基于大型三轴试验的红砂岩粗粒土强度与变形特性研究

红砂岩粗粒土常作为我国南方地区的路基填料,因其易发生颗粒破碎而影响路基的安全稳定性,故深入开展其力学特性研究十分必要。文中选取湘南地区的红砂岩为研究对象,对其开展大型三轴试验,研究不同粗颗粒含量的试样在不同围压、不同压实度下的强度与变形特性。试验结果表明：在低围压时,粗颗粒含量较少的试样变形特性表现出应变软化,而在高围压时,表现为应变硬化特性;对于粗颗粒含量较多的粗粒土,在不同围压下均表现出应变硬化特性。在压实度相同的情况下,随着围压增大,峰值强度逐渐增大,应变硬化特征更趋明显。在围压和级配不变的情况下,随着压实度提高,抗剪强度逐渐增大,表现出低压实度应变软化向高压实度应变硬化特性的转变。应力-应变曲线表明,峰值强度与粗颗粒含量、围压、压实度具有良好正相关关系。通过绘制莫尔圆,发现其强度包络线表现为非线性,可采用幂函数进行拟合。计算结果表明,内摩擦角随着围压的增大而逐渐减小。     

粗粒料颗粒形状对材料宏观力学性能的影响∗

粗粒料的颗粒形状是影响材料宏观力学性能的重要因素,大型三轴试验的局限性限制了粗粒料微观结构对力学性能影响的研究。基于二维颗粒流理论,利用PFC2D建立4种不同形状的颗粒簇,进行了双轴实验的颗粒流数值模拟,建立形状与宏观力学性能和变形特征的相互关系。结果表明:颗粒形状系数与材料内摩擦角近似呈线性关系,随着形状系数的增加内摩擦角递减;材料强度峰值和残余强度随着颗粒形状系数的增加而减小;材料初始切线模量随着形状系数的增加而减小;数值模型在加载过程中先出现剪缩效应,后产生剪胀效应,且同一形状颗粒的试样,围压越大,剪胀变形越明显;不同形状颗粒的试样达到最终应变软化状态之前,形状系数越小,剪缩效应越不明显,反之,剪胀效应越明显。     

中线法堆坝尾矿料的动力特性实验研究

以云南迪庆羊拉铜矿的尾矿料为研究对象,通过大量动力三轴试验,研究了中线法堆坝工艺所要求的不同粗粒含量尾矿砂的动力液化特性。结果表明,粗粒含量对尾矿砂的动力特性具有重要影响,粗粒含量变化与尾矿料动应变和动孔压变化特性之间存在紧密的相关性,随着粗粒含量的增加,尾矿砂动强度总体上呈增大趋势;动孔压的增长特性也具有类似规律,但三者在动应变达到5%时,其值均远小于围压。动应力对动应变影响显著,应力幅值越大,达到破坏标准的振次越少;动强度则随着固结压力增加而增大;而固结比Kc对动强度的影响不是单一的增大或减小,Kc=1.5时,其动强度比Kc=1.0,2.0的都大。试验同时表明,粒径组成粗细兼顾,级配良好的尾矿砂通常比粒径单一的粗尾砂具更好的抗液化性能,在通过提高粗粒含量来增大尾矿砂抗震性能时,还应考虑颗粒级配特性的影响。     

循环荷载作用下粗粒料与掺砾粘土接触面单剪试验研究

土石坝内部存在较多的接触面,在静、动力荷载作用下,接触面的力学特性对坝体的稳定性具有显著的影响.基于动态单剪仪,开展了粗粒料与掺砾粘土接触面循环单剪试验.试验结果表明,初始剪应力加载方向对相对位移有较大影响:相对位移总是在沿初始剪应力加载方向一侧较大;在一个剪切循环内,正、反向加载时,若剪应力较小,发生剪缩变形,若剪应...     

不同应力路径下灰岩卸荷损伤特性演化规律研究∗

为探究应力路径对灰岩卸荷力学特性的影响机制,考虑恒偏压卸围压、恒轴压卸围压及加轴压卸围压三种卸荷应力路径,分别进行了卸荷试验和数值模拟,分析了不同卸荷应力路径下灰岩的能量释放规律及细观损伤演化规律。研究结果表明：（1）卸荷应力路径对灰岩宏观力学特性影响显著,恒偏压卸围压路径下,岩样卸荷强度最低, 变形模量与泊松比变化趋势最缓,但变化幅度最大,而加轴压卸围压路径下,其卸荷强度最大,但变形参数变化幅度较小;（2）三种卸荷应力路径下,卸荷过程中耗散能占比大小依次为恒偏压卸围压＞恒轴压卸围压＞加轴压卸围压,弹性应变能占比大小则为加轴压卸围压＞恒轴压卸围压＞恒偏压卸围压,说明外力所做的功在恒偏压卸围压方案下多转化为耗散能用于裂纹发育,对应破坏时的损伤变量最大,而加轴压卸围压方案下多转化为弹性应变能储存于岩样内部,卸荷破坏更为突然;（3）数值模拟结果分析发现,恒偏压卸围压方案下,卸荷过程中的裂纹总数量和张拉裂纹占比最大,卸荷损伤程度最高,对应的损伤变量最大,而加轴压卸围压方案下岩样的裂纹数量最少,损伤变量最小,卸荷过程中岩样内部的细观损伤发育规律进一步说明了应力路径对其宏观力学特性的影响。     

考虑中间主应力的粗粒土扰动状态应力—应变模型

基于统一强度理论与扰动状态概念(DSC),考虑洛德参数影响,建立了同时考虑中间主应力(IPS)和扰动影响的粗粒土IPS-DSC应力—应变模型。根据某坝基粗粒料三轴剪切试验结果,采用拟合方法对IPS-DSC模型参数进行反演和优化,模拟曲线和试验曲线对比显示两者基本吻合,说明该模型能较好地描述粗粒土应力应变特性。进一步研究表明,其洛德参数、中间主应力系数及扰动影响参数对粗粒料应力应变曲线影响较大,粗粒土应力应变曲线先随洛德参数增大上升至临界值,后随洛德参数增大而下降,软化现象先减弱后增强;随中间主应力系数的增大,呈上升趋势,峰值增加明显,软化现象更加突出;随扰动影响参数增加而上升且软化现象有所减弱。     

高铁荷载作用下基床填料的动三轴模量试验研究

依据高铁路基基床的工作条件,推导出室内三轴试验模拟列车荷载的围压范围为10~150kPa,频率范围为1~5Hz。在此基础上开展高铁基床填料AB组料动三轴试验研究,分析了列车荷载下围压、压实度、加载频率对AB组料动弹性模量的影响。试验研究表明:AB组料的动应力—动应变关系具有明显的非线性特征和应变软化特征,动弹性模量的倒数与动应变曲线基本呈线性关系,说明AB组料的动本构关系符合Hardin双曲线模型。动弹性模量随围压的增大而增大;随压实度的增大,动弹性模量呈非线性增大;加载频率对动弹性模量有一定的影响,当应变小于0.05%时频率对动弹性模量影响较大,但应变超过0.05%时,频率的影响可以忽略。     

玻璃球动弹性模量特性试验和数值模拟研究

堆石料颗粒形状较为复杂,且存在明显的颗粒破碎特征。为剔除颗粒形状对堆石料动力特性的影响,在不考虑颗粒破碎的情况下,采用玻璃球模拟堆石料进行动三轴试验,分析了试验围压对玻璃球动弹性模量的影响。基于动三轴试验成果,开展了细观数值模拟研究。研究表明:玻璃球的动弹性模量变化规律与堆石料的基本一致;三维颗粒流方程能较好地模拟该材料的动弹性模量特性;随着粗细颗粒直径跨度增大,试样级配关系增强,最大动弹性模量随之增大;细颗粒直径变小和粗颗粒直径变大都将引起最大动弹性模量的增大。试样的动弹性模量随着细观剪切模量的增大而增大,近似为幂函数关系,动应变降低。     

复杂应力条件下地基岩石细观破坏研究

为了研究复杂应力条件下的深基坑岩石细观破坏问题,本构方程采用由应变空间导出的弹塑性损伤细观力学模型,借助有限元计算方法,实现了岩石三维破裂过程的数值模拟。采用细观破坏单元网格消去法,实现了有限元模拟裂纹扩展过程;利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;数值模拟灰岩单轴拉伸及压缩破坏试验、双轴拉伸破坏试验和三轴受压破坏试验,得到其非线性应力—应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。研究表明,在复杂应力条件下,随着围压增大,峰值抗压强度明显提高,塑性变形明显增大。本文研究对深基坑施工过程中预防工程事故的发生具有借鉴意义。     

基于细观尺度的岩体开挖渐进破坏模拟研究

岩土渐进式地质灾害是当前岩土工程领域的重要研究课题。基于颗粒离散元法导出颗粒连接损伤模型,建立岩石细观离散模型,进行不同颗粒参数条件下的岩石单轴受压数值模拟。结果表明,岩石细观颗粒间相互黏结力是影响颗粒黏结破坏的主要因素;颗粒间摩擦系数是影响宏观强度的敏感参数,单轴受压试验形成接近45°剪切带,数值模拟与试验结果较好吻合,验证了该模型的合理性。建立岩体开挖细观离散模型,模拟不同地层条件下的开挖过程,对比分析了开挖未支护和支护情况下检测点的沉降差异。研究发现,未支护支撑下,深层开挖时,检测点的位移沉降较浅层开挖时明显;支护可以有效降低围岩变形,防止拉应力产生。本文从细观上揭示岩体开挖条件下渐进式破坏过程形成机制,为更深入研究岩土力学特性和滑动断裂的形成与发展等渐进破坏过程提供了理论和技术支撑。     

砂土基MICP土工材料剪切强度试验及可靠性分析

选用巴氏芽孢杆菌,以不同粒径砂土为岩土基质,应用微生物诱导矿化技术生成MICP土工材料试样,自然养护7 d后,应用直剪仪进行了抗剪强度测试试验。结果表明,MICP细砂土内摩擦角范围最大,MICP粗粒砂土内摩擦角范围最小,这与微生物诱导生成的矿化物填充空隙的过程中形成胶结作用有重要的关系,粗粒砂土空隙大,MICP材料强度的增长主要依靠诱导生成的碳酸钙咬合力;中粗砂粒土表面粗糙度的提高有效增强了矿化土工材料的强度;细砂土主要是填充空隙,材料更加密实,导致抗剪强度最大。再运用多项式混沌扩展(PCE)方法建立代理模型,求得其前四阶统计矩,对内摩擦角输出响应的不确定性进行了量化。     

堆石料强度和变形性质的大型三轴试验及模型对比研究

在饱和试样大型三轴试验成果基础上,对两种堆石料(垫层料、次堆石)的变形与强度特性变化规律进行了总结。认为围压是影响堆石料强度和变形特性的最重要因素;堆石料的非线性应力应变关系用邓肯张模型和指数模型来拟合都基本令人满意,但指数模型会高估初始剪切模量;堆石料的径向应变与轴向应变关系可以分成两段,并能够依次用双曲线和直线来模拟;随着围压的升高,堆石料的剪胀性会急速降低,颗粒破碎可能性会增加,因此相应的最大主应力比和内摩擦角会随之发生明显的减小,并且可以用幂函数关系很好的拟合它们与围压的关系。     

刚性面板加筋土挡墙室内模型试验研究

在研制的室内模型箱中,进行不同筋材配筋率和铺筋层数下加筋土挡墙模型试验,不同拉拔速度筋-土界面原位拉拔试验,分析了配筋率和铺筋层数对加筋土挡墙变形及土压力的影响及拉拔速度对筋-土界面抗剪强度的影响。结果表明,挡墙顶部沉降在筋材与面板连接处及挡墙后部较大,挡墙中间部位沉降较小。随着配筋率和铺筋层数的增加,挡墙顶部沉降和刚性面板倾角变小,面板受到的土压力减小。加筋土挡墙最优配筋率为60%~70%。拉拔速度对筋-土界面黏聚力几乎没有影响,但筋-土界面摩擦角随着拉拔速度的增加有增大趋势,从而导致筋-土界面的抗剪强度增大。     

冻融循环对黏质粗粒土抗剪强度影响的试验研究

通过室内循环冻融循环试验和三轴不固结不排水(UU)压缩试验研究了循环冻融作用与细砾组含量(P_(2-5))对黏质粗粒土抗剪性能的影响。结果表明,冻融循环作用对黏质粗颗粒土的应力—应变曲线性状具有一定的影响,可使其由未冻融的应变软化向应变硬化转变的趋势,但随着细砾组P_(2-5)含量的增加,冻融作用对其影响逐渐减弱。随着冻融循环次数的增加,土样剪切强度呈现逐渐衰减,且在5～9次冻融循环次数后基本保持不变,多次循环冻融作用后剪切强度最大衰减幅度可达40%。弹性模量随冻融循环次数的增加上下波动较大但整体呈现下降趋势。在抗剪强度指标方面,冻融作用对黏聚力影响比较显著,随着冻融循环次数的增加,黏聚力逐渐减小,最大衰减幅度可达65%,而内摩擦角上下波动较大无明显趋势。此外,随着细砾组P_(2-5)含量的增加,剪切强度、弹性模量及抗剪强度指标均呈现不同程度的减小,这与粗粒土内部粗颗粒和细颗粒占比及其强度发挥机制有关。     

橡胶黏土混合土动剪切模量及阻尼比试验研究

为了研究橡胶黏土混合土动力特性,将橡胶掺入黏土,在4种围压下对5种不同配比橡胶黏土混合土进行室内动三轴试验以研究橡胶含量及围压对混合土动剪切模量和阻尼比的影响。结果表明,相同围压下,混合土动剪切模量较素土有很大降低,随着橡胶含量的增多而逐渐降低且降低速度由快变慢,动剪切模量与动应变关系曲线非线性特征减弱。阻尼比随着橡胶含量增加逐渐增加,且均较素土有显著提高。相同橡胶含量时,动剪切模量随着围压增大而增大,动剪切模量与动应变关系曲线线性特征增强,阻尼比随围压增大而减小。橡胶黏土动剪切模量与动应变关系可以用H-D模型表示,最大动剪切模量与围压之间的关系可以用线性函数表示,阻尼比与动应变关系可以用修正的陈国兴模型表示。结果证明,橡胶黏土混合土具备较好的隔震减震性能。     

橡胶颗粒土动剪模量与阻尼比的共振柱试验研究

废旧轮胎橡胶颗粒与砂土组成的橡胶颗粒土相比于纯砂而言,具有密度轻、弹性变形能力强、耗能大、剪切模量低等特点,可广泛应用于边坡、挡土墙和路基回填、桥台跳车治理以及建筑隔震减振等工程领域。通过共振柱试验,重点对比研究了橡胶含量、粒径及围压对混合土动剪切模量和等效阻尼比的影响规律。结果表明,小应变范围内,在围压和粒径相同时,随橡胶含量的增加,橡胶土动剪切模量减小,阻尼比增大,动剪模量比衰退变缓;含量和粒径相同时,围压增大,动剪模量增大,动剪模量比衰退变缓,阻尼比减小。在大应变幅值下,橡胶含量较低时,随着围压增大,动剪模量比衰退明显加快;而当橡胶含量较高时,围压对其影响与小应变范围相同;而围压与橡胶含量相同时,不同橡胶粒径的模量与阻尼比曲线非常接近。橡胶土的动剪模量与阻尼比主要受橡胶含量与固结围压影响,而粒径影响可忽略不计。     

筑坝反滤料动模量和阻尼比影响因素的数值模拟研究

土体动模量和阻尼比是动力学特性的重要表征参数,在工程抗震分析中起到不可或缺的作用。在对动模量和阻尼比试验成功模拟的基础上,改变数值模型中相应的试验条件,探讨了试验中土体动模量和阻尼比的影响因素固结比、围压、试样级配、试样密实度和动应力频率。结果表明:筑坝反滤料的固结比对动模量的影响比较符合Hardin推导公式的结果;最大动模量与围压呈正比;随着密实度的降低,最大动模量亦降低;动应力频率对动模量和阻尼比基本无影响。     

再生粗骨料混凝土柱耐火性能试验与理论分析

为研究再生粗骨料混凝土柱的耐火性能,进行了1个足尺的再生粗骨料混凝土柱和足尺的1个普通混凝土柱在竖向恒定荷载和温度场耦合作用下的耐火性能试验研究,2个试件的混凝土设计强度均为C30,2个柱采用相同的轴压比施加竖向荷载。在试验研究基础上,比较分析了2个试件的耐火极限以及各个测点的温度变化、侧向挠度、轴向变形和破坏过程;用有限元软件ABAQUS对试件截面温度场进行了模拟分析,测点温度增量模拟结果与实测温度增量符合较好。研究表明:相同初始轴压比条件下,混凝土强度接近的再生粗骨料混凝土柱比普通混凝土柱升温速度慢,具有相对较好的隔热性能;再生粗骨料混凝土柱比普通混凝土柱的抗爆裂性能好,耐火极限长;因再生粗骨料混凝土柱比普通混凝土柱的孔隙率相对较高,在高温作用下其内部蒸汽应力可得到一定释放,由此引起的柱子轴向压缩变形相应也较大;一定条件下的再生粗骨料混凝土柱可用于建筑工程。     

格栅加筋废弃钢渣的强度特性试验研究

提出了格栅加筋废弃钢渣的土工回填新技术,通过三轴固结排水试验研究格栅加筋废弃钢渣的抗剪强度特性。以玄武岩纤维格栅和江苏永钢废弃钢渣为例,分析在不同相对密实度、格栅加筋层数和围压下的格栅加筋废弃钢渣的应力应变特性,将格栅加筋废弃钢渣的抗剪强度特性与传统土、特殊土的抗剪强度特性以及前人研究的格栅或格室加筋特殊土的抗剪强度特性进行了比较。结果表明:各工况下的格栅加筋钢渣的黏聚力强度都远大于传统土类,且内摩擦强度也较高,达到砂类的摩擦强度;各工况下的格栅加筋钢渣的黏聚力强度弱于黄土与膨胀土,但其内摩擦强度则高于膨胀土与黄土。表明格栅加筋钢渣在较多工况下比传统土、特殊土以及格栅或格室加筋特殊土拥有更高的抗剪强度特性,可替换砂土应用于软基处理或加筋回填工程中。