受块石-土形成的细观结构特征影响,导致边坡稳定性分析存在诸多困难。本文基于一典型的土石混合体边坡,建立颗粒离散元数值模型,通过室内试验标定土体细观参数,结合强度折减法分析土石混合体边坡与纯土体边坡破坏模式及滑面形态的差别。结果表明:块石的存在使得土石混合体边坡的接触力链分布极不均匀,块石的存在使接触力链形成闭环,增大了滑动面积,对边坡有加固作用;土石混合体边坡的滑面发展趋势总倾向于穿过块石间的缝隙,滑面的发展与块石分布状况相关联;当块石含量达到20%以上时,边坡稳定性显著提高;块石含量达到30%~50%时,滑坡以局部块体运动为主,无法形成连续的滑动面。研究成果可为土石混合体边坡的变形破坏机理分析提供依据与参考。     

土石混合体边坡细观特征对滑面形成影响研究

土石混合体作为一种典型的浅表层堆积体,常引发不同规模的滑坡灾害。本文通过对比土石混合体在室内大型直剪和离散元(PFC^2D)数值模拟直剪条件下剪切带厚度随含石量和上覆压力的变化特征,以期进一步揭示影响土石混合体剪切带厚度的主要控制因素。试验结果显示,室内试验中土石混合体的剪切带厚度主要受含石量的影响,其次为上覆压力,受块石尺寸的影响不明显。剪切带厚度随含石量从0增加到50%时表现为增大的趋势,随含石量的继续增大而表现为减小的趋势。但上覆应力小于200 kPa时,剪切带厚度随上覆应力的增大表现为增大的趋势,但上覆应力超过200 kPa时,其值表现为减小的趋势。然而,在数值模拟计算中,考虑块石不可破碎的情况下剪切带裂纹区域的宽度随含石量和上覆压力的增大表现为持续增大的趋势特征。分析认为,土石混合体剪切中大块石之间咬合后的齿轮带动效应是促使剪切带厚度增大的重要原因,而骨架结构含石量以及高垂直应力下块石咬合部位因高度的应力集中,随后导致的咬合棱角破碎,块石变形被限制在一定的区域内,却抑制了剪切带厚度的进一步增大。相反,在块石不可破碎的数值模拟计算中,高含石量试样内块石可持续的咬合滚动,促使周围的块石也发生变形,进而增大了剪切带的厚度。研究结果有利于揭示土石混合体的剪切变形破坏机制。

     

NHRI-4000型高性能大接触面直剪仪的研制

土石混合体是一种介于均质土体和碎裂岩体之间的特殊工程地质材料,在我国分布广泛。本文总结了国内外现有的主要大型直剪仪的设计参数与功能优势,在克服传统直剪试验中存在的正应力不恒定、垂直荷载偏心、剪切破坏面固定及液压系统不稳定等缺陷基础上,研发了基于多尺度、蠕变、冻融与渗流多物理场控制条件下的SRM-1000型电机伺服控制大型土工抗剪强度实验设备,实现了直剪试验、斜剪试验、叠剪试验、冻融循环试验等功能。分别采用不同含石量(0、30%、50%、70%)、不同颗粒尺寸(L1、L2、L3、L4)试样,在不同垂直压力(50 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa)条件下开展了直剪变形与强度特性测试。采用铝丝监测了剪切带内块石间的力链结构特性,研究了块石压密、滑移、错动导致剪缩或剪胀的变化规律,揭示了不同条件下土石混合体的应变硬化与应变锁固强度特征。     

蓄水对三峡库区土石混合体直剪

在三峡库区滑坡体中大量存在的土石混合体是一种不同于土和岩体的高度非均质不连续体。基于三峡库区水位涨落将引起土石混合体含水率变化的特点,研究了土石混合体在不同含水状态下直剪强度参数的变化规律,并在大量的试验基础上建立了c,φ值与含水率之间的关系式,得出了不同碎石含量下c,φ值随着含水率变化的弱化公式,为评价三峡库岸稳定与治理提供了量值依据。     

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。     

含石量对软质岩土石混合料土力学特性影响研究

在中国西南地区边坡工程中大量存在含软岩的土石混合体（S-RM）,其力学特性与软岩破碎特性有别于以往研究的块石强度较高的土石混合体。本文通过大型室内剪切仪开展了不同含石量（WBP）的剪切试验研究含石量对软岩土石混合体力学特性的影响,基于筛分试验研究软岩块石破碎特性,结果表明:当S-RM密度一定时,随着WBP的增加,S-RM剪切强度增加,应变硬化现象增强;S-RM黏聚力随含石量的增加呈线性增长,内摩擦角在含石量为20%~60%时随含石量的增加呈线性增长;S-RM在剪切破坏过程中软岩块石出现破碎现象,当法向应力一定时,块石破碎率随土石混合体含石量增加而增长;S-RM块石破碎率随内摩擦角增加呈指数形式增长,表明块石之间咬合作用越大,块石的破碎程度越高。     

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。     

崩积混合体直剪试验与PFC2D数值模拟分析

通过野外崩积混合体结构特征分析,考虑原样级配,开展对崩积混合体重塑样的室内大尺度直剪试验研究,结合PFC2D颗粒离散元仿真试验,分析了不同含石量情况下崩积混合体变形与强度变化规律及内在机理。将数值试验的成果与室内试验结果进行对比分析。结果表明,随着含石量的增加,崩积混合体的应变硬化效应显著。低法向应力下崩积混合体表现为剪胀,高法向应力下则表现为剪缩;当含石量低于40%时,崩积混合体的力学性质由土体控制,超过80%以后,其力学性质基本上完全由块石控制。     

水对三峡库区滑带（体）土直剪强度参数的弱化规律研究

通过对三峡库区典型滑带不同状态的原位直剪对比试验,研究了粘土、粉质粘土及土石混合体三类滑带（体）土在不同含水状态下的直剪强度参数及c,φ值随含水率的变化规律。在大量的数据基础上建立了滑带（体）土c,φ值与含水率之间的经验关系,分析了水对不同性质的滑带（体）土的作用机理,得出了蓄水或者含水率变化后滑带（体）土c,φ值的经验公式,量化了含水率变化（水位涨落）对直剪强度参数的弱化程度。