单轴压缩条件下土石混合体开裂特征研究

土石混合体作为一种物质成分和内部结构特征极为复杂的多相多组分散粒材料,其破坏是一个复杂的结构变化过程。应用CT试验和数值模拟方法研究土石混合体的变形破坏特征,指出开裂是土石混合体区别于其他地质体变形破坏的一个显著特征。土石混合体破坏的根本原因是块石与土体的弹性不匹配和土–石界面的差异滑动,破坏的实质是内部裂纹产生、扩展、互锁和贯通的过程。通过对土石混合体开裂机制的研究得出以下结论:(1)基于CT试验的变形特征分析表明试样、块石包裹体及其邻近土体三个感兴趣区域的CT数随应力水平的增加而不断减小,且块石包裹体的CT数变化较土体更为敏感。(2)数值模拟结果表明试样破坏过程经历了土石结合裂纹的萌生、慢裂、快裂致贯通破坏的过程。土石接触面是最薄弱的部位,荷载作用下界面差异滑动引起裂纹的产生,随后裂纹沿块石边界缓慢扩展直至扩展到土体中,受块石形状及分布的影响,裂纹会出现局部化发展和互锁现象。大量裂纹在土体中快速扩展聚集引起试样的破坏。(3)土石混合体的破坏具有渐进性的过程,破坏可分为三级:一是土–石界面的开裂,二是土体中裂纹的扩展、聚集和贯通并且最终导致试样的破坏,三是针对软弱的片岩块石的穿石破坏。     

基于大型直剪试验的土石混合体剪切带变形特征试验研究

土石混合体介质具有高度非均质性、显著的结构效应与尺寸效应等特点,这使其物理力学特性及其复杂。本文针对土石混合体在剪切过程中剪切带的变形性状与影响因素,采用自主研发的RSM–1000型电机伺服控制大型土工抗剪强度试验系统,考虑不同含石量(0,30%,50%,70%)、上覆压力(50,200,300,400 k Pa)、块石尺寸(L1,L2,L3)3个主要结构控制因素,进行土石混合体剪切变形试验,通过在试样内部钻孔设置铝丝与干灰的方法,监测剪切带特征变化规律。研究结果表明:当含石量小于30%时,块石对试样的变形影响较小,强度主要依赖于砂土强度;当含石量达到50%时,试样内已形成骨架结构,变形受块石的影响突显,强度由块石和砂土共同作用;当含石量达到70%时,试样内已形成块石架空结构。在高含石量与大粒径块石条件下,含贯穿剪切面的块石试样随剪切变形发展,块石发生挤压、翻转现象;剪切面附近分布块石的试样,随剪切变形发展,块石以剪胀作用为主,块石发生挤压、棱角剪断与错动重分布。试样的剪切变形现象可类比由后向前变形的推移式滑坡或由前后向中间变形的复合式滑坡的破坏特征,即后缘坡顶在主动土压力作用下产生裂隙,随之下沉挤密、失稳起滑;前缘坡脚蠕滑变形推移;坡中岩土体发生剪切错动至滑动面渐进扩展破坏,最终剪切面贯通,形成整体破坏。该研究成果对揭示土石混合体滑坡剪切带形成演化规律、破坏模式及土石混合体滑坡的防灾减灾具有重要意义。     

基于围压柔性加载的土石混合体大型三轴试验离散元模拟研究

综合运用计算机三维扫描与随机模拟技术,建立了不同块石含量和空间分布的土石混合体三维随机细观结构模型和离散元模型,考虑围压柔性加载,基于柔性黏结颗粒膜方法,采用颗粒流程序对不同土石混合体试样进行了不同围压下的大型离散元三轴试验模拟,研究了块石含量和空间分布对土石混合体力学特性和变形破坏规律的影响。数值模拟结果表明:土石混合体的强度和抵抗变形的能力随含量和围压的增大而增强,且在相同含石量下,受内部块石空间分布的影响,试样的内摩擦角和黏聚力虽会表现出一定的离散性,但总体上,内摩擦角随着含石量增加基本呈线性增加,而黏聚力却随着含石量增加逐渐减小;在围压柔性加载下,土石混合体试样表现为鼓胀变形破坏,破坏后形成的剪切带为一个曲折条带,形态上呈非对称的X形分布,厚度约为试样高度的1/3～1/2倍,且试样的破坏形态及内部剪切带大小和分布形态不仅受块石含量和空间分布影响,而且也取决于围压大小;土石混合体试样在破坏过程中内部剪切带的形成是伴随局部颗粒的转动开始的,在应变到达峰值应变时,局部发生转动的颗粒相互连接贯通,此时剪切带已基本形成,此后随着应变继续增加,受峰后鼓胀变形的影响,试样内部颗粒的转动仍会发生一定的变化,同时伴随着剪切带大小和分布形态也发生相应的变化。     

基于不规则颗粒离散元的土石混合体大三轴数值模拟

在基于CT扫描的不规则颗粒三维离散元精细建模技术的基础上,提出了一种不规则块石三维离散元模型随机生成技术,并建立了符合宏观统计规律的土石混合体三维离散元模型。进行了含石量为0,10%,30%,50%,70%,90%的土石混合体大三轴试验数值模拟研究,对各种含石量下土石混合体的力学特性和变形破坏机理进行了深入地分析探讨。结果表明:随着含石量的增加,试样峰值强度、残余强度、弹性模量和破坏应变逐渐增大,剪缩性减小,剪胀性增强;加载初期,微裂纹主要在块石颗粒与土颗粒之间形成,发展速度很快,而后则主要在土颗粒间形成和扩展,含石量越大,块石周围微裂纹比例越高,局部剪切带越不规则,分布也越分散;高含石量(70%,90%)的土石混合体在加载初期即有比较明显的相互摩擦,随后块石相互接触、咬合与相对摩擦、滑移交替出现。     

不同围压加载方式下土石混合体变形破坏机制颗粒流模拟研究

土石混合体是一种非连续、非均质的混合多相介质材料,在轴向荷载作用下,由于内部变形的不均匀性,其变形破坏受围压加载方式影响显著。考虑刚性和柔性两种围压加载方式,采用颗粒流程序(PFC2D)开展了不同含石量和块石空间分布下土石混合体的双轴试验研究,从宏细观上探究了土石混合体在不同加载方式下的变形破坏规律。数值模拟研究表明:在不同围压加载方式下,受侧向变形约束不同的影响,土石混合体在峰后表现出了不同的力学特性,且在刚性加载下,其峰值偏应力较柔性加载下的高;同时,土石混合体在不同围压加载方式下局部化剪切带的形成演化过程也是不同的,其破坏型式不仅取决于围压加载方式,同时也决于块石含量和空间分布,在刚性加载下,多表现为复杂的多叉型破坏,在柔性加载下,多表现为非对称单叉型鼓胀破坏,而且随着含石量增加,破坏型式由简单的单叉型向复杂的多叉型转变,即使在相同含石量下,块石空间分布不同,破坏型式也不一样;土石混合体在不同加载方式下表现出了不同峰后力学行为的根本原因是由于内部土石颗粒间接触力的传递演化规律的不同所致,而且其应力应变关系是内部颗粒间切向接触力的外在宏观表现。     

基于真实块石形态的土石混合体细观力学三维数值直剪试验研究

 块石形态是影响土石混合体细观结构及宏细观力学特性的一个重要因素。提出一种基于真实块石形态的土石混合体细观力学研究方法,首先采用三维扫描技术建立块石三维形态数据库,然后根据粒度组成生成试样内部块石三维空间分布模型,从而构建土石混合体的数字模型。利用所提出的基于多球颗粒均匀接触的复杂块体表征算法,实现任意复杂形态块体的多球颗粒均匀、紧密接触填充。基于上述方法,建立土石混合体离散元数值计算分析模型,并协同现场试验结果开展三维数值直剪试验研究。根据土体的现场试验结果反演得到离散元数值试验中土颗粒的细观接触力学参数,将其应用于土石混合体数值试验得到了较好的效果。通过数值试验研究表明,土石混合体在剪切过程中的块石效应,使剪切带变得更加宽厚和曲折,在宏观上造成了试样的内摩擦角有增高趋势;而由于块石含量增加,使得其黏结作用的土体含量减小,从而在宏观上表现为试样黏聚力呈略有降低趋势。     

土石混合体宏细观力学特性和变形破坏机制的三维离散元精细模拟

为了更加精细的模拟土石混合体宏细观力学特性和变形破坏机制,针对已有三轴试验侧向柔性薄膜边界模拟方法进行改进,提出三维组合墙法实现了柔性薄膜边界的三维离散元模拟。结合已开发的不规则块石和土石混合体三维离散元建模方法建立土石混合体大型三轴数值试样,开展数值试验标定土石混合体数值模型的细观力学参数并与室内试验结果进行了对比验证。深入分析不同含石量下土石混合体的宏细观力学特性和变形破坏机制。结果表明:三维组合墙法原理简单、参数较少、易于实现且应用效果较好;大型三轴试验数值模拟能够较好地再现土石混合体宏观的应力–应变特征、强度特性和破坏模式;随含石量增加,土石混合体的骨架结构效应越来越显著;剪切带内土颗粒旋转量较大而块石颗粒旋转量较小,表明剪切面绕过了较大的块石颗粒。     

土石混合体细观结构及力学特性数值模拟研究

土石混合体是一种非常复杂的不连续介质。随着数字图像处理理论的飞速发展,数字图像处理技术已经成功地应用于多种学科领域。通过利用数字图像处理技术建立土石混合体细观结构“概念模型”,并对其内部块体分布的结构特征进行统计分析研究,研究结果表明土石混合体的“混乱”状态只是其外在表现,其内部块体的分布具有良好的统计自相似性特点。利用几何矢量转换技术,将二元数字图像下土石混合体的概念模型转换为有限元软件可以接受的矢量格式,从而为土石混合体细观结构数值模拟提供基础。土石混合体大尺度直接剪切试验的数值模拟结果表明,土石混合体中的块石对其内部应力场具有明显的影响,从而影响了其相应的变形破坏形式。提出了内部塑性区扩展可能存在的3种模式。     

土石混合体三维细观结构随机重构及其力学特性颗粒流数值模拟研究

土石混合体是一种非连续、非均质、各向异性的土石混合多相介质,其力学性质极为复杂,与内部土石细观结构密切相关。从细观结构层次出发,运用计算机随机模拟技术,建立了一种基于不规则块石的土石混合体三维细观结构重构方法,并基于FORTRAN语言开发了相应的三维细观结构随机模拟系统(RMS3D),在此基础上,考虑块石的不规则形状,建立了土石混合体的离散元模型,并采用颗粒流程序对其开展了不同法向应力下三维直剪试验模拟,探究了块石空间分布对其力学特性的影响。研究结果表明:土石混合体的力学性质受内部块石空间分布影响显著,在相同级配和含石量下,不同块石空间分布的土石混合体试样的剪应力–剪切位移曲线和法向位移–剪切位移曲线均不相同,尤其是在峰后呈现出了明显的差异,且后者开始出现差异时相对于前者滞后;另外,受剪切面上块石阻碍的影响,由于试样内部块石空间石分布的不同,导致不同试样剪切破坏后所形成的剪切带的形态和厚度也存在一定的差异。     

基于数字图像分析及大型直剪试验的土石混合体块石含量与抗剪强度关系研究

随着现代岩土力学的发展及各类大规模工程建设的需要,土石混合体已经逐渐被作为一种有别于常规的土体及岩石的特殊岩土材料受到国内外研究者的高度关注.土石混合体内部的块石含量及粒度组成很大程度上控制了其相应的物理力学性质.基于现代数字图像处理技术,通过对土石混合体内部块石的形态分析,获取其相应的粒度组成及块石含量,并将其作为土石混合体大尺度直剪试验的制备试样的基础,为这类岩土体的试验研究开辟了新的思路.通过大尺度直剪试验的研究结果表明,土石混合体的内部块石含量特征在很大程度上控制了其变形破坏机制,其剪应力-水平位移曲线及垂直位移-水平位移曲线均较常规的土体及岩石有很大的差别.土石混合体的剪切带将随着块石含量的增加而变宽,其内摩擦角增量与块石含量(25%～70%)近似成线性增长的关系,黏聚力较相应土体有很大程度的降低,但当块石含量大于30%时,其黏聚力随着块石含量的增加而缓慢降低.     

膨胀土及其改良土静动力特性对比分析

研究了膨胀土及其改良土的基本物理性质，进行了膨胀土的静动三轴试验。通过资料对比，发现膨胀土的静应力-应变曲线呈硬化型，改良土的呈软化型，改良土的静强度和粘聚力比膨胀土的大：发现两类土的动应力都存在一个门槛值，由此将土体的变形分为稳定型及破坏型，得到了累积塑性变形与循环荷载次数间的关系表达式：还研究了两类土的骨干线、动弹性模量-动应变曲线的变化规律，未发现动荷载频率对土体变形有显著影响。     

桩土共同作用桩基的计算及应用

沿海地区桩基础设计中,通常只考虑由桩来承担上部荷载,而不考虑承台底土体的地基承载力。在复合地基理论基础上提出的一种桩基计算方法考虑了桩与土体共同作用,能充分发挥天然地基的承载力,可减少桩径和桩长,并大大减少桩数,具有良好的经济效益。     

露天坑回填土石混合体的渗流特性及颗粒元数值分析

 针对土石混合体的渗透性,结合唐钢司家营铁矿III采场露天转井下的回填土石混合体工程,采用室内试验、现场试验和数值模拟的方法对其进行系统地研究,得出土石混合体的渗透系数与其非均匀度近似存在线性关系,渗透系数与混合土的孔隙比成正比;合理控制回填废石的粒径级配,降低平均粒径与非均匀度,可有效降低回填土石混合体的渗透性。通过颗粒元数值正交试验确定对土石混合体的渗流量影响顺序,并二次逐步回归出回填层厚度,水头压力,孔隙率,平均粒径对渗流量的关系式,为土石混合体防渗抗渗提供计算工具。     

岩土弹塑性理论的加卸载准则探讨

将当前岩土弹塑性加卸载准则分为3类：基于屈服面概念的加卸载准则、应力型加卸载准则和应变型加卸载准则,指出了它们存在的问题。在岩土硬化阶段加卸载过程分析中,发现弹性应变增量、应变总量易于计算,又与塑性应变具有相关性,适于用作判断加卸载的参量。基于硬化情况下的应变增量分析,提出了一种新的应变型加卸载准则。该准则适用于岩土的硬化阶段,物理意义明确且简单适用。将该准则推广到多维理想塑性情况,并对软化、应力洛德角变化及主应力轴旋转情况下的加卸载准则进行了讨论。     

软土真空预压处理有效性的宏微观分析

 地基处理前分析软土宏微观性质对预测真空预压法处理的有效性具有重要意义。通过室内宏微观试验,对珠海金湾地区软土矿物成分、比表面积,以及固结前后的微观结构、孔隙特征等进行分析和研究,得出土体结合水量、强度指标等影响真空预压法处理效果的关键因素。研究结果表明,珠海金湾软土黏土矿物成分含量不高,且黏胶粒占50%,比表面积较黏土矿物小;颗粒呈曲片絮凝状叠聚体,固结变形后出现团聚现象,孔隙压密,无颗粒破碎形状变化;微孔隙尺寸分布主要为400 nm＜r＜2 500 nm,固结后试样的累积进汞量大幅减小,且大孔隙变成小孔隙。说明土体的结合水量不高,含较多的自由水,且内摩擦角变化不大,而黏聚力有较大的增长,真空预压法处理效果明显。     

福田图书馆基坑支护工程的设计与施工

根据工程实例着重阐述了基坑土钉支护在设计、施工中存在的问题并提出自己的观点。     

沼泽土物理力学性质和微观结构的研究

对东北三江平原的两种典型沼泽土和北京翠湖一种湿地土进行一系列物理力学性质和微观结构的试验研究。结果表明:三种土分别对应的物理性质试验、微观结构试验和力学性质试验得出的规律是一致的。沼泽白土与翠湖湿地土性质比较接近,但沼泽黑土含水量、液性指数、孔隙比、烧失率和压缩性等极高,干密度极低,孔隙体积、孔隙大小和固结变形等远远大于翠湖湿地土和沼泽白土。沼泽黑土抗剪强度最小,三种土所得凝聚力c值都很小,不超过0.5 kPa。沼泽黑土的各项指标明显比较特殊。研究结果丰富了已有软土研究成果,可为沼泽地区的工程建设提供参考。     

湿载耦合作用下黄土结构性损伤演化及本构关系

 针对增湿、加荷作用下黄土结构性损伤演化的变形问题,通过压缩变形特性和三轴剪切变形特性,分析黄土结构性损伤的宏观力学反映。分析结果表明,土的含水量增加、固结压力增大和剪切作用均会引起黄土的结构性损伤。随着含水量的增大,压缩作用损伤和剪切作用损伤更加突出;固结压力较大时,压剪作用对土原生结构破损更突出,其次生结构和剪缩性增强。将结构性损伤土视为原状结构体和完全损伤体的复合体,综合应用应力比损伤方程和应变损伤方程,在比较原状土与饱和重塑土应力比建立结构性参数的基础上,建立黄土的结构性损伤演化方程;在原状结构体服从弹性定律、完全损伤体服从修正剑桥模型的基础上,从结构性损伤土变形为原状结构体弹性变形和完全损伤体弹塑性变形叠加出发,建立结构性土的损伤弹塑性本构方程。同时,比较分析不同湿度黄土试验测试的应力–应变曲线和损伤弹塑性本构方程描述的理论曲线,两者比较一致,验证了该本构关系的合理性。     

深基坑边坡支护与降水方案的设计

结合多种基坑边坡支护与降水方法的特点,通过各方案的比较,设计合理的施工方案,不仅能稳固基坑边坡,消除地下水对基坑的威胁,而且还能取得较好的经济效益。     

振冲置换法在粘性土地基加固中的应用

以振冲置换法在粘性土地基加固工程中的一个实例，证明复合地基承载力满足设计要求，对几个与质量有关的问题进行了探讨。