堆石料三维强度特性

考虑颗粒尺寸效应、破碎、分形等细观特征，结合大尺寸三轴试验结果，建立了堆石料的各向异性破坏准则。借助砂土细观组构描述方法，用组构张量描述堆石料颗粒细观特性，提出了新的各向异性状态变量；同时将该变量作为堆石料细微观演化的内变量建立了线性形式的堆石料破坏准则，构建过程既简化了表达式，又保留了现有指数形式破坏准则的优点，能够描述复杂应力条件下堆石料的强度特性。通过状态变量的变化，提出的准则能较好地描述不同各向异性条件下应力状态、路径、罗德角、主应力轴旋转等变化对堆石料强度的影响。引入正交各向异性组构，推导了随罗德角、主应力旋转角变化的各向异性状态变量表达式，给出了不同参数变化下的堆石料三维强度破坏面。用大型三轴排水试验结果确定材料破坏准则的参数，基于分形维数理论研究了不同级配的堆石料在不同围压下的强度和变形特性关系。验证表明：提出的各向异性破坏准则可以较好地描述堆石料分形维数、孔隙比和围压对其三维强度特性的影响；随分形维数及强度参数变化，该准则能较好地反映堆石料强度在细观特性下的变化关系。     

不同应力路径堆石料大型三轴试验特性研究

对两河口高土石坝的堆石料D3进行等σ3应力路径和等P应力路径的大型三轴试验,研究不同应力路径堆石料的抗剪强度特性和应力-应变关系。结果表明：堆石料的粘聚力C是真实存在的,且抗剪强度呈非线性,而应力路径对堆石料的抗剪强度影响很小;堆石料在低围压具有明显的剪胀,且不同应力路径的应力-应变曲线不同。在试验的基础上计算几个本构模型的模型参数,并分析了模型的适用性,为该工程设计提供力学参数。     

先期振动对高聚物胶凝堆石料动变形特性的影响

先期振动对土石坝地震变形影响显著。通过开展不同先期动应力作用下的动三轴试验,研究了先期振动对未加固堆石料和高聚物胶凝堆石料动变形特性的影响。结果表明:先期振动对未加固堆石料和高聚物胶凝堆石料的弹性轴应变无明显影响,但显著降低了其塑性轴应变;未加固堆石料和高聚物胶凝堆石料的残余变形在先期振动影响下显著减小,与未经受先期振动的试样相比,先期动应力为40%围压的试样,最大残余剪应变降低幅度和最大残余体应变降低幅度的平均值分别为48.1%和42.0%;先期动应力为80%围压的试样,最大残余剪应变降低幅度和最大残余体应变降低幅度的平均值分别为80.9%和71.6%。先期动应力幅值越大,再次经历动应力时未加固堆石料和高聚物胶凝堆石料产生的残余变形越小,抵抗变形能力提高越明显。最大残余变形的降低幅度与固结比、围压及高聚物含量无关。随后修正了沈珠江动残余变形模型,修正后的残余变形模型可以反映高聚物对堆石料残余剪应变和残余体应变的影响。与未经受先期振动的试样相比,先期动应力为40%围压的高聚物胶凝堆石料(高聚物质量比R_p=2%)的改进残余变形模型参数c₁和c₄分别降低了27.7%和61.2%;先期动应力为80%围压的高聚物胶凝堆石料(R_p=2%)的改进残余变形模型参数c₁和c₄分别降低了68.8%和79.3%。     

大粒径碎石渣破碎特性试验及有限元分析

对100～300mm的石料按粒径分组,在特制的压缩仪中对其压缩特性进行了试验,研究了不同粒径组试样的屈服应力和相应的变形模量,破碎规律,颗粒级配情况,并通过弹塑性有限元分析对石料破碎的规律性进行了分析验证。通过试验发现:(1)在正常的压实荷载作用下,破碎后的石料的颗粒组成发生很大变化,产生许多的小粒径的碎块,级配有较大的改善;(2)对于粒径较大的石料,当荷载较大时,部分起骨架作用的石块被压裂,由于开裂部分持续发展,试样变形不断增加;(3)石料的粒径越大,屈服应力越小,但不同粒径石料的压缩模量相差不多;(4)粒径较大的石块破裂时,石料整体将发生很大的变形突变。     

二郎庙水库心墙堆石坝堆石料工程特性试验研究

为了有效地为设计复核和施工质量控制提供参考,对二郎庙水库沥青混凝土堆石坝高程为639.00m的堆石料取样进行室内试验。研究了堆石料取样的颗粒级配、渗透性、压缩性及剪切强度,提出了合理的堆石料级配范围和压实度控制干密度,论证了建议级配范围内的堆石料具有良好的抗渗稳定性和力学性能。结果表明,堆石料质量可靠,可直接用于坝体填筑。研究成果可为同类工程中堆石料的设计施工提供参考和借鉴。     

级配对粗粒土力学特性影响的颗粒流模拟研究

运用三维颗粒流软件PFC3D的内置FISH语言,进行二次开发,模拟粗粒土真实级配,建立一个研究高铁填方路基粗粒土力学特性的颗粒流模型,标定了表征粗粒土细观力学性质的模型参数,并验证了模型的有效性。考虑粗粒土曲率系数和不均匀系数对颗粒级配的影响,模拟并研究了五种不同级配下粗粒土在三种不同围压下的力学特性。结果表明:当粗粒土有效粒径与中值粒径及限制粒径的差距过大时,粗粒土中颗粒填充及致密性将变差,变形增大,强度降低;级配良好且不均匀系数较大,其力链分布越均匀,颗粒的挤压效果越显著,力的传递和分配也越均匀。     

高应力下粗砂-结构接触面颗粒破碎影响因素试验研究

为了研究高应力下粗砂与结构接触面的剪切破碎影响因素,采用改装后的RMT-150B试验系统的直剪试验仪进行接触面直剪试验,对高法向应力作用下含水率为0%,8%,16%,24%的粗砂与具有4种不同粗糙度、强度混凝土基底的接触面直剪试验结果进行了分析,结果表明:基底硬度增大,基底硬度与相对破碎率关系曲线趋于下降趋势,相对破碎率减小;相对破碎率随着含水率增加而增加,随粗糙度的增加破碎量减小;法向应力对颗粒破碎影响明显,相对破碎率的增大速率也表现出随法向应力增大而增大的趋势。保持含水率不变,法向应力与颗粒破碎曲线规律性较好;保持基底硬度和接触面粗糙度不变,法向应力与颗粒破碎关系较为离散,总体保持颗粒破碎随法向应力增加而增加。进行方差分析表明:接触面粗糙度对粗砂-混凝土结构接触面剪切破碎的影响较显著;法向应力、基底硬度与含水率对结构接触面剪切颗粒破碎的影响均特别显著,显著性从大到小依次为:砂的含水率、基底硬度、法向应力、接触面粗糙度。针对不同试验所得到的法向应力对颗粒相对破碎率影响规律进行讨论,认为:从零法向应力开始,随法向应力的增大相对破碎率增加速率增大,当剪切应力达到集中段颗粒抗剪破强度后,相对破碎率增加速率随法向应力增加而减小。     

机场堆石体道基边坡稳定性分析

针对某大型高填方机场堆石体边坡工程,研究了该堆石体路基边坡的稳定问题。根据堆石体材料的相关力学性质,确定其对应的强度参数,采用强度折减法和极限平衡法,建立有限元模型计算边坡稳定安全系数,获得了堆石体各材料参数和边坡设计条件对边坡稳定安全系数的影响。通过比较分析,强度折减法分析堆石体边坡稳定时,计算结果更为安全,并提出了针对该堆石体边坡设计安全符合控制要求的工况。     

循环荷载作用下火山渣混合料变形特征与路堤沉降预测研究

以东非地区内马铁路沿线火山渣为研究对象，通过循环载荷试验探究了黏土、火山渣不同掺配比混合料的变形特性和颗粒破碎规律，并采用路基沉降模型对混合料路堤的长期沉降进行预测。研究发现:混合料累积应变随着火山渣含量的增大而增大，黏土的掺入能够有效地提高混合料抗变形能力，其中黏土的最佳掺配比为70 %；颗粒破碎率和累积应变呈正相关，因此应尽量降低粗粒组火山渣的用量以减小混合料路堤变形；混合料路堤沉降主要发生在路基服役初期，火山渣含量较高时，服役初期引起的沉降较大；但随着服役时间增长，掺配比对路堤沉降量的影响逐渐降低。     

铁矿渣路基填料碾压破碎机制数值分析

研究铁矿渣路基填料颗粒碾压破碎机制,为确定铁矿渣路基填料碾压工艺参数提供科学依据。采用离散元软件PFC建立铁矿渣路基填料颗粒族碾压破碎的模拟方法,系统分析碾压破碎的影响因素及其引起的路基填料孔隙率、沉降的变化特征。铁矿渣路基填料初始孔隙比的增大、松铺厚度的减小以及碾轮直径的增大均会显著提高颗粒族碾压破碎率。大、小直径碾轮碾压作用下铁矿渣颗粒族破碎率增大引起的孔隙率下降的响应规律差异性较小,而导致的沉降增大的变化特征明显不同。采用大直径碾轮机械施工有利于提高压实施工效率和控制工后沉降。     

基于D-P准则千枚岩变形破坏统计损伤本构模型研究

在分析岩石变形机理基础上，选用Drucker-Prager准则和推广的Lemaitre应变等价性原理，在统计损伤变形理论基础上考虑岩石初始损伤阈值，建立能表达绢云母千枚岩变形破坏全过程的统计损伤本构模型，对岩石三轴围压条件下应力-应变曲线进行拟合。引入损伤修正参数q对完全破坏阶段的变形过程进行修正，利用公式法代替传统比较法所得到的参数；修正后模型能更好地反映绢云母千枚岩处于完全破坏阶段变形特征，常规物理力学试验即可得到相应模型参数。探讨不同围压下分布参数对本构模型影响，验证该模型的准确性和可行性。     

基于颗粒流法的粘性匀质土坡稳定性分析

采用颗粒流法对粘性匀质土坡失稳破坏全过程进行数值模拟,无需假定材料的本构关系及土坡滑裂面位置和形状,直接从细观上定义颗粒之间的接触关系,通过模拟双轴试验,将土体的宏、细观参数联系起来,从细观层面上分析土坡的破坏机理。结果表明,当粘结强度减小到一定程度时,土坡失稳;土坡由于自身强度不足而发生的失稳破坏,一般表现为上部拉裂、中部剪切、底部挤压的破坏形式。     

含石量与含泥量对压实砾石土力学特性影响的试验

对于夹泥砾石土,在应力、颗粒组成、含水率等因素影响下,其变形特性非常复杂。针对重庆机场道路工程填筑中所用的压实砾石土,通过中型样三轴试验开展了一系列力学特性试验研究,重点分析了含石量与含泥量的变化对于压实砾石土力学性能的影响,及不固结不排水（UU）、固结不排水（CU）、固结排水（CD）3种条件下的抗剪强度与变形特性;同时研究了UU条件下,不同制样含水率对压实砾石土的抗剪强度的影响。试验结果表明：压实砾石土在低围压条件下表现出强烈的剪胀性;UU三轴压缩试验条件下,小含泥量的压实砾石土的强度取决于大粒径颗粒间的咬合力,与含石量成正比;初始拌和含水率对压实砾石土UU强度的影响很大,颗粒粒组中的泥粒在高于最优含水率下易产生滑动,影响其应力-应变性状并导致其抗剪强度大幅降低;饱和固结后,压实砾石土的强度与含石量并没有直接的联系,高含石量并不代表高强度,合理的颗粒级配是决定试样CU,CD强度的重要因素;压实砾石土中含泥量增加会导致其抗剪强度的降低。另外,含石量和含泥量对压实砾石土的临界状态影响不大,同种矿物成分、不同颗粒组成的压密砾石土在CU,CD试验下的临界应力比为1.73。     

双粒径填石路基空隙注浆加固结构特征分析

论述了石料排列方式对空隙的影响规律,明确理论石料配位数与空隙率的对应关系;对填石路基空隙结构特征展开分析,确定双粒径填石路基方案,按照经验公式计算获取不同粒径比对应理论空隙率和小粒径石料占比,并搭建了室内空隙率灌水法试验进行验证;通过水泥土浆注浆对填石路基进行加固,控制三种注浆方式,分别检测其抗压及抗弯强度用以表征填石路基结构性能。试验结果表明:6∶1粒径比对应空隙率较低,可减少注浆量;经验公式计算结果与室内空隙率灌水法试验结果相吻合;试件破坏主要源于石料脆断而非胶结破坏;通过埋管压力注浆方案进行注浆加固的填石路基试件强度最高,可比常规注浆提高18.9 %。     

围压对错缝拼装管片衬砌结构力学性能的影响

为了探明围压对盾构隧道错缝拼装管片衬砌结构力学性能的影响,以苏通GIL电力管廊隧道为工程背景,采用"多功能盾构隧道结构体试验系统"对3种不同围压下的错缝拼装的管片衬砌结构进行了原型加载试验,从管片衬砌结构的内力、变形、纵缝张开、螺栓应变和主筋应变等方面研究了围压对管片衬砌结构的影响。研究结果表明：①围压变化对管片衬砌结构弯矩的大小和分布影响较小,而对轴力大小和分布影响较大,围压增大,管片衬砌结构的轴力分布更为均匀;②管片衬砌结构的形变呈现不规则的"椭圆形",围压增大可显著降低管片衬砌结构的整体形变,提高管片衬砌结构的稳定性;③围压增大有利于控制管片纵缝张开量,减小螺栓的应变;④围压的增大能够降低管片内侧主筋拉应变,但管片外侧主筋的压应力会随围压的增大而增大,使得正常使用阶段管片外侧主筋应力由压应力控制;⑤围压增大能够有效延长管片衬砌结构单点位移、纵缝张开、螺栓应变线性变化过程,延缓了管片衬砌结构进入塑性变形的时间;⑥高围压条件下管片结构处于高轴压受力状态,使得管片结构外侧受压钢筋应力增大,易造成钢筋屈服先于混凝土压溃发生,使管片结构抗压强度降低。在进行工程设计时,建议对高围压下管片结构的外侧受压钢筋进行加强设计。     

列车荷载-地下水耦合作用下隧底围岩强度参数劣化规律研究

为探明列车激振荷载-地下水耦合作用下隧底围岩强度参数劣化特征及列车荷载、地下水压力、围岩级别对围岩颗粒流失影响规律,采用PFC 数值模拟方法分析不同影响因素对围岩颗粒流失量的影响规律,给出颗粒流失率计算公式; 探明不同颗粒流失率条件下围岩弹性模量、峰值强度劣化特征,得到劣化后强度参数计算公式。研究结果表明: 1)围岩自身完整程度、列车轴重、地下水压力三者均与围岩颗粒流失量呈正相关关系,且三者对颗粒流失影响程度依次降低; 2)颗粒流失率与列车轴重、地下水压力三者之间呈二次曲面关系,给出围岩颗粒流失率计算公式; 3)随颗粒流失率增加,围岩应力应变全曲线中弹性变形阶段逐渐减小, 塑性变形阶段逐渐扩大,全曲线特征由弹塑性逐渐向塑性转变; 4)围岩弹性模量、峰值强度均随颗粒流失率增加呈指数衰减,得到劣化强度参数计算公式。     

透水型级配碎石基层填料强度演化特征的离散元模拟

骨架空隙型级配碎石填料因其较好的渗透性能而广泛应用于透水型基床结构层，但其在不同级配下的抗剪强度特征及演化规律仍不明确。首先针对6种不同级配类型的碎石填料试样开展了不同围压下的室内单调加载三轴压缩试验，进而采用考虑颗粒真实不规则形状的三维离散单元方法对室内试验结果进行了数值模拟研究，从颗粒间接触、微观组构和颗粒运动等角度揭示了透水型级配碎石基层(UPAB)填料抗剪强度机理及其随级配变化的演化特征，验证了室内试验得出的级配影响规律及级配优化设计方法。研究结果表明：细颗粒通过改变颗粒体系的内部排列结构(即各向异性程度)而直接影响级配碎石填料宏观抗剪强度，细颗粒含量对试样的剪切破坏形态有直接影响，随着细颗粒含量的减少，试样整体发生较大变形时表现为内部颗粒发生转动的比例下降但发生颗粒间滑动的比例增加；试样失稳的主要原因是由于颗粒拓扑结构的改变，最终发展成不可逆的塑性变形；级配控制参数G/S=1.8时试样表现出最低的各向异性特征，相同应变条件下的颗粒旋转角均值最小，表明此时试样内部的颗粒堆积排列最优且抗剪强度最高，G/S=1.8可取作“填充密实”型与“残余空隙”型结构的分界；不同级配的试样内部颗...