土石混合料大型直剪试验的颗粒离散元细观力学模拟研究

土石混合料作为一种特殊的岩土介质越来越受到国内外众多研究者的重视。基于3维颗粒离散元PFC3D,建立了土石混合料直剪试验模型,进行了不同含石量、不同岩性的土石混合料直剪试验模拟研究。颗粒离散元模拟结果表明,土石混合料的石料岩性和含石量在很大程度上控制了土石混合料的抗剪强度特性。硬岩混合料的摩擦角普遍比软岩混合料大6°～ 7°,含石量为60%～80%时达到最大。土石混合料的剪切面不再是一个平面,其起伏度随含石量增加而增大。剪切过程中软岩混合料在低正应力下表现为剪胀,高正应力下表现为剪缩,并产生软化现象,硬岩混合料表现为剪胀和塑性;软岩土石混合料剪切过程中能量以应变能和动能为主,而硬岩土石混合料的能量以摩擦能和动能为主。     

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。     

土石混填体抗剪强度特性及影响因素的试验研究

土石混填体是一种由土体和块石混合形成的非均质散体材料,其抗剪强度特性主要受含水率、含石量、颗粒级配及压实度等因素的影响。基于室内大型直剪试验,在前人研究的基础上,考虑级配参数的影响,通过控制试样质量与体积达到试验所需的压实度水平,分析了各主要参数对土石混填体抗剪强度的影响规律。试验结果表明:在级配良好的情况下,随不均匀系数的增大,土石混填体抗剪强度先增加后减小,不均匀系数在22.99左右时取得峰值,而曲率系数对其影响较小;土石混填体的抗剪强度分别随着含石量、压实度的增加而不断增加,但当压实度超过92.5%后增加趋势变缓。随着含水率的增长,其抗剪强度先增加后减少,在最优含水率附近时达到峰值。基于Matlab多元线性回归分析,得出了各因素对土石混填体抗剪强度影响程度的主次顺序为:含石量含水率压实度不均匀系数曲率系数,通过非线性回归分析得到了其抗剪强度关于各因素的拟合公式,且相关指数R~2大于0.9。     

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.     

重庆高填方填筑材料基本力学性质研究

西南地区高填方项目场地多为爆破后削山填谷抛填而成。以重庆高填方土石混合料为研究对象，开展了室内物理特性及直剪试验研究，分析了不同固结压力下含石率及含水率对土石混合料抗剪强度指标影响规律。结果表明，土石混合料黏聚力与含石率呈正相关，在含石率从20%增至40%时，黏聚力增量效果最明显；初期填料的内摩擦角随含石率增加呈现先增大后减小的趋势，后期随着含石率增加，内摩擦角减量效果显著。黏聚力与含水率整体呈负相关，且含水率从5%增至8%的情况下，黏聚力的减小幅度明显；填料内摩擦角随着含水率增大同样呈现先增大后减小的趋势。根据室内试验结果，给出了适用于项目场地抗剪强度指标取值范围，相应的关键参数可以为类似工程提供参考。     

法向循环荷载下土石混合料-织物界面剪切特性研究

筋-土界面动力剪切特性会影响加筋土石混合料路基的稳定性和耐久性。采用室内大型动态直剪仪,对5种含石量（0%、25%、50%、75%和100%）下的土石混合料-土工织物界面进行了一系列静、动力直剪试验,分析了法向应力振幅（10、20、30、40、60 kPa）和法向加载频率（0.5、1.0、2.0 Hz）对界面剪切响应的影响规律,并在试验的基础上建立了界面摩擦系数的经验公式。结果表明：界面上、下界抗剪强度随含石量的增大表现为先增大后减小的趋势,并与法向应力振幅呈正相关关系,与法向加载频率呈负相关关系;增大含石量会使界面剪胀效应增大,增大振幅和频率会使其减小;含石量和振幅的增大会导致界面摩擦效应增强;在试验的基础上建立了与含石量、振幅、频率相关的界面摩擦系数经验公式,与试验结果吻合较好。     

土石混合料剪切面分形特征试验研究

土石混合料因具有良好的工程特性而被广泛应用于道路、堤坝等工程，填筑体受力后往往沿薄弱面发生剪切破￡混合料的抗剪强度成为稳定和变形分析的重要力学指标。由于土石混合料物质组成的复杂性、结构分布的不规律性及采柠困难性，且受检测仪器的限制，确定其强度指标较为困难。应用改进的直剪试验仪进行了不同类别、不同最大粒径土石福料的室内大型直剪试验，在获得强度指标同时，再现剪切面的实际情况，量测剪切面的起伏特征。根据分形几何学原理，切面具有良好的分形特征，应用三角形棱柱表面积覆盖法编程计算了剪切面的分形维数。初步建立了剪切面分形维数与福料杭萌强度之间的关系，用来快速预测土石混合料的强度指标。     

基于应力集中系数的抗剪强度取值方法及其应用研究

通过对直剪试件剪切面内应力集中系数分布规律的研究,结合剪应力–剪切位移变化曲线的分析,提出一种采用应力集中系数进行土体抗剪强度取值的方法。以武汉地铁六号线某区间段角砾黏土地层为研究对象,进行室内大型直剪试验,得出角砾黏土的抗剪强度参数随含石量的变化规律,与规程方法进行对比分析,探讨文中方法的可行性。结果表明,应力集中系数K0一定程度上能够反映直剪时土体剪切承载力的强弱;角砾黏土的黏聚力随着含石量的增加呈近似线性关系,与现有研究成果一致;试验结果位于规程规定合理范围内,说明基于应力集中系数的抗剪强度取值方法可作为研究土体强度特性的有效途径。     

含石量对土石混合体剪切特性影响的颗粒离散元数值研究

采用基于PFC2D接触黏结模型的离散元数值模型,探讨含石量变化对土石混合体剪切特性的影响。利用室内大型直剪试验对表征土石混合体细观力学性质的模型参数进行标定,模拟分析了4种不同含石量土石混合体在4种不同围压作用下的剪切特性。试验结果表明:相同法向应力作用下,含石量越高,峰值剪应力越大,达到峰值剪应力时的剪应变越大,软化后强度越高,剪胀特性越强,剪切"跳跃"现象越明显。土石混合体摩擦角随含石量增高而增大;黏聚力随含石量增高而减小,含石量超过50%后基本不变。相同含石量的土石混合体,法向应力越高,峰值剪应力越大,应变软化特性越强。土石混合体剪切过程中以克服摩擦能和应变能为主,动能变化几乎为零。     

土石混合料的工程综合分类法研究

随着土石混合料越来越广泛地被道路、堤坝、基础等工程采用,快速、准确地预测其抗剪强度指标不仅有利于设计、计算,也有利于施工方案的制定和压实方法的选择。土石混合料的物理力学性质本质上是由颗粒的性质和其内部结构决定的,而现有的土石混合料的分类多从颗粒粒径和含量进行分类,无法从分类上判断其物理力学性质指标。通过室内击实试验、颗粒分析试验、剪切试验,结合非线性的分形几何学原理,对土石混合料进行以工程应用为目的的分类研究,提出了以岩性、含石量和混合料的颗粒组成分形为分类指标的土石混合料工程综合分类法,将土石混合料按3个层次划分为24类,并由试验指出不同类别土石混合料物理力学性质的差异。该综合分类法分类指标简单,指标确定方便,易于实际应用,并可根据分类预测混合料的物理力学性质。     

土石混合体原位水平推剪试验

在长江三峡库区沿岸普遍存在着由于滑坡、崩塌、风化卸荷、残坡积和冲洪积等复杂成因而形成的第四纪松散堆积体,其力学特性介于土体与碎裂岩体之间,为了强调其组成及结构上的特点,称之为"土石混合体"。在大量现场调查的基础上,对三峡库区土石混合体的成因进行了总结。在滑坡现场对土石混合体进行了原位压剪以及推剪试验研究,揭示土石混合体在原位受剪情形下的变形与破坏规律。     

泥质页岩-粉质黏土土石混合填料原位水平推剪试验研究

土石混合料是由土和岩块（碎石）组成的复合体。混合料中土的种类不同,岩块的种类及含量不同,剪切破坏特征亦不同。由于对其剪切破坏机理研究还不够深入,在工程中难以确定这类填料的强度参数。为进一步探明土石混合填料的剪切破坏特征,对泥质页岩-粉质黏土混合填料进行了12个原位大型水平推剪试验,根据现场试验结果,将这类土石混合填料的水平推力-位移曲线划分为5个阶段,并对各个剪切破坏面进行三维还原,为土石混合体内部破坏机理的进一步研究奠定了基础。     

昔格达地层岩土特性对溯源侵蚀的影响

溯源侵蚀是河流侵蚀的一种类型,受到众多因素的影响。本文根据汉源县喇嘛溪沟昔格达地层岩土体试验数据,从颗粒粒度、矿物成分和化学成分等方面因素进行分析,阐述影响该地层溯源侵蚀发育的内在原因,明确岩土特性对溯源侵蚀造成的影响。     

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。     

Shear strength and compressibility of oyster shell–sand mixtures

This paper investigates the fundamental characteristics of shear strength and deformation of crushed oyster shell–sand mixtures to stimulate recycling of waste oyster shells. Standard penetration tests (SPT) and large-scale direct-shear tests were carried out with different kinds of dry unit weight and mixing rate of oyster shell–sand mixture. Correlations between N-value, dry unit weight, and friction angle of mixtures were observed from the results of experimental tests, making it possible to estimate the in situ strength from SPT, and the coefficient of volume compressibility from the confined direct-shear compression test. These results also make it possible to compute the settlement of oyster shell–sand mixture when used in soft ground improvement.     

轮胎碎片-砂混合土抗剪性能优化试验研究

废旧轮胎碎片-砂混合土有诸多优点,作为轻质填料目前已有应用。对轮胎碎片-砂混合土进行系列剪切试验,探讨碎片含量和纵横比、密实度等不同因素对混合土抗剪性能的影响规律。研究结果表明,加入轮胎碎片后,混合土摩尔-库仑包线呈非线性,且随碎片含量增加,抗剪强度、内摩擦角相应增加,非线性特征更明显。通过优化轮胎碎片纵横比、增加碎片含量和密实度,混合土内摩擦角可以增加8%～89%。其他条件相同时,单纯改变轮胎碎片宽度对抗剪性能影响不明显,但纵横比影响很大,对于给定宽度的轮胎碎片,仅有惟一的某个长度值使得混合土内摩擦角达到最大,且最大值可达65°。