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。     

土石混填路基修筑技术研究综述

土石混合料作为一种填料，越来越广泛地被应用于工程实践，尤其是公路路基工程中．国内外学者对土石混合料的物理力学性质、压实特性和土石混合路基修筑技术已进行了大量的研究，但由于这些研究尚处于初级阶段，因而，仍不能满足工程实践的需要。笔者对不同石质类型、不同比例土石混合料的物理力学性质，土石混合料的分类、工程分级和性能评价，土石混填路基的均匀性及其强度与变形规律，土石混填路基的设计理论和设计方法，土石混填路基施工工艺及质量控制方法等方面进行深入系统的分析。提出了目前研究存在的问题及其解决的初步方法。     

基于骨架孔隙比的土石混合料强度变形特性

土石混合体是由具有一定尺寸石块、作为充填成分的土体及孔隙等组成的混合体,其强度变形特性与细粒（土粒）含量密切相关。为研究不同细粒含量土石混合料强度变形特性,建议采用以承担骨架作用的颗粒的孔隙比（骨架孔隙比）反映土石混合料内部真实密实情况。开展了系列压实试验,建立了考虑土石级配的土石混合料堆积模型,进而推导了土石混合料骨架孔隙比表达式,并通过室内三轴排水剪切试验,验证了骨架孔隙比用以预测土石混合料强度变形特性的有效性。结果表明：相较于常规定义的整体孔隙比,骨架孔隙比能更好地表示土石混合料内部颗粒接触状态,反映材料内部“真密实”情况;利用骨架孔隙比概念,可以仅由纯石/土料强度变形特性预测不同细粒含量的土石混合料强度变形特性。     

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。     

土石混合料强度特性的试验研究

开挖山体得到的土石混合料因强度高、施工方便而被广泛用作路基或基础的填料,但由于受地质条件、含石量、粒度分布范围及颗粒粒径等因素的影响,土石混合料的力学性质表现出明显的非线性,强度指标无法通过常规的试验设备检测,导致应用土石混合料填筑的路基或基础经常出现较大的差异沉降或滑塌,严重影响上部结构的使用。为了研究土石混合料的强度特性及其随各影响因素的变化规律,对室内大型直剪试验进行了改进,研制了新型的大型直剪试验系统,对不同类别土石混合料在不同影响因素下进行了击实试验和大型直剪试验。研究发现,在高应力条件下,土石混合料的剪切破坏不再完全符合库仑定律,抗剪强度应进行一定的折减;试验结果揭示了土石混合料的强度指标随各主要影响因素的变化趋势,初步建立了土石混合料指标随各影响因素的变化规律。结果还表明,母岩性质及含石量对混合料的强度指标影响较大,硬岩类混合料的内摩擦角普遍比软岩类高,混合料的强度随含石量变化规律为,当含石量小于30 %时,含石量的变化对强度影响较小,随含石量的增加,混合料的强度也呈抛物线形增长,一般至含石量为70 %左右达到峰值。     

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。     

填方地基压实质量的波电场耦合快速检测试验研究

土石填方地基的压实质量直接影响着上部结构的沉降变形和稳定性,如何有效地评价土石填方地基的压实质量是土石填方施工质量控制中亟待解决的关键技术问题。基于土石填料的波动传播特性和电阻率特性,构建了波电场耦合检测路基压实质量的理论模型,基于该模型提出了适用于填方地基现场压实质量检测的波电场耦合快速测试方法。将该方法应用于土石填方地基现场,采用面波测试的方法测试土石地基的波动信号,利用瑞利波的频散效应分析测试断面的横波波速,采用直流电阻率法采集测量断面的电阻率数据。对现场地基填料的波电场参数统计分析,构建了基于波电场耦合的填方地基压实度计算模型,利用现场测试的波电场参数对填方地基的压实质量进行了综合评价。结果表明,构建的模型综合了土石填料的波电场参数,应用过程中测试方便,计算简单,便于快速检测。     

压实度和基质吸力对土石混合填料强度变形特性的影响研究

针对土石混合料高填方工程分析计算参数和模型确定难题,采用非饱和土三轴仪进行了控制基质吸力和净围压的36个固结排水剪切试验,定量研究了压实度、基质吸力、配合比对非饱和重塑混合料强度变形特性的影响,建立了非饱和压实土抗剪强度、切线变形模量和切线体积模量修正算法表达式。试验结果表明:破坏应力、黏聚力随吸力的增加基本呈线性增长,吸力变化对有效内摩擦角影响不大;破坏应力与强度参数随压实系数的提高而增大;土石比为4:6的土样破坏应力和强度参数整体略高于2:8的土样,有效黏聚力随粉质黏土含量的增加而增大。配合比和压实系数相同的土样,净围压或吸力越大,试样强度越大,体变逐步由剪缩趋于剪胀;净围压和吸力相同的土样,在相同配合比时,压实系数越高,应变曲线逐渐由应变硬化型向理想弹塑型转变,低净围压下部分土样趋于应变软化型。修正后的非饱和土非线性增量本构关系符合大面积填方工程实际,可用于高填方地基变形计算和高填方边坡稳定性分析。     

加载与干湿循环作用下土石混合料蠕变特性试验

土石混合料在干湿循环作用下具有显著的蠕变性,其对高填方工程蠕变变形的影响不可忽略。为了研究了不同干密度及荷载水平对土石混合料湿化蠕变变形的影响,开展了9组土石混合料干湿循环作用下的压缩蠕变试验。结果表明,土石混合料的湿化蠕变变形随荷载水平的提高而增大,随干密度的提高而显著减小,但随着干密度进一步提高,湿化蠕变变形的减小幅度则明显弱化。土石混合料在干湿循环作用下的湿化蠕变变形与干湿循环次数对数之间较好地满足线性发展规律,初次湿化应变及湿化蠕变速率均同荷载水平及干密度之间符合幂函数特征,在此基础上提出了考虑不同干密度及荷载水平的土石混合料干湿循环蠕变经验模型。     

基于神经网络在路面基层压实参数中的应用

石灰工业废渣稳定类半刚性材料是高等级公路路面基层材料常见形式之一,根据规范和设计要求可分为含骨料类和不含骨料类。当骨料含量超过50％时,室内重型击实试验劳动量大,并且干密度和含水率睦线不稳定。在已知不含骨料的石灰工业废渣稳定类半刚性材料（即结合料）的最大干密度和最优含水率的基础上,通过结合人工神经网络理论,基于Matlab的BP人工神经网络,建立并编制了含骨料的石灰工业废渣稳定类半刚性材料压实参数（最大干密度和最优含水率）的预测网络模型,经过对网络模型的大量训练、训练函数和传递函数的调整及初始训练数据的规一化,最后建立了6→15→2的网络模型,其网络模型预测结果稳定准确,有一定实际应用价值。     

科尔沁沙漠区风积沙动力压实特性研究

沙漠区修筑公路,优质路基填料匮乏。依据就近原则,选用沙漠区储量丰富的风积沙作为路基填料,分析其矿物成分、化学成分、酸碱度、含盐量与级配特征。进一步探究不同试验方法（击实试验、振动台法、表面振动压实仪法）与试验控制条件下,风积沙干密度受因素控制的变化规律与压实特征。风积沙击实曲线与振动压实曲线均呈现“振实-振松-再振实”造成的“多峰”特征, 振动法所得干密度一般优于对应含水率条件下击实试验所得干密度。振动台法在风积沙含水率接近饱和时振动的效果最好,风积沙的干密度最大,表面振动压实仪法3层填料的振动压实效果明显好于1层填料方式,进而可用于施工指导。     

某港口工程地基处理中的强夯振动效应研究

强夯法是地基处理的一种常用方法,而强夯施工振动往往是制约强夯法应用的关键。结合沿海某港口工程地基处理中的强夯振动工程实例,介绍了强夯法地基处理引起的振动在土中纵、横向的传播和衰减情况。根据实测结果,分析了强夯振动对周围环境的影响,并建议了振动的防治措施。此外,还针对深度方向上的处理效果提出了分带方案。     

强夯引起的振动规律及环境效应分析

强夯法是地基处理的一种常用方法,而强夯施工振动往往是制约强夯法应用的关键。综合国内外的研究成果,重点分析强夯引起的振动规律及振动对环境的影响,并结合某沿海地基处理中的强夯振动工程实例,根据实测结果,分析振动速度随距离的衰减规律及强夯安全距离的确定。     

强夯地基处理振动效应的研究

强夯法是地基处理的重要方法之一,在进行强夯地基处理时要评价强夯振动效应,评价的基础正是强夯振动振幅和振动衰减规律。以昌平区沙岭新村工程场地为例,通过对回填场地进行强夯振动监测,分析了强夯振动最大振幅及其随距离的衰减规律,并用频率的四次多项式表示场地介质衰减指数。在场地介质作用谱和强夯激励谱的基础上,通过计算得到介质作用函数和强夯激励函数。通过不断积累强夯振动效应资料,建立起不同性质岩土体与场地介质作用函数之间的关系,进而明确工程岩土体的物理力学性质和动力学表现之间本构关系。     

土石混填路基现场压实试验及其固结机理研究

基于压实度和弯沉值检测在某高速公路检验路基质量标准的应用实践,通过现场填筑试验,分析土石混填路基的压实固结机制并探讨不同施工因素（碾压次数、虚铺高度、颗粒级配、洒水遍数、振动方式）及其组合形式对压实质量的影响。研究结果表明:（1）随着碾压遍数逐渐增大,路基弯沉值先减小后平稳,压实度先增大后平稳;（2）先两遍静压再六遍高频率振动碾压,松铺厚度为30 cm,洒水两到三遍可以进一步改善压实效果;（3）颗粒破碎是影响路基压实度增大的因素之一,压实度增大是粗颗粒破碎成细颗粒,填充颗粒间孔隙,使粗细颗粒彼此咬合的结果。通过对试验结果的分析,提出了路基压实度与回弹模量的高斯指数关系,可作为高速公路快速安全施工的理论参考。     

振动衰减测试方法确定高能级强夯对已有建（构）筑物的影响距离

某大型新建工程场地为近期吹砂填海方式形成,根据有关资料及勘察揭露,上部吹填层及原有细砂层存在地震液化及承载能力差的问题,设计采用高能级强夯进行处理。在地基处理区域处有一道永久防浪堤,根据设计要求,在进行强夯试夯过程中应采用一定的方法对振动影响进行测试,为设计提供相应的数据,进而确定强夯施工的范围。为解决上述问题,采用了振动衰减测试方法进行了强夯振动影响测试,对后期的大面积强夯施工提供了支持。通过该工程实例,介绍了振动衰减测试及其测试结果分析的方法。     

Experimental pressure solution compaction of synthetic halite/calcite aggregates

Experimental observations are reported of weakening of sediment-like aggregates by addition of hard particles. Sieved mixtures of calcite and halite grains are experimentally compacted in drained pressure cells in the presence of a saturated aqueous solution. The individual halite grains deform easily by pressure solution creep whereas calcite grains act as hard objects and resist compaction. The fastest rate of compaction of the mixed aggregate is not obtained for a 100% halite aggregate but for a content of halite grains between 45% and 75%. We propose that this unusual compaction behavior reflects the competition between two mechanisms at the grain scale: intergranular pressure solution at grain contacts and grain boundary healing between halite grains that prevent further compaction.     

砂砾卵石土高速公路路基填筑试验研究

为研究砂砾卵石土混合料作为路基填料压实后的压实效果,通过室内筛分试验、重型击实试验、CBR试验得到砂砾卵石土的颗粒级配组成,最大干密度、最佳含水率与粗颗粒含量的关系,CBR值与粗颗粒含量、击实次数的关系。试验结果表明,最大干密度随着粗颗粒含量的增加先增大后减小,CBR值随着粗颗粒含量的增加而增大。进一步分析砂砾卵石土作为路基填筑材料的压实机制,通过现场碾压试验,确定砂砾卵石土路基填筑施工工艺,利用压实度、CBR、弯沉、回弹模量等现场检测手段和现场沉降观测数据检验压实效果,通过比较分析各种检测方法的可靠性,提出适合砂砾卵石土压实质量的检测方法,运用统计学方法得到沉降差检测标准值,确定采用碾压遍数与沉降差双重控制保证压实质量,得到一些有益的结论。