含石量对土石混合体剪切特性的影响

为了探究不同含石量对土石混合体的抗剪强度及剪胀性的影响,利用先进的大型单剪试验仪进行了21组大型单剪试验。试验设计了从0%～80%含石量共7组试验样品,在100、200、300 kPa三种不同的法向压力下进行单剪试验。基于试验结果,分析了含石量对土石混合体的抗剪强度和剪胀、剪缩特性之间的关系。试验结果表明,在相同的法向压力下,随着含石量的增加,土石混合体的内摩擦角及黏聚力总体上有先增大后减小的趋势。当土石混合体在含石量为40%～50%之间时,其抗剪强度最大。研究表明：土石混合体抗剪强度受到土石混合体孔隙比的影响,同时随着含石量的增加,土石混合体中的结构形式及主导颗粒也相应的发生变化。当含石量在0%～20%之间时,细集料在土石混合体中占主导地位,土石混合体为悬浮密实结构,此时土石混合体的抗剪强度与基质颗粒的性质相近;当含石量在20%～50%时,土石混合体为骨架孔隙结构,随着含石量的增加,土石混合体的骨架逐渐形成,颗粒之间咬合力增加,使得黏聚力及内摩擦角都有明显提高;当含石量超过50%之后,土石混合体表现为骨架密实结构,孔隙率开始上升并且细粒料开始大幅减少,细集料不能充分填充块石之间的孔隙,于是土石混合体抗剪强度开始下降。     

含石量对土石混合体剪切特性影响的颗粒离散元数值研究

采用基于PFC2D接触黏结模型的离散元数值模型,探讨含石量变化对土石混合体剪切特性的影响。利用室内大型直剪试验对表征土石混合体细观力学性质的模型参数进行标定,模拟分析了4种不同含石量土石混合体在4种不同围压作用下的剪切特性。试验结果表明:相同法向应力作用下,含石量越高,峰值剪应力越大,达到峰值剪应力时的剪应变越大,软化后强度越高,剪胀特性越强,剪切"跳跃"现象越明显。土石混合体摩擦角随含石量增高而增大;黏聚力随含石量增高而减小,含石量超过50%后基本不变。相同含石量的土石混合体,法向应力越高,峰值剪应力越大,应变软化特性越强。土石混合体剪切过程中以克服摩擦能和应变能为主,动能变化几乎为零。     

不同含石量条件下土石混合体剪切变形特征的试验研究

三峡库区库岸广泛分布宽级配的土石混合体,土石混合体的力学性状及在外部作用下的变形响应对库岸滑坡的启动或复活有重要的影响。基于此,选择典型土石混合体滑坡进行现场调查和取样,利用室内大型直剪仪,结合打孔-插丝-灌砂的方法监测剪切过程中的试样内部变形演化特征,开展了不同含石量条件下的土石混合体试样的剪切变形特性试验研究。研究结果表明:含石量对土石混合体的强度和变形特性具有明显的控制作用。当含石量小于20%时,块石对试样影响较小,细颗粒土占主导作用,剪切过程中表现为细颗粒间错动式的剪切变形,强度依赖于细颗粒的强度,试样呈应变硬化特性;随含石量增加(20% ~80%),块石开始接触并逐渐形成骨架结构,加之细颗粒土的嵌合作用,剪胀作用增强,剪切过程中表现为混合体间啃掘式的剪切变形,强度由块石和细颗粒共同作用,试样逐渐表现为应变软化特性;含石量大于80%后,试样内块石占主导作用,但由于细颗粒较少,块石间的骨架结构存在较多空隙,试样结构效应有所降低,强度和变形性能有所弱化。     

基于PIV分析的含石量对土石混合体边坡破坏过程及模式的影响

为了探明含石量对土石混合体边坡渐进破坏的影响,进行了5种不同含石量边坡的静力超载试验。在加载过程中测得作用于边坡顶部的力和位移,同时采集边坡侧面的高清图像。通过对比PIV(particle image velocimetry)分析结果与FLAC~(3D)数值模拟结果揭示了边坡在静力超载作用下的破坏过程并表明PIV分析结果能够体现土石混合体中砾石对剪切带的影响。对比不同含石量边坡的PIV分析结果,发现剪切带都呈"y"型,但含石量对剪切带的发展有重要影响。随着含石量增加,一方面剪切带受砾石影响而逐渐呈现偏转和曲折的特点,并发现剪切带发展过程中的两种"绕石"模式;另一方面,边坡破坏模式从整体破坏到局部分级破坏逐渐过渡,破坏模式的转折点位于含石量30%~53%的区间内。     

土石混合体边坡的细观处理技术

土石混合体边坡是由滑坡堆积、残坡堆积、崩坡堆积、冲洪堆积等形成的一种非均质边坡。由于其物质组成的不均质性,带来与其它边坡显著不同的变形性质和破坏机理。针对其物质结构特点,对土石混合体边坡应该采用细观处理技术,将之分别看成均质连续体、等效的均质连续体、非均质不连续体和结构面控制的非连续体等4种情况来处理。     

含水率对土石混合体力学特性影响的试验研究

土石混合体的变形和剪切强度参数主要受含石率、块石形状、土体性质和水等因素的影响,现阶段的研究主要集中在前3方面因素,少有考虑水对其力学性能的影响.本文通过采用卵石、粉质黏土和水的不同比例制备混合体重塑试样,开展室内大型直剪试验.研究结果表明:随着模型剪切位移增加,土石混合体应力-切向位移关系曲线表现出3个阶段:线性变形阶段、初始屈服阶段、硬化阶段.含石率和含水率共同作用影响土石混合体材料力学性质.其中土石混合体的抗剪强度随含水率的增加经历了缓慢减小-快速减小-缓慢减小3个过程; 当含石率相同时,内摩擦角随着含水率的增加,经历了两个阶段的下降过程:低含水率的缓慢下降和高含水率的快速下降.     

温度和含冰量对冻结土石混合体力学特性的影响

冻结土石混合体是一种力学特性极为复杂的岩土材料,其力学特性对温度和含冰量等因素非常敏感。然而到目前为止,对于其力学行为随温度、含冰量及法向压力等的变化特征仍然缺乏足够的了解。本文开展了一系列的冻结土石混合体的直剪试验,研究了温度、含冰量及法向压力对冻结土石混合体剪切特性的影响。结果显示温度、含冰量及法向压力对冻结土石混合体的剪切行为都有重要影响。在其他条件相同时,冻结土石混合体的抗剪强度随着温度的下降呈指数形式增长。当温度高于-5℃时,抗剪强度增加很快,而当温度低于-5℃时,抗剪强度仅有微小增加。在-5℃时,冻结土石混合体的抗剪强度随着含冰量的增加先增加后减少。抗剪强度最大值出现在含冰量在11%左右。冻结土石混合体的粘聚力随着含冰量的增加先迅速增加,在含冰量大于11%以后,粘聚力又有微小下降,而内摩擦角随着含冰量的增加缓慢减小。冻结土石混合体的抗剪强度随着法向应力的增加而增加,但在高法向应力下,其塑性增强。     

蓄水对三峡库区土石混合体直剪

在三峡库区滑坡体中大量存在的土石混合体是一种不同于土和岩体的高度非均质不连续体。基于三峡库区水位涨落将引起土石混合体含水率变化的特点,研究了土石混合体在不同含水状态下直剪强度参数的变化规律,并在大量的试验基础上建立了c,φ值与含水率之间的关系式,得出了不同碎石含量下c,φ值随着含水率变化的弱化公式,为评价三峡库岸稳定与治理提供了量值依据。     

基质胶结对土石混合体强度变形特性影响

利用应变控制式静力三轴剪切仪,对具有不同胶结程度和含石量的土石混合体试样进行了固结不排水剪切试验;通过对制备的土石混合体试样的应力-应变关系、孔隙水压力变化、有效应力路径和抗剪强度指标等试验结果的对比分析,探讨了不同胶结程度土石混合体试样的差别及产生原因.试验结果表明:不同胶结程度土石混合体破坏方式可分为剪切带破坏和鼓肚变形破坏两种基本类型;胶结使得土石混合体应力应变关系和孔隙水压力变化与未胶结土石混合体差异明显,胶结作用对土石混合体的剪胀和软化特性影响显著.在块石软硬程度、形状及试样密实度相近的条件下,不论是否胶结或胶结程度如何,土石混合体有效内摩擦角φ'与无量纲粒度分布特征参数D₅₀WBP/D₆₀具有较好的线性相关性.试验结论为确定不同胶结程度土石混合体强度提供了参考.     

土石混合体边坡细观特征对滑面形成影响研究

土石混合体是由软弱的土颗粒与刚度较大、强度较高的块石混合而成,因此土石混合体边坡失稳时,其滑动面受块石-土形成的细观结构特征影响,导致边坡稳定性分析存在诸多困难。本文基于一典型的土石混合体边坡,建立颗粒离散元数值模型,通过室内试验标定土体细观参数,结合强度折减法分析土石混合体边坡与纯土体边坡破坏模式及滑面形态的差别。结果表明:块石的存在使得土石混合体边坡的接触力链分布极不均匀,块石的存在使接触力链形成闭环,增大了滑动面积,对边坡有加固作用;土石混合体边坡的滑面发展趋势总倾向于穿过块石间的缝隙,滑面的发展与块石分布状况相关联;当块石含量达到20%以上时,边坡稳定性显著提高;块石含量达到30%~50%时,滑坡以局部块体运动为主,无法形成连续的滑动面。研究成果可为土石混合体边坡的变形破坏机理分析提供依据与参考。     

含石量对软质岩土石混合料土力学特性影响研究

在中国西南地区边坡工程中大量存在含软岩的土石混合体（S-RM）,其力学特性与软岩破碎特性有别于以往研究的块石强度较高的土石混合体。本文通过大型室内剪切仪开展了不同含石量（WBP）的剪切试验研究含石量对软岩土石混合体力学特性的影响,基于筛分试验研究软岩块石破碎特性,结果表明:当S-RM密度一定时,随着WBP的增加,S-RM剪切强度增加,应变硬化现象增强;S-RM黏聚力随含石量的增加呈线性增长,内摩擦角在含石量为20%~60%时随含石量的增加呈线性增长;S-RM在剪切破坏过程中软岩块石出现破碎现象,当法向应力一定时,块石破碎率随土石混合体含石量增加而增长;S-RM块石破碎率随内摩擦角增加呈指数形式增长,表明块石之间咬合作用越大,块石的破碎程度越高。     

土石混合体块石破碎影响因素的颗粒流数值研究

颗粒破碎是土石混合体的一种基本属性,机理复杂,影响因素众多。鉴于室内试验受设备、材料等因素限制且费时费力,本文采用Monte Carlo思想构建了能够真实反映块石破碎过程的PFC2D颗粒离散元数值模型,在室内直剪试验和筛分试验基础上进行了数值剪切试验,系统性探究土石混合体块石破碎特性的影响因素及基本规律。结果表明:在法向应力作用下,剪切后试样出现明显的块石破碎现象以分散应力;块石粒径对块石破碎程度影响显著,块石粒径越大,破碎势越大,越易破碎;块石浑圆度较小时,颗粒间接触面积较小,应力集中显著,破碎率较大;颗粒级配连续、良好时,颗粒间咬合充分接触完全,接触受力点较多,碎裂更不易发生;试样初始孔隙率对破碎率影响较小,相同法向应力下,随着孔隙率增大,块石破碎程度呈现轻微增大趋势。     

循环剪切对格栅-土石混合体界面特性的影响

为了研究不同含石量下土石混合体-格栅界面的循环剪切特性,采用循环直剪仪,在不同的竖向应力、剪切位移幅值和剪切频率下进行了单调直剪试验、循环直剪试验和循环后单调直剪试验,探究了5种含石量（0%、25%、50%、75%、100%）、3种剪切位移幅值（1、3、6 mm）和3种剪切频率（0.2、1.0、2.0 Hz）对土石混合体-格栅界面的峰值剪切应力和体变规律的影响。试验结果表明,含石量在0%～75%之间时,随着含石量的增大,土石混合体-格栅界面的循环峰值剪切应力和最大剪切刚度均随之提高,最终竖向位移绝对值和最大阻尼比随之减小;含石量继续增大至100%,土石混合体-格栅界面的最大峰值剪切应力和最大剪切刚度均随之减小,最终竖向位移的绝对值和最大阻尼比随之增大。在同一含石量下,剪切位移幅值和剪切频率越大,界面最大峰值剪切应力和最终竖向位移绝对值也越大。与单调直剪试验相比,循环后单调直剪试验得到的内摩擦角和似黏聚力有所增加,含石量在0%～75%的范围内,内摩擦角和似黏聚力随含石量的增大而线性增加,含石量继续增加至100%,内摩擦角和似黏聚力随之减小。     

土石混合体边坡细观特征对滑面形成影响研究

土石混合体作为一种典型的浅表层堆积体,常引发不同规模的滑坡灾害。本文通过对比土石混合体在室内大型直剪和离散元(PFC^2D)数值模拟直剪条件下剪切带厚度随含石量和上覆压力的变化特征,以期进一步揭示影响土石混合体剪切带厚度的主要控制因素。试验结果显示,室内试验中土石混合体的剪切带厚度主要受含石量的影响,其次为上覆压力,受块石尺寸的影响不明显。剪切带厚度随含石量从0增加到50%时表现为增大的趋势,随含石量的继续增大而表现为减小的趋势。但上覆应力小于200 kPa时,剪切带厚度随上覆应力的增大表现为增大的趋势,但上覆应力超过200 kPa时,其值表现为减小的趋势。然而,在数值模拟计算中,考虑块石不可破碎的情况下剪切带裂纹区域的宽度随含石量和上覆压力的增大表现为持续增大的趋势特征。分析认为,土石混合体剪切中大块石之间咬合后的齿轮带动效应是促使剪切带厚度增大的重要原因,而骨架结构含石量以及高垂直应力下块石咬合部位因高度的应力集中,随后导致的咬合棱角破碎,块石变形被限制在一定的区域内,却抑制了剪切带厚度的进一步增大。相反,在块石不可破碎的数值模拟计算中,高含石量试样内块石可持续的咬合滚动,促使周围的块石也发生变形,进而增大了剪切带的厚度。研究结果有利于揭示土石混合体的剪切变形破坏机制。

     

基于融合算法的土石混合体斜坡稳定性预测

土石混合体是物理力学性质较为复杂的地质材料,因此该类斜坡的稳定性评价是工程地质领域的重要课题。为提高斜坡稳定性预测的能力,本文将粒子群算法和果蝇优化算法相互耦合,形成融合算法,并结合机器学习模型,使用决定系数、均方误差和平均绝对误差3个评价指标,构建并评价土石混合体斜坡稳定性的预测模型,最终采用基于融合算法的梯度提升决策树模型对输入参数进行了重要性分析。结果表明：(1)相比于粒子群和果蝇优化算法,融合算法能够有效优化机器学习模型的参数,从而较为明显地提升模型预测精度。(2)基于融合算法的梯度提升决策树模型预测精度最高,达到93.33%,明显优于融合算法下的决策树模型和Stacking模型。(3)影响土石混合体斜坡稳定性的结构因素,其重要性从高到低分别为基覆面倾角、含石率、总体坡角、坡高。     

含石量和颗粒破碎对土石混合料强度的影响研究

采用室内大型直剪试验、颗粒标记观察试验和颗粒筛分试验分别从宏、细观角度对6种含石量的土石混合料在6种法向压力条件下的颗粒破碎特征和剪切强度特性展开研究,并建立宏观剪切强度特性与细观颗粒破碎特征之间的联系,从而更深入地揭示含石量和颗粒破碎对土石混合料剪切强度特性的影响机制。结果表明:(1)颗粒破碎主要发生在剪切面附近,破坏形态可分为表面研磨、局部破裂、完全破裂和完全破碎4种,是颗粒间不均匀的接触力作用产生应力集中的结果;(2)颗粒破碎造成细粒组含量升高、粗粒组含量降低和中间粒组含量波动变化;(3)颗粒相对破碎率B_r随着法向压力σ_n或含石量P₅的增大而增大,且符合一定的二元函数关系式;(4)随着法向压力σ_n的增大,抗剪强度τ呈非线性增长规律,满足修正的M-C强度准则;(5)当含石量P₅增大时,土石混合料的黏聚力c₀减小、内摩擦角φ₀增大、非线性参数Δφ增大;(6)颗粒破碎是造成土石混合料强度非线性特征的直接原因。     

土石混合体注浆扩散机制及影响因素试验研究

为了研究浆液在土石混合体中的扩散机制及其影响因素,以重庆地区土石混合体为研究对象,研制了一套可重复使用的室内注浆模型试验系统,开展了不同含石量、孔隙比、浆液黏度和注浆压力等条件下土石混合体注浆模型试验研究。研究结果表明：浆液在土石混合体中主要以渗透、劈裂的方式扩散。当含石量由低到高变化时,浆液主要扩散方式由劈裂扩散转化为渗透扩散;中等含石量时,劈裂扩散与渗透扩散相当。在试验的基础上,结合支持向量机制论建立了土石混合体注浆扩散半径预测模型,并基于该模型的计算结果,获得了渗透扩散半径和劈裂扩散半径影响因素的影响次序分别为：含石量>浆液黏度>孔隙比>注浆压力、含石量>注浆压力>浆液黏度>孔隙比。含石量对扩散形式的影响最大,对扩散半径值的影响占主导地位,建议实际工程中应根据土体含石量分区段进行注浆技术参数设计。     

块石含量及形状对胶结土石混合体力学性能影响的大型三轴试验

胶结土石混合体在自然界中分布广泛,为了揭示块石含量和块石形状对其力学特性的影响,开展了一系列室内大三轴试验研究。首先,通过掺有一定量水泥的土石混合体试样与未掺水泥的试样进行对比,以论证土石混合体有必要进一步划分为胶结土石混合体和无胶结土石混合体。然后,针对胶结土石混合体设计并进行了不同块石含量和块石形状的对比试验。最后,对胶结土石混合体力学特性的块石含量和块石形状效应进行了分析探讨。结果表明:水泥掺入比为3%的土石混合体试样较未掺水泥的试样强度和模量均有大幅提高,有明显的应变软化和局部化剪切带;在给定条件下,胶结土石混合体的峰值强度和脆性指数均随含石量的增加而减小;当含石量为40%时,块石为碎石的胶结土石混合体试样与块石为卵石的试样相比峰值强度略低,而残余强度略高;而当含石量为70%时,无论是峰值强度还是残余强度,块石为碎石的试样均比块石为卵石的试样大,围压较大时尤为明显。     

基于强度折减法的土石混合体边坡长期稳定性研究

土石混合体边坡是自然界中常见的一种边坡类型,具有明显的不均匀性和不连续性。土体的蠕变是造成土石混合体边坡变形及失稳的主要原因之一,而目前关于土石混合体边坡稳定性的研究几乎均未考虑土体的蠕变性。首先运用数字图像处理技术对我国某水电站库区的一个土石混合体边坡进行建模,而后利用FLAC3D软件中的强度折减法对其进行稳定性分析,并着重研究了土体的蠕变特征及其蠕变参数对土石混合体边坡变形及稳定性的影响。计算结果表明,土体的蠕变特征会明显降低土石混合体边坡的安全系数,增大边坡变形,进而对边坡的稳定性造成不利影响;其中蠕变黏性系数对边坡的长期稳定性具有较大影响,黏性系数越大,则土石混合体边坡的安全系数越低。     

基于CT扫描的土石混合体三维数值网格的建立

根据CT扫描得到土石混合体切面图像信息,通过二值化和砾石边界识别技术提取砾石表面点云数据,应用逆向工程软件重构砾石的三维模型。编写APDL代码,在ANSYS中快速生成土石混合体的几何模型,借助ANSYS ICEM CFD强大、灵活的网格划分功能,对砾-土界面处网格进行加密,得到土石混合体的三维数值网格,采用接口程序,将数值网格导入FLAC3D中进行模拟计算。通过与无砾石模型计算结果的对比,说明了建立表征土石混合体结构特征的精细三维数值网格可以更加准确地描述土体,特别是砾-土界面的受力情况和变形特征,从而提高土石混合体数值模拟的精确度及可靠度。