级配对粗粒土直剪过程中抗剪强度与变形的影响研究

为了分析级配对粗粒土直剪过程中抗剪强度和变形的影响,开展不同级配试样的室内直剪试验,并根据试验结果标定细观参数,建立粗粒土数值直剪试验模型。从宏观和细观的角度探讨级配对粗粒土强度和变形的影响。结果表明:有效粒径、中值粒径和限制粒径相差不大时,空隙填充密实,结构性好,能够承受较大外力;粗颗粒含量多,颗粒间的挤压摩擦更剧烈,强力链增多;细颗粒含量越多,颗粒间孔隙填充不均匀,更易产生压缩变形,位移场越密集;空隙率随曲率系数、不均匀系数的增加先增大后减小。     

粒状土与结构接触面强度特性粒径效应影响研究

为研究颗粒粒径对典型粒状土与结构接触面剪切特性的影响,开展了不同粒径范围粗粒土与混凝土接触面大型直剪试验,分析颗粒粒径对接触面剪切强度及接触面强度参数的影响规律,探讨了接触面剪切强度的粒径效应影响机理。结果表明：接触面剪切强度随土体颗粒粒径的增大而明显增大,且当颗粒粒径与结构表面粗糙形貌比值接近1时,其继续增大对接触面剪切强度影响不再明显;不同剪切位移处接触面剪切应力与法向应力均能较好地满足摩尔库伦破坏准则,剪切过程中接触面内摩擦角随剪切位移的增大而增大并逐渐趋于稳定;而不同粒径条件下接触面表观黏聚力随剪切位移的变化规律有着明显的差异;颗粒粒径的增大能显著提高接触面表观黏聚力,对接触面最大内摩擦角无明显影响。     

位移幅值对砾石-格栅界面循环剪切特性的影响

由于加筋土结构经常受到动荷载的作用，因此筋土界面的动力剪切性能也越来越受到重视；但目前筋土界面的动力剪切试验往往循环次数很少，一般只有10多次，不能充分反映筋土界面的动力相互作用。采用大型动态直剪仪，在剪切位移幅值分别为1、2、4、6 mm时，对砾石-格栅界面进行了2 000次水平循环直剪试验，分析了剪切位移幅值对筋土界面剪切应力、竖向位移以及颗粒破碎的影响，揭示了筋土界面相互作用的机理。结果表明：在循环剪切过程中，界面平均峰值剪切应力先增加后减小；剪切位移幅值越大，达到界面峰值强度所需的循环次数越少，而达到界面残余强度所需的循环次数越多，较大的剪切位移幅值会使得砾石-格栅界面的剪切应力衰减现象更显著；随着剪切位移幅值的增大，试样最终剪缩量增大，但试样最终剪缩量增量逐渐减小；随着剪切位移幅值增大，界面剪切刚度逐渐减小，界面阻尼比却逐渐增大；通过对循环剪切试验后的砾石颗粒各粒组含量进行分析，发现剪切位移幅值越大，颗粒的相对破碎率也越大，相对颗粒破碎率与剪切位移幅值呈较好的对数关系，并与试验结果吻合较好。     

路基粗粒土抗剪强度影响因素分析

粗粒土由于其优良的工程性质,在中国高速公路与铁路路基填筑中得到了广泛的应用。通过调研国内外大量的研究成果,分析了影响粗粒土抗剪强度的主要因素,探讨了这些因素对抗剪强度的影响机理。分析结果表明:粗细颗粒比例、颗粒本身的性质、应力状态、含水率、剪切速率以及粒径大小等是影响粗粒土抗剪强度的主要因素;粗粒土的抗剪强度主要决定于颗粒间形成的土体结构强度以及颗粒本身的特性,即所有影响土体结构强度以及颗粒本身特性的因素,均可对其抗剪强度产生影响。     

粗粒土与混凝土接触面剪切特性试验研究

采用大型直剪仪进行了不同法向应力下粗粒土与混凝土结构接触面剪切试验,通过在混凝土表面预制规则的半圆形凹槽来模拟不同粗糙度结构面,研究结构面粗糙度对接触面剪切位移曲线以及强度参数的影响。试验结果表明:随着粗糙度的增大,接触面剪切位移曲线的应变硬化特征越来越明显;接触面剪切应力比(即剪切强度与法向应力比值)随法向应力的增大呈指数型衰减,随粗糙度的增大而增大;表明粗糙度的增大能提高接触面的剪切强度,能显著提高接触面的表观黏聚力,但对内摩擦角的影响很小。     

粒孔比对筋-土界面循环剪切特性的影响

加筋土结构的动力性能对公路、铁路、边坡和挡墙等实际工程具有重要意义，因此研究筋-土界面的动力剪切特性具有重要意义。试验选用填料为4种不同粒径范围的粗颗粒土：0.5~1.18 mm，1.18~2.36 mm，2.36~4.75 mm，4.75~8 mm，一种方形网孔的土工格栅，土工格栅的网孔尺寸为30 mm×30 mm，在剪切速率分别为0.25，1，2，5 mm·min^-1，相对密实度分别为22%、55%、75%的条件下，研究填料平均粒径与土工格栅网孔尺寸的比值（粒孔比）对土工格栅-粗粒土界面循环剪切特性的影响。研究结果表明：当粒孔比从0.04增大到0.20时，土工格栅-粗粒土界面的剪应力峰值先增大后减小，粒孔比为0.07时，土工格栅-粗粒土界面的剪应力峰值最大；粒孔比分别为0.04，0.07，0.11，0.20时，土样的最终剪缩量分别为2.547，2.583，3.150，5.021 mm，表明随着粒孔比的增大，土样的最终剪缩量增大；同一循环次数下，粒孔比为0.07时，土工格栅-粗粒土界面的剪切刚度最大；粒孔比为0.20时，土工格栅-粗粒土界面的阻尼比最大；同一循环次数下，当剪切速率从0.25 mm·min^-1增大到5 mm·min^-1时，土工格栅-粗粒土界面的剪应力峰值先增大后减小；随着剪切速率的增大，土工格栅-粗粒土试样的最终剪缩量增大；相对密实度分别为22%、55%、75%的条件下，粒孔比为0.07时，剪应力峰值均达到最大值，分别为66.63，76.79，79.17 kPa。     

路基原状黄土细观结构损伤规律的CT检测分析

利用可同步进行CT扫描的三轴仪,对路基原状黄土进行了三轴剪切试验,从CT数和CT图像两方面分析了不同受力过程中黄土细观结构的变化。结果表明,随着压力增大,土体中的大孔隙逐渐闭合,试样平均密度在增大;当土颗粒产生剪切位移时,土样发生剪胀,土体的原始结构完全被破坏。     

高炉渣改良填料大型直剪试验分析

将原状高炉渣掺拌粉煤灰分层碾压并重锤夯实作为换填地基的填料,进行分层取样后,以处于干、湿状态下各层土样的混和土作为试样开展大型直剪试验。为了探究高炉渣改良填料的直剪力学特性,以及现有大型直剪仪的不足,对不同法向应力作用下试样的抗剪强度、法向加载板的竖向位移进行了量测,并对试验过程中剪力与剪切位移曲线特性、剪切盒张开状态、完成直剪试验后试样的破碎状态进行了分析。结果表明:因细颗粒不足以填充粗颗粒之间的孔隙,含水量对改良填料力学指标影响很小,改良填料表现为良好的水稳定性;高炉渣改良填料在法向应力小于150kPa时几乎没有黏聚力,而在法向应力大于150kPa时表现出咬合黏聚力;高炉渣混合料直剪试验过程中法向应力越大,初期剪缩量越大,后期剪胀量越小,发生剪胀时对应的剪切位移也越大;在法向应力大于150kPa后,直剪试验的剪胀量有了较大程度的减小,此时剪切面的形成主要以剪切区粗颗粒的剪碎与断裂为主。最后,考虑到现有大型直剪仪随着剪切位移的增加,理论剪切面上的剪切应力与法向应力分布越来越不均匀,且有效剪切面积逐渐减小,为此对大型直剪仪提出了改进建议,使有效剪切面面积保持恒定不变,测试结果与实际情况更加接近,可提高粗颗粒土剪切强度的测试精度。     

土石混合料-土工织物界面剪切特性研究

土石混合料加筋结构常见于高填方边坡工程中,其稳定性受筋土界面相互作用的影响。为了研究土石混合料-土工织物界面的相互作用机理,利用了室内大型直剪仪进行一系列直剪试验,分析了5种含石量(0%、25%、50%、75%、100%)、3种压实度(88%、92%、96%)以及3种竖向应力(100、200、300 kPa)对界面剪切特性的影响,并建立了界面剪胀系数的经验公式。结果表明：界面在低含石量(0%～25%)下表现出剪切软化趋势,在高含石量(50%～100%)下表现出剪切硬化趋势,且剪切应力-剪切位移曲线出现较为明显的波动现象;界面最大竖向位移随含石量和压实度的增大呈现出增大趋势,随竖向应力的增大呈现出减小趋势。界面摩擦角在低含石量下基本保持稳定,而后随含石量的增大表现出先增大后减小的趋势;界面似黏聚力的增长速率随压实度的增大而减小;结合含石量、竖向应力等因素,建立了剪胀系数经验公式,该公式能够较为准确地描述界面的体积变化情况。     

粗粒土颗粒接触特性对路基动应力衰减影响研究

粗粒土作为一种典型的不均匀散粒体材料,其力学性质较为复杂,常需要从细观角度研究其宏观力学特性,颗粒细观接触特性可直接反映粗粒土强度及其力学性能,目前对接触特性参数影响的研究多集中于表征其强度特性,对其外荷载作用下的动力响应特性研究较少。基于此,采用颗粒离散单元法,建立粗粒土路基冲击应力加载数值分析模型,研究不同颗粒接触特性参数与动应力衰减规律间的关系,分析颗粒摩擦系数,颗粒间接触刚度对粗粒土动应力衰减的影响。结果表明:随着颗粒摩擦系数的增加,应力衰减的速率也随之增大;颗粒接触刚度越高,其对应力敏感性越强,越不易被压实,其内部应力传递越不均匀,且应力衰减越慢,整体趋势呈指数衰减。通过实际动应力加载试验,验证了数值分析结果的准确性,相同条件下,实际试验结果与数值分析结果相近。     

塑料类材料与砂土接触界面直剪试验研究

在桩身中性点以上增加一个预制塑料套筒是一种减小桩身负摩阻力的方法。为了研究该方法优化负摩阻力的效果,考虑塑料种类和砂土颗粒粒径变化两个因素,通过直剪仪进行了砂土与四种塑料类材料(PVC,ABS,PC,PP)及混凝土的剪切试验。试验结果显示:塑料类材料与砂土接触界面特性与塑料类材料种类及砂土粒径密切相关。塑料类材料与砂土接触界面剪应力随着相对剪切位移的增大而增大,最大剪应力随着法向应力的增大而增大。砂土粒径越大,接触界面抗剪强度越高。塑料类材料与砂土接触界面的抗剪强度都明显低于混凝土与砂土接触界面的抗剪强度。四种塑料材料与砂土接触界面的抗剪强度,PCPVCABSPP,选用PP塑料套筒减少桩身的负摩阻力效果最佳。     

不同含石量下土石混合体的剪切特性研究

土石混合体作为一种优良的填料被广泛应用于路基填筑。为研究含石量对土石混合体抗剪强度的影响，利用大型直剪试验，分析不同含石量下土石混合体剪应力-剪切位移曲线及抗剪强度的变化规律。结果表明:当含石量≤20 %，试样为密实悬浮结构时，剪切过程呈应变硬化，抗剪强度随含石量增加变化不明显；当20 %＜含石量≤50 %，试样为密实骨架结构时，剪切过程呈应变硬化-应变软化，粗粒土之间的咬合逐渐增强，内摩擦角和黏聚力增加较大，含石量在50 %左右，抗剪强度达到最大；当含石量＞50 %，试样为骨架空隙结构时，剪切过程呈应变硬化-应变软化-应变硬化，内摩擦角和黏聚力均出现下降。     

桩—垃圾土界面力学特性的试验研究

桩基础是垃圾填埋场地再利用的主要地基处理方式，桩-垃圾土的界面力学特性是分析桩-垃圾土相互作用的关键。为了研究桩-垃圾土接触面剪切特性，利用大型直剪仪开展桩-垃圾土大型界面剪切试验，系统研究了界面粗糙度、纤维含量、含水率等因素对桩-垃圾土界面力学特性的影响。结果表明：桩-垃圾土界面剪切应力随着剪切位移增大而增大，增长速率为先增大后趋于稳定，两者关系符合双曲线模型。不同法向应力作用下，随粗糙度的增大，抗剪强度呈先增大而后基本稳定的状态，桩侧粗糙度适当增加可以提高桩侧摩阻力以增加桩基的承载力。接触面剪切破坏符合摩尔-库仑剪切破坏准则，接触面黏聚力先增大后趋于稳定，内摩擦角逐渐增大，并在土体自身剪切强度附近变化。含水率对桩-垃圾土的抗剪强度影响较小。随着垃圾土纤维含量的增加，内摩擦角减小，黏聚力增大；在一定的法向应力下，随着纤维含量的增加，剪切强度减小。     

考虑桩土滑移的路堤下刚性桩复合地基沉降计算

为建立能考虑桩土滑移特性和桩间土非均匀压缩变形特征的路堤下刚性桩复合地基沉降计算方法,以均布荷载下等桩长刚性桩复合地基中单桩等效加固单元体为研究对象,基于桩土相互作用的上部负摩阻塑性区、中部协调变形弹性区和下部摩擦承载塑性区三区段模式,采用剪切刚度和极限摩阻力随法向应力变化的等单位长度极限剪切位移理想弹塑性模型,建立了弹性区非线性和塑性区非均匀的桩侧摩阻力分布模型;考虑桩土滑移特性及桩间土非均匀压缩变形特征,根据单元体桩土荷载传递微分方程,导出了表征路堤下刚性桩复合地基性状的沉降和桩土应力比的解析表达式,分析了路堤荷载及垫层柔度系数对沉降和桩土应力比的影响。研究结果表明:沉降随路堤荷载及垫层柔度系数的提高而增大;桩土应力比随垫层柔度系数的增加而减小,随路堤荷载的提高呈先增大后减小的变化趋势,据此提出了采用最大桩土应力比进行路堤下刚性桩复合地基承载力及沉降设计的技术原则。     

不同桩-土界面直剪试验研究

为探讨桩-土界面的摩擦特性,进行了混凝土-土、钢板-土、HDPE-土3组桩-土界面室内的直剪试验,每组试验均施加6个法向应力。结果表明:不同桩-土界面的剪切强度均随垂直压力的增大而增大;在同一法向应力下,三种不同界面的剪应力-位移曲线的初始阶段变化不大,但曲线的后半段随法向应力的增大有明显变化;法向应力较小时,各界面的剪应力变化不大;法向应力较大时,表现出HDPE-土界面的剪切强度最大。     

组合位移模式下刚性挡土墙非极限主动土压力

合理确定水平土层间剪切作用是计算任意位移模式下挡墙土压力的关键,相关计算理论在考虑剪应力时缺乏一定的理论依据和试验支撑。针对组合位移模式下的刚性挡土墙,首先基于考虑位移效应的Mohr应力圆,得到由土拱效应导致主应力偏转所产生的剪应力;在此基础上,由直剪试验比拟土层错动作用,建立了剪切系数与位移模式参数n的幂函数关系式。将其应用于改进的水平层分析法,得到了组合位移模式下刚性挡土墙非极限主动土压力的求解方法。某些单一位移模式下挡墙土压力理论解为本文的特解,说明本文理论推导的可靠性。参数研究表明:RTT模式下,非极限主动土压力呈凸曲线分布,峰值位置随n的增大而上移,且高于已有理论解;RBT模式下,非极限主动土压力呈凹曲线分布,其曲率大于已有理论解;随着n的增大,合力作用点位置会降低,降低幅度与墙顶位移呈正相关;合力作用点位置随墙土摩擦角与内摩擦角比值的增大而增大,当墙土摩擦角大于0.7倍内摩擦角时,增长幅度尤为明显。     

石灰改良南阳膨胀土的强度特征与微观机理研究

以南阳膨胀土为研究对象,对掺灰比4%~12%膨胀土进行直接剪切试验,研究不同掺灰比膨胀土应力-位移关系,分析不同掺灰比对膨胀土强度的影响规律。通过电镜扫描试验,探求掺灰改良膨胀土微观结构变化的机理。结果表明:在相同上覆荷载下,膨胀土强度随着掺灰比的提高而增强,掺灰比由7%增至10%时膨胀土抗剪强度增幅明显,掺灰比超过10%后抗剪强度增幅较小。电镜扫描结果显示石灰与膨胀土颗粒形成团聚体结构,使改良膨胀土中粗颗粒含量提升,增强了土体结构性。     

土工格栅与粗粒土界面作用特性的直剪试验研究

山区高速公路建设中,常采用单向、双向拉伸土工格栅作为筋材进行路基加筋,路基填料多为移挖作填的粗粒土。以此为背景,采用大型直剪试验方法,就影响筋土界面特性的几个主要因素（压实度、含水量、土工格栅孔径、粗粒土粒径）进行试验研究。通过研究得到：界面摩擦角随着填土压实度增加而增加,随着填土含水量的增加降低幅度逐渐增大;界面摩擦角与土工格栅孔径有一定的匹配关系,存在一个最佳孔径;界面摩擦系数比呈现出随填料中粗颗粒P5含量增加而增大的趋势。     

基于图像处理的集料形态特征定量评价

数字图像处理技术的引入,将会实现矿质集料颗粒形态特征的直接、客观的定量评价。通过对矿质集料数字图像进行噪声消除、图像分割、二值化形态学处理、边缘跟踪以及颗粒分析,得到了各个集料颗粒的面积、周长、拟合椭圆等形态特征参数。进一步对各参数进行统计分析,得到了针对集料的圆度、棱角性、表面纹理以及针片状颗粒含量等形态特征指标的分析结果。基于成像相关知识,采用基于LED光源的背光图像采集平台,对不同档位的集料颗粒形态特征进行定量评价和分析。试验结果表明:通过数字图像处理技术对不同档位集料颗粒形态特征参数进行图像描述,可以遴选出高效可行的有利于定量分析形态特征的参数;背光源采集方法可以更好提取集料颗粒图像边缘特征,使图像更有利于后续处理;不同档位下集料的圆度趋势比较明显,随粒径的增大而减小;棱角性变化与圆度截然不同,其中粗集料棱角性基本不变,而细集料随粒径的增大变化明显;粗集料的纹理指标值变化不大;粗集料的针片状颗粒含量为0,细集料的针片状颗粒含量大于1%。研究可以为矿质集料进场质量的过程控制提供快速高效的定量依据。     

融化期川西地区季节冻土边坡稳定性分析

为解决融化期季冻区边坡失稳问题，针对川西高原地区混合土边坡，综合考虑粗颗粒含量及含水率影响，采用大型直剪与常规直剪相结合的试验方案，获取混合土抗剪强度参数，基于冻土水热耦合理论，通过COMSOL有限元软件对边坡融雪入渗过程进行数值模拟，分析边坡水热场时空变化规律，同时考虑冻融过程中土体强度参数动态改变建立季冻区混合土边坡稳定性计算分析模型，分析融化期混合土边坡稳定系数、滑动面发展规律，定量分析总结融化期季冻区边坡失稳机理。结果表明：相同干密度条件下，混合土饱和渗透系数与粗颗粒含量成正比，抗剪强度与粗颗粒含量成正比而与含水率成反比；融化期边坡融雪入渗作用加强，浅层土体处于富水状态，形成最大厚度0.80 m的暂态饱和区；川西季冻区混合土边坡潜在滑动面与冻融交界面位置基本一致，滑动面形式主要是折线型，为浅层滑动；融雪入渗与冻土消融作用是季冻区边坡融化期失稳破坏的主要诱因，融化期间边坡稳定性系数减小速率随融雪入渗过程逐渐加快，融化深度最大时，边坡稳定性系数最小；川西地区季节冻土边坡稳定性主要影响因素为粗颗粒含量与初始含水率，粗颗粒含量越高，初始含水率越低，融化期边坡稳定性越好。