坝前淤泥土与新填坝体接触面抗剪强度试验研究及工程应用

坝前淤泥面与新填筑坝体接触面是"坝前淤泥面加坝"技术的薄弱环节。为了探究不同工况下淤泥坝基、新填筑坝体,以及淤泥土-新填土接触面的剪切强度特性,以宁夏南部山区西吉县南川水库坝前淤泥面加坝工程为研究对象,通过常规应变式直剪仪、改进常规应变式直剪仪分别进行剪切试验,分析了淤泥土含水率和压实度变化时,淤泥土、新填土、淤泥土-新填土接触界面的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角的变化规律。试验结果表明:新填土抗剪强度最大,不同工况下淤泥土-新填土接触界面的抗剪强度介于淤泥土和新填土的抗剪强度之间;淤泥土含水率在12%~16%之间存在最优含水率,超过该含水率后,淤泥土及淤泥土-新填土接触界面之间的抗剪强度均显著降低;当淤泥土含水率从8%增加至12%、16%时,黏聚力减小8%左右后迅速减小至22%,具有明显的阶段性,而淤泥土-新填土接触界面的黏聚力呈现先增加后减小的趋势;当含水率相同时,随着压实度的增加,淤泥土、淤泥土-新填土接触面的黏聚力、内摩擦角总体呈增大趋势。最后根据试验结果对"坝前淤泥面加坝"工法的工程应用提出了相关建议。     

基于三维离散元堆积碎石土细-宏观力学参数相关性研究

以室内三轴压缩试验为基础,运用PFC3D离散元软件生成含有不同形状碎石块的1∶1堆积碎石土数值模型,标定得到相应的细观参数(相对误差控制在10%以内)。改变细观参数,定量探讨其与宏观力学参数(粘聚力和内摩擦角)关系,得到细观参数与粘聚力、内摩擦角的细-宏观参数关系式,并对其可靠性进行了验证。研究发现,(1)粘聚力与接触粘结力、颗粒摩擦系数呈线性正相关;同时受粘结力比值M=σc/τc的影响,当M1时,粘聚力随着M的增加而线性增加;M≥4时,粘聚力趋于稳定。(2)内摩擦角与颗粒摩擦系数呈对数关系,与接触粘结力呈抛物线关系。(3)细-宏观参数关系式是在含水率为7%室内试验结果基础上研究得出,将关系式运用到含水率为9%和11%的室内试验结果进行标定验证:依据含水率为9%和11%室内试验得到的c和φ值,运用细-宏观参数关系式计算得到细观参数,经验证其数值-室内试验结果相对误差在10%以内,说明通过细-宏观力学关系式得到的细观参数符合精度要求,关系式可靠。为后续土石混合体数值试验研究者进行细观参数标定工作提供了参考依据。     

不同含水率和压实度铅锌尾砂抗剪强度试验研究

尾砂的抗剪强度是分析尾矿坝失稳问题的重要参数。为了探究含水率和压实度对铅锌尾砂抗剪强度的影响,开展三种压实度(80%、90%、100%)情况下五组不同含水率(3%、6%、9%、12%、15%)铅锌尾砂试样的抗剪强度试验。结果表明:铅锌尾砂的剪应力随压实度的增大而增大,随含水率的增大先增大后减小;随着含水率的增大,铅锌尾砂的内摩擦角先减小后增大,粘聚力先增大后减小;在含水率为6%时,粘聚力最大;随着压实度的增大,铅锌尾砂内摩擦角和粘聚力均呈线性增长,含水率为6%时压实度对粘聚力的影响最大,含水率超过12%,压实度对粘聚力的影响逐渐减小;保持尾砂含水率在6%左右和提高尾矿坝的压实度,能够有效提高尾砂抗剪强度,降低尾矿坝溃坝危险性。研究结果对尾矿坝的安全管理和稳定性评价具有一定意义。     

土体含水率与滑坡风险相关性实验研究

降雨入渗容易造成边坡滑坡自然灾害,含水率是影响土体抗剪强度的关键因素之一。本文以滑坡区红黏土为研究对象,制作了5组不同含水率的土样,并在不同垂直压力下进行快速剪切实验,得到每组对应的剪切强度参数,研究了含水率与剪切强度参数之间的关系。利用实验所得到的土工参数进行高地下水位边坡稳定性数值模拟,拟合得到边坡坡顶含水率与边坡安全系数的关系。结果表明:含水率从10%增加到25%,红黏土强度指标粘聚力、内摩擦角约分别下降50%和30%;含水率与粘聚力和内摩擦角间均呈半对数关系;边坡坡顶含水率增加导致边坡安全系数近似成二次曲线下降趋势。     

邯郸与太原两地粉土动力特性的试验研究

对邯郸5个工程场区和太原1个工程场区的粉土进行了循环荷载幅值为不规则变化的动模量试验。试验研究发现,粉土的动模量衰减的比砂土慢;其动模量衰减到最大动模量的85%时,开始表现出塑性特征,因此,在动模量衰减到最大动模量的85%之前降低循环动荷载的幅值,动模量仍能大部分回到初始值。粘粒含量的变化使粘粒在粉土中表现出不同的作用,当粘粒含量小于10%时,动强度随粘粒含量的增加而降低;当粘粒含量大于10%后,动强度随粘粒含量的增加而增加。     

含水量对粘土与结构物接触界面单剪特性影响规律试验研究

采用升级改造后的DSJ-2型直剪仪,在不同法向应力水平下,开展了不同含水量的粘性土与不同介质性质的地下结构物接触界面的单剪试验,探索揭示粘土含水量变化对接触界面的剪切力学行为影响规律。研究结果表明:随着粘土含水量的增大,基底刚度较大时,剪应力-剪切位移曲线应变硬化现象愈来愈明显,反之,愈来愈不明显。剪切法向应力处于较低水平时,粘土的含水量对刚度较大的混凝土基底界面剪应力峰值强度影响更明显,反之,刚度相对较小的木材基底更明显。不同性质基底同粘土单剪时,随其含水量的不断提高,接触界面的内摩擦角均是不断降低,但其降低幅度不尽相同,结构物的刚度对接触界面内摩擦角起控制作用。随着粘土含水量的增大,接触界面的粘聚力总体变化规律为先增大,增大到某一峰值点后降低,界面的粘聚力由土体与结构物共同控制,且同结构物的刚度大小和界面自身特性均密切相关。     

贵州石漠化地区降雨条件下红粘土剪切强度特性随含水量变化关系探讨

西南喀斯特地区的石漠化已经严重影响了人民正常的生产生活。水土流失是石漠化过程中一个关键环节。喀斯特地区地表广泛覆盖的红粘土在降雨条件下随着含水量的增加和人工垦殖的影响,剪切强度会产生变化,更易发生水土流失。本文以贵州普定石漠化研究区（陈旗村）的红粘土为例,以原状土模拟未经扰动的土样,以重塑土来模拟经过开垦被扰动后的土样,设计了原状土和重塑土在不同含水量下的直剪试验,初步地研究了这一变化规律。结果表明:在含水量大于35%时,石漠化地区红粘土粘聚力和内摩擦角均随着含水量的增加显著降低;在同一含水量水平下,原状土的抗剪强度明显优于重塑土,且随着含水量的增加,重塑土的强度衰减较之原状土快许多,表明了经过人工垦殖后的红粘土在降雨条件下更易发生水土流失。       

极松软煤层工作面片帮力学机制分析与煤体加固实验研究

针对极松软煤层工作面煤壁片帮控制难题,三维有限差分数值计算表明,极松软煤层开挖后在煤壁底角产生剪应力集中,破坏位置由此沿渐变剪应力带牵引至煤壁顶部,产生卸载松弛浅层坍滑片帮。室内实验结果表明,极松软煤天然含水率极低,自身保水能力严重不足,极易失水。含水率由1.46%提高到3.39%,应变量增高154.32%;含水率4.49%,粘土含量10.00%。与无粘土极松软煤相比,抗压强度提高55.02%,应变提高574.26%。含水率在0~4.03%内,抗剪强度与含水率正相关;含水率在4.03%~12.70%区间,随着含水率的增高,抗剪强度迅速降低。且黏聚力对水的敏感度远大于内摩擦角对含水率的敏感程度,存在某一特定含水率,此时抗剪强度最大。极松软煤层可采用施工扰动方法,使煤层在工作面前方壳基支承压力作用下发生团化固结,达到有效应力增加、孔隙比减小、抗剪强度提高的目的。     

碳酸钙含量对钙质砂性质影响的室内试验研究

通过室内试验的方法,研究了碳酸钙(CaCO3)含量变化对钙质砂的颗粒破碎和宏观力学特性的影响。试验结果表明:取自南海海域的钙质砂样碳酸钙含量为95.8%,并表现出高孔隙、棱角明显等特征。钙质砂颗粒破碎本质上是颗粒间应力集中的表现,随着碳酸钙含量的增加、粒径的增大,钙质砂的内摩擦角和相对破碎率明显增加;颗粒破碎导致级配曲线向良好的方向发展,同时,引起较高应力条件下的强度包线具有非线性的特征。相对破碎率随正应力和碳酸钙含量的变化规律可用一组二元双曲线函数关系式表示。     

考虑剪切面积修正的土的剪应力-剪切位移及强度分析

在直剪试验过程中,随着剪切位移的增大,试样的剪切面积不断减小,如果以恒定的剪切面积来计算,所得的剪应力是不真实的,为了克服以上缺点,通过理论推导,得到了不同剪切位移下的剪应力表达式。研究表明,本文所得剪应力比恒定剪切面积法所得剪应力大,其差值随剪切位移的增大而增大,随剪切面直径或边长的增大而变小。当试样的直径或剪切边长为6.18～50 cm,剪切位移为2～60 mm时,本文所得的土的粘聚力提高了4.9%～14.6%,内摩擦角提高了3.9%～13.4%。建议尽量使用剪切面积大的试样进行直剪试验。     

被动桩中土拱效应特征与影响参数研究

采用平面有限元方法,对被动桩在粘性、无粘性土体条件下的土拱形成机理进行了分析。从土拱效应的4个主要方面:土拱形状、桩周土体塑性(拉裂)区的分布、竖向位移等值线及桩后土体残余荷载分担比,探讨了改变桩、土参数,如粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比、剪胀角、桩土接触面特性时,土拱效应的变化规律。研究表明,土性不同时,土拱形成过程中土体的受力和破坏形式不同;泊松比、剪胀角、桩土接触特征对土拱效应的影响最明显;强度高、剪胀角大、桩土接触面粗糙或泊松比小的土体,易形成土拱。根据研究结果,指出Tom io Ito排桩塑性绕流土压力理论计算公式尚存不足。     

尾矿砂二维非饱和渗流的实验研究

为研究尾矿砂非饱和渗流,通过自行设计的仪器进行了二维非饱和渗流实验,得到了实验中的基本现象和渗流稳定后含水率沿水平和竖直方向的分布。利用直剪实验测试了非饱和尾矿砂抗剪强度参数与含水率关系。通过分析综合获取了非饱和尾矿砂抗剪强度参数的空间分布,并利用分析结果解释了非饱和渗流中的基本现象。研究结果表明:尾矿砂非饱和渗流中出现了明显的裂缝和错层;非饱和尾矿砂内沿水平和竖直方向含水率分布均近似服从指数规律;粘聚力随含水率的增加先增后减;内摩擦角随含水率的增加单调递减;抗剪强度参数具有空间分布特点;裂缝和错层源于抗剪强度参数的分布与变化。     

参变量变分原理求解土的变形模量与压缩模量间的关系

运用参变量最小势能原理推导了弹性及塑性状态下的土的变形模量与压缩模量间的关系,认为两者比值与土的内摩擦角Ф、泊松比μ及粘聚力c等土性指标有关,提出了塑性影响因子a及临界应力p^*的概念,指出当试验时土体应力大于土体的临界应力值时,变形模量与压缩模量的理论关系式应引入塑性影响因子a,从而克服了以往基于弹性理论得出的变形模量理论值远小于试验值的不足。     

半无限空间重力隧洞洞室临塑状态分析

利用Mindlin给出的、半无限空间重力隧洞初始应力场下的完整应力解分析了洞室周边的应力分布规律,用数值方法计算出了最大压应力的位置;结合Mohr-Coulomb屈服条件,研究了洞室周边出现塑性点时洞室直径、围岩粘聚力、内摩擦角与相对埋深的关系,以便工程设计应用。     

冻融循环次数和含水率对尾细砂力学性质的影响研究

为研究冻融循环次数和含水率对尾细砂力学性质的影响,利用GDH-2005B型高低温试验箱对尾矿砂试样进行冻融循环,并通过FST-200型应变控制式三轴剪力仪开展五种冻融循环次数(1次、3次、5次、7次、9次)和五种含水率(11%、13%、15%、17%、19%)尾矿砂试样常规三轴试验。研究表明:(1)相同含水率时,随着冻融循环次数的增大,变形模量逐渐减小,内聚力和内摩擦角均呈现降低的趋势;经历9次冻融循环后,内聚力降低至17.4kPa,内摩擦角降为14.82°。(2)相同冻融循环次数条件下,随着含水率的增大,尾矿砂的峰值应力降低,对应峰值应变增大;围压100kPa时,含水率19%的尾矿砂在经历9次冻融循环后应变为18.21%,应力为139.37kPa;各冻融循环次数下的尾矿砂抗压强度均呈现下降的趋势,内聚力和内摩擦角均随着含水率的增大而减小。研究成果可为尾矿砂物理力学性质理论的丰富以及尾矿砂相关工程的安全运营提供参考。     

聚甲基丙烯酸甲酯/纳米有机改性蒙脱土复合材料的制备及其摩擦磨损性能研究

采用乳液插层法制备聚甲基丙烯酸甲酯/纳米有机改性蒙脱土复合材料,采用X射线衍射仪表征复合材料结构,考察有机改性蒙脱土(OMMT)含量对复合材料摩擦磨损性能的影响,并通过扫描电子显微镜观察分析复合材料磨损表面形貌.结果表明:所制备的纳米片状分散型复合材料的磨损率随OMMT含量增加先减小而后增加;摩擦系数随OMMT含量的变化趋势则相反,当OMMT含量为5%时,复合材料的磨损率最小,为PMMA的25%;当OMMT含量为6%时,摩擦系数最大,比PMMA增加8%.复合材料的磨损机制为粘着磨损和磨粒磨损,随着OMMT含量不同,2种机理的表现程度有所变化.     

隧道围岩弹-脆-塑性应力的三剪统一解

基于三剪统一强度准则,采用更符合脆性岩石峰后强度特性的弹-脆-塑性模型,推导了考虑第二主应力和脆性软化共同影响的隧道围岩应力解,并与广义Hoek-Brown强度准则解进行了比较。研究结果表明:第二主应力、围岩材料模型、脆性软化均对围岩应力大小及分布具有显著影响。本文准则参数b=0时的应力解析解与广义Hoek-Brown强度准则应力解的峰值和分布规律均有较好的一致性,说明了本文应力解的合理性;当岩体强度具有明显的第二主应力效应时,广义Hoek-Brown强度准则已不再适用,但本文准则参数b>0时的应力解则具有很好的适用性。同时,理想弹-塑性模型低估了围岩塑性区范围,在准则参数b分别为0、0.05、0.1的情况下,弹-脆-塑性模型的围岩塑性区半径R相比理想弹-塑性模型平均可以增大45.5%;考虑第二主应力效应可以更加充分发挥岩石材料的强度潜能,随着准则参数b的增大,即第二主应力σ2效应的增大,围岩塑性区半径R和临界支护力py均不断减小,相比准则参数b=0时最大值分别减小了18.9%和10.8%。峰后粘聚力cr对围岩应力的影响也很显著,随着峰后粘聚力cr的增加,塑性区半径R不断减小,cr=0.11 MPa时的塑性区厚度比cr=0.055 MPa时减小43.3%。     

南海水合物黏土沉积物力学特性试验模拟研究

利用自行研制的含水合物沉积物合成、分解与力学性质测量一体化试验设备,以南海水合物区域的海底粉质黏土作为骨架,制备含水合物沉积物样品,并对其进行了三轴压缩试验研究,获得了水合物分解前后的应力应变曲线和抗剪强度特性. 结果表明:在水合物饱和度0%~45% 的范围内,水合物沉积物的应力应变曲线均表现为弹塑性变形,存在明显的应变硬化现象;抗剪强度、内摩擦角和黏聚力随水合物饱和度的增加而增加. 相对而言,内摩擦角随饱和度增加幅度较小,其他参数在水合物饱和度超过25% 时,呈陡然增高趋势;水合物分解后导致抗剪强度最大可降低为初始的1/4,不同初始饱和度条件下水合物完全分解后沉积物的抗剪强度基本相等,并大于同等围压条件下初始不含水合物的沉积物抗剪强度.      

微生物矿化风沙土强度及孔隙特性的试验研究

风沙土广泛分布于沙漠地区,其颗粒细小均匀,粒间无粘聚力,易引起风蚀形成沙尘暴的尘源.自行设计实验室制备方法及工艺,通过微生物诱导碳酸钙矿化(microbial induced calcite precipitation,MICP)技术固化沙漠风沙土.分析MICP矿化砂土试样的强度特性,以及菌液浓度,岩土基质的孔隙率及颗粒级配对MICP矿化砂土强度的影响.试验结果表明,当砂土试样的矿化时间为7天,菌液浓度OD600值在0.5～0.8之间,经MICP矿化后的风沙土其无侧限抗压强度平均值为0.66 MPa,内摩擦角平均值为36°,对运用MICP技术矿化沙漠风沙土的可行性进行了试验验证.当岩土基质具有较大的孔隙率且级配良好时,MICP矿化过程更加充分,MICP矿化砂土试样呈现出更好的强度特性.进而,利用核磁共振技术分析MICP矿化前后砂土试样的孔隙特征,测试结果显示经MICP矿化作用后试样的孔隙发育良好,孔隙半径大多分布在30μm～50μm之间,半径为100μm的孔隙提供大部分孔隙体积,且矿化作用后较未矿化前砂土试样孔隙率减小约15%.     

高瓦斯煤层冲击地压发生条件与影响因素

针对高瓦斯煤层冲击地压问题,用解析方法得到冲击地压发生条件,分析了主要影响因素对满足冲击地压发生条件的临界塑性区半径和临界应力的影响规律.结合五龙矿开采实际情况对影响高瓦斯煤层冲击地压的煤的模量比、煤层瓦斯孔隙压力、支护应力和内摩擦角4个因素做了对比分析.研究发现:高瓦斯煤层在巷道掘进面附近由于存在开挖面空间效应,掘进面前方尚未开挖的煤体对巷道变形起到了限制作用,减少了冲击地压的发生,随着掘进面向前推进,后方一定距离范围内的巷道支护应力增大.随着瓦斯解吸渗流的进行,巷道壁处孔隙压力降低,巷道冲击地压危险性明显提高,此时提高支护应力,冲击危险性有所降低.高瓦斯煤层巷道发生冲击地压的临界塑性区半径和临界应力随模量比、瓦斯孔隙压力的增大而快速减小,随支护应力的增大而增大,临界塑性区半径随内摩擦角的增大而增大,临界应力与内摩擦角不是单调函数关系,存在一个极小值点,当内摩擦角小于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而减小;当内摩擦角大于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而增大.