无侧限压缩条件下黏性土磁各向异性研究

近年来基坑、隧洞等开挖工程活动中的卸载导致黏性土体发生过大侧向变形,引起的工程事故越来越多。目前多采用测斜仪对基坑周围土体变形进行水平位移监测,然而由于软土的特殊工程性质,在监测中软土无法带动测斜仪一起变形,往往监测效果不尽人意,不能准确给出实际软土的真实变形。因此,需要加强开挖卸荷工程施工中土体的侧向变形监测技术研究工作。本文基于磁性矿物受荷载变形具有定向性特征,运用磁组构试验对无侧限压缩后的黏性土试样进行磁各向异性研究,同时与有侧限压缩试验变形测试结果进行比较,分析试验轴向应力、土样含水率对无侧限压缩条件下磁各向异性的影响规律,以及主磁化率值与应变的数学关系,探讨了由黏性土磁各向异性推求其受力变形规律的可行性。研究成果表明,受力作用的黏性土变形与其磁性矿物定向性具有较好的一致性。这一认识对于有效监测软土地区卸荷工程周围软土变形情况具有重要的理论意义和实际应用价值。     

土体侧限压缩模量简易计算方法及其应用

地基土的模型已不下数百个,但真正能反映土体真面目的几乎没有,其原因是土体本身太复杂。要想全面地考虑土体本构关系,其模型参数将会多得难以在实践中应用。因此,从实用角度出发,应建立简单的（包括形式和参数的可得到性）、能够反映研究问题主要矛盾的模型。结合建筑工程关心的沉降问题,根据e-p曲线和e-lgp曲线的关系,建立了与土体竖向应力有关的土体侧限压缩模量的计算方法,并假定泊松比根据不同的土类,确定为不同的常量,从而,可以较为简单地计算土体的沉降及其应力,工程实例计算结果表明：该方法具有合理性。     

侧限压缩条件下土体的侧应力松弛试验研究

侧向应力松弛是侧限压缩土体的重要流变性质之一。通过在改装的固结仪上进行的土体侧限流变试验表明,在恒载侧限压缩条件下,土体的侧应力松弛曲线与竖向蠕变曲线同步出现不稳定、稳定、急剧变化3个阶段。将试验结果结合土的结构颗粒定向排列理论和强度理论探索了土体侧应力松弛的机制并得出结论：侧应力松弛曲线的3阶段特征是由于土体结构连接的压密恢复与剪切破坏相互作用所致;而侧应力松弛稳定的极限状态是由土的抗剪强度控制。此外,较高的应力水平将会使土体侧应力松弛程度相比低应力水平时更为显著。该分析结论为进一步研究地基长期承载力和地基沉降的关系奠定了基础。     

水泥土工程特性的室内试验与分析

通过室内试验研究了上海地区主要两个软土层的水泥土强度和压缩变形特性，分析了影响无侧限抗压强度的主要因素，验证了预测最终强度的回归公式以及变形模量E50与强度的关系。     

影响土的侧限压缩试验成果因素分析

影响土的侧限压缩试验的因素很多。文章全面分析了荷重率、荷载历时、土的种类、试样尺寸、土中气相对侧限压缩试验成果的影响,提出了相应的对策和措施。     

冻土侧限压缩试验仪的研制及应用

随着寒区高等级道路工程等基础设施的建设,迫切需要对冻土压缩特性和静止土压力系数（K₀系数）开展试验研究,但目前缺乏开展相关研究的专用仪器。本文基于融土侧限压缩试验的原理,结合冻土力学性质受温度控制的特性,自主研发了冻土侧限压缩试验仪。该仪器采用冷却罐内冷液循环和冷却罐外恒温箱实现二级控温,控温范围为-50℃至90℃,控温精度达±0.1℃;采用全数字伺服测控器实现温度闭环控制;采用高性能负荷框架结构,刚度大、重量轻,保证仪器在大荷载下平稳运行。利用该仪器对冻结饱和标准砂进行侧限压缩试验,试验结果验证了仪器可靠性。本仪器能准确快捷地测定冻土静止土压力系数和压缩性参数,是研究冻土力学特性并服务于寒区岩土工程建设的有力工具。     

EPS颗粒混合轻量土无侧限抗压强度特性试验研究

为研究EPS颗粒混合轻量土的密度、强度和变形特性,对不同水泥掺量、EPS颗粒掺量、含水率和龄期的轻量土进行密度无侧限抗压强度试验。试验配置轻量土无侧限抗压强度范围为103.2~1359.0 kPa,且随水泥掺量的增大呈指数关系增大的趋势,随EPS颗粒体积比的增大而呈线性关系减小的趋势。在大于最优含水率情况下,含水率越高,无侧限抗压强度越低,两者为指数关系,而龄期的增长能够使得轻量土的无侧限抗压强度呈双曲线增大的趋势。EPS颗粒混合轻量土的应力-应变关系曲线主要表现为应变软化型,含水率和EPS颗粒体积比的增大会使得轻量土的应力-应变关系曲线逐渐向硬化型转化。水泥掺量和龄期的增大能够增强轻量土的脆性特征,增大刚度。而含水率和EPS颗粒体积比的增大则使得轻量土的延性特征增强,刚度减小。研究成果对实际工程应用具有参考价值。     

基于MatDEM的砂土侧限压缩试验离散元模拟研究

离散元法基于非连续介质力学理论,尤其适用于砂土等离散介质体的数值模拟研究。利用岩土体离散元模拟软件MatDEM的二次开发功能,研发了砂土侧限压缩试验三维离散元模拟器。对三个不同级配砂土试样进行了侧限压缩试验,并且进行了与之相对应的数值模拟,通过分析对比试验结果与数值模拟结果验证了所开发模拟器的有效性。模拟结果表明:离散元法可以很好地反应砂土压缩过程中的配位数变化;每个模拟样品中,粒径较小的单元受到较大的平均压力,导致平均位移较大;数值计算结果的主要误差是由离散元颗粒自身的泊松比引起的。研究突破了常规土力学研究方法的局限性,为今后岩土工程离散元模拟研究提供了参考。      

干湿循环条件下压实黄土变形特性试验研究

由于降雨及蒸发的周期性变化等原因,压实地基土经常处于干湿交替状态,这种干湿循环作用会影响路基及地基的长期稳定性。通过气压式固结仪测试压实黄土试样经过不同次数干湿循环作用后的侧限压缩应变与垂直压力( - )曲线,研究干湿循环作用对压实黄土变形特性的影响,同时利用已有模型对实测曲线进行拟合,并基于割线模量法分析了割线模量与初始压实度及干湿循环次数的关系。结果表明：初始压实度对黄土的压缩变形有显著影响,不同初始压实度的试样其各级压力下的侧限压缩应变均随着干湿循环次数的增大逐渐增加,之后趋于稳定;初始压实度越高,干湿循环作用影响效应越显著;干湿循环作用并不改变土体 - 曲线的形式;割线模量与干湿循环次数及初始压实度的关系均呈指数关系。     

膏溶角砾岩侧限膨胀特性试验研究

研究了膏溶角砾岩的侧限膨胀特性及其影响因素。这种岩石受到扰动后可吸水发生膨胀变形使其结构发生变形甚至破坏。通过GDG高压固结仪采用平衡加压法和充分膨胀法研究了侧限情况下岩石的膨胀力指标, 解释了充分膨胀法膨胀力指标大于平衡加压法膨胀力指标的原因。通过试验研究了供水充足条件下膏溶角砾岩侧限自由膨胀变形演化规律, 阐述了膏溶角砾岩侧限膨胀变形的影响因素。岩石试样采自山西石太客运专线太行山隧道, 试验结果表明, 膏溶角砾岩的膨胀特性不同于常规的膨胀岩, 其轴向膨胀变形随含水率增加而增加, 随密度增大而减小。     

胶结充填体三轴压缩变形破坏及能量耗散特征分析

充填体的变形破坏、能量耗散与围压的变化密切相关,通过开展不同灰砂配比、浓度的充填体单轴、三轴压缩试验,基于系列试验结果,研究了不同围压加载阶段充填体的变形特征、破坏模式及能量耗散与围压的内在关系。结果表明,随着围压的增加,充填体的峰值应变随之增大,且两者呈线性相关;低围压时充填体呈现脆性破坏,表现为应变软化特征,随着围压增大,充填体由脆性向应变硬化转化,灰砂比越大、浓度越高,充填体发生脆-延性的临界围压值越大。充填体的破坏裂纹发展形式各异,大致可分为单一、平行、交叉和复合4种类型;宏观破坏表现主要呈“X”状、“Y”状剪切模式,破坏面的类型主要分为：直线式光滑摩擦面、圆弧式破碎摩擦面、直线式破碎摩擦面以及台阶式破碎摩擦面。充填体的峰值强度与围压也呈正线性相关,内摩擦角对灰砂比的敏感性要高于浓度。围压的增大能够相当程度上提高充填体各阶段的应变能,峰前、峰后能耗量、单位体积变形能以及总能耗与围压皆呈正相关性。     

红黏土地基承载力和变形参数的空间分布特征分析

为了获得红黏土地基承载力和变形参数在横向和垂向上的定量数据及分析它们的变化规律,选取厦门至成都高速公路湖南省郴州段典型横纵断面上的红黏土地层作为试验点,采用平板载荷试验、旁压试验等技术手段进行了原位测试。试验结果表明：红黏土地基承载力和变形模量在横向较小的范围内呈现较大幅度的变化,在垂向上则呈现先增大再减小的变化趋势,与红黏土赋存厚度、地形地貌、含水率等相关;旁压试验所测得的承载力特征值和平板载荷试验测得的承载力特征值之间存在一定的差异性;旁压模量与变形模量可以通过结构性系数联系起来,所得的结构性系数与Menard根据大量黏土试验资料对比所得到的结论较为一致。     

粒状材料的强度与变形

颗粒破碎的特征表明,颗粒破碎具有分形特征,是影响粒状材料变形与强度的主要因素,根据颗粒破碎的分形模型可以建立粒状材料的变形与强度理论。假定粒状材料是均匀的D维分形体,由此导出粒状材料的抗张强度公式,并用来估算颗粒在给定压力下的破碎几率。颗粒破碎增加了单位体积颗粒的表面积,即颗粒的比表面能量增加,根据颗粒破碎过程中的能量守恒导出粒状材料一维压缩变形的表达式。     

颗粒接触力检测方法评述

颗粒物质是大量固体颗粒体系的集合体,其特性区别于普通固体和液体等物质的性质,颗粒物质基础力学问题的研究20年来一直是科学的前沿,从分析多尺度结构和相关物理机制的角度研究颗粒物质可能取得突破。首先介绍了微观尺度--亦即单颗粒尺度颗粒间接触力的检测方法,包括高精度电子天平称重法、显色灵敏复写纸压痕方法、光弹实验方法、荧光共聚焦显微镜法和磁共振弹性成像法等,根据检测过程中是否对颗粒带来影响划分为接触式检测和非接触式检测两大类,并对这些方法的工作原理、检测结果和优缺点进行了评述。我们指出接触式测量对颗粒体系带来了或多或少的干扰,特别是由于力链对局部力的变化反应极为敏感,轻微的变化足以使得力链结构发生很大变化,开展无干扰的光测实验是必然的发展趋势,而现阶段开展二维光弹性实验是很有意义的。最后介绍了作者正在进行的颗粒物质光弹力学实验的研究工作。     

颗粒体系中的骨架及力链网络

颗粒物质是大量离散的固体颗粒相互作用而组成的复杂体系,具有非连续和接触耗散等基本特征,其物理机制研究是近20年科学前沿之一。砂土就是典型的颗粒物质,土体中的有效应力是作用在土体骨架上的平均应力,土体变形主要来源于骨架上的颗粒位置,但对土体骨架并没有一个清晰的物理描述。近期颗粒物质力学研究认为,体系中颗粒相互接触形成的网络结构是外荷载传递路径的物理基础,可能就是土力学所指的骨架。同时还发现,较大的力通常沿着准直线的路径传递,人们常把传递较大力、与该准直线路径对应的若干颗粒组成的链状结构,称为强力链;弱力链则传递较小力。力链结构及其演变规律的描述是颗粒物质研究的核心之一。以单轴侧限压缩数值模拟为例,对比说明了土体颗粒骨架与力链结构的关系,明确提出强力链网络决定颗粒体系的宏观力学行为。     

高轴压和围压共同作用下矽卡岩受频繁动态扰动时的动力学特性

以冬瓜山铜矿深部出矿进路附近的矽卡岩为研究对象,采用改进的SHPB试验系统,进行高轴压和围压共同作用下受频繁动态扰动时深部矽卡岩动力学特性的研究。研究结果表明：预加载的高轴压和围压促使岩石内部微裂纹闭合,致使冲击荷载作用时动态应力-应变曲线初始阶段无下凹现象,即无压密阶段;峰值应力后,当岩样内部存储的弹性力大于卸荷时的冲击荷载时,出现应变减小的回弹现象,否则压缩应变一直增大至岩样破碎;累计扰动冲击次数随围压增大递增,随轴压增大递减,且增减率受围压、轴压大小的影响;动态变形模量、动态峰值应力随扰动冲击次数增加而减小,但最大应变及动态峰值应变增加;动态均值强度随轴压增大而减小,随围压增大先减小后增大;岩石动态变形过程中伴随着弹性变形,产生的回弹应变总体上随扰动冲击次数的增加呈先增大后减小的趋势发展。     

悬索桥隧道锚承载能力和变形特征研究综述

隧道锚作为悬索桥相对新型的锚固形式,对其理论和实践认知都还比较欠缺。首先从抗拔承载安全和锚碇变形控制两方面归纳了当前隧道锚工程普遍采用的安全控制指标;然后分别总结了隧道锚承载能力和变形特征的研究方法;对项目团队20年来针对10余个隧道锚工程所开展的专题研究成果进行总结,得出目前已建和在建隧道锚在主缆数万吨级荷载下的变形普遍为mm级、隧道锚的超载稳定性系数普遍大于7的结论,说明目前已建和在建隧道锚存在较大安全裕度,隧道锚设计还存在一定优化空间;同时指出目前规范建议的隧道锚变形控制标准是基于桥梁结构提出的,没有考虑锚体自身及围岩等材料对变形的限制要求;总结出隧道锚承载能力主要是锚体混凝土及围岩系统的承载能力,没有考虑钢绞线材料强度等其他可能控制锚碇系统承载能力的因素。研究结论具有其特定条件和适用范围,后续对隧道锚系统的承载机制等科学问题还有待进一步研究。     

土石混合体压缩性的三维颗粒力学研究

土石混合体是由作为骨料的砾石或卵石与作为填充料的黏土或砂土组成的特殊工程地质材料,无论天然形成或人工合成,其力学特性与均质土体或岩体相比均有较大差异。以昆明新机场高填方中大量采用土石混合体填料为工程背景,在三维颗粒流程序中对特定的土石混合体试样的侧限压缩试验进行数值模拟,比较了不同级配条件下土石混合体模型的微观结构及基本力学物理性能。通过比较侧限压缩模量和压缩后孔隙率,研究了含石率对土石混合体骨架效应等结构性的影响,并提出了工程中建议采用的土石比例区间,在颗粒流方法用于实际工程方面进行了有益的探索。     

基于力链的岩石单齿截割特性研究及截割力预测

截齿是煤矿采掘机械上截割工作的主要承载对象,其与工作面的截割力预测对减小截齿磨损十分重要。利用颗粒流仿真软件PFC2D将被截割岩石作为颗粒物质进行单齿截割模拟仿真,通过研究截割时颗粒间力链的特性探讨了单齿截割岩石时接触状态对截割力的影响。利用单齿截割岩石试验台进行了截割力试验,获得了截割法向力和切向力随截割参数的变化规律及掉落碎片的特征。研究结果表明,单齿截割岩石颗粒物质的力链数目与力链长度的关系符合单轴压缩试验结果,能够采用离散元的方法对截齿截割状态进行模拟。力链网络沿着点接触方向扩散并延长,力链方向与截割角度有关,平均法向力方向呈“花生”状,切向力方向呈“花瓣”状。力链数目随截割角度的减小和截割深度的增加而减少,力链长度随截割距离的增加而增加,最大平均长度为8个颗粒尺寸。当截割角度较大时,较为容易形成力链。单齿截割天然砂岩法向力和切向力随截割角度的增加和截割深度的减小而减小。截割碎片尺寸与截割切向力线性拟合度为0.87。基于力链长度的截割力预测模型相比Evans预测模型法向力精度提高了17.6%,切向力精度提高了16.9%。研究结果能够为截齿和采掘机械截割系统的设计以及截割工艺的优化奠定一定的研究基础。     

刚性块体压入颗粒体系时的受力及力链演变

颗粒体系由大量离散颗粒组成,普遍存在于自然界中,比如砂土地基、泥石流及滑坡体等。外荷载通常沿着准直形的路径在体系内传递,形成区别于单个颗粒和整个体系的细观结构--力链,亦即颗粒物质具有典型的多尺度特征。采用颗粒离散元方法模拟刚性块体压入颗粒体系的过程,计算得到了刚性块体底部所受阻力与压入深度的幂率关系;给出力链的判断准则和搜索强力链程序,构建颗粒体系强力链网络,并分析了压入试验过程中力链的演变及其长度的分布规律。