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。     

不同围压下草本植物根系对土体加筋效应试验研究

通过从野外直接挖取草本植物狗牙根根系,并将其与海南地区红粘土随机混合,采用一次性成样方法对根土复合体进行了多个围压下的室内常规三轴试验,其围压分别为20k Pa、30k Pa、40k Pa、100k Pa、200k Pa、300k Pa;对根土复合体的抗剪强度指标、加筋效果进行了分析及评价,指出了在不同围压作用下复合体抗剪强度指标的变化情况.试验数据分析可知:(1)单根狗牙根的抗拉力与直径呈正相关线性关系,而抗拉强度与直径呈衰减形幂函数形式;(2)狗牙根根系的存在可有效提高土体的抗剪强度,根土复合体的主应力差增长速度快于素土,且其应力应变曲线应变后期明显不同于素土,复合体曲线应变后期呈现应变硬化现象;(3)根土复合体的抗剪强度随围压而变化,高围压作用下土复合体的粘聚力及内摩擦角与素土相比分别提高了159.23%和13.56%,在小围压作用下的增长幅度分别为35.87%和10.86%;因此,采用大围压进行试验显得不合适宜,小围压作用下的根土复合体更加符合草本植物根系的浅层加筋作用.小围压作用下的根土复合体三轴试验研究成果对进一步开展小型边坡防治、水土保持提供了参考依据.     

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。     

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。     

热带雨林地区乔木树根力学性能试验研究

针对海南地区四类热带乔木树根进行室内抗拉、抗剪力学性能的研究;结合根簇形态特征,对四类树种单根力学性能进行分析。研究结果表明:随着根径增加,四类树种单根抗拉力明显增加,而单根抗拉强度则呈降低趋势;随根径的增加,树根抗剪力逐渐增加,单根抗剪强度则逐渐减小;树根在根系中的生长方向和分布密度对树根的力学性质产生影响,竖直向下生长的主根主要提供抗剪强度及抗拉强度,而与主根簇中主根夹角越大的树种,其侧根所提供的抗剪强度相应越小;结合边坡工程对植被的要求,认为小叶榄仁及凤凰木的各方面力学特征优于同试验的其它树种,表现出更好的工程适用性。     

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.     

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.论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.论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.     

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.      

浅层滑坡中乔木直根阻滑效应及变形特性试验研究—前后双根

乔木根系在土中所处位置不同,其对土体的强化作用以及自身的变形情况也就不同。通过自行研制的可用于模拟不同深度浅层滑动面的层叠式根土复合体直剪仪对海口橡胶树(乔木)直根进行了根土复合体大型直剪试验,得到了不同深度剪切面处根系对土体的强化效果以及根系通长范围内的变形情况。试验结果表明:乔木根系的存在有助于提高土体的强度和具备阻止或延缓小型浅层滑坡产生的能力;乔木根系的变形主要集中在相邻剪切面之间,此范围之外基本无变形;随着剪切深度的下移,深入稳定土层的根系长度则逐步减少,含根土所能承受的推力值不降反升;树根的存在可改变土体的破坏曲线形式,出现应变硬化现象;前后根系在土中的变形并不一致,剪切面处前根的变形始终最大,剪切面之上前根变形小于后根,剪切面及其之下前根变形大于后根。试验结果得出,乔木根系可对边坡的稳定性起到积极作用,有阻止或延缓边坡下滑的趋势,其试验数据及结论可为乔木根系在浅层滑坡中的锚固理论提供依据。     

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。     

柠条、沙柳根与土及土与土界面摩擦特性

通过直剪试验研究了垂直荷载、土体干密度、土体含水率对柠条根-土界面、沙柳根-土界面以及土-土界面摩擦特性的影响.结果表明:柠条根-土界面、沙柳根-土界面与土-土界面的剪切特性相似,均服从莫尔-库仑理论;柠条根-土界面、沙柳根-土界面的摩擦系数随着土体干密度的增大而增大;土壤含水率对柠条根-土界面、沙柳根-土界面摩擦系数和黏聚力的影响与素土相同,三者的摩擦系数随含水率增加逐渐减小,而黏聚力随着含水率增大呈先增大后减少的变化.在自然生境下主要根系分布层,柠条、沙柳的根-土界面摩擦系数大于土-土界面,尽管根-土界面黏聚力小于土-土界面黏聚力,但是根-土界面的摩擦系数的增大仍使根-土界面抗剪强度大于土-土界面,说明根-土结合面抵抗位移的能力大于土-土界面;2种植物相比,柠条根系抵抗根-土分离的能力优于沙柳.     

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。     

直剪实验剪切面积的修正及误差分析

针对现行直剪实验没有考虑剪切面积不断减小对实验结果的影响,本文从理论上推导了计算有效剪切面积的公式,然后通过实验并采用最小二乘法对数据进行处理.结果表明,土体的抗剪强度误差随着环刀面积的增大而减小,当环刀面积为30 cm2时,随着剪切位移的增大,土体的抗剪强度误差增大;当剪切位移达到4 mm和6 mm时,抗剪强度误差可达8.2%和12.38%.现行方法测得的黏聚力和内摩擦角均比真实值小,低估了土体的抗剪强度,因而需要修正.     

陡坡岩石地基抗滑桩有效嵌固深度的确定

对桩前楔体进行受力分析,建立极限平衡方程,求解极值并确定楔体破裂角,进而提出楔体临界深度的计算方法。通过工程实例验证了该计算方法的可行性,并分析了陡坡岩石地基坡角、地基岩体抗剪强度指标(黏聚力、内摩擦角)、楔体自重、桩宽、岩体压力扩散角对桩前楔体破裂角及临界深度的影响。研究发现:陡坡岩石地基坡角、地基岩体的抗剪强度指标(黏聚力、内摩擦角)、楔体自重对桩前楔体破裂角及临界深度均有较大影响;桩宽、岩体压力扩散角对桩前楔体临界深度有一定影响,但对其破裂角的影响不大。本文研究成果对确定抗滑桩的有效嵌固深度,指导陡坡岩石地基抗滑桩的设计和施工具有重要的工程意义。     

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。     

聚丙烯纤维加筋绍兴非饱和黏土的剪切特性研究

为了研究纤维加筋非饱和土的剪切特性,以绍兴地区广泛分布的非饱和黏土为研究对象,聚丙烯纤维为加筋材料,通过一系列非饱和直剪试验,探讨了纤维长度对加筋土剪切变形特性、抗剪强度及其指标的影响规律,并简要分析了聚丙烯纤维的增强机理,最后得出了0.2%掺量下补强效果最佳的纤维长度．研究结果表明：随着净法向应力的增大,土体的剪应力-剪切位移曲线由软化型逐渐向硬化型转化,纤维长度L为12 mm的加筋土样表现出的剪切硬化特性最明显;不同净法向应力下,纤维加筋非饱和土的抗剪强度均高于素土;随着纤维长度的增加,纤维加筋土的黏聚力呈先增加后减小,内摩擦角先增加后趋于平缓;当纤维长度L为12 mm时,聚丙烯纤维对土体抗剪强度指标的补强效果能够最大程度得到发挥．     

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。     

沉积物中甲烷水合物饱和度测定及其力学特性研究

在自主研制的实验装置上合成甲烷水合物,采用时域反射技术(TDR)实时监测甲烷水合物生成过程中饱和度的变化,并与系统的压力降法计算的饱和度进行了对比。结果表明TDR法简单易行,结果可靠。对含甲烷水合物沉积物进行了一系列不排水三轴压缩实验,结果表明,含甲烷水合物沉积物的抗剪强度随着有效围压的增加和水合物饱和度的增加而增大;粘聚力随着甲烷水合物饱和度的增加而明显增加,但内摩擦角变化并不显著。在此基础上,提出了抗剪强度与有效围压和水合物饱和度的关系模型。     

一种基于复变量求导法的岩土体抗剪强度参数反演新方法

边坡稳定性分析中,岩土体(含结构面)抗剪强度参数的确定至为重要.工程实践中利用边坡上实测的位移数据反演岩土参数是一种理想的参数确定方法.当前采用的位移反分析方法在反演弹性模量、泊松比及地应力等参数时已经取得了较好的成果,但在反演抗剪强度参数时仍未获得理想的结果.本文针对岩土体抗剪强度参数反演中所存在的困难,将复变量求导法、优化方法以及岩土弹塑性有限元法结合起来,提出一种适用于岩土体抗剪强度参数的反演分析新方法,通过测点实测位移反演计算出岩土体的抗剪强度参数.算例结果表明,该方法具有较高的计算精度和搜索效率,是一种值得推广的位移反分析方法.     

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。