钻孔剪切试验及其在黄土中的应用

钻孔剪切试验是一种通过在钻孔侧壁上进行直剪试验来测定土体黏聚力和内摩擦角的原位测试方法。阐述和总结了钻孔剪切试验的基本原理、试验和数据处理方法。为了评估钻孔剪切试验测定黄土抗剪强度指标的适用性,采用Iowa钻孔剪切试验仪实测了不同深度黄土的抗剪强度指标,并与室内三轴剪切试验（CU）和直剪试验结果进行了对比。试验结果显示,钻孔剪切试验用于测定黄土的抗剪强度指标时,抗剪强度与法向压力具有较好的线性相关性;试验黄土的钻孔剪切试验应力-应变关系曲线为应变软化型;钻孔剪切试验结果与室内三轴剪切试验（CU）和直剪试验结果相比,黏聚力降低,内摩擦角增大;均质黄土地层的钻孔剪切试验数据离散性相对较小,可采用“整体”破坏包线法对抗剪强度指标进行统计。     

模拟月壤的抗剪强度特性试验

对火山玄武岩破碎后形成的6个粒组区间的试样依规范进行直剪试验,得出不同相对密度下的内聚力和内摩擦角试验数据;根据抗剪强度参数的统计结果,按Chauvenet法剔除粗差数据,并评价变异性,以提高数据的准确性和可靠度。对试样在不同的相对密度下和不同粒组区间的力学规律进行对比、研究分析后得出:模拟月壤的内聚力为0.33~5.5kPa,内摩擦角为29.1°~35.65°;抗剪强度参数与颗粒粒径、密度具有较好的线性关系;颗粒粒径决定了密度的变化范围,这导致了抗剪强度参数在密度的一定的范围内随之变化,而总的变化趋势却是由粒径来控制的。根据以上结论,按一定颗粒级配研制模拟月壤混合样,其内聚力为0.16~1.59kPa,内摩擦角为34.8°~45.5°,符合真实月壤的实际情况。可为后续的模拟月壤研制和性能评估提供参考。     

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。     

非饱和紫色土三轴试验颗粒流宏细观参数关系研究

为确定非饱和紫色土颗粒流宏细观力学参数间关系,采用三维颗粒流软件(PFC3D)并结合控制变量法与莫尔-库仑破坏准则,对不同含水率(8%、10%、12%、14%、16%、18%)及围压(100kPa、200kPa、300kPa、400 kPa)条件下的非饱和紫色土三轴固结不排水试验进行了数值模拟,并与室内结果进行对比。结果表明:重塑紫色土黏聚力随含水率增加呈先增后减的趋势,且存在临界含水率12%;内摩擦角与含水率呈一阶线性负相关。紫色土的宏观强度参数黏聚力与细观参数切向黏结强度呈线性正相关,而内摩擦角值由颗粒切向黏结强度及摩擦系数共同决定。建立了紫色土含水率与颗粒切向黏结强度、摩擦系数之间的定量关系,通过细观参数切向黏结强度及摩擦系数的改变来模拟不同含水率下紫色土的黏聚力与内摩擦角的变化,将数值模拟的应力-应变曲线与室内试验曲线进行对比,验证了该关系的正确性。利用PFC3D内置的切片工具对含水率为12%,围压为200kPa的数值试件进行剖切,可以较好地观察到紫色土三轴微观颗粒的运动情况及颗粒间接触力的分布特征,为深入探究紫色土的抗剪强度特性及应力-应变性状提供参考。     

不同压实度和基质吸力的粉煤灰三轴试验研究

粉煤灰的非饱和抗剪强度是准确分析非饱和状态灰坝的稳定性所必需的,但目前对其研究积累较少。通过控制不同压实度、不同基质吸力、不同净围压对粉煤灰进行一系列非饱和土三轴试验,探讨压实度和基质吸力对粉煤灰应力?应变关系曲线和强度参数的影响。研究结果表明,基质吸力较低时粉煤灰的应力?应变曲线没有峰值,呈硬化型;基质吸力逐渐增大时应力?应变曲线有明显的峰值,呈软化型;压实度越大,非饱和粉煤灰试样的应力?应变曲线的软化特征越明显,总黏聚力和内摩擦角均越大;非饱和粉煤灰的总黏聚力随着基质吸力的增大而逐渐增大,增大速率逐渐变缓,最后趋于稳定;不同基质吸力粉煤灰试样的内摩擦角变化不大,并且都近似等于饱和试样的内摩擦角;随着基质吸力的增大,吸力内摩擦角对粉煤灰试样的抗剪强度的贡献越来越小。研究得出的非饱和粉煤灰的抗剪强度特性对灰坝的设计和稳定性分析具有理论意义和工程实用价值。     

基于PFC3D的黄土三轴试验细观参数敏感性分析

从细观角度出发,研究各细观参数对黄土三轴试验宏观力学响应的影响,基于三维离散元PFC3D软件及理论,结合室内三轴试验结果确定数值模拟基本细观参数取值范围,在50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa围压下对三轴试样进行颗粒流模拟,通过改变各细观参数值对黄土数值试样宏观力学行为影响程度及正交试验设计的方式,开展黄土三轴数值模拟过程中摩擦系数、孔隙率、颗粒刚度比k_n/k_s、颗粒粒径分布的敏感性分析,建立土体细观参数与宏观力学的关系式。结果表明:不同围压下数值试样峰值强度和剩余强度均与摩擦系数正相关,与颗粒刚度比、孔隙率负相关,而颗粒粒径分布的变化对其影响均小于2%。低围压下(50 kPa),孔隙率对数值试样峰值抗剪强度和剩余强度影响最大,颗粒刚度比次之,高围压下(200 kPa),摩擦系数对数值试样强度的影响比颗粒刚度比更为显著;对数值试样的初始线弹性模量和应变软化特性影响最大的细观参数为孔隙率,刚度比次之,颗粒粒径分布最小,200 kPa围压下正交试验分析结果与数值分析结果一致。通过改变细观参数取值范围的方式系统地分析了其对黄土三轴试验宏观力学性能的影响,为今后离散元软件用于黄土室内试验研究提供了参考。     

粗粒料强度和变形的大型三轴试验研究

通过大型三轴试验,对高低围压下粗粒料的应力应变特性、抗剪强度、内摩擦角和颗粒破碎特性进行了对比分析,并探讨了不同泥岩含量对堆石坝料强度的影响。结果表明：中高围压下粗粒料表现出应变硬化特性和剪缩,强度包线和不同围压下的最大主应力比与剪胀率的关系近似为线性,而低围压下主要表现为应变软化和剪胀,抗剪强度包线等表现为非线性。随着围压的增加,主应力比降低、颗粒破碎率增大、内摩擦角减小。泥岩含量的增加使颗粒表面的摩擦阻力与粒间的咬合力减弱,导致抗剪强度降低。     

颗粒形状对粗粒土剪切变形影响的细观研究

颗粒形状是影响粗粒土密实度、力学与渗流等特性的主要因素之一。为了分析颗粒形状对粗粒土剪切特性的影响,采用离散元法生成4种不同形状的颗粒组,进行粗粒土直剪试验模拟与剪切宏细观响应研究,得出了颗粒形状对剪应力-剪位移、体应变-剪位移的影响,分析了粗粒土剪切应力、应变特性与剪胀特性。通过分析剪切带厚度、颗粒旋转量值、平均接触数、孔隙率及接触力系等宏细观参量的演化规律,研究颗粒形状在宏细观尺度上对粗粒土的影响。研究表明:异形颗粒间的咬合自锁作用大于纯圆颗粒,试样的抗剪强度有随形状系数的减小而增大的趋势。试样颗粒在外荷载作用下发生运动,应变主要表现在颗粒运动剧烈、剪胀幅度较大的剪切带内。颗粒形状系数F减小,试样的初始平均接触数增加,内摩擦角φ增大,剪切带内孔隙率增量越大,剪胀幅度越大。剪切过程中强力链聚集于剪切带内并起骨架作用,随着形状系数的减小,力链长度在0～5所占百分比呈增大趋势;剪切带内强力链的数目随着形状系数的减小而增加,峰值含量在30%～35%之间。     

不同因素影响下层间错动带颗粒破碎和剪切强度特性试验研究

为了获得不同初始颗粒粒径分布和含水率对层间错动带颗粒破碎和剪切强度特性的影响,通过对比泥夹碎屑、泥夹粉砂、全泥型3种不同层间错动带类型与现场3种不同含水率（10%、7%和3%）试样在法向压力2～10 MPa作用下的反复直剪试验和剪切面颗粒粒径分析试验结果,可得出以下结论：①粗颗粒越多（d60越大）,采用相对颗粒破碎势Br量化的颗粒破碎程度越大;②较干颗粒（低含水率）由于磨损产生了更多的细小颗粒,而较湿颗粒（高含水率）由于破裂和摩擦产生了较大颗粒;③粗颗粒仅对峰值抗剪强度产生一定的影响,且粗颗粒越多,残余强度包线非线性越强;④黏聚力和内摩擦角随含水率线性减小,且低含水率试样残余强度包线非线性最强;⑤残余内摩擦角随颗粒破碎后的黏粒含量（<2 μm）线性减小。提出的残余内摩擦角初步预测公式可供实际工程参考。     

温州地区厚层软土UU三轴试验与FLAC3D数值模拟

三轴试验获得的抗剪强度参数是重大项目地勘报告中不可缺少的参数,根据土工试验方法标准对温州地区饱和厚层软土进行UU三轴试验,获得了土的主应力差-轴向应变关系曲线和抗剪强度包络线,求得了土的抗剪强度参数。在试验时存在试样制备困难、剪切效率低以及对试验条件要求较高等一系列问题。因此,基于室内UU三轴试验结果,利用FLAC3D数值分析软件,进行厚层软土UU三轴试验数值模拟试验。结果显示:数值模拟试验与室内试验相比主应力差-轴向应变关系曲线和抗剪强度包络线的变化趋势基本一致,虽然出现黏聚力略大,内摩擦角略小的现象,但均在试验误差范围内。数值模拟试验能够较好地模拟厚层软土的UU三轴试验,获得抗剪强度参数,为土体通过数值模拟试验获得抗剪强度参数提供参考。     

粗粒含量对散体岩土颗粒破碎及强度特性试验研究

明显的粒径分级和深部土的颗粒破碎是超高排土场的两个主要特征。基于改装后的大型两用直剪仪对不同粗粒含量的颗粒破碎和抗剪强度进行试验研究。颗粒破碎试验结果表明：垂直压力小于400 kPa的情况下破碎率极小,在垂直压力大于400 kPa时,随垂直压力的增大破碎率增加明显;粗粒含量小于46.0%时,相对破碎率较小,粗粒含量大于46%时,颗粒破碎率随粗粒含量的增加而明显增大;相对破碎率与垂直压力可用双曲线关系表示;长期浸泡于水中的土样颗粒破碎相当明显。剪切强度试验结果表明：在粗粒含量等于24%时,低垂直压力下的剪应力-应变曲线呈微软化或微硬化型,较高垂直压力下呈轻微软化型;在粗粒含量等于78%时,低垂直压力下其剪应力-应变曲线呈软化型,较高垂直压力下表现为轻微硬化型。较高垂直压力下的抗剪强度包线呈明显的非线性。当颗粒破碎率较小时,分别在垂直压力小于400 kPa和大于400 kPa时拟合的内摩擦角值变化不大;当颗粒破碎率明显增大时,垂直压力大于400 kPa时的内摩擦角值明显低于垂直压力小于400 kPa时拟合的内摩擦角值。     

风化煤矸石抗剪强度粒径影响试验研究

煤矸石在排弃后粒径分布沿垂直剖面会呈现出明显的规律性,以现场煤矸石筛分级配为基础,进行了3试验级配下不同试样含水率时的风化煤矸石室内直剪试验。试验结果表明:低试样含水率时,风化煤矸石试验剪应力-剪位移曲线存在相对突出的峰值,呈明显应变软化现象;但随试样含水率的增加,风化煤矸石应力-应变关系呈现出明显的应变硬化特征。级配在不同含水条件下对风化矸石抗剪强度参数的影响存在差异,低试样含水率时粗颗粒形成的骨架对风化矸石内摩擦角有着重要影响,但随含水率增大,矸石细颗粒状态则对其起到控制性作用。各试验级配风化煤矸石内黏聚力随含水率增加差异减少试验值趋于一致,但内摩擦角的下降速率则明显存在区别,至饱和时风化煤矸石内摩擦角值下降至近零值,此时风化煤矸石试样抗剪强度主要由内黏聚力提供。     

土工格室加筋土的大尺寸直剪试验研究

采用自行研制的500 mm?500 mm?400 mm（长?宽?高）大尺寸直剪仪,对土工格室加筋土以及土工格室加筋水泥稳定土的剪切性能进行了试验研究。通过大尺寸直剪试验模拟土工格室加筋土的剪切作用过程,得出加筋土剪切应力与剪切应变关系为非线性确定了土工格室加筋土的抗剪强度指标以及土工格室对土的抗剪强度增强机理,土工格室加筋土的黏聚力提高较大,内摩擦角变化相对较小。通过对素土和掺入量为5 %的水泥稳定土进行常规直剪试验、大尺寸直剪试验和三轴压缩试验对比分析,探讨不同试验方法对抗剪强度指标的影响,得出3种试验方法对应的抗剪强度指标及其相对大小;即素土的摩擦角大小依次为：三轴试验小于大尺寸直剪试验小于常规直剪试验,素土的黏聚力大小依次为：大尺寸直剪试验小于三轴试验小于常规直剪试验;水泥稳定土的摩擦角大小为：三轴试验小于大尺寸直剪试验,黏聚力结果比较大小依次为：三轴试验小于大尺寸直剪试验。     

不同温湿冻融循环条件下粉土剪切特性试验研究

为了探究不同温湿条件下冻融循环作用对压实粉土剪切特性的影响,以郑州黄泛区粉土为研究对象,在-5～5℃和-15～15℃温度幅值冻融循环条件下,对含水率为6.0%、10.0%、14.0%、18.0%以及饱和含水率下的压实粉土试样进行冻融循环,并进行剪切特性试验及微观结构分析。结果表明：冻融循环过程中,压实粉土颗粒间的接触方式、排列组合和孔隙特征发生改变,抗剪强度呈先降低后逐渐趋于稳定趋势;由于土中水发生相变和颗粒间作用力发生变化,土样含水率越大,冻融温度幅值对土样剪切强度及其强度参数衰减作用越明显;相同温度幅值条件下,由于颗粒面胶结以及孔隙间水膜润滑的综合作用,冻融循环过程中压实粉土含水率越高,抗剪强度及黏聚力衰减比例越小,内摩擦角衰减比例越大。     

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。     

干湿循环下红黏土裂隙演化规律及对抗剪强度影响

应用计算机图像处理技术和三轴试验分析了干湿循环下红黏土裂隙演化规律和抗剪强度指标的变化规律,建立了红黏土的抗剪强度指标与裂隙密度的关系,采用强度指标折减法对边坡稳定性计算参数进行了探讨。结果表明,裂隙密度随干湿循环次数的增加而增大,最终趋于稳定,第一次和第二次干湿循环作用对红黏土的裂隙发育影响最大。干湿循环下红黏土应力-应变为弱硬化型,破坏形式为鼓胀破坏。干湿循环显著降低红黏土抗剪强度指标,第一次衰减幅度很大,最终强度指标趋于稳定状态。黏聚力的衰减幅度比内摩擦角明显大。干湿循环下边坡稳定性计算参数取值建议采用长期强度指标值,即黏聚力稳定值为未经循环值的54%～57%,内摩擦角稳定值为未经循环值的45%～63%。干湿循环下红黏土抗剪强度指标与裂隙密度的关系可用二次多项式来拟合。     

酸碱污染黄土抗剪强度演化规律及微观机制

为探索酸碱污染对天然黄土抗剪强度的影响,首先对原状黄土试样浸泡不同浓度的HCl和NaOH溶液,而后展开三轴强度试验、扫描电镜测试、压汞试验以及土体化学组成和液塑限的测定,研究酸碱污染作用对黄土抗剪强度、微观结构、化学成分和塑性的影响规律。结果表明：酸污染浓度增加,土体应力-应变曲线峰值衰减,抗剪强度劣化,黏聚力近指数趋势折减,内摩擦角相对稳定;碱污染浓度增加,土体应力-应变曲线峰值提升,抗剪强度增大,黏聚力增幅显著,内摩擦角略增;酸污染后,土体颗粒形态破碎,胶结物质溶解,颗粒与孔隙间界限模糊,骨架颗粒间孔隙、黏粒间孔隙含量及尺寸均增大;碱污染后,土体支架孔隙塌落,次生胶结均衡了局部损伤,补强了结构联结度,骨架颗粒间孔隙含量及尺寸均减小,黏粒间孔隙尺寸减小而含量增加;浸泡酸液后,土体内阳离子含量显著增加,碳酸钙含量急剧减少,液塑限均减小;浸泡碱液后,土体内Al³⁺略有增加,其余阳离子平缓减少,碳酸钙含量小幅增加,液塑限均增大。分析试验结果,归纳了酸碱污染黄土抗剪强度演化的微观机制：酸碱污染效应下,土体内矿物溶解、离子交换、颗粒及孔隙结构调整,驱动土体初始结构损伤,新...     

黏性材料细观与宏观力学参数相关性研究

岩土工程数值模拟技术中参数选取的正确性是反应材料真实力学特性的基本前提。借助于颗粒离散元分析软件PFC2D,对黏性土类材料样本开展了大量的平面双轴压缩试验。通过记录不同围压下样本的轴向应力峰值,并依据摩尔-库仑强度准则对数值试样的剪切强度参数（内摩擦角、黏聚力）进行标定。着重探讨了黏性材料细观参数中颗粒刚度比kn /ks（0.5～10共12组）、颗粒粘结强度SBS（0～50 kPa共12组）、颗粒摩擦系数?（0～6共16组）以及颗粒粘结强度比K（0.1～10共15组）和材料宏观剪切强度参数以及材料剪切特性之间的相关性。研究结果表明：颗粒粘结（法向、切向）强度同对材料黏聚力呈线性相关;颗粒摩擦系数与材料内摩擦角呈近似对数相关;颗粒刚度比大小对材料剪切强度参数变化亦有微弱的影响;此外,K值（切向粘结强度/法向粘结强度）是影响材料的剪切破坏形态的重要因素。最后,采用了两个多元非线性拟合公式,定量地描述了以上各细观参数和材料宏观剪切强度参数的联合关系,并给出了K值的建议取值,为后续的研究提供重要的理论基础。     

黄土完全软化强度与残余强度的对比试验研究

为了解决复活蠕滑型黄土滑坡强度参数的取值问题,开展完全软化强度与残余强度的对比试验研究。以山西地区典型黄土为研究对象,采用预压固结法制备饱和重塑试样,并进行反复直剪强度试验获取完全软化强度和残余强度参数。试验结果表明:黄土的完全软化强度以黏聚力为零、颗粒未发生定向排列为主要特征。完全软化强度与二次固结应力和黏粒含量有关。试样在二次固结应力小于300kPa时的应力-应变曲线呈应变软化型,完全软化强度大于残余强度,黏粒含量高的试样应变软化更显著; 试样在二次固结应力大于等于300kPa时的应力应变曲线呈理想塑性型,完全软化强度近似等于残余强度。完全软化内摩擦角与残余内摩擦角的差值和预压固结应力、二次固结应力及黏粒含量有关。完全软化内摩擦角与残余内摩擦角的差值随二次固结应力的增大而减小,最终趋于0。当预压固结应力小于300kPa时,内摩擦角差值及黏粒含量对内摩擦角差值的影响随着预压固结应力的减小呈乘幂性增大; 当预压固结应力大于等于300kPa时,完全软化强度近似等于残余强度,可用完全软化强度近似代替残余强度。研究结论为复活蠕滑型黄土滑坡稳定性分析时强度参数的取值提供了一定的参考。     

城市生活垃圾土变形强度特性及其应力-应变模型

通过垃圾土的三轴固结排水剪切试验结果,研究了垃圾土的抗剪强度机理,纤维材料在压缩剪切过程中产生的拉力是垃圾土抗剪强度得以提高的关键所在。基于试验结果,提出以垃圾土应力-应变关系曲线的硬化点作为破坏标准来计算垃圾土的强度参数,这样可确保垃圾土强度参数的唯一性,又可避免因选定的应变水平较小而低估垃圾土的强度,得到本文垃圾土的黏聚力为71.3 k Pa,内摩擦角为35.9°。最后,提出了新的描述垃圾土应力-应变关系的非线性模型,该模型能够反映小应变和大应变情况下的非线性,克服了已有线性和非线性模型的缺陷,能够很好地吻合试验数据。