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。     

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。     

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。     

含水率与粗料含量对砾石土力学性能影响的试验研究

诸多隧道围岩由宽级配的砾石土组成,砾石土含水率和粗料含量变化时,其力学性能存在较大差异。本文选取集呼高速金盆湾隧道浅埋段具有代表性的砾石土样本进行了室内大型直剪试验,研究了砾石土的力学性能随含水率和粗料含量的变化规律。试验结果表明:当含水率在5.37%~19.19%之间变化时,粘聚力随粗料含量的变化呈相同的变化规律,随着粗料含量增加,粘聚力先迅速下降,后显著增高,在粗料含量为45%左右时取得最小值;当含水率为10%~15%之间的某值时,细料颗粒处于最优含水率状态,当含水率超过最优含水率时,粘聚力显著下降;内摩擦角随粗料含量增加逐渐增加,随含水率增加逐渐降低;结合隧道围岩砾石土的颗粒级配特征,当含水率大于10%时,粘聚力和内摩擦角显著降低,隧道围岩稳定性也随之降低。     

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%.     

金沙江中游凝灰岩强度参数综合识别研究

凝灰岩是一种典型的分布不规律、易崩解、难取样火山碎屑岩,其强度参数难以准确评估。本文依托华丽高速公路金沙江特大桥工程,判定丽江岸为反倾坡,为陡倾结构面或卸荷裂隙带剪入、缓倾结构面剪出组合滑移模式,破坏规模有限;华坪岸为顺层坡,为陡倾结构面或卸荷裂隙带剪入、凝灰岩层主滑、缓倾结构面剪出组合滑移模式,破坏规模较大。T3和T2凝灰岩软弱层为关键层,其强度参数对岸坡稳定性影响很大。针对此种情况提出了经验、试验、数值反分析相结合综合识别凝灰岩强度参数的方法。利用这种方法,在工程岩体分级标准GBT50218-2014、水利水电岩石力学参数手册、室内外试验、数值反分析的基础上,综合确定了凝灰岩带泥化参数为内摩擦角24°、粘聚力50k Pa、泥化率60%;凝灰岩层内摩擦角29°、粘聚力90k Pa,在工程经验取值的范围之内;玄武岩内摩擦角36°、粘聚力600k Pa,在水利水电工程岩石力学手册推荐值范围之内;IV陡倾结构面强度参数内摩擦角35°、粘聚力150k Pa,符合一般结构面试验经验值。经计算复核,埋深浅、局部分布的T3凝灰岩主滑模式下安全系数为1.65~2.15;埋深大、分布连续的T2凝灰岩主滑的安全系数为1.32~1.67,T2主控下的安全系数要比局部分布T3情况小约0.33~0.48,平均降低约21%。虽然T2主控下的最不利工况安全系数也大于1.30,但是在实际施工和运行过程中仍需关注T2凝灰岩层可能形成的深大滑移问题。类似和临近工程可参考该凝灰岩强度参数或强度参数综合识别方法。     

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。     

长期冻融循环引起黄土强度劣化的试验研究

以陕西杨凌地区黄土为研究对象,进行了不同含水率、不同干密度的黄土在不同冻融循环次数作用下的直剪试验,探索出进行黄土反复冻融循环试验的方法和控制标准,探讨了封闭系统下黄土在反复冻融循环作用下的抗剪强度劣化特性规律。试验结果表明:黄土在反复冻融循环作用下,表面破坏比较严重; 随着冻融次数的增加,黄土的黏聚力先减小后增大,最低值发生在10次冻融循环之内; 内摩擦角基本不变; 反复冻融循环作用在3～5次对黄土强度有较大的影响,会导致黄土强度的劣化现象发生,但长期冻融作用则会主要体现在对黄土表面的变形破坏等其他方面。     

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。     

Cone penetration resistance equation as a function of the clay ratio, soil moisture content and specific weight

The cone penetrometer is a simple versatile device which is widely used to monitor the strength of a soil in terms of its resistance to the penetration of a standard cone. The soil penetration resistance is a function of soil moisture content, soil specific weight and soil type. The soil type is characterised by means of a clay ratio which is the ratio of the clay content of the soil to the content of silt and sand.Based on the classical bearing capacity theories for strip foundations, a general cone penetration resistance equation is developed to represent the variability of cohesion and friction angle by means of soil type and moisture content. The empirical relationship is shown to give an accurate prediction of the cone penetration resistance for a wide range of soils from a loamy sand to a heavy clay (clay ratios 0.10–1.60) and over a wide spectrum of soil moisture contents from 10 to 65% w/w.     

浙东大运河非饱和粉质黏土抗剪强度特性的试验研究

浙东大运河绍兴段的土体整体上受河流相和海相沉积的影响,地质条件非常复杂．其中粉质黏土作为浅表层土体,受雨水影响较大,其状态经常处于饱和状态与非饱和状态之间．为了进一步探究绍兴段典型非饱和粉质黏土的稳定性差异,以及本构关系和强度指标的变化规律,通过全自动非饱和土应力路径三轴仪,对试验土样进行了三轴剪切试验．试验结果表明,初始干密度从1.4 g/cm3增加到1.6 g/cm3时,土体的抗剪强度、总黏聚力、有效内摩擦角和吸附内摩擦角均增大,应力-应变关系曲线由应变硬化型向应变软化型转变,并且基质吸力和净围压越大,区别越明显;基质吸力从0增加到300 kPa时,土体的抵抗变形能力提高,抗剪强度和总黏聚力增大,有效内摩擦角基本无明显变化,吸附内摩擦角逐渐减小．研究结果揭示了浙东大运河绍兴段非饱和粉质黏土的抗剪强度特性的变化规律,为该地域土质边坡、基坑等工程提供理论依据．     

Measurement of soil parameters useful in predicting tractive ability of off-road vehicles using an instrumented portable device

An instrumented portable device that measures soil sinkage, shear, and frictional parameters in situ was developed to investigate the complexity of soil-traction device interaction process. The device was tested to determine its ability to measure soil frictional and shear characteristics. Extensive laboratory tests were conducted using dry and moist Capay clay and Yolo loam soils. In addition, field tests were also conducted in a Yolo loam field located at the UC Davis Agricultural Experiment Station. The Cohron sheargraph was also tested under the same laboratory experimental conditions to determine adhesion, soil-metal friction, cohesion, and angle of internal friction of soil. The analysis of experimental data indicated that soil adhesion and soil-metal friction were found to be functions of the intercept and slope values of cone torque versus cone index plot (r² = 0.94 and 0.95, respectively). Moreover, soil cohesion was found to be related to adhesion by the constrained adhesion relationship, and soil angle of internal friction was proportional to soil-metal friction as reported by Hettiaratchi [7] and [8]. These results imply that a simpler device consisting of a rotating cone can be developed to measure soil frictional and shear characteristics. Preliminary results showed that the soil parameters determined using this device predicted the maximum net traction developed by four different radial ply tires tested by Upadhyaya et al. [18] under similar soil conditions quite well. These results indicate that the parameters obtained from the device could be useful in obtaining traction related parameters of a soil-tractive device interaction process.     

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。       

加筋土强度的理论研究及试验验证

将加筋材料对土体强度提高的贡献等效成一种附加围压, 通过莫尔圆法, 求得小主应力增量, 并认为土体在破坏时处于极限平衡状态, 得到了黏聚力和内摩擦角同时变化时的加筋土强度表达式, 对该式作了详细讨论, 用该式计算了6 例典型加筋土在轴对称荷载下的大主应力, 结果表明计算所得大主应力值与三轴试验值比较吻合.     

冻土力学的研究进展与思考

从冻结土的宏观力学性质,正冻土中的水、热迁移理论,正 冻土的水热力耦合模型四个方面分析综述了国内外冻土力学的发展 历史、研究现状与我国冻土力学研究中存在的问题,指出：（1）当 前冻土力学的研究内容应该从对冻结土的宏观强度与变形性质向更 切合实际工程需要的正冻土、正融土微、细观热、力学耦合性质方 面深化;（2）冻土力学的研究思路应该从对土样纯力学量的试验研 究向土样组构、级配、含水量、饱和度等土性指标在不同负温下对 土样颗粒排列与胶结特性的强度、变形影响机理方面转移;（3）冻 土力学的研究对象也应该从室内冻结试验的研究向具有各种不同水 热交换边界条件与水热迁移内在规律的冻土体发展。     

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。     

Heat,Water, and Solute Transfer in Unsaturated Porous Mdeia: II -- Compacted Soil Beneath Plastic Cover

Soil surface dynamics involve coupled transferof heat, water, and solute. An experimental andtheoretical study of heat, water, and solute transferin closed compacted soil columns under surfacetemperature wave amplitudes is presented. Thetemperature wave amplitudes ranged from 17.9 to 21.0°C. Potassium chloride solution was used tomoisten Clarinda clay and Fayette silty clay loamsoils. Initial water contents of 0.403 and 0.279 andinitial solute concentrations of 0.062 and 0.052 mol kg^-1were used in Clarinda and Fayette soils,respectively. The moistened soils were packed andcompacted in PVC columns (0.075 m diameter and 0.30 mhigh). Bulk densities of the compacted Clarinda andFayette soils were 1403 and 1585 kg m^-3,respectively. The columns were buried in soil suchthat column surfaces were exposed to natural as wellas artificial radiation and thermal conditions. Thecoupled nonsteady-state balance equations of mass andenergy were solved numerically to predict soiltemperature, water content, and solute concentrationdistributions. The theoretical model described soiltemperature, water content, and solute concentrationwell as compared with the measured values. TheFickian diffusive solute flux was one or two orders ofmagnitude greater than salt-sieving and thermal-diffusion solute fluxes.     

膨胀土胀缩性评价中有关问题的研究

膨胀土吸水膨胀、失水收缩，产生地表变形，进而导致建筑物破坏。本文就现行膨胀土胀缩性指标试验及地基变形量评价计算中有关问题进行了研究，认为以天然含水量为起始含水量测定土样胀缩率是不合适的，建议以缩限为起点进行膨胀试验，以胀限为起点进行收缩试验，采用加荷膨胀量（而非卸荷膨胀量）参加有荷载下的膨胀率计算。膨胀土地基勘察必须结合场地条件分析可能影响土体含水量变化的因素，对同一工程采用几种方法评价，互相对比、参照。