冻黏土与结构接触界面层单剪力学特性试验

为了解在荷载作用下,接触界面层发生的力学响应区别于冻土和结构材料本身力学特性,使用新研制的冻土与结构接触界面层力学试验仪,比较系统地研究人工冻黏土与粗糙钢板接触界面层单调剪切力学特性。分别从宏观和细观2个角度出发,分析冻土界面层的基本力学特性和受力变形机理。结果表明:随着法向荷载增大,接触界面的峰值剪应力、稳定剪应力、初始剪切劲度也增大,接触界面的抗剪强度与法向应力呈线性关系,可用摩尔-库仑准则来描述;冻土颗粒的剪切位移随冻土深度增大而减小,同一冻土深度内,剪切位移随法向应力的增大而增大,不同粗糙度的结构接触界面层变形特性基本相似,试验条件范围内接触界面层厚度为0.5~3.5 mm;界面层变形可分为冻土与结构接触界面上滑移变形和受结构约束的冻土剪切变形两部分;结构面粗糙度、冻土温度和法向应力等因素对接触界面层的力学特性具有显著影响。     

冻土-混凝土界面冻结强度特征与形成机理研究

在高寒区水利工程中,冻土与混凝土接触界面的力学特性对于衬砌的稳定性和长期服役性能有着重要的影响。为研究冻土-混凝土界面冻结强度特征与形成机理,开展了试验温度为-1～-5℃,初始含水率为9.2%～20.8%,法向压力为50～300 kPa条件下冻结黄土-混凝土界面直剪试验。通过研究界面剪切应力-位移曲线特征,结合摩尔库伦强度理论,将峰值强度分解为残余强度和界面冰胶结强度,对冻土-混凝土界面冻结强度形成机制进行解释。相应将界面黏聚力分解为峰值强度黏聚力和残余强度黏聚力,界面摩擦系数分解为峰值强度摩擦系数和残余强度摩擦系数。结果表明:界面冰胶结强度随着试验温度下降而增大,但受法向压力影响很小。在初始含水率为13.1%,法向压力100 kPa时,试验温度由-1下降至-5℃,冰胶结强度由4.4增加至111.1 kPa。界面残余强度随着法向压力增大而增加,但受试验温度影响很小。在含水率20.8%,试验温度-5℃时,法向压力由50增加至300 kPa,残余强度由34增加至177 kPa。界面峰值强度黏聚力随温度的降低呈指数增长,在含水率13.1%时,温度由-1下降至-5℃,峰值强度黏聚力由35.09增加至148.05kPa,而残余强度黏聚力变化很小。界面处摩擦系数受试验温度影响较小。该研究可为寒区衬砌工程等冻土-构筑物接触面结构建设提供参考。     

杨柴根系提高土体抗剪特性的研究

采用直剪仪对杨柴(Hedysarum fruticosum)重塑的根-土复合体及素土进行不同法向荷载下的剪切试验,研究根-土复合体在土壤含水量,布根数量,根系直径以及变形速率梯度条件下的剪切特性,讨论法向应力,布根数量,根系直径,土壤含水率及剪切速率等对根-土复合体抗剪特性的影响。结果表明,在0.8m左右的浅土层内,根-土复合体提高土体抗剪强度的效果显著,根-土复合体粘聚力显著增大的情况下抗剪强度呈明显增大趋势,根-土复合体抗剪强度相对于素土的增长率为14%,粘聚力的增长率为17%,粘聚力的增加对复合体抗剪强度的提高起到显著的作用。杨柴在12.5kPa垂直荷载对应的0.8m的浅土层,当土壤含水率在12.5%~16.5%,布根数量4~6根,根系直径在1~2mm径级范围,土壤孔隙水承压条件下,根系提高土体抗剪强度的有效性达到最佳范围。     

基于三轴UU试验的土体含水率对根土复合体强度特性的影响

为研究自然边坡其强度特性随含水率的变化规律。通过设计不同体积含水率(20%,27%,35%,40%,45%)和2种含根量(RAR=0.1%,0.3%)的重塑土进行不固结不排水三轴试验,以研究含水率对土体破坏方式、抗剪强度和初始切线模量的影响。结果表明：(1)试样破坏模式多为剪切变形和剪胀变形,在含水率为20%,27%时,出现明显剪切贯穿面破裂带,其余含水率下表现为剪胀变形;(2)含水率对根土复合体抗剪强度主要体现在黏聚力上,含水率从20%升至45%时,2种含根量的根土复合体黏聚力分别降低67%,72%;含水率低于35%时,可用对数关系表示,随含水率升高,黏聚力明显降低;含水率达到35%以上时,可用线性关系表示,黏聚力下降速度减缓;含根量增加,抗剪强度提高;(3)不同含根量和围压下根土复合体初始切线模量与含水率关系可以用线性关系拟合,含水率从20%升至45%时,2种含根量的根土复合体初始切线模量平均分别降低43%和47%。综合考虑土体弹塑性和植物因素对土体位移或变形的影响,可提高边坡稳定性计算精度。研究结果可为植物边坡以及水土保持植被建设治理提供科学参考,丰富根系固土领域的科学理论。     

含水率对小麦粮堆弹塑性力学特性的影响

不同地区粮仓中粮堆的含水率会有较大的差异,为了明确含水率对粮仓设计参数的影响,通过三轴试验研究了含水率对小麦粮堆非线性强度、临界状态和模量等的影响规律。结果表明:不同含水率下小麦粮堆的峰值强度和残余强度符合非线性强度指标的Mohr-Coulomb强度准则;参考压力(100kPa)下峰值内摩擦角和残余内摩擦角随着含水率的增大呈线性增大,含水率每增加1%,峰值内摩擦角和残余内摩擦角分别增大0.22°和0.30°。小麦粮堆的临界状态特性符合剑桥弹塑性理论,偏应力随着平均法向应力的增大呈线性增大;峰值应力比和临界状态应力比随着含水率的增大呈线性增大;含水率每增加1%时,峰值应力比和临界状态应力比分别增大0.012和0.014。不同含水率下初始模量、割线模量与围压间可采用幂函数模型表示;参考压力下初始模量和割线模量均随着含水率的增大呈线性降低;含水率每增加1%,初始模量和割线模量分别降低0.98和0.25 MPa。     

含冰非饱和土壤导热模型构建及应用分析

寒区土壤的导热特性与土壤的组成结构和孔隙数量、大小及其内部物质的相态等因素有关。本文以孔隙度作为代表性状态变量,给出了含冰非饱和土壤的表征单元体(REV)选取方法,建立了2个考虑冻融的条件的含冰非饱和土壤导热分析的REV模型:简化体积加权REV模型和精细体积加权REV模型,据此给出了宏观导热分析模型;并以冬季寒区土壤为例进行了土壤导热分析计算,讨论了含冰非饱和土壤导热系数与相关参数(孔隙率、含水率、含冰率和迂曲度等)的变化特性。本文所建模型,推动了表征非饱和土壤导热特性的方法的进步。     

土壤初始含水率对涌泉根灌土壤水分及氮素运移特性的影响

为了探究涌泉根灌水肥一体化灌溉在不同土壤初始含水率下水氮运移特性,通过室内肥液入渗试验,研究了不同土壤初始含水率(4.13%,7.21%,8.77%,11.06%,14.01%)条件下入渗特性、湿润锋运移、土壤水分以及铵态氮和硝态氮的运移特性,建立了涌泉根灌累积入渗量、各向湿润锋运移距离与不同土壤初始含水率之间的关系,提出了不同初始含水率下涌泉根灌累积入渗量、各向湿润锋运移距离的经验模型。结果表明:累积入渗量、各向湿润锋运移距离以及湿润体内水分和氮素的分布、转化等均不同程度地受到土壤初始含水率的影响。同一时刻条件下,累积入渗量随着土壤初始含水率的增大而减小,而湿润锋运移距离却呈现出增大的趋势;土壤初始含水率越大,湿润体体积越大,湿润体内水分、铵态氮和硝态氮的分布范围越广泛;距离灌水器出水孔越近,土壤中的铵态氮和硝态氮含量越高。入渗系数K随着土壤初始含水率的增大而减小,入渗指数α随着土壤初始含水率的增大而增大;水平湿润锋拟合参数a、b均随土壤初始含水率的增大而增大,竖直向下湿润锋运移指数c随着土壤初始含水率的增大而增大,入渗指数d随着土壤初始含水率的增大而减小。随着土壤水分再分布的持续进行,湿润体内水分分布越加均匀,采用克里斯琴森均匀系数Cu评价灌水结束、再分布1,3天条件下湿润体内水分分布均匀度依次为61.99%,74.27%和83.60%;湿润体内铵态氮含量逐渐减小,但铵态氮的分布区域基本无变化;湿润体内硝态氮分布区域变大,平均值呈增大,最值区域有下移趋势。研究成果为进一步研究涌泉根灌水氮高效利用技术奠定了基础。     

初始含水率对冰川泥石流的起动影响分析

通过开展不同初始含水率天然冰碛土的冰川泥石流起动试验,近似模拟不同前期降雨量下融水冲刷冰碛物形成泥石流的起动过程。结果表明:(1)研究区冰川泥石流起动类型为坍塌推移型;(2)初始含水率较低时渗流作用表现明显,渗流侵蚀将大量细颗粒运移,致使粒间孔隙增大至原孔隙率的2倍,土体骨架颗粒重新排列,颗粒间接触力降低,土体产生局部失稳变形,孔隙水压力呈"突降-突增-突降"趋势;(3)初始含水率较高时渗流与冲刷共同起主导作用,泥石流呈阵流爆发且与孔隙水压力峰值相对应;(4)含水率和孔隙水压力呈周期性变化,土体初始含水率与含水率达到峰值所需时间呈负相关关系;(5)基于试验现象及含水率和孔压的变化特征,将研究区泥石流起动过程划分为4个阶段,将其起动机理分为内渗流侵蚀、前缘骨架坍塌和径流冲刷起动。     

谷子摩擦特性试验及其影响因素分析

为了给谷子机械化播种、收获、加工、储运等作业装备设计及相关技术应用提供摩擦特性参数,该文运用自制的小籽粒休止角测定装置、摩擦系数仪、直剪仪等试验设备,测定了含水率分别为10.7%、13.7%、16.0%、19.8%的谷子的形态尺寸和休止角、滑动摩擦系数、内摩擦系数等摩擦特性参数。分别分析了含水率对谷子各摩擦力学特性参数的影响规律,不同接触材料对谷子滑动摩擦系数的影响,以及剪切速度和垂直应力对谷子内摩擦系数的影响规律。试验结果表明：含水率的变化对谷子形态尺寸的影响不显著（P>0.05）;谷子休止角随含水率增加而线性增大（R2=0.9875）;谷子与钢板、铁板、亚克力板间的动、静滑动摩擦系数均随含水率的增加而线性增大（R2≥0.9795）,与钢板间的滑动摩擦系数最小,亚克力板次之,铁板最高;谷子内摩擦系数受剪切速度的影响并不显著（P>0.05）,随着含水率的增加而线性增大（R2≥0.908）,随着垂直应力的增大而减小。研究结果可为谷子机械化装备的研发与设计提供参考。     

土壤水分对植物根-土界面相互作用特性的影响

为研究不同土壤水分下不同植物根系与土壤界面的摩阻特性,使用直剪仪对内蒙古中西部的5种典型乡土植物(柠条、沙棘、杨柴、紫花苜蓿和沙打旺)的根系在不同土壤含水率下进行根-土界面直剪摩擦试验。结果表明:当土壤含水率在4.5%~24.5%时,5种植物根-土界面摩擦系数均大于素土的土-土界面的值,且随着土壤含水率的增加,根-土界面和土-土界面摩擦系数均呈下降趋势,其中沙棘根-土界面的摩擦系数和黏聚力均大于其他4种植物的值,表明仅从根系与土壤间的相互作用特性来看,沙棘根系固土抗蚀的作用明显优于其他4种植物。根-土界面和土-土界面黏聚力均随着土壤含水率的增加呈先增后减的变化特征,且植物种不同黏聚力峰值出现时对应的土壤含水率亦不同。     

某滑坡炭质软岩抗剪强度受含水量影响分析

通过对某滑坡其炭质软岩在不同含水量下进行大量的抗剪强度试验,得出抗剪强度与含水量的关系曲线,分析曲线变化特征。因物质成分决定其力学性质,故进一步对岩样进行X-射线分析,得到其矿物成分;同时进行红外吸收谱分析,得到其化学成份。从而从内因上解释曲线变化特征及阐述抗剪强度受含水量的影响。     

人工石质边坡构树根系抗剪特性研究

研究构树根系抗剪切特性,可为岩石边坡生态防护提供理论依据。采用室内单根抗剪切试验分析了上、下坡向,一级、二级、三级侧根的抗剪切强度和应力—应变曲线。结果表明:下坡向根系数量、根径大于上坡向,根系平均长度小于下坡向;根系的剪切力-应变曲线与其生长方位、根径、根系分级有相似的曲线形状;分级根系的剪切力为一级>二级,下坡向一级根系剪切力大于上坡向,但二级根系剪切力反而小,最大剪切力随根径增加而增大;根系的抗剪强度随着根径的增大而减小,呈线性关系;抗剪强度值随着根径的而增大;下坡向根系平均抗剪强度大于上坡向,各根系平均抗剪强度为一级>二级>三级,但上下坡向和各级根系间无显著差异。抗剪强度是影响边坡稳定的重要因素,它既可以加固土体,又能影响植物的锚固作用。     

Estimation of runoff critical shear stress for soil erosion from soil shear strength

Critical shear stress is an important soil parameter governing detachment by runoff which appears in numerous erosion models. Soil shear strength has been often presented as the best soil property to predict critical shear stress. However, only a few studies have documented the relationship between soil shear strength and critical shear stress, and the results obtained have sometimes seemed contradictory. This is why we have put together all available data about the relationship between critical shear stress and soil shear strength in order to analyse and discuss its significance and its generality. Results showed that contradictions between different studies mainly arise because total shear stress is a poor predictor of detachment on rough soils. When grain shear stress is used rather than total shear stress, a significant relationship between saturated soil shear strength and critical shear stress does exist. Soil shear strength may thus be used to predict critical grain shear stress. However, it is recalled that in general only total shear stress is predicted by erosion models, which makes detachment predictions difficult on rough natural soils.     

竖向压力和剪切速率对小麦直剪强度及剪胀特性的影响

为了得出粮仓设计中粮堆强度和剪胀特性等关键指标,通过直剪试验研究粮堆剪切破坏面上,在竖向压力50~300 k Pa、剪切速率0.78~2.33 mm/min条件下,小麦粮堆单元体的强度和剪胀特性。结果表明:小麦粮堆单元体剪切分为弹性、塑性变形和籽粒压缩3个阶段。小麦粮堆单元体抗剪强度符合莫尔库伦强度准则,剪切速率从0.78 mm/min增大至2.33 mm/min,咬合应力从7.5 k Pa增大至12.9 k Pa,内摩擦角从38.2°变化为35.0°,剪胀角介于5.1°~4.8°之间。弹性阶段发生剪缩,最大剪缩体变小于0.4%;塑性变形阶段发生剪胀,最大剪胀体变大于最大剪缩体变,竖向压力越大最大剪胀体变越小,剪切速率越大随着压力的增大最大剪胀体变的变化越小。研究结果可用于粮仓内粮堆应力、变形的计算,为粮食仓储结构的设计提供依据。     

石匣小流域整地措施对土壤剪切性质的影响

为了解坡面整地措施对坡体稳定性的影响和土壤物理性质对土壤抗剪强度的差异性,选取石匣小流域4个标准样地,通过测量多个土壤物理性质指标(土壤容重、土壤含水率、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、紧实度和液限),研究不同坡面整地措施的土壤临界剪切力随深度的变化,以及土壤抗剪切破坏能力的强弱关系和影响因素。结果表明:原状土的临界剪切力随深度的增加而增加;通过库伦公式得出的土壤抗剪强度与土壤临界剪切力的回归方程为σ=0.0123τf+0.6308。土壤物理性质对抗剪强度的影响不同,紧实度、容重与含水率对抗剪强度的影响相对较大。对于不同的坡面整地措施,土壤抗剪切能力强弱顺序为梯田水平条裸地,其中,在水平条上种植针叶树,土壤抗剪切能力优于种植阔叶树。在北京石匣地区,布设坡面整地措施时,需因地制宜地增加田面宽度,并种植针阔混交林以增加土壤抗剪强度。     

静动荷载作用下小麦剪切特性试验研究

为研究静动载荷作用下的粮食剪切特性,利用开发的新型粮食动直剪仪,设计了孔隙率为39%、36%、33%以及竖向压力为50、100、150、200k Pa下的小麦单调直剪、往复剪切及往复后单调直剪试验,研究了小麦静动力剪切特性,并对比分析了小麦单调直剪与往复后单调直剪的强度、变形结果。研究结果表明:单调直剪试验中,同一孔隙率下,竖向压力越大,其软化现象越明显,剪胀现象越不明显,剪胀角越小,竖向压力为50、100、150、200k Pa下对应的剪胀角分别为4.5°、3.6°、2.4°、0.7°;同一竖向压力下,随着小麦孔隙率减小,其软化现象越明显,内摩擦角也越大,孔隙率为39%、36%、33%的小麦对应的内摩擦角分别为22.2°、24.4°、28.1°。剪胀角也随着小麦孔隙率减小而增大,对应的剪胀角分别为1.3°、3.6°、9.9°;往复剪切试验中,孔隙率越小,小麦往复剪切软化现象越明显,剪缩现象越不明显,最大剪缩量越小,孔隙率为39%、36%、33%的小麦对应的最大剪缩量分别为2.77、1.74、1.15 mm。往复后单调直剪与单调直剪试验结果对比表明,往复后单调直剪的小麦抗剪强度明显增大,其剪胀现象更明显,最大剪胀量也增大。试验结果可为粮仓结构安全性设计,尤其是粮仓结构动力分析提供依据。     

两种方法测定根-土复合体抗剪强度试验对比研究

为了便捷、有效且减少地表破坏面积地原位测定根—土复合体抗剪强度,采用改制后的十字剪切仪在青海大学校内原生植被生长的试验区,分别进行了三种植被覆盖度和三种含水量条件下根—土复合体原位十字剪切试验和室内直接剪切试验。试验结果显示:当土体含水量相同时,室内直剪试验测得的根—土复合体平均粘聚力为20.39~36.49kPa,原位十字剪切试验测得的根—土复合体抗剪强度为35.92~102.36kPa;当植被覆盖度相同时,室内直剪试验测得的根—土复合体平均粘聚力为32.46~23.32kPa,原位十字剪切试验测得的根—土复合体抗剪强度为109.7~68.12kPa。两种试验结果均表现为:根—土复合体的抗剪强度随植被覆盖度的增大而增大,随含水量的增大而减小。原位十字剪切试验测得的根—土复合体抗剪强度值大于直接剪切试验所测得的剪切强度值,平均增幅达到94.23%。两种试验结果产生差异的主要原因是由于剪切过程中剪切方式、破坏面积、受剪根系的数量及破坏程度不同而造成。其中,原位十字剪切试验是在原位不破坏土体结构和根系分布的基础上,将根—土复合体完全剪破,相对更能准确、直观地反映边坡滑坡过程中的变化规律。     

不同布根形式对草本植物根土复合体抗剪强度试验

为研究不同根系布置方式(方形、梅花形、环形)对草本植物根—土复合体抗剪强度影响,引入面积置换率的概念,解决了相同含根量或相同根数时无法同时满足方形、梅花形和环形布置的难题。在此基础上选取中国过渡带北侧山地土壤与莎草科植物开展植物根—土复合体抗剪强度试验研究,分析了相同布置形式下含根量对根—土复合体抗剪强度的影响、根系布置方式(方形、梅花形、环形)对草本植物根—土复合体抗剪强度增强作用以及抗剪强度指标变化规律。结果表明:根—土复合体试样的抗剪强度和黏聚力随着含根量的增大而逐渐增加;根—土复合体试样的内摩擦角随着含根量的增加变化不明显。根—土复合体试样的抗剪强度和黏聚力随着径级的增加而逐渐增大;根—土复合体内摩擦角与根系径级关系不大且规律性不明显。在法向应力较小时,根系的布置形式对根—土复合体的抗剪强度影响较小,当法向应力较大时,根系的布置形式对根—土复合体的抗剪强度影响不能忽略,且面积置换率越大,该误差越大。根—土面积置换率的较小时,方形布置的根系对黏聚力和内摩擦角影响最大,随着根—土面积置换率的增加,方形、梅花形及环形布置形式对根—土复合体黏聚力和内摩擦角的影响趋于稳定。     

受降雨影响的浅水泥沙颗粒起动规律

山区浅层水流深度极浅且移动缓慢,降雨条件下其泥沙输移现象尚不明确。为探明受到降雨影响下的浅水河流均匀沙起动问题,该研究假设雨滴落入河道后会影响到整个水流区,形成雨滴群与水流混合的流体,从孔隙介质流理论入手,假设当降雨存在时床面泥沙颗粒增加了向上的附加力,进一步分析泥沙颗粒的受力情况,推导出层流水流泥沙颗粒起动关系表达式。从含沙水流流速分布规律得到启发,雨滴落入层流水流的状态类似于含沙水流,当降雨存在时层流水流流速分布仍然满足线性关系。利用无降雨泥沙起动经典试验数据,确定了拖曳力系数以及上举力系数,发现两者都是沙粒雷诺数的函数。利用已有研究的降雨实测数据,求出了8种降雨强度(0.254～152.4mm/h)下的雨滴直径分布概率密度表达式(R~2=0.998),进而求出雨滴的平均直径表达式,并给出受降雨影响的层流水流泥沙颗粒起动切应力计算模型。该研究模型表明降雨的存在使得泥沙起动所需的临界摩阻流速减小。通过与已有研究进行对比分析,该研究建立的受降雨影响的浅水泥沙颗粒起动计算公式具有最高的精度,平均误差仅为14.8%,能够为山区水沙灾害防治提供理论支撑。     

重庆缙云山典型植被原状土与重塑土抗剪强度研究

为了从土壤力学方面探索防治水土流失的途径与措施,该文采用直剪仪对重庆缙云山5种典型植被的原状土和重塑土抗剪强度进行试验测定。通过比较相同植被同干密度、同含水率的原状土与重塑土在同一垂直荷载下的剪切差异,分析了根(极细根)在土壤－根系复合体(原状土)中的作用。研究结果表明：原状土剪切位移小于重塑土;在相同垂直荷载作用下,同一植被原状土的抗剪强度大于与其同干密度、同含水率的重塑土。原状土的剪切破坏近似于塑性破坏,而重塑土则属于弹性破坏;原状土的抗剪强度与含根量呈正相关,并以此建立关于原状土的抗剪强度回归模型。