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。     

循环剪切对格栅-土石混合体界面特性的影响

为了研究不同含石量下土石混合体-格栅界面的循环剪切特性,采用循环直剪仪,在不同的竖向应力、剪切位移幅值和剪切频率下进行了单调直剪试验、循环直剪试验和循环后单调直剪试验,探究了5种含石量（0%、25%、50%、75%、100%）、3种剪切位移幅值（1、3、6 mm）和3种剪切频率（0.2、1.0、2.0 Hz）对土石混合体-格栅界面的峰值剪切应力和体变规律的影响。试验结果表明,含石量在0%～75%之间时,随着含石量的增大,土石混合体-格栅界面的循环峰值剪切应力和最大剪切刚度均随之提高,最终竖向位移绝对值和最大阻尼比随之减小;含石量继续增大至100%,土石混合体-格栅界面的最大峰值剪切应力和最大剪切刚度均随之减小,最终竖向位移的绝对值和最大阻尼比随之增大。在同一含石量下,剪切位移幅值和剪切频率越大,界面最大峰值剪切应力和最终竖向位移绝对值也越大。与单调直剪试验相比,循环后单调直剪试验得到的内摩擦角和似黏聚力有所增加,含石量在0%～75%的范围内,内摩擦角和似黏聚力随含石量的增大而线性增加,含石量继续增加至100%,内摩擦角和似黏聚力随之减小。     

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。     

蓄水对三峡库区土石混合体直剪

在三峡库区滑坡体中大量存在的土石混合体是一种不同于土和岩体的高度非均质不连续体。基于三峡库区水位涨落将引起土石混合体含水率变化的特点,研究了土石混合体在不同含水状态下直剪强度参数的变化规律,并在大量的试验基础上建立了c,φ值与含水率之间的关系式,得出了不同碎石含量下c,φ值随着含水率变化的弱化公式,为评价三峡库岸稳定与治理提供了量值依据。     

不同含石量条件下土石混合体剪切变形特征的试验研究

三峡库区库岸广泛分布宽级配的土石混合体,土石混合体的力学性状及在外部作用下的变形响应对库岸滑坡的启动或复活有重要的影响。基于此,选择典型土石混合体滑坡进行现场调查和取样,利用室内大型直剪仪,结合打孔-插丝-灌砂的方法监测剪切过程中的试样内部变形演化特征,开展了不同含石量条件下的土石混合体试样的剪切变形特性试验研究。研究结果表明:含石量对土石混合体的强度和变形特性具有明显的控制作用。当含石量小于20%时,块石对试样影响较小,细颗粒土占主导作用,剪切过程中表现为细颗粒间错动式的剪切变形,强度依赖于细颗粒的强度,试样呈应变硬化特性;随含石量增加(20% ~80%),块石开始接触并逐渐形成骨架结构,加之细颗粒土的嵌合作用,剪胀作用增强,剪切过程中表现为混合体间啃掘式的剪切变形,强度由块石和细颗粒共同作用,试样逐渐表现为应变软化特性;含石量大于80%后,试样内块石占主导作用,但由于细颗粒较少,块石间的骨架结构存在较多空隙,试样结构效应有所降低,强度和变形性能有所弱化。     

循环荷载下土石混合体力学特性野外试验研究

土石混合体是一种物理、力学性质非常复杂的不连续介质。以云南某高速公路土石混合体边坡为例,分别对选取的3个试验点进行了单调加载、循环加载一次及多次循环加载试验,获取了其相应的剪切位移-剪切应力关系曲线,并对其曲线特征进行分析研究。通过对试样三维滑动面的形态分析,指出由于土石混合体三维滑动面的不规则性,利用传统的二维计算方法难以得到较为准确的强度参数。基于三维极限平衡理论,提出了土石混合体水平推剪试样强度参数的三维数据计算方法。并利用该方法得到了研究区土石混合体的相应的强度参数及残余强度参数。     

土石混合体边坡细观特征对滑面形成影响研究

土石混合体作为一种典型的浅表层堆积体,常引发不同规模的滑坡灾害。本文通过对比土石混合体在室内大型直剪和离散元(PFC^2D)数值模拟直剪条件下剪切带厚度随含石量和上覆压力的变化特征,以期进一步揭示影响土石混合体剪切带厚度的主要控制因素。试验结果显示,室内试验中土石混合体的剪切带厚度主要受含石量的影响,其次为上覆压力,受块石尺寸的影响不明显。剪切带厚度随含石量从0增加到50%时表现为增大的趋势,随含石量的继续增大而表现为减小的趋势。但上覆应力小于200 kPa时,剪切带厚度随上覆应力的增大表现为增大的趋势,但上覆应力超过200 kPa时,其值表现为减小的趋势。然而,在数值模拟计算中,考虑块石不可破碎的情况下剪切带裂纹区域的宽度随含石量和上覆压力的增大表现为持续增大的趋势特征。分析认为,土石混合体剪切中大块石之间咬合后的齿轮带动效应是促使剪切带厚度增大的重要原因,而骨架结构含石量以及高垂直应力下块石咬合部位因高度的应力集中,随后导致的咬合棱角破碎,块石变形被限制在一定的区域内,却抑制了剪切带厚度的进一步增大。相反,在块石不可破碎的数值模拟计算中,高含石量试样内块石可持续的咬合滚动,促使周围的块石也发生变形,进而增大了剪切带的厚度。研究结果有利于揭示土石混合体的剪切变形破坏机制。

     

基质胶结对土石混合体强度变形特性影响

利用应变控制式静力三轴剪切仪,对具有不同胶结程度和含石量的土石混合体试样进行了固结不排水剪切试验;通过对制备的土石混合体试样的应力-应变关系、孔隙水压力变化、有效应力路径和抗剪强度指标等试验结果的对比分析,探讨了不同胶结程度土石混合体试样的差别及产生原因.试验结果表明:不同胶结程度土石混合体破坏方式可分为剪切带破坏和鼓肚变形破坏两种基本类型;胶结使得土石混合体应力应变关系和孔隙水压力变化与未胶结土石混合体差异明显,胶结作用对土石混合体的剪胀和软化特性影响显著.在块石软硬程度、形状及试样密实度相近的条件下,不论是否胶结或胶结程度如何,土石混合体有效内摩擦角φ'与无量纲粒度分布特征参数D₅₀WBP/D₆₀具有较好的线性相关性.试验结论为确定不同胶结程度土石混合体强度提供了参考.     

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。     

土石混合体工程地质力学特性及其结构效应研究

土石混合体是一种土-石混杂、分布广泛、性质特殊的地质体,也是众多山区滑坡的重要载体.复杂的土-石结构组成是此类介质物理力学特性复杂、难以把控的关键.本文通过多尺度宏-微观室内和现场物理力学试验与模拟,对土石混合体的强度特性、变形特性和渗透特性及其结构控制机理展开了深入研究,系统阐明了含石量、块石形状、基质组分、土-石级配等关键结构因子的制约规律,进一步揭示了土石混合体强度和变形特征随机性的土石结构控制规律,提出了不同结构状态下强度参数的正确获取方法;研究了不同含石量土石混合体的非线性渗透特性,获得了非线性渗流计算模型及其抗渗变形优化设计方法,为全面建立基于真实土石结构和非线性本构关系的新一代土石混合体滑坡预测预警体系提供一定的理论支撑.     

土石混合体砾-土接触面参数的敏感性分析

土石混合体作为一种特殊的地质体在自然界中广泛分布,由强度较高的岩石块体、细土颗粒和充填其间的孔隙组成。随着各类大型工程建设的兴起和发展,与土石混合体相关的地质灾害严重影响和制约了工程的建设和人类的安全,因而对土石混合体的研究至关重要。本文从细观角度出发着重研究土石混合体中砾石和土体之间的接触性质,利用FLAC3D接触面单元模拟了土石混合体中的砾-土界面,首先构建了包含接触面的土石混合体三维数值模型,其次选取了接触面参数的合理变化范围,通过对数值模拟结果的分析,探讨了参数的敏感性,发现刚度,特别是法向刚度对土石混合体应力-应变曲线和砾-土的相对运动影响最大,其次是黏聚力,摩擦角的影响最小。通过与无接触面模型的对比,验证了包含接触面单元土石混合体三维模型的可行性和合理性。接触面单元的引入使精确描述土石混合体的宏观变形特征及砾-土间的相互作用机制成为可能。     

基于强度折减法的土石混合体边坡长期稳定性研究

土石混合体边坡是自然界中常见的一种边坡类型,具有明显的不均匀性和不连续性。土体的蠕变是造成土石混合体边坡变形及失稳的主要原因之一,而目前关于土石混合体边坡稳定性的研究几乎均未考虑土体的蠕变性。首先运用数字图像处理技术对我国某水电站库区的一个土石混合体边坡进行建模,而后利用FLAC3D软件中的强度折减法对其进行稳定性分析,并着重研究了土体的蠕变特征及其蠕变参数对土石混合体边坡变形及稳定性的影响。计算结果表明,土体的蠕变特征会明显降低土石混合体边坡的安全系数,增大边坡变形,进而对边坡的稳定性造成不利影响;其中蠕变黏性系数对边坡的长期稳定性具有较大影响,黏性系数越大,则土石混合体边坡的安全系数越低。     

温度和含冰量对冻结土石混合体力学特性的影响

冻结土石混合体是一种力学特性极为复杂的岩土材料,其力学特性对温度和含冰量等因素非常敏感。然而到目前为止,对于其力学行为随温度、含冰量及法向压力等的变化特征仍然缺乏足够的了解。本文开展了一系列的冻结土石混合体的直剪试验,研究了温度、含冰量及法向压力对冻结土石混合体剪切特性的影响。结果显示温度、含冰量及法向压力对冻结土石混合体的剪切行为都有重要影响。在其他条件相同时,冻结土石混合体的抗剪强度随着温度的下降呈指数形式增长。当温度高于-5℃时,抗剪强度增加很快,而当温度低于-5℃时,抗剪强度仅有微小增加。在-5℃时,冻结土石混合体的抗剪强度随着含冰量的增加先增加后减少。抗剪强度最大值出现在含冰量在11%左右。冻结土石混合体的粘聚力随着含冰量的增加先迅速增加,在含冰量大于11%以后,粘聚力又有微小下降,而内摩擦角随着含冰量的增加缓慢减小。冻结土石混合体的抗剪强度随着法向应力的增加而增加,但在高法向应力下,其塑性增强。     

碾压混凝土力学特性的试验研究

介绍了对岷江流域某高拱坝坝体碾压混凝土力学特性，进行的三轴压缩试验和直接剪切试验结果，根据试验资料对碾压混凝土的力学特性进行了分析。     

岩盐用作路基填料的力学性质试验

通过试验,研究了察尔汗岩盐用作路基填料的压实特性、抗压强度以及循环荷载下的变形性状。主要探讨了岩盐试样中细粒含量比例对试样压实特性的影响规律;天然岩盐抗压强度的大小分布,以及岩盐抗压强度与粒径、干密度、含水量的关系;交通循环荷载作用下,岩盐的动应变发展情况等。这些结论对盐湖公路建设具有一定的指导意义。     

锯齿状结构面力学效应实验研究

结构面在三度空间展布的形状称结构面形态。结构面形态是地质体发生变形和破坏后遗留下来的产物。在原位大型岩体力学实验中,结构面形态常常引起实验数据分散和产生不同的破坏机制;在岩体稳定性分析中,结构面形态又是影响结构面整体强度的重要方面,并涉及到工程岩体稳定性分析合理与否。因此有必要对结构面形态的力学效应进行研究。本文以锯齿状结构面为例,采用力学模型实验和理论相结合来讨论结构面的形态效应。     

水作用下页岩物理力学性质实验研究进展

水作用下页岩的物理力学性质对页岩储层压裂增渗改造及井壁稳定性具有重要的影响。本文旨在通过对水作用下页岩物理力学性质实验研究进展的梳理,归纳出目前该类研究得出的发现和观点,并在此基础上进行讨论与展望。主要从如下几个方面进行总结与阐述：（1）水的作用对页岩黏土矿物成分及微观结构的影响;（2）水的作用对页岩的声学性质的影响,包括对页岩的声波波速、衰减特征、时域及频域信号特征的影响;（3）水的作用对页岩宏观力学特性的影响,包括页岩的变形特征、强度特征及破裂特征。基于对上述各方面研究现状的总结,结合页岩气开采的工程实际问题,针对研究现状及未来的研究方向进行讨论。本文将不仅在页岩储层压裂改造设计及井壁稳定研究中有助于我们系统了解水对页岩物理力学性质的影响,也将为在该方面开展进一步研究提供有益的借鉴。     

土石混合体应力松弛试验研究

本文采用应变控制式三轴仪,在分级加载条件下,分别对含石量为20%和30%的土石混合体进行三轴应力松弛试验。根据试验结果,对土石混合体的应力松弛阶段进行了划分,通过对不同含石量试样的应力松弛特征的对比和分析发现：随着初始应力的增加,应力松弛量增大,应力松弛比减小。高含石量的应力松弛量和应力松弛比均较小,即增加含石量可以减小土石混合体的应力衰减。采用Wiechert模型能够较好的描述土石混合体的应力松弛特征,基于该模型的拟合曲线与试验结果较为吻合。