基于混合物法则根土复合体本构模型的研究

为探究根土复合体的应力-应变关系,将其视为两相体,根系采用线弹性模型,土体采用邓肯-张模型,并考虑根系与土体之间的相对滑移关系,基于混合物法则建立根土复合体本构模型。通过素土与不同含根量的根土复合体三轴压缩试验,得到其应力-应变关系,通过单根拉伸试验得到根系的弹性模量。结果发现,(1)根土复合体的极限主应力差随含根量的增加先增加后减小,含根量0.3%为最优含根量。(2)单根的直径与抗拉力、抗拉强度符合幂函数关系,与弹性模量符合多项式关系。(3)通过反分析的方法,建立滑移关系,得到模型计算值的应力-应变关系,发现模型计算值与试验值的拟合度(R²)为0.96。该研究为根土复合体本构模型的建立提供新思路,并为根土复合体的数值分析提供参数。     

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。     

铁尾矿库无土植被护坡力学加固效应分析

针对铁尾矿库水土流失和库区生态环境的修复问题,通过开展水力侵蚀室内试验,研究了高羊茅、星星草、野牛草和裸坡4种工况下尾矿库边坡的径流模数时变规律、侵蚀模数时变规律、入渗与植被截流率和植被全截流规律。通过开展根-尾矿砂复合体的室内直剪试验,研究在不同含根量和不同生长时间的情况下野牛草根-尾矿砂复合体黏聚力和内摩擦角的变化规律,分析野牛草根系含量和生长时间对铁尾矿砂抗剪强度的影响,进而分析野牛草根系含量和生长时间对铁尾矿砂抗侵蚀能力的影响。确定了提高铁尾矿砂抗剪强度和边坡抗侵蚀能力的最佳含根量及根系最佳生长时间。结果表明:野牛草是铁尾矿库无土植被护坡工程中的优选草种,野牛草根作为铁尾矿砂的加筋材料能够明显提高尾矿砂的抗剪强度和边坡的抗侵蚀能力;根-尾矿砂复合体的黏聚力随根系的生长时间和含根量的增加先逐渐增大,后逐渐减小,但均高于未加野牛草根时的黏聚力;野牛草的最优生长时间为3个月、最优含根量为0.20%,野牛草根系的生长时间和含根量对铁尾矿砂内摩擦角的影响很小。     

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．     

南京下蜀土结构强度研究

利用常规三轴试验,研究了南京下蜀土结构强度及其影响因素。结果表明,下蜀土存在明显的结构性。当应变小于屈服应变时,土体的结构强度迅速的发挥;当应变大于屈服应变时,土体结构发生破坏,结构强度逐渐降低;最终当各个结构单元重新排列稳定时,土体结构完全被破坏。讨论了围压和含水量对结构强度的影响,结果表明南京下蜀土土体的结构强度和围压无关,和含水量有良好的幂函数关系。结构强度与非饱和土中吸附强度有一定的关系,可以用结构强度代替吸力,从而简化非饱和土抗剪强度公式。
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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。     

压实粉土非线性应力-应变关系的试验研究

对京九线路基粉土用GDS三轴仪进行固结不排水剪试验,研究不同围压、含水量、压实度下压实粉土样的应力-应变关系。结果表明:压实粉土在低围压下为应变软化,高围压下为应变硬化,存在一个屈服应力;含水量和压实度对粉土强度和应力-应变关系影响显著,随着含水量的减小、压实度的增大,压实粉土样强度增大,应力-应变曲线上升。对围压小于屈服应力的应变软化曲线,用常规的土的软化关系式进行拟和;对围压大于屈服应力的应变硬化曲线,用邓肯-张模型进行拟和;这二者的结合能描述压实粉土的应力-应变关系曲线,效果良好。     

含水合物黏土的力学性质试验研究

基于含四氢呋喃水合物黏土样品在不同水合物饱和度、围压及水合物分解前后的高压三轴剪切试验和超声波测量数据,分析了含水合物黏土的应力-应变关系和强度特性。试验结果表明:(1)含水合物黏土的应力-应变曲线展现出弹性、塑性变形以及应变硬化三个阶段(在应变低于1.5%时近似为弹性,在应变2%~6%范围内表现为塑性,在大于6%后呈现明显的应变硬化特性),与不含水合物黏土的应力-应变关系有明显不同;(2)含水合物黏土在水合物分解前后的应力-应变关系存在明显的不同,水合物分解后比水合物分解前的不排水强度值降低程度最大为50%;(3)含水合物黏土的不排水抗剪强度随水合物饱和度和围压的增加而增大,并比不含水合物黏土的强度提高1~6倍。上述结果表明水合物的存在增强了黏土颗粒之间的连结或胶结作用。     

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.     

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。     

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.      

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。     

正常固结饱和黏性土三剪有限变形弹塑性本构模型研究

基于三剪统一强度准则,利用等量代换法和坐标平移法分别推导出正常固结饱和黏性土的三剪破坏应力比,并将其与修正剑桥模型相结合,得到三剪统一屈服面方程。为反映饱和黏性土的变形非线性及大变形特性,基于有限变形理论,建立了正常固结饱和黏性土的三剪统一有限变形等量代换法和坐标平移法2种弹塑性本构模型。为验证模型的适用性,取江西红黏土制备三种不同压实度的试样,在不同围压下进行常规三轴固结不排水和固结排水压缩试验。将试验数据与本文所提2种有限变形模型及相应的2种小变形模型计算结果进行了对比分析,结果表明,随着变形的发展,有限变形模型相对于小变形模型更接近试验结果,能较好地反映黏性土因高孔隙率（低初始压实度、小围压及压缩变形前期）而产生的大变形特性,虽然小变形模型的计算偏差会随着土样初始压实度和所施加围压的增大而减小,但有限变形模型对不同压实度和围压的计算偏差均相对较小,其中,等量代换法有限变形模型在初始压实度较大或者围压较高时所得计算偏差相对最小。对所提本构模型所做真三轴分析表明,中间主应力影响系数b和初始压实度对土体的强度和变形特性具有一定的影响。主应力差、孔隙水压力和体应变与b值呈正相关性,主应力差与初始压实度呈正相关性,孔隙水压力和体应变与初始压实度呈负相关性。     

含水率及围压对砂岩蠕变特性影响的试验研究

在荷载作用下,岩石不仅表现出弹性和塑性,而且具有与时间相关的性质,即岩石的流变性。工程实践中,岩石流变现象随处可见,岩石流变所造成的危害也不容忽视。但目前在岩石含水率及围压对其流变特性影响研究仍不完善。本文采用岩石三轴压缩流变仪开展了不同含水率及围压条件下的砂岩压缩蠕变试验。试验发现,围压越大,砂岩的蠕变量越小;但当围压达到一定值后,围压对蠕变量的影响降低;砂岩含水率越高,瞬时应变越大,破坏时应变越大,长期强度越低;瞬时应变和破坏时应变均与含水率呈线性关系,长期强度与含水率呈负指数关系。     

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%。     

K0超固结土的不排水抗剪强度

结合K0超固结上模型、旋转角w公式、临界状态不排水条件以及基于SMP的变换应力张量建立了不排水抗剪强度的统一表达式;采用三轴压缩、三轴拉伸的应力洛德角θ、旋转角w建立了三轴压缩、三轴拉伸条件下的不排水抗剪强度公式;基于临界状态士力学,推导出了平面应变条件下的应力洛德角θ、旋转角w的表达式,进而得到平面应变条件下的不排水抗剪强度公式.分别采用三轴压缩、三轴拉伸和平面应变条件下试验数据对所提出的不排水抗剪强度公式进行验证,预测结果和试验数据的基本吻合表明了不排水抗剪强度公式的合理性.     

辽西风积土动应力试验研究

通过对辽西地区风积土动三轴试验, 研究了动荷载作用下辽西风积土的动强度特性和抗液化特性.通过控制不同的动荷幅值、固结比和固结围压等试验条件, 获得了抗震设防烈度为7 度时, 辽西风积土的动应力值和抗液化剪应力比. 利用Excel 软件, 对试验数据进行回归处理, 得到了该土试样的动应力与固结比和固结围压两种因素的经验关系式. 试验和回归分析结果表明, 风积土的动应力与固结比和固结围压成正比. 试验研究了不同固结比条件下辽西地区风积土的液化强度特性, 获得了不同固结比条件下的抗液化剪应力比. 试验结果表明, 风积土的抗液化剪应力随着固结比的增加而增大. 上述试验结果对于辽西地区工程的抗震设计具有重要的指导意义和工程实用价值.     

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。