宽级配粗粒土的内部侵蚀试验及其稳定性判别

强降雨入渗条件下宽级配粗粒土中的细颗粒会由于孔隙流体的作用发生内部侵蚀。细颗粒的运移改变了土体的微观结构,土体的水力、力学性质随之变化。利用自行研发的刚性壁渗流侵蚀实验装置,对颗粒粒径介于0.002～10 mm的9种间断及连续颗粒级配粗粒土试样进行渗流侵蚀试验,提出一种新的基于试验的内部稳定性判别标准。实验结果表明:对于宽级配粗颗粒土,内部侵蚀改变了土体的渗透系数,最终导致渗透系数下降;粗颗粒的缺失导致内部稳定性降低,渗流作用下,连续颗粒级配土也可能是内部不稳定土;侵蚀土颗粒累计质量可以度量土体内部稳定性,在容许水力梯度范围内侵蚀量超过总质量5%的土体可划分为内部不稳定土;Kezdi几何标准更适用于评价宽级配粗粒土的内部稳定性。     

基于透明土和粒子示踪技术的渗流侵蚀试验研究

渗流侵蚀是造成水利工程失稳破坏的主要原因之一。在渗流侵蚀过程中，土体细颗粒逐渐流失，土体渗透性增强，从而进一步影响到颗粒的流失，最终甚至导致失稳破坏。渗流侵蚀是典型的流固耦合问题，为了从细观层面探究渗流侵蚀过程中流体运动与颗粒流失的相互作用，结合透明土技术，自行研制了一套基于双光源PIV/PTV的渗流侵蚀试验系统。试验采用熔融石英砂和溴化钙溶液作为透明土材料及孔隙溶液，并对渗流侵蚀过程中孔隙溶液及土中细颗粒运动进行观测记录。对不同截面流速与试样宏观流速进行对比，发现水力梯度较小时截面实测流速较大于试样宏观流速，随着水力梯度的增加试样宏观流速逐渐大于截面实测流速，且越靠近试样中心，试样宏观流速和截面流速差距越小；同时试样中细颗粒逐渐由稳定状态过渡为垂直于进出水口所在平面方向运动，并逐渐流失。与无黏性土临界水力梯度公式计算结果进行了对比，发现通过试验获得的临界水力梯度略低于理论计算结果，但其所反映的渗流侵蚀规律与传统试验结果基本相符，表明了该试验系统在渗流侵蚀细观模拟中具有较高的可靠度，对从细观层面研究渗流侵蚀具有重要的参考意义。     

砂土渗透系数影响因素试验研究

砂土渗透系数的大小与土体的颗粒级配、土体干密度、土体孔隙比、土体颗粒粒径和土体矿物成分等因素相关。通过室内常水头渗透试验研究土颗粒粒径、土颗粒级配、土体干密度对砂土渗透系数的影响。采用控制变量法设计3大组试验,并对结果进行分析,确定了渗透系数随3种因素的变化关系。试验结果表明,砂土渗透系数随着颗粒粒径减小而减小,随级配增良而减小,随干密度增大而减小。     

不同管片张开量下隧道外水土流失规律试验研究

盾构隧道管片接缝漏水并导致管片外土体侵蚀、甚至发生漏水漏砂,是富水砂层中盾构隧道安全的主要风险。设计了一种模拟管片在不同张开量下土体流失状态的试验设备,对福建标准砂和天津典型细砂在不同管片张开量及水压下的土体流失状态进行了试验研究。试验揭示了管片外砂土逐步流失的机理,发现不考虑土颗粒作用的传统水密性试验会高估弹性密封垫的防水性能;提出了临界侵蚀张开量的理论公式,并通过试验结果初步验证了其合理性。研究表明,临界侵蚀张开量与土颗粒竖向所受应力和土层厚度成一次正比关系,与缝隙处水头、土体孔隙率成一次反比关系;当土体通过管片缝隙发生侵蚀后,侵蚀质量与管片张开量和水压成正比,与缝隙周围的有效应力大小成反比,侵蚀使福建标准砂级配曲线变得更加平缓;针对福建标准砂及天津细砂,提出了便于实际应用的考虑水压及管片张开量的土体流失状态评估方法。     

非稳定流作用下管涌发生发展的室内试验及理论分析

管涌问题是水利工程中广受关注的一大难题。通常针对管涌的研究是基于稳定水头条件下的,而非稳定流作用下,水位的升降变化与稳定流情况不同,水位势能的转变速率,施加于土颗粒的主动动量异于稳定流,导致土体发生管涌的规律也有别于稳定流情况。首先根据理论公式的计算,提出非稳定流作用下试样发生管涌破坏水头低于稳定流水头的假想;同时指出,试验过程中土颗粒的运移规律在小范围区域内具有很大的随机性。最后,在理论研究的基础上设计试验,通过控制供水水头,使水头在近似正弦曲线变化的情况下升降循环,进行管涌试验。在试验过程中监测试样内部各部位的渗流参数变化情况,对理论进行了验证。     

震动荷载作用下地铁隧道长期沉降机制试验研究

通过循环三轴试验,对地铁行车振动荷载作用下武汉地区盾构隧道周围软粘土及砂土的变形特性作出分析,并对隧道运营期的沉降进行了预测。试验结果表明:在长期循环荷载作用下,粘土试样累积塑性变形及其孔隙水压的变化均经历了快速增长—匀速增长—衰减稳定3个阶段;砂土在循环荷载下跟粘土类似,同样经历快速增长—匀速增长—衰减稳定3个阶段,只是砂土的应变量较粘土相比要小很多。地铁荷载作用下引起的长期沉降分为不排水循环荷载作用下土体中的累积变形引起的沉降和土体中由于动荷载引起的孔压消散产生的固结沉降两部分;通过室内试验得到的拟合模型和分层总和法计算结果,发现地铁列车运行期间的振动荷载对于运营期内土层的沉降影响主要集中在运营初期3年左右,此后沉降值基本趋于稳定。     

水泥固化海砂抗液化试验及细观数值模拟研究

海砂天然含水量高、黏聚力低、稳定性差，在振动荷载下容易发生振动液化。工程建设中，常用水泥加固以提高砂土的抗液化能力，而水泥剂量对海砂抗液化能力的影响规律及细观作用机制目前尚不清楚。以水泥固化海砂为研究对象，利用英国GDS动三轴仪进行有效围压400 kPa下的循环荷载试验，利用颗粒流程序PFC2D建立与室内试验相匹配的数值模型，进行循环荷载作用下的细观模拟试验，研究不同水泥剂量(0%、3%、5%)试样的抗液化能力及细观力学特性。研究表明：模拟试验与室内试验规律基本相符，水泥剂量对水泥固化海砂样抗液化能力影响显著，水泥剂量越大，试样的抗液化能力越强；细观组构上，三种水泥剂量试样在达到初始液化后，试样内颗粒接触总数随振次先急剧下降，后变得波动缓慢下降。且水泥剂量越大，黏结破坏数越多，试样内部黏结破坏产生的微裂缝分布越均匀。     

管道破损引发渗流侵蚀过程的模型试验

城市道路下方埋设的市政管道发生破损后会引发渗流侵蚀并最终导致道路沉陷。针对此问题,本文建立了模拟管道破损引发渗流侵蚀的模型试验。试验结果表明,从地表以下由浅至深,土体受侵蚀区域可分为流动区域,粗粒化区域与空洞区域,其中前两者的范围大于第三者。水流失量与砂土流失量呈对数关系;空洞区域面积与砂土流失量呈线性关系,且低水位工况下单位砂土流失量所诱发的空洞区域面积大于高水位工况。同时,受不饱和区域及粗粒化区域中流失通道堵塞的影响,变水位工况中受侵蚀区域面积及水土流失量均小于相同水头高度下的恒水位工况。受侵蚀区域的土体贯入强度大幅降低(60%~80%),且其降低幅度受流动区域及粗粒化区域影响较大,受空洞区域影响较小。     

颗粒特性对材料小应变动力特性的影响

土体的小应变剪切模量和阻尼比是表征土体动力学特性的重要参数.针对文献中关于砂土颗粒形状与粒径大小对小应变动力特性的影响仍存在争议,利用能量注入式虚拟质量共振柱,系统测量了特定形状与粒径的聚碳酸酯颗粒试样的小应变剪切模量和阻尼比.试验结果表明,颗粒粒径大小对试样的小应变动力学特性影响不大,而颗粒形状则有显著影响.球形颗粒...     

常压至高压下中砂剪切特性及应力–剪胀关系

为研究高围压范围内砂土相对密实度和围压对土体强度和变形特性的影响,对3种不同相对密实度砂土试样在常至高围压下进行常规三轴固结排水剪切试验,获得偏应力–轴向应变–体应变关系曲线,同时进行颗粒破碎分析。结果表明:在常至中压范围(0.8 MPa≤σ_3≤2 MPa),应力–应变曲线均表现出不同程度的应变软化,其剪胀性随相对密实度增加和围压的降低而增强;当进入高围压范围时(σ_32 MPa),应力–应变曲线逐渐向应变硬化型转变,试样体积逐渐趋于剪缩。颗粒破碎程度随着围压和密实度的增大而增大,在高围压时由于中密和密砂剪切后期出现了明显的颗粒破碎,导致剪切过程中出现了二次相变。不同密实度土体的破坏内摩擦角和对数围压表现良好的线性关系,拟合确定了破坏内摩擦角随对数围压增加的衰减率,同时基于Bolton应力–剪胀关系拟合确定了试验砂土的临界状态内摩擦角,建立了剪胀指标与初始相对密实度及平均有效应力的关系式,为高压情况下砂土地基稳定性分析等提供强度参数。     

粗粒土颗粒破碎的级配转移矩阵研究

级配转移矩阵通过建立颗粒破碎前后各粒径百分含量向量的关系,能有效地描述粗粒土破碎过程中的级配演化。现有的级配转移矩阵忽略了不同粒径组颗粒的破碎差异,且不能考虑颗粒发生诸如研磨等现象后其粒径分组未改变的情况。为此,提出一种新的级配转移矩阵求解方法:首先基于大量的单颗粒点荷载试验,提出能够描述单颗粒破碎后子颗粒粒径分布的Hill分布函数;在此基础上,将单颗粒的破碎演化规律引入到离散元模拟中,基于子颗粒替代法,对不同粒径组颗粒采用相应的阿波罗填充模式,开展一系列多粒径组试样的一维压缩试验,最后通过追踪各粒径子颗粒来源,求解土体级配转移矩阵。该研究克服了传统数值方法中子颗粒数量和粒径分布选择较为主观的缺点,可较好地反映不同粒径组颗粒的破碎演化规律。     

土体粒径对盐生植物根–土复合体抗剪强度影响的试验研究

 为研究盐生植物根系的固土护坡力学效应,探讨土体粒径对植物根系加筋固土作用和提高土体抗剪强度的影响。以青海柴达木盆地大柴旦盐湖区为研究区,选取海韭菜(Triglochin maritima Linn.)和无脉苔草(Carex enervis C.A.Mey.)2种优势盐生植物作为供试种,选取粒径大小分别为颗粒直径d≤0.25 mm和d≤0.5 mm粒径条件下的2种土体,制备根–土复合体扰动试样和不含根系素土扰动试样,分别进行了不固结不排水三轴压缩试验,以探讨2种盐生植物增强土体抗剪强度贡献,以及2种粒径条件下的根–土复合体抗剪强度指标变化规律;在此基础上,探讨土体粒径差异对根–土复合体抗剪强度的影响。试验结果表明：盐生植物根系加筋固土作用主要表现为在2种不同土体粒径条件下,海韭菜根–土复合体与无脉苔草根–土复合体抗剪强度强度均显著大于素土抗剪强度,且垂直布根海韭菜根–土复合体的抗剪强度显著大于水平或倾斜布根无脉苔草根–土复合体抗剪强度;土体粒径的差异可影响植物根系增强土体抗剪强度大小,即主要表现为在相同的含根量条件下,土体粒径愈小,由该粒径土体与根系共同组成的根–土复合体黏聚力值则愈大。同时,进一步研究表明,水平或倾斜布根的无脉苔草根–土复合体的抗剪强度受土体粒径大小的影响,相对大于垂直布根的海韭菜根–土复合体中的土体粒径大小对其抗剪强度影响。研究成果对于进一步探讨盐生植物根–土复合体抗剪强度的影响因素,以及利用盐生植物有效防治研究区水土流失、土壤侵蚀等地质灾害方面具有重要理论指导意义。     

循环荷载下饱和砂土的孔压触变性

将液化土体视为流体进行液化效应分析是一个前沿的技术思路。其中,合理描述液化土体的流体性质是一个关键问题。提出循环荷载下饱和砂土孔压触变性的概念和基本设想。采用点差法计算相变后饱和砂土流动性曲线各点曲率,给出了依据流动性曲线加速增长段的最大曲率确定初始流体状态的经验方法。基于饱和砂土不排水循环三轴试验,发现进入流体状态后的饱和砂土应力-应变率关系满足Cross型触变性流体状态方程,其内部结构参数与土中残余有效应力比具有正比例关系;此时Cross型触变性流体速率方程描述的物理实质即为土体内的孔压增长过程。试验结果印证了论文提出的基本设想,证明了循环荷载下进入流体状态后的饱和砂土具有孔压触变性流体特征。     

单轴荷载下残积土的电阻率损伤模型及干湿循环效应

为了研究花岗岩残积土在干湿循环过程中的力学损伤演化规律,采用单轴压缩–电阻率联合测试系统对原状土开展试验,获取土体的电阻率–应力–应变曲线,并以此建立花岗岩残积土的力学损伤模型。结果表明:花岗岩残积土的电阻率–应变关系曲线可被划分为下降、稳定和上升3个阶段,分别对应土体变形过程中弹性、塑性和残余变形阶段;在0～5次干湿循环的过程中,土体的初始电阻率与峰值强度保持正相关的线性关系,表明干湿循环对残积土造成了明显的初始结构损伤;基于电阻率建立的力学损伤演化模型可准确描述原状土试样在单轴荷载作用下的力学行为;通过引入初始损伤因子使模型能有效地预测历经干湿循环后的土体应力–应变曲线。研究结果对拓展电阻率测试技术在岩土力学中的应用提供了参考。     

基于R-N非线性疲劳损伤累积模型的砂土震陷计算方法

构造不同加载次序的阶跃荷载进行应变控制循环单剪试验,并基于R-N模型与传统P-M模型进行土体材料损伤计算,对比分析计算值与试验值,验证R-N模型的有效性;基于R-N模型既能考虑荷载幅值和加载次序的特征,根据R-N非线性疲劳累积损伤理论推导并建立砂土震陷计算方法;利用GCTS测试系统对美国Filter净砂展开研究,进行404组剪应变控制动循环单剪试验,考虑荷载幅值、上覆荷载、砂土特性及地震动特性等影响,测定模型参数,并建立模型参数回归模型;同时,进行202组不同特性的真实地震荷载输入剪应变控制动循环单剪试验,测定不同工况下的砂土试样在地震荷载作用下引起的竖向变形;最后,将基于本文方法预测的砂土震陷时程曲线和累积值与试验值对比分析,验证了该方法的正确性。     

饱和砂土坝基液化超重力振动台试验研究

坝基作为水利水电工程重要基础设施的核心部分,其在地震作用下的动力响应和稳定性受到广泛关注。针对饱和砂土坝基的动力响应和液化规律,开展了两组超重力振动台试验,分析了饱和砂土地基在坝闸荷载作用下的地震响应规律。根据两组离心试验结果,地震作用下自由场地地基下层土体发生软化,上层土体发生液化喷砂,加速度放大系数和超静孔压比沿深度方向呈现先减小后增大的趋势;坝基在荷载边缘的土体中出现液化现象,加速度放大系数随深度逐渐减小而土体超静孔压比随深度逐渐增大。坝闸荷载能够增大坝基土体中的有效应力,减小超静孔压比。超静孔压消散后土体的密实度、刚度提高。最后,基于非线性有限元分析软件GEODYNA,对两组离心机试验进行了数值模拟,结果吻合较好。试验结果和数值模拟结果为饱和砂土坝基的设计与加固提供了依据。     

上海悬挂式地下连续墙基坑渗流侵蚀引起的沉降研究

针对土体内部渗流侵蚀现象进行分析,揭示土体内部渗流侵蚀现象。固相部分土颗粒在渗流剪切作用下由固相变成可随液相一起流动的悬浮颗粒状态,建立土体内部渗流侵蚀物理模型,推导出描述渗流侵蚀的控制方程。针对上海第三类深基坑降水致使土体内部侵蚀从而诱发地面附加沉降开展研究,以上海典型的深基坑工程为研究对象,基于理论分析的数学物理模型及控制方程,进行数值建模计算分析,数值计算结果阐释了土体内部渗流侵蚀使导致地面附加沉降及变形。     

循环荷载作用下饱和软黏土应变软化模型研究

循环荷载作用下,饱和软黏土将发生应变软化现象。而以往的研究中往往忽略土体的各向异性固结对软黏土循环软化特性的影响,并且以往对循环软化的研究大多采用低频循环荷载方式。通过对杭州饱和软黏土进行应力控制的循环三轴试验,研究循环次数、循环应力比、固结比、频率、超固结比对土体应变软化的影响。试验结果表明,循环次数的增加,循环应力比的提高,都将加快土体软化;循环荷载作用下,软黏土存在临界循环应力比,当循环应力比较小或较大时,软化指数与lgN近似为线形关系,而当循环应力比在临界循环应力比左右时,两者表现为明显的曲线关系。随着频率的提高、土体超固结性的增强,土体软化程度降低。当土体为各向异性固结时,在循环应力比较小的情况下,随着固结比的增加,软化指数逐渐减小;当循环应力比较大时,在循环初期,土体的各向异性固结加速了土体的软化,但随着循环次数的增加,各向异性固结土体的软化指数逐渐要大于各向同性固结土体。同时,在试验的基础上推导反映土体软化规律的经验公式,利用该公式并结合修正的Iwan模型对软黏土的动应力–应变关系进行描述。     

颗粒形状和中主应力对砂土力学特性耦合影响的真三轴试验研究

天然状态下,砂土地基处于三维受力状态。经过复杂的沉积和搬运作用,砂颗粒形态各异,进一步影响其在受力状态下的接触形式。砂土的宏观力学响应同样会受到微观颗粒形状的影响。研究针对不同比例石英砂和玻璃圆(碎)珠的混合颗粒试样开展真三轴剪切试验,研究三维应力状态下颗粒形状对砂土力学特性的影响。结合动态颗粒图像分析技术定量识别颗粒形状参数,获得颗粒形状参数伴随玻璃珠掺量增加的变化趋势。查明中主应力与颗粒形状对砂土宏观力学响应的耦合影响机制。试验结果表明：具有规则颗粒形状的玻璃珠–石英砂混合物能有效抑制试样剪胀特性。对于给定的中主应力系数,玻璃珠–石英砂混合颗粒材料的峰值摩擦角随着颗粒形状不规则度的增加而增大,峰值强度对应的大主应变随着颗粒形状不规则度的增加而减小。玻璃珠–石英砂混合物的峰值强度伴随中主应力系数的变化趋势可以较好地通过岩土材料经典的三维强度理论进行预测。     

基于PFC2D的砂土原生各向异性微观机理数值试验

采用颗粒流PFC数值模拟方法,生成符合标准砂室内单元试验结果的离散元数值试验试样。运用重力沉积法建立不规则砂土颗粒单元的平面双轴试验模型,给定不同沉积步数对试样不同初始原生状态进行模拟,然后分别从水平和竖直方向上施加荷载增量,得到不同沉积条件下不同加载方向上砂土试样宏观应力应变曲线和力学参数。数值试验结果显示,重力沉积步数对颗粒微观长轴定向排列、平均配位数有显著影响;初步建立了砂土微观结构变化和宏观应力应变曲线及力学参数的联系;分析了砂土试样表现出的宏观原生各向异性力学特性与内部颗粒结构的关系。