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。     

油松和落叶松根与土界面摩擦特性

通过直接拉拔试验研究了加载速率、根系埋深和不同树种对根系与土体的摩擦特性的影响.结果表明：被拉断的根系最大拉拔力和位移关系曲线分为陡峭上升和陡峭下降两个阶段,被拔出的根系最大拉拔力和位移关系曲线分为陡峭上升、陡峭下降和平缓下降3个阶段;加载速率或埋深增大时,根土静摩擦力及其对应位移亦增大;落叶松的根土静摩擦力及其对应位移比油松的根土静摩擦力及其对应位移大.     

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．     

饱和超固结黏性土的三剪弹塑性本构模型研究

针对饱和超固结黏性土现有下加载面修正剑桥模型中破坏应力比为定值、土体黏聚力为零,以及不能准确反映不同应力状态下土的强度差异这些问题,基于三剪统一强度准则以及应力坐标平移法得到了扩展破坏应力比,其特点是能更好地反映应力状态变化以及土体黏聚力的影响.在此基础上提出了饱和超固结黏性土的三剪弹塑性本构模型,该模型的特点是能描述土体受力时的中间主应力效应,应力区间效应和拉压差影响,同时也能更好地考虑土体黏聚力的影响.基于该模型对ABAQUS软件进行了二次开发,对江西赣南崩岗土常规三轴压缩条件下力学特性作了模拟和试验结果对比,结果表明所提模型能很好地反映土体不同超固结比下的变形、剪胀、孔隙水压力变化特性.并利用其模拟了饱和超固结黏性土在不排水和排水条件下的真三轴和常规三轴压缩试验特性.     

不同含水率下尾矿与土工格栅界面特性的试验研究

含水率是影响尾矿加筋结构稳定性的重要因素。通过室内拉拔试验,对不同含水率(1.5%、9.7%、19.3%)下尾矿与土工格栅的界面特性进行了研究。结果表明,土工格栅的最大剪应力与法向应力呈线性相关,能够反映筋-尾矿界面参数似粘聚力和似摩擦角;似粘聚力随含水率增大先增大后减小,似摩擦角随含水率增大先减小后增大;在含水率增大过程中存在界限含水率,大小约为10%;在界限含水率下,似粘聚力达到最大值,似摩擦角达到最小值;似摩擦系数随法向应力增大呈非线性递减,可以二次抛物线拟合反映二者关系;在不同含水率条件下,似摩擦系数随含水率增大呈现先增大后减小规律,与对应界面参数似粘聚力的变化一致。上述试验分析成果对应用土工格栅进行尾矿坝加筋设计有一定的指导价值。     

EKG用于排水加固细粒尾矿的试验研究

针对尾矿干式堆存后期尾矿坝受到外来水及内部孔隙水侵害的问题,采用电动土工合成材料(EKG)对非饱和细粒尾矿砂进行室内脱水试验,研究EKG对非饱和尾矿砂含水率、沉降量和抗剪强度的影响以及电化学作用。研究表明:随着阴极电渗水不断排出,基质吸力增大,产生颗粒表面黏聚力,导致有效应力增加,从而土体强度增大;电流呈现出先短暂增加,随后按照负指数的规律衰减;电势在土体电阻增大的作用下发生降低,且在阳极附近电势降特征显著;末期电渗作用受界面电阻抑制,排水速率缓慢。EKG室内脱水试验后的尾矿砂含水率降低,抗剪强度提高,表现出较好的加固效果。     

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。     

深埋圆柱形隧洞黏弹性衬砌-土系统稳态振动的解析解

衬砌和土体具有黏弹性性质.将土骨架和衬砌结构视为具有分数阶导数本构的黏弹性体,在频率域内研究了深埋圆柱形隧洞衬砌和土体系统的动力特性.基于黏弹性理论,根据界面连续性条件,分别得到了黏弹性土体和衬砌结构的径向位移、应力等的解析表达式.在此基础上,对比分析了经典弹性土和弹性衬砌系统、分数导数黏弹性衬砌和土体系统的动力特性.考察了土体和衬砌的模量比、衬砌厚度、分数导数阶数、材料参数比对系统动力响应的影响.结果表明:经典弹性土和弹性衬砌系统与分数导数黏弹性衬砌和土体系统的动力特性存在较大差异.随着分数导数阶数的增加,衬砌的径向位移和环向应力幅值明显减小;土体的黏性对系统动力特性的影响大于衬砌黏性的影响.     

植物根土界面摩擦力的影响因素研究

为探索影响林木根系与土壤界面摩擦力的因素,采用施加拔出荷载的方式对林木根系进行单根拔出试验.结果表明:根系与土壤界面的摩擦力随根系直径和埋深的增加而呈线性规律增大;平均摩擦力的大小随土壤含水率的增加呈现先增大后减小的规律;摩擦力随加载速率的增加而减小;不同树种的根系与土壤摩擦力和摩擦系数差异显著,平均摩擦力大小表现为白桦落叶松蒙古栎油松,平均摩擦系数表现为落叶松蒙古栎白桦油松.     

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。     

基于离散元模型的土石混合体直剪试验分析

土石混合体是由高强度块石和低强度土体组成的一类特殊工程地质材料,其力学性质可通过直剪试验进行确定。本文针对土石混合体的细观材料特性,分别采用球形颗粒单元和非规则组合颗粒单元模拟土体和块石材料,对其在不同含石量和颗粒粘结强度下的直剪试验过程进行离散元分析。计算结果表明,土石混合体的抗剪强度随着含石量和粘结强度的增加而增加;通过不同法向应力下直剪试验的离散元分析,确定了不同含石量下土石混合体材料的内摩擦角和粘聚力。本文研究结果有助于进一步揭示土石混合体的抗剪强度特性。     

Evaluation of penetrometers for measuring soil strength

Cone index, as determined by a cone penetrometer, is frequently used as a measure of soil strength. The index is a compound parameter involving components of shear, compressive and tensile strength and soil metal friction. In order to assess the effect of soil type and condition on the relative contributions of these components to penetration resistance, the forces required to push blunt and sharp probes into two soils under a range of moisture contents and bulk densities were investigated. The maximum penetration force in homogeneous soil was not uniquely related to dry bulk density or cohesion, but varied with soil moisture content.At high and low moisture contents, the soil tended to interact with the shaft of the penetrometer thus increasing the resistance to penetration. At low moisture content, bodies of compressed soil formed in front of the probe, effectively changing the probe geometry.It was concluded that interpretation of cone index in typical layered field soils is difficult. Even in homogeneous soils, the proportion of shear, compressive and tensile components that the cone index reflects varies with soil condition.     

On the mechanical properties of soil as they affect traction

In order to explore some of the controversies encountered in soil testing, the author conducted numerous tests with the purpose of determining soil shear strength and the factors influencing it. Five different representative soil types were used, and the influence of void ration and moisture content on cohesion and internal friction was examined. A suitable parameter employed in soil physics was found by means of which the measured mechanical characteristics were arranged into a multi-variable system. The author determined that the interpretation of their meaning contradict the classical soil mechanics definition of shear stresses. The contradiction is eliminated by the author's new interpretation of the shear diagram which is in consonance with the tenets of classical soil mechanics.     

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。     

温成形摩擦界面粉末润滑层宏微观特性的试验研究

温成形时加入润滑剂,可提高产品质量,降低变形力,延长模具的使用寿命.不同温度下润滑剂的性能不同,也影响加工界面的摩擦特性.通过将松散的石墨粉导入到面接触摩擦副间隙中,可以在轴向载荷和剪切力作用下形成减摩性能良好的粉末层,实现高温和高压成形过程的良好润滑.采用多功能摩擦磨损试验机研究温度对温成形粉末润滑界面的影响,对粉末润滑润滑的摩擦副表面进行电子显微镜观察、三维轮廓分析、能谱分析、元素含量分析及拉曼分析,获得温度影响温成形摩擦特性的现象和机理.结果表明:温度对温成形中粉末润滑界面的摩擦特性有很大影响,不同温度下摩擦系数发生改变,而粉末润滑层的平整性、完整性以及石墨有序化程度也随温度改变,而这些因素都是温度改变粉末润滑效果的内在原因.     

矿物凸起在贝壳珍珠母界面中摩擦耗能机理的研究

论文建立了珍珠母矿物质板相对滑移时表面矿物凸起相互攀爬摩擦的理论模型,得到了界面等效摩擦性能可以表示为两个无量纲参数的函数：凸起高宽比α=A/l、凸起高度与板厚度比β=A/D。理论预测与有限元模拟结果对比,两者符合良好,验证了理论模型的有效性。通过理论和计算分析,得到以下结论：（1）矿物质表面凸起的存在对板间界面摩擦起到了显著的增强作用;（2）等效界面摩擦系数随α增大而增大,但与β无关;（3）α和β的提高均能提高界面等效剪切强度和摩擦耗能。该研究揭示了矿物质板表面凸起的微结构特征对界面摩擦耗能机制的影响规律,对于理解珍珠母贝壳等承力生物材料的界面增强增韧机理和指导相关仿生复合材料的设计有重要意义。