反分析法与室内试验法确定岩质边坡结构面抗剪强度对比研究——以西柏坡纪念馆不稳定斜坡为例

岩质边坡结构面抗剪强度是分析边坡稳定性的重要参数。反分析法是视滑坡将要滑动而尚未滑动的瞬间为极限平衡状态,求解滑动面抗剪强度的一种方法,相对于室内实验和原位测试具有成本低的特点,但其普适性较差,对反分析法的应用条件进行研究对该方法在边坡工程中的准确应用具有重要意义。本文用反分析和室内试验两种方法确定西柏坡纪念馆不稳定斜坡结构面抗剪强度,发现对于单滑动面岩质顺层滑坡,直接采用滑坡断面进行反分析获得的结构面抗剪强度与室内试验结果相近,可用于评价同一结构面边坡的稳定性。     

膨胀土的现场抗剪试验研究

由于膨胀土的裂隙性和超固结特性,膨胀土的抗剪强度不仅是膨胀土地区边坡设计的重要依据,而且一直是膨胀土边坡研究领域的重要课题。本文以南阳膨胀土为例,对膨胀土现场抗剪试验的试样制备及试验方法进行探讨,通过对该地区典型滑坡反算证明,文中的现场抗剪试验方法及抗剪强度的计算公式是合理的。     

乔木根土复合体的抗剪强度实验研究

为了探索乔木根和非饱和红粘土所组成的根土复合体的抗剪强度与土体含水量的关系,及平行双根与剪切面夹角大小对抗剪强度的影响,采用课题组自行研制的大型土复合体直剪仪,进行了大型直剪实验。结果表明:当含水量大于塑限后,根土复合体的抗剪强度随含水量的增大而减小;当含水量越大,越接近液限时,抗剪强度的峰值与最小值越接近;当含水量一定时,根系与剪切面呈一个大于45°的锐角时,抗剪强度最高;抗剪强度峰值出现对应的角度与含水量有关,含水量越大,峰值出现对应的角度越大,且越接近90°。本文为拓展乔木根系对边坡抗剪强度的影响提供了实验依据,对乔木的固土护坡的研究具有积极意义。     

颗粒离散元模拟堆积碎石土变形的参数灵敏度分析

采用颗粒离散单元方法,实现任意形状块石的模拟,基于室内试验数据标定滑坡坡体物质的堆(残、坡)积碎石土的细观参数,并考虑试样尺度效应,对影响堆积碎石土宏观变形特征的细观参数进行虚拟试验敏感度分析。研究表明,1以三轴剪切试验获得测试数据并标定颗粒离散元细观参数具有相对误差在5%以内的可靠性;2虚拟模型1(101mm×200mm)与模型2(300mm×600mm)对标定的细观参数具有尺度效应,但其相对误差控制在9%以内;3离散元颗粒间的摩擦系数与碎石土的内摩擦角、抗剪强度及残余强度为非线性正相关,摩擦系数每增加0.1,峰值主应力差平均增加118.85kPa,残余强度平均增加90.44kPa;4围压越大,材料的剪胀性越弱,围压在100kPa~500kPa时,剪胀特征值K在3~6之间变化,随着围压增加,模型破坏时的粘结力以近线性增加;5杨氏模量越大,碎石土的抗剪强度越大,但两者之间并不成线性关系,且不同杨氏模量对材料的残余强度没有显著影响。     

基于室内试验与数值模拟的膨胀土裂隙对强度影响规律研究

针对室内试验测试多裂隙发育膨胀土抗剪强度指标的困难,提出以室内试验与数值模拟相结合的研究方法;以不同产状单裂隙面膨胀土三轴试样在200kPa围压下的CD试验结果为样本,基于颗粒流原理,采用PFC3D软件进行仿真试验,获得了与三轴试验结果相一致的PFC3D球颗粒参数和裂隙参数;以此参数为基础,进行不同裂隙产状膨胀土的仿真试验,初步探寻了裂隙发育对广西宁明膨胀土的强度影响规律。研究发现:裂隙发育是膨胀土强度衰减的主要原因;裂隙的空间角度、不同裂隙的组合、裂隙发育程度均对膨胀土抗剪强度指标产生影响,且对黏聚力的影响较大;与无裂隙情况相比,裂隙率达14.06%时,C值降低71.2%。     

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。     

基于van Genuchten模型的非饱和土非线性抗剪强度研究

为了更直观和全面地揭示非饱和土的抗剪强度变化规律,针对土体剪切破坏面上抗剪强度与法向应力呈非线性关系以及基质吸力关联摩擦角随基质吸力改变呈非线性变化这两种实验现象,结合vanGenuchten土水特征曲线模型,提出了非饱和土的非线性抗剪强度包络壳模型,进而推导得出了基于土水特征曲线(SWCC)相关参数的非饱和土非线性抗剪强度计算公式。研究表明:模型中各参数较易获取且无须增加额外的试验;与Fredlund包络(平)面模型相比,本文模型参数获取过程更为客观,可有效保证计算的唯一性和准确性;通过与已有文献所给试验结果进行对比分析,本文模型的适用性与可靠性得到了验证,相较于著名的Fredlund非饱和土抗剪强度计算公式,由本文方法给出的非线性抗剪强度与土体真实抗剪强度更为接近。     

两组节理控制下的公路岩质边坡稳定性分析及防控措施研究

节理岩质边坡的稳定性很大程度上取决于节理的抗剪强度及节理分布形式,多组节理控制下的岩质边坡稳定性分析存在参数选取和计算方法方面的问题。本文以某公路的节理岩质边坡为研究对象,采用节理抗剪强度折减的有限元方法研究了两组节理控制下的岩质边坡滑动机理,通过节理室内剪切试验和边坡稳定性反分析相结合的方法给出了合理的节理抗剪强度参数:节理1的强度参数是内聚力30k Pa、内摩擦角40°;节理2的强度参数是内聚力5k Pa、内摩擦角5°。在此基础上,考虑爆破施工对边坡岩体节理抗剪强度的弱化作用,对边坡稳定性进行了评价,分析结果得到了边坡的潜在滑动模式为节理控制下的浅层滑动。针对该边坡实际情况建议了以预应力锚索地梁为主的防控措施,即坡面中部采用三排1000k N级预应力锚索,间距3m,钢筋混凝土地梁水平间距5m。     

确定非饱和粉土吸附强度的试验研究

非饱和粉土的吸附强度是土力学研究中的难点。针对非饱和粉土吸附强度的影响因素复杂且难以确定等问题,以饱和粉土抗剪强度计算公式为基础,以非饱和粉土抗剪强度作为过渡,研究吸附强度的确定方法。本文通过对不同含水率条件下的非饱和粉土进行固结不排水三轴剪切试验,利用MATLAB对得到的试验结果进行线性回归分析,探究非饱和粉土吸附强度与含水率之间的关系,提出了非饱和粉土吸附强度的计算公式。研究结果表明,非饱和粉土的吸附强度与含水率呈线性递减趋势。本文提出的计算公式可为非饱和粉土的理论分析和工程应用提供参考。     

不同颗粒粒径重塑与原状膨胀岩物理力学性质变化规律研究

以南宁盆地膨胀岩为研究对象,通过室内试验测定原状样与不同颗粒粒径重塑样的膨胀力、抗剪强度及热特性,研究其性质差异。结果表明:重塑后不同粒径范围膨胀岩土样的无荷膨胀率较原状样明显升高,而主应力差峰值、抗剪强度和热物理指标较原状样均有降低。因此,应选择合适粒径范围的土颗粒重塑代替原状样进行室内试验:无荷膨胀率和膨胀力试验应选择粒径范围1 mmd 2 mm的土颗粒;三轴试验和热物理指标测试应尽量选择粒径较小的土颗粒。     

Prediction of transient displacement, velocity, and force on projectiles penetrating cohesive soils

A closed-form solution is developed for predicting transient displacement, velocity, and force as well as residual displacement and duration for both flat and pointed projectiles penetrating cohesive soils. Because transient response can be represented as a 3 parameter space of nondimensional numbers, displacement, velocity, and force are each presented in a single graph. Experimental test data for different soils and penetrator contours are used to demonstrate the validity of both transient and residual responses. Of great importance in this solution and soil dynamics in general is the advancement of a hypothesis for the dynamic interaction of intergranular stress, pore water pressure, and pore air pressure in the resisting force that retards penetration. Because fundamental dynamic pore pressure theory is used to develop this analysis, basic soil properties (cohesive yield strength, density, and degree of saturation) are used to characterize the cohesive soil.     

Analysis of soil flow and traction mechanics for lunar rovers over different types of soils using particle image velocimetry

Grouser wheels have been used in planetary rovers to improve mobility performance on sandy terrains. The biggest difference between a wheel with and without grousers is the soil behavior beneath the wheel as the grousers shovel the soil. By analyzing the soil flow, we gain insight into the mechanics dominating the interaction between the wheel and the soil, directly impacting performance. As the soil flow varies depending on the soil properties, the effects of soil type on soil behavior and wheel-traveling performance should be studied. This paper reveals the difference in soil flow and wheel performance on cohesive and non-cohesive soils. We conducted a series of single wheel tests over different types of soils under several wheel-traveling conditions. Soil flow was visualized by using particle image velocimetry (PIV). The experimental results indicate that soil flow characteristics highly depend on the shear strength of the soil. The cohesive soil exhibited lower fluidity due to its higher shear strength. At the same time, the wheel displayed a higher traveling performance over the cohesive soil, that is, a lower slip ratio.     

INFLUENCE OF SAMPLE PREPARATION TECHNOLOGY ON SHEAR BEHAVIOR OF INHERENT ANISOTROPIC SAND IN TRIAXIAL TESTS 1)

基于砂土颗粒的毛细效应特性和冻融试验原理,提出一种砂土试样制备方法,能够在0°~90°范围内任意选取沉积方向,且适用于不同颗粒级配的试样。在中围压条件下进行三轴固结排水剪切试验,研究结果表明,毛细效应、冻融相结合的制样方法能够减缓压缩剪切试验的应力-应变关系增长速度,降低试样的抗剪峰值强度,对残余强度的影响相对较弱。在其他应力路径条件下,例如拉伸、减压压缩、等应力压缩等试验中,可以不考虑装样方法的影响。建议的制样方法能够合理应用到砂土初始各向异性的研究工作中。     

非饱和黏性土抗剪强度的温度效应试验研究

为了系统地了解温度对黏性土工程性质的影响,本文采用南京地区三种不同矿物成分的黏性土,制成不同含水量和干密度的试样,在5~45℃条件下,开展了抗剪强度试验,获得了三种土的非饱和重塑试样的抗剪强度与温度的关系。试验结果表明:黏性土的黏聚力随温度升高呈线性变化; 亲水矿物含量较高的黏性土抗剪强度对温度变化较敏感,黏聚力随着温度的升高而降低,表现为强度的热软化现象; 亲水矿物含量较低的黏性土,当含水量较低(w≤17%)时,表现为强度的热硬化现象,当含水量较高(w≥22%)时,表现为强度的热软化现象,且干密度越高的试样,强度的温度效应越明显。论文还分析了非饱和黏性土抗剪强度的热硬化和热软化的内在机理。     

微团聚体分析在工程地质研究中的应用

微团聚体是天然粘性土的基本结构单元, 微团聚体的组成、水稳性和强度是粘性土工程性质形成的重要原因。本文通过对黄土与海相软土这两种典型的粘性土颗粒分析与微团聚体分析结果的对比, 研究了水稳性与非水稳性微团聚体的形成原因, 并在此基础上探讨它们的工程特性的形成。     

石英砂粒径对水合物沉积物力学性质的影响

利用自主研发的水合物沉积物原位合成与力学性质测试的高压低温三轴仪,通过多级加荷的试验方法,以不同粒径的砂粒作为沉积物骨架进行三轴压缩试验,得到了剪切过程的应力-应变关系曲线,以及不同粒径尺寸沉积物的强度,还有剪切过程中的体积变化关系。结果表明:含水合物沉积物强度随着沉积物粒径尺寸的增大而增强;在降压剪切过程中,所有粒径的水合物沉积物式样均有明显的剪缩现象。     

Prediction of trafficability for tracked vehicle on broken soil: real size tests

Full-scale tests were carried out within the broader framework of a study of an operational mechanical mine clearance system. This system is made up of a tracked machine pushing a mine clearance plow that scarifies the soil to approximately 30 cm depth. This study examines the capacity of the tractor to move on a disturbed soil. This paper presents motion resistance tests and drawbar pull tests on four types of soil. The soils have been chosen to be scientifically representative of the broad distribution on our planet: a sand (frictional soil), a silt (cohesive soil), a silty gravel (coarse-grained soil), and a silty sand (cohesive soil). The tests are performed in two configurations: on compacted soils and on soils scarified with an experimental plow. The results of each test condition are described. The effects of the soil type, its state, and the speed of the tested vehicle are presented. Using these results and, in addition, full-scale tests of scarification, we present an operational analysis determining the mobility of a tracked vehicle on broken soil. This method makes it possible to calculate the maximum speed of a mechanical mine clearance system for the whole range of soils tested.     

Simulation on mechanical behavior of cohesive soil by Distinct Element Method

Analysis in the dynamic mechanical behavior of cohesive soils subjected to external forces is very important in designing and optimizing terrain machines. Distinct Element Method (DEM) is an ideal method to analyze large discontinuous deformations of soil, but the conventional DEM model is difficult in simulating the complex behavior of cohesive soil. In order to simulate and analyze the behavior of cohesive soil accurately, the DEM mechanical model of cohesive soil with parallel bonds between particles was established by considering the capillary and the dynamic viscous forces induced by the presence of water between soil particles. During the excavation process by a bulldozing plate, the dynamic behavior of cohesive soil was simulated by DEM software PFC2D. The phenomena that the discrete particles were bonded into clusters initially, and the clusters were broken into smaller clusters or discrete particles during the excavation process, are consistent with the ruptures and separations of the actual cohesive soils subjected to external forces.     

考虑非饱和粘性土含水量变化的地铁隧道围岩土体稳定性分析

含水量是非饱和土力学性质的重要控制因素,非饱和粘性土是北京地铁苏州街车站隧道的主要围岩土体类型,应用钻孔取样的方法取得隧道周边区域内的土体系统样本,通过三轴试验和含水量测试建立了非饱和粘性土围岩的变形和强度参数与含水量的相关性,进而明确了该工程场地非饱和粘性土的主要参数与含水量的关系,以此为基础确定了工程场地不同区域的土体力学参数,通过有限元数值分析方法研究了施工过程中的围岩土体稳定性与地表沉降量,明确了考虑土体含水量变化条件下的隧道开挖施工过程中的围岩土体稳定性状况。     

大错位量散斑干涉法测量残余应力

本文提出大错位量激光散斑干涉法结合钻孔法测量残余应力,对单向拉伸残余应力进行了测量,试验结果与理论解非常吻合,并且实现了对真实构件表面残余应力的测量.