粗粒含量对砾类土直剪过程中强度与变形特性影响的离散元模拟研究

粗粒含量对砾类土的工程力学特性具有重要的影响。本文对4组不同粗粒含量的强风化玄武岩砾类土进行了大型直剪试验,并获取相关的强度与变形参数,基于离散单元法颗粒流理论,采用粒间作用为平行黏结模型的圆球模拟土颗粒,建立了4种不同粗粒含量砾类土直剪的离散单元模拟的计算模型,并进一步校正了颗粒单元细观参数,模拟了不同粗粒含量砾类土100kPa垂直压力时的应力应变关系、垂直变形以及剪切带上的土颗粒运动与颗粒间作用力传递的影响特性,分析了粗粒含量对砾类土宏观及细观力学性质的影响机理。结果表明:砾类土表现出的粗粒含量越大强度越高的本质是由于随粗粒含量增加时,土颗粒间平均刚度增加及颗粒间的咬合作用使得摩擦系数增加,采用平行黏结模型能较好的拟合峰值前剪应力-剪位移曲线,但是峰后曲线段尤其对软化现象的适应性不是十分理想; 垂直位移-剪位移模拟值与试验值存在一定的偏差; 随着粗粒含量的增加,最大剪应力时粗颗粒对力链的控制表现得愈明显,相应的剪切带厚度约为剪切盒高度的1/3～1/5,并随粗粒含量增加而增大。     

无胶结粗粒土初始结构强度研究

无论是原状土还是重塑土均存在初始结构性,土体初始结构所抵抗的剪应力为土体结构强度。为了研究无胶结粗粒土初始结构强度,定义了粗粒土剪切过程中初始结构变化点特征,并根据大于20 mm粗颗粒含量将粗粒土划分为4种结构类型,采用可视化直剪仪对不同结构特征的粗粒土进行直剪试验,通过剪切过程中粗粒土平面孔隙比、配位数、概率熵等3种初始结构指标的数值大小及变化趋势,来确定不同初始结构的粗粒土结构临界强度。结果表明:不同初始结构类型粗粒土在相同正应力、相同颗粒种类的情况下,其抗剪强度大小与结构强度占比大小的排序一致,表明了颗粒结构强度在抵抗剪应力的整个过程中起到了重要作用。4种初始结构类型粗粒土平均结构强度占比为36.27%,即结构强度占峰值抗剪强度的36.27%,其中排列接触结构的结构强度占比最高,为36.62%,其次为镶嵌结构36.61%,悬浮密实结构35.99%,叠置结构的结构强度占比最低,为35.87%。     

细粒含量对冰碛土抗剪强度影响的实验研究

为研究细粒组颗粒在浸水/降雨条件下产生迁移对冰碛土抗剪强度的影响,从西藏林芝市帕隆藏布嘎隆寺沟流域内采取冰碛土样品,进行7种不同细粒（粒径小于2 mm）含量情况下的冰碛土比重和相对密度的测试,开展了不同围压下的大型饱和固结不排水三轴（CU）实验。结果表明：（1）细粒含量对干密度的影响较小,不同细粒含量的冰碛土孔隙比大致相同,细颗粒对孔隙具有改造作用,不同细粒含量会引起孔隙结构的差异,从而导致冰碛土的结构差异,最终导致抗剪强度的不同;（2）细颗粒迁移导致冰碛堤坡脚和内部一定深度细粒含量较高,达到一定的量值时,抗剪强度明显降低,冰碛堤容易发生剪切破坏;（3）细粒含量对抗剪强度参数的变化具有重要影响,从中还可以反映出冰碛土结构控制的变化：粗颗粒控制→粗细颗粒共同控制→细颗粒控制。研究结果对于评价冰碛堤的稳定性具有重要意义。     

Residual strength of slip zone soils

Slip zones of ancient landslides are commonly composed of fine-grained soils with amount of coarse-grained particle. Residual strength of slip zone soil is an important parameter for evaluating reactivation potential and understanding progressive failure mechanism. In this study, the residual strength is examined by in situ direct shear tests, improved laboratory reversal shear box test, precut specimen triaxial shear test and ring shear test. Some residual shear behaviors are recognized. Field residual strength is the average operational resistance along the sliding surface not an ideal drained strength, which is less than peak and greater than residual strength measured in laboratory. Stress–displacement curves obtained from in situ shear and laboratory reversal direct shear demonstrate strain-hardening which have no significant peak, but the shear stress is decreased gradually with increasing displacement. Residual friction coefficient depends on the normal stress, and this dependence is relevant to the interaction of rolling and sliding of particles. Residual friction angle is closely related to coarse fraction and dry density, appearing a linear increase with increasing coarse fraction and a form of polynomial function with increasing dry density. The influence of shearing rate on residual strength can be negligible.     

颗粒破碎对绢云母片岩强度和变形影响的试验研究

为进一步弄清颗粒破碎对软岩粗粒料强度、变形的影响,开展2组不同初始干密度下的绢云母片岩粗粒料的固结排水三轴试验,分析了绢云母片岩粗粒料颗粒破碎规律,并探讨了颗粒破碎对绢云母片岩粗粒料力学性质的影响。结果表明,绢云母片岩粗粒料相对破碎率随围压的增加而增大,但颗粒破碎增幅速率受初始干密度影响较大,颗粒破碎与围压之间的关系可用线性关系描述;由于初始孔隙率的影响,使得试样在同一应力水平下高密度试样颗粒破碎明显高于低密度试样;颗粒破碎对高密度试样抗剪强度降低的影响高于低密度试样,导致两种干密度试样的应力-应变曲线在某处出现相交,最终出现初始密度低的试样抗剪强度大于初始密度高的试样抗剪强度的现象;高密度试样孔隙率较小,其剪胀因子一直保持在1附近,而低密度试样孔隙率较大,受颗粒破碎和剪胀的影响迟缓一些,低密度试样体变较高密度要大些,但整体上由于颗粒破碎和剪胀的影响,绢云母片岩粗粒料的体变均不大。     

砂与粘土接触界面的力学特性试验

利用DSJ-2型电动四联等应变直剪仪分别进行了不同粒径砂和粘土(方案1)、不同含水量砂和粘土(方案2)的直剪试验,揭示了其接触面的力学特性。试验结果表明:法向应力(σ_n)、砂粒径大小、砂含水量对接触面的力学特性有着重要的影响。方案1和方案2接触面的抗剪强度和达到剪切应力峰值时的剪切位移随着法向应力的增大而增大,当σ_n为100 kPa时,粘土和不同粒径砂的接触面剪切应力和水平剪切位移(τ-δ)关系曲线呈现应变软化现象;方案1接触面抗剪强度随砂粒径的减小而降低,方案2在σ_n为100 kPa时,接触面抗剪强度随砂含水量增加而降低,σ_n>100 kPa时,接触面抗剪强度随砂含水量增加先降低后变大;方案2在低法向应力下,接触面抗剪强度对应的含水量敏感区间为[10%,15%],且较明显。      

百色重塑膨胀土抗剪强度的试验研究

通过对不同初始含水率、不同干密度下百色重塑膨胀土直剪试验,研究了百色击实重塑膨胀土在不同垂直压力下的峰值强度和残余强度,分析了其抗剪强度的作用机制。研究表明：随着干密度的增加,土体的峰值强度增大,残余强度变化不大;随着上覆荷载的增加,土体的抗剪强度明显增加,表明物理处治技术填筑膨胀土路堤能保证其强度和稳定性;干密度对重塑膨胀土的峰值强度影响较大,而对残余强度影响很小;重塑膨胀土的残余强度与它的结构、应力历史、起始含水率没有关系,而只取决于黏土颗粒的形态、大小、含量和矿物成分等因素。     

含石量和颗粒破碎对土石混合料强度的影响研究

The characteristics of particle breakage and shear strength of soil-rock aggregate with six rock contents under six normal pressures were studied from macro and mecro perspectives by large-scale direct shear test, particle observation test and particle sieving test. The relationship between macroscopic shear strength properties and mecroscopic particle breakage characteristics was established, thus further revealing the influence mechanism of rock content and particle breakage on the shear strength characteristics of soil-rock aggregate. The results showed that particle breakage mainly occurred near the shear plane. The breakage morphology can be divided into surface grinding, local fracture, complete fracture and complete breakage, resulting from the stress concentration caused by uneven contact forces between particles. Due to particle breakage, the content of fine particles increased, coarse grains decreased, and intermediate grains fluctuated. The relative particle breakage Br increased with the increase of normal pressure ?n or rock content P5, which accorded with the function of two variables. With the increase of normal pressure ?n, the shear strength τ increased nonlinearly and met the modified M-C strength criterion. When the rock content P5 increased, the cohesive force c0 of soil-rock aggregate decreased, the internal friction angle ?0 of soil-rock aggregate increased, and the non-linear parameter Δ? increased. Particle breakage was the direct cause of non-linear strength characteristics of soil-rock aggregate.     

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。     

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。     

汶川地震区崩滑堆积体强度现场直剪试验研究

以汶川震区漩口一带地震诱发的松散堆积体为研究对象,开展碎石土原状样和重塑样的现场直剪对比试验,探讨不同法向应力、不同粒度组成和不同含水率等条件下碎石土的剪切强度特性。研究结果表明,地质成因和岩土体结构相似、粒度组成不同且级配不良的碎石土的剪切强度特性具有相似性;原状样剪切强度明显高于相同干密度和含水率的重塑样;级配良好的碎石土应变硬化程度略高于级配不良的碎石土,当粒径大于5 mm的粗颗粒含量大于42.9%时,随粗颗粒含量增加,碎石土的内摩擦角增加,而粘聚力则先减小后增大;抗剪强度指标与含水率呈线性负相关关系,随着含水率增高,碎石土抗剪强度降低,其中粘聚力较内摩擦角下降更明显。综合前人研究和本次试验结果,建议汶川震区类似结构组分碎石土天然状态下的剪切强度指标c值取15±3 k Pa,φ值取30°±2°。     

高压力下层间错动带残余强度特性和颗粒破碎试验研究

针对某水电站层间错动带的原状样与重塑样,模拟现场地应力条件,在试验法向应力高达10 MPa条件下开展了反复直剪试验。试验结果表明：原状样峰值强度高于重塑样,但强度下降较快,二者残余强度趋于一致;此外,试样发生了大规模的颗粒破碎,采用颗粒相对破碎势Br量化重塑样剪切面附近区域与非剪切面附近区域颗粒破碎程度,对比发现,前者颗粒破碎程度高于后者,且破碎机制不同;剪切面颗粒破碎是高压力下残余强度包线非线性的根本原因：剪切强度的下降（残余强度与峰值强度的比值）与Br和S2（试验前后小于粒径< 2 µm 颗粒含量的比值）呈线性关系,颗粒破碎导致的能量释放和不断产生的黏粒（< 2 µm）降低了剪切强度。     

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。     

珊瑚砂大剪切应变下的剪切特性和分形维数

利用Wille Geotechnik环向剪切仪对3种不同粒径的珊瑚砂进行了大剪切位移的环向剪切试验,探讨了颗粒破碎对珊瑚砂强度和残余应变发展的影响。试验结果表明：颗粒破碎随着剪切位移的增加逐渐增加,且初始粒径较大的均匀级配珊瑚砂粒径越大颗粒破碎越多。颗粒破碎对峰值强度和残余强度无影响,但对珊瑚砂的体积应变有显著影响,颗粒破碎较多的试样其体积应变也较大。建立了考虑长宽比、球形度和凹凸度的分形维数计算公式。由于颗粒破碎后颗粒形状在全粒径范围内的自相似性和无尺度性,考虑颗粒形状与不考虑颗粒形状的公式计算得到的珊瑚砂分形维数基本一致。     

橡胶砂级配对混合土体剪切特性影响研究

为了研究橡胶砂的剪切特性,采用室内大型直剪仪,研究了4种橡胶砂级配（1种间断级配、2种连续级配、1种开级配）、3种橡胶掺入量（10%、30%、60%）、3种竖向应力（30、60、90 kPa）对橡胶砂强度特性和体变特性的影响;并在室内直剪试验的基础上,按照相同级配和橡胶掺量建立纯砂和橡胶砂的离散元数值模型,从颗粒接触状态和颗粒位移角度探讨橡胶砂内在力学机制。研究结果表明：在低橡胶含量下,橡胶砂的剪应力曲线趋势和纯砂一致,但其抗剪强度均低于纯砂;橡胶砂剪切应力随竖向应力的增大而增大,4种级配的橡胶砂中连续级配SR2抗剪强度最高;橡胶颗粒的掺入能有效抑制砂土的剪胀,其中间断级配SR1橡胶砂抑制土体剪胀效果最好,剪胀量相较于纯砂减少了37.6%;橡胶砂的内摩擦角随着橡胶掺入量的增大而减小,同一橡胶掺量下连续级配SR2橡胶砂的内摩擦角最大;橡胶颗粒在橡胶砂力链网络中主要参与弱力链的形成,橡胶砂剪切带宽度小于纯砂的剪切带宽度。     

锁儿头滑坡滑带土不同含水率大剪试验研究

锁儿头滑坡属特大型断层破碎带滑坡。该滑坡滑带土主要由强风化的中、上志留统千枚岩、板岩等构成,滑带土中粒径大于2 mm的颗粒含量约为30%,在滑带土颗粒组成中占有重要地位,其强度特征对滑坡体的稳定性分析具有重要影 响。为此,利用室内大型直剪仪对不同含水率下锁儿头滑坡滑带土的剪切特性进行试验研究,结果表明,在控制干密度为1.7 g/cm3情况下,不同含水率滑带土试样的剪应力-应变关系均呈现出弱应变硬化特征,而且法向压力越大,应变硬化特征越明显;在剪应变ε为10%时,相同含水率下滑带土剪切模量G0.1随法向压力的增大而增大,同一法向压力下的剪切模量G0.1与含水率间呈负线性相关关系;利用邓肯-张双曲线模型对锁儿头滑坡滑带土不同含水率下大剪试验剪应力-应变关系进行数据拟合,拟合效果良好,但该模型不能反映土的应变软化性质。     

Mechanical behavior and microstructural variation of loess under dynamic compaction

The laboratory dynamic compaction test was used to study the effects of dynamic impact loads on the shear strength characteristics of loess. Loess specimens were compacted by different numbers of blows and their shear strengths measured. The experimental results revealed that the shear strength varies in stages with the number of blows. During the initial stage, the shear strength increases with the number of blows. It reaches a peak value and then decreases with the number of blows. To reveal the relationship between this alternation in shear strength and microstructural variation, quantitative microstructural analyses were performed on some tested specimens at different stages of strength evolution. This microstructural study demonstrated that the variation of shear strength is directly related to the alteration of microstructure. It is concluded that the shear strength of loess is basically controlled by its microstructural state. Growing particle size heterogeneity, varying particle orientations and increasing microstructural damage are the main causes of the alternation of shear strength.     

粗粒土大型剪切试验剪切带变形特征分析

采用含有叠环的大型粗粒土直剪试验设备进行试验,叠环作为剪切盒的重要组成部分,可以在剪切时根据粗粒土的结构形成多组剪切面,能够明显地展现出粗粒土的剪切变形特征.为了分析硬质岩粗粒对粗粒土的剪切强度和变形的影响,对粗粒岩性为花岗岩的粗粒土进行大型叠环式直剪试验.通过分析得到试验特征规律,研究粗粒土在剪切过程中的颗粒运动,得出花岗岩粗粒对其组成的粗粒土的剪切强度和变形有很大的影响.硬质岩性的花岗岩颗粒在剪切时不易被剪碎,在剪切过程中主要做错位、翻滚运动.低轴压下,剪切带位移会出现阶梯现象,而在高轴压下,剪切带位移为线性变化,并表现出更加明显的剪胀现象.粗粒土在剪切破坏后依然具有较高的抗剪强度和稳定性,为工程建设中土石体材料的选取提供了一定的借鉴.     

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。