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不同含水率下的原状全风化花岗岩强度与变形试验研究

更新时间:2009-03-28

土体的抗剪强度与弹性模量是评估其性能在工程建设中是否符合规范的重要指标,当土体受力超过本身屈服强度时,就会发生失稳现象[1]。每年雨季,我国南方都有大量由特殊土质或厚层岩石风化带组成的道路、渠道及房屋建设工程的挖方边坡发生滑坡破坏,很多研究人员在对土体性质与其影响因素进行研究之后得出了很多重要结论。蔡建[2]通过研究土的现场原位与室内试验抗剪强度指标的关系,采用土体固结理论,得出了土体压缩曲线与抗剪强度的一一对应关系;黄琨等[3]通过室内试验对非饱和重塑土的抗剪强度与含水率之间的关系进行了研究,结果表明随着含水率的增加,土的抗剪强度降低,含水率对重塑土抗剪强度的影响主要是降低了其粘聚力,对内摩擦角影响较小;胡昕等[4]以分布在广梧高速沿线的煤系土为研究对象,通过常规直剪试验测定了不同含水率状态下煤系土试样的抗剪强度,分析了含水率对煤系土抗剪强度的影响,结果表明煤系土的抗剪强度与起始含水率具有明显的相关关系,且起始含水率越大,抗剪强度越小。随着含水率的增大,煤系土黏聚力总体呈减小趋势,但变化趋势具有显著的阶段性。单伟等[1]对土体弹性模量在不同含水率与不同附加荷载作用下的变化趋势进行了研究,结果表明,含水率对土体弹性模量的影响显著,最大值出现在土体塑性区域附近,弹性模量随荷载的增大而减小,荷载每增大30%,弹性模量减小10%左右。目前,对土体弹性模量的研究相对较少,本文通过室内手动液压应力控制式三轴仪对原状全风化花岗岩与原状花岗岩残积土在不同含水率下的抗剪强度参数与弹性模量进行试验研究,建立了含水率与黏聚力、内摩擦角以及弹性模量的变化关系曲线,为广佛肇高速公路全风化花岗岩边坡路段滑坡机理研究提供数值参考。

1 应力控制式三轴试验仪简介

在进行滑坡治理时,确定滑带土的抗剪强度参数常常是勘察和设计人员面临的一个非常棘手的技术问题。由于滑带土往往为散粒体并含有粗大的岩屑、砾石等大颗粒土,因存在尺寸效应用小型三轴压缩仪难以得到较为接近工程实际的抗剪强度参数。大型土工三轴压缩仪能消除尺寸效应影响,因而能提供更为接近工程实际的抗剪强度指标,但由于现有的土工三轴压缩仪造价十分昂贵。目前,我国的岩土工程勘察、设计与施工单位的土工试验室中很少配备。

(1)物流企业可以引入竞争机制,对应每一个实货盘在选择相应的承运运输时,向几家入围运输公司同时进行选择,经过初选淘汰和中选几家对比,最后各项性价比优异者成为最终的承包商。这种类似的方法可以为物流企业构建最优管控体系。

如果能简化三轴仪的加载系统及采用人工采集数据,即可制造出低价的大型三轴压缩仪,相关勘察设计单位就能够配备该型仪器,从而可以借助大型三轴压缩试验来测定滑坡土的抗剪强度参数,这将大大降低灾害治理工程设计中抗剪强度参数确定的难度,并且通过与反分析方法配合,用综合分析方法求取滑坡土体的抗剪强度指标,就可为合理设计滑坡加固措施、优化工程设计提供重要的技术条件。

手动液压应力控制式三轴仪是通过对现有土工三轴压缩仪加载系统的改进和简化,开发出一种原理直观、操作简易、性能稳定、易于维修,适于滑坡灾害治理勘察、设计与施工单位应用、造价低廉的手动汞柱应力控制式大型三轴压缩仪。简化图见图1,实物图见图2。

  

图1 应力控制式三轴试验仪简化图

  

图2 应力控制式三轴试验仪实物图

对不同含水率下的原状全风化花岗岩试件进行试验,数据记录如表2所示。

生本理念是为学生好学而设计的教育,所以在阅读教学中,务必要围绕着学生的阅读兴趣,阅读障碍,阅读技巧和质量开展。教师要深入理解生本理念的重要内涵,不断在阅读教学实践中总结经验,切实提升初中生的阅读水平。

2 试验方案

2.1 原状土现场取样

原状土主要取样地点位于广佛肇高速肇庆段,取样桩号K118+350,原状土取样方法参考C.R.I.Clayton[5]所著的Site Investigation和香港的GEO:Guide to side investigation.Geoguide中的有关规定。原状土取样时,为了防止破坏原状土内部结构,应先确定所需原状土试样大小,然后用铁铲或相关工具划出所需土样的大致形状及规格,取样并包装好,然后用石蜡密封,并特别注意在运输时要防止车辆颠簸导致的破坏情况。

2.2 原状土试样制备

为了保证制备原状土试样的均匀性,减小试验数据误差,制备试样过程中,在保持土样干密度大致不变的前提下(试件质量误差控制在±0.02 g),将含水量作为控制指标。

将取自于广佛肇高速公路全风化花岗岩边坡的原状花岗岩残积土和原状全风化花岗岩先大致分割成所需制备试件的大小,再将切割好的试件放在制备原状土样的制备器上削去棱角,并测定其含水率。即可制得自然含水率下的原状土样,然后在通过烘干以及饱和器渗水得到不同含水率下的原状土样。

2.3 试验原理

土体抵抗破坏的极限能力称之为土体抗剪强度,即土体在各方面主应力的作用下,在某一应力面上的剪应力与法向应力达到一定的比值,土体就将沿该面发生剪切破坏。与传统的应变控制式三轴仪一样,都是制作3~4个圆柱试样,对每个试样分别施加不同的围压,随后逐渐增加轴压直到破坏,然后根据施加的围压与破坏时所对应的轴压来绘制摩尔应力圆及包络线,即可得其抗剪强度参数。

土体抵抗极限破坏的能力称为抗剪强度,当土体所遭受的剪切力超过此强度之后,土体就会发生破坏,本试验通过手动液压应力控制式三轴仪,采用不排水不固结剪切,分别对土体施加12.5、25、50、100 kPa这4个围压,然后求出其抗剪强度。见图3。对不同含水率下的原状花岗岩残积土进行三轴试验,测得的抗剪强度参数如表1所示。

土体的变形参数即弹性模量,根据我国现行的公路土工试验规范,一般通过强度仪法或室内承载板法对土体弹性模量进行获取,又由于2种试验方法中土体的应力状态与自然状况下差异较大,所以往往获得的参数不够准确。现场实测法又费力费时,操作繁琐且受现场环境影响制约,结果误差较大。所以通过室内三轴试验获取土体弹性模量仍是目前较为准确的方法。本文通过手动液压应力控制式三轴仪对原状花岗岩残积土和原状全风化花岗岩进行弹性模量试验,试验方法为采用前文的原状土样制样方法将原状土切割高度为125 cm的圆柱体试样,围压取值为σ0=k0γh,轴压σ1=τ/2,其中:k0为土体的侧压力系数,γ为土体重度,h为取土深度,τ为土体破坏应力。在此轴压与围压下经过多次加载卸载,一般为5~6次就可确定土体弹性模量。

3 全风化花岗岩边坡原状土体强度参数

3.1 原状花岗岩残积土强度参数

外卖是大多数年青上班族的午餐首选,因为午休时间短,又懒得下楼买,只得叫外卖。可是现在外卖的质量情况堪忧,如何才能健康吃外卖呢?

将原状花岗岩残积土在不同含水率下的cφ值进行曲线拟合之后的关系图如图4所示。

f(φ,ω)=-0.03ω2+0.4376ω+17.863

式中: c为粘聚力;φ为内摩擦角;ω为土体含水率。

由图4可知,随着含水率的增加,原状花岗岩残积土的粘聚力和内摩擦角都是呈一定规律下降。对其进行曲线拟合得到花岗岩残积土的粘聚力与内摩擦角随含水率变化的预测公式如下:

f(φ,ω)=-0.004 5ω3+0.205 4ω2-

3.2 原状全风化花岗岩强度参数

全风化花岗岩进行不排水不固结三轴试验,所得不同含水率下的强度包络线图如图5所示。

本发明采用3个相同的手动水银柱压力控制系统,压力控制系统均是采用手动机械悬挂升降装置来改变水银柱高度进而实现对周围压力、轴向压力和反压力的加载和控制,这就大大简化了周围压力、轴向压力及反压的加载系统,使得三轴压缩仪原理变得十分直观。由于轴向压力的加载是通过施加水银柱压力来实现的,因而无论试样面积大小如何,轴向加载只与水银柱高度有关,这使得大试样面积条件下,轴向压力的施加比传统的变速齿轮箱式的应变控制式三轴压缩仪要容易得多,也因此大大简化了大型三轴压缩仪的轴向压力加载系统,为大型三轴压缩仪的制造成本降低,操作稳定性及维修简便提供了极其有利的前提条件。

对照组患者利用常规的方法进行护理,主要内容有健康宣教及用药护理等,观察组患者均接受优质护理[2],具体如下:

  

图3 原状花岗岩残积土在不同含水率下包络线图

  

表1 不同含水率下原状花岗岩残积土的抗剪强度参数含水率/%粘聚力c/kPa内摩擦角ϕ/(°)含水率/%粘聚力c/kPa内摩擦角ϕ/(°)11.2351922.615.811.915.327.518.525.214.71017.723.516.22812.17.519.820.614.429.611.83.5

  

图4 原状花岗岩残积土抗剪强度参数示意图

由图6可以看出,全风化花岗岩与花岗岩残积土的趋势一样,随着含水率的增大,粘聚力和内摩擦角都会降低。

此外,还有学者从高学历低收入、较低职业声望的经济学角度和高校未提供优秀的组织文化导致集体归属感不够的文化学角度对高校基层行政管理人员的职业倦怠现象进行研究。

将2条曲线进行拟合,可得粘聚力和内摩擦角随含水率的拟合公式如下:

f(c,ω)=-24.29 lnω+96.409

为了验证算法的正确性,采用MATLAB对以上模型进行了仿真,结果如图6所示,当N=15、20、25时,理论上3 dB截止频率分别为194.38 Hz、6.074 Hz、0.189 Hz。

式中: c为粘聚力;φ为内摩擦角;ω为土体含水率。

比预期更紧张的供应和持续的需求增长为所有氮产品价格坚挺提供了支持,全球氮肥价格也受到欧洲天然气价格上涨的支撑。由于运输问题,周转时间以及供应增长速度低于预期,氨气产量受到一定的压力,而尿素继续受中国出口下降和伊朗供应不确定性的影响。

3.703ω+42.993

f(c,ω)=-24.79 lnω+94.702

陈 雷:我简单回答一下这个问题。取消“两工”以后,农民的投工投劳受到了很大的影响,过去高峰时候一个冬春的农田水利建设投工投劳是130亿个工日,2011年冬春的时候统计了一下,是30亿个工日,净减了100亿个工日,一个工日按30元算,一年等于减少了3000亿元的农田水利投入。郭凤莲同志提的是一个大问题,这个问题水利部和财政部也在积极研究,采取了一些措施。

  

图5 原状全风化花岗岩不同含水率下的包络线图

  

表2 不同含水率的原状全风化花岗岩的抗剪强度参数含水率/%粘聚力c/kPa摩擦角ϕ/(°)含水率/%粘聚力c/kPa摩擦角ϕ/(°)10.739.921.724.617.813.313.23320.226.517.51115.829.219.528.3158.618.824.5183014.63

  

图6 原状全风化花岗岩抗剪强度参数示意图

4 全风化花岗岩边坡原状土体变形参数

4.1 原状花岗岩残积土变形参数

根据花岗岩残积土与全风化花岗岩的矿物成分和工程特性,通过现场勘测与分析,可以将花岗岩残积土归为砂性黏土,将全风化花岗岩归为紧密砂土一类,通过室内三轴试验,测定土体在重复加载卸载过程中的应力与变形量如表3所示。

  

表3 原状花岗岩残积土在不同含水率下的应力形变值11.2%15.3%17.7%19.8%22.6%25.2%28%29.6%形变/mm应力/kPa形变/mm应力/kPa形变/mm应力/kPa形变/mm应力/kPa形变/mm应力/kPa形变/mm应力/kPa形变/mm应力/kPa形变/mm应力/kPa00000000000000000.474500.411500.39500.43500.397500.421500.388500.263500.39100.31800.31800.31200.33600.32200.32200.16600.399250.332250.34250.352250.362250.35250.345250.2250.55500.452500.436500.47500.442500.459500.451500.292500.4300.37700.3600.3800.35500.37800.34100.1800.459250.39250.377250.413250.395250.41250.378250.232250.58500.49500.46500.51500.457500.49500.48500.317500.46200.41800.37900.39900.36900.41800.34900.1900.511250.44250.415250.45250.409250.45250.406250.245250.61500.53500.48500.53500.47500.52500.505500.324500.47700.43800.39200.42900.37700.43300.35500.19900.542250.488250.444250.48250.427250.476250.43250.266250.77700.71700.67700.59600.62700.58700.63700.49970

通过表3所得的试验数据,绘制出的原状花岗岩残积土在不同含水率下的加载卸载曲线见图7。

  

图7 不同含水率下原状花岗岩残积土的加载卸载曲线

通过所绘制的曲线,运用弹性模量计算公式,可得到的原状花岗岩残积土在不同含水率下的弹性模量如表4所示。

  

表4 原状花岗岩残积土在不同含水率下的弹性模量含水率/%弹性模量E/MPa含水率/%弹性模量E/MPa11.240.622.64715.354.225.245.817.751.12840.619.85029.634.5

将其拟合成曲线图,如图8所示。

将曲线进行拟合,可得原状花岗岩残积土的弹性模量随含水率变化的拟合公式为:

f(E,ω)=0.007 5ω3-0.602 8ω2+14.332ω-

53.938

此外,在国内学术界,研究者或研究机构“单兵作战”的情况比较普遍。[4]不同学科的学者之间的合作研究以及研究机构的协同创新研究都不多,跨国合作研究更是凤毛麟角,学术界与政府部门之间的接触也很有限。鉴于“一带一路”研究的复杂性和国际性,应鼓励和提倡跨学科、跨机构、跨国、跨界的合作研究。

式中: E为弹性模量;ω为含水率。

假设研究区域内土壤类型及地形地貌于短时间内不会发生较大变化(1995年~2015年),将土壤可侵蚀性因子K及坡长坡度因子LS作为USLE模型求解的不变背景因子,将各年份降雨侵蚀力因子R、植被与作物保护因子C及水土保持措施因子P作为动态变化因子.将求解得到的1995年、2000年、2005年、2010年及2015年各模型因子相乘,可得椒江流域各年份土壤侵蚀模数.参照我国水利部颁布的土壤侵蚀分类分级标准[22],对椒江流域土壤侵蚀计算结果进行分级显示,见图2.

  

图8 原状花岗岩残积土的弹性模量随含水率变化曲线

4.2 原状全风化花岗岩刚度参数

原状全风化花岗岩在不同含水率下的轴向应力与形变量的关系如表5所示,曲线图如图9。

  

表5 原状全风化花岗岩在不同含水率下的应力形变值10.7%13.2%15.8%18.8%24.6%26.5%28.3%30%形变/mm应力/kPa形变/mm应力/kPa形变/mm应力/kPa形变/mm应力/kPa形变/mm应力/kPa形变/mm应力/kPa形变/mm应力/kPa形变/mm应力/kPa00000000000000001.0921001.1521001.1511001.0041000.9501001.0111000.7601000.7521000.79100.68200.79800.69200.64800.61200.58200.54200.862500.750500.859500.821500.752500.769500.673500.598501.1981001.2001001.211001.1441001.0411001.1221000.8691000.8411000.94200.8970100.86800.78900.79900.67300.63300.969501.031500.96500.982500.887500.941500.787500.731501.3201001.3321001.3321001.2321001.1821001.2121000.9701000.9621001.02201.10701.15101.04200.92300.93200.75000.73701.099501.162501.097501.147501.011501.060500.852500.820501.4011001.4001001.4021001.3111001.2601001.2901001.0901001.1101001.19701.19701.26201.1501.06201.04200.83300.81801.270501.302501.29501.262501.150501.148500.969500.952501.8011501.7961401.711401.831501.7791501.7951401.8001301.797130

  

图9 不同含水率下原状全风化花岗岩的加载卸载曲线

通过计算,可得到全风化花岗岩在不同含水率下的弹性模量如表6所示。

  

表6 全风化花岗岩在不同含水率下的弹性模量含水率/%弹性模量E/MPa含水率/%弹性模量E/MPa10.752.324.659.413.258.326.552.315.869.628.345.518.864.33038.9

将其拟合成曲线图,如图10所示。

将曲线进行拟合,可得出原状花岗岩残积土的弹性模量随含水率变化的拟合公式为:

f(E,ω)=0.0002ω4-0.0143ω3+

0.1267ω2+4.9376

式中: E为弹性模量;ω为含水率。

通过试验数据可得出,土体弹性模量随含水率变化规律为先增大在最佳含水率附近达到最大值,随后逐渐减小。同时查阅资料可以得出,花岗岩残积土的弹性模量在20~60 MPa,全风化花岗岩的弹性模量在40~80 MPa之间,因此本试验的数据是合理的。

  

图10 原状全风化花岗岩的弹性模量随含水率的变化曲线图

5 结论

本文针对广佛肇高速公路全风化花岗岩边坡原状土体,运用新型发明专利手动液压应力控制式三轴仪对其不同含水率下的弹性模量与抗剪强度参数进行研究,所得结论如下:

总的来说,学者们从不同的理论视角对生态文明的定义进行了多方面的阐述。虽然阐述的重点与视角有所不同,但对生态文明的内涵的理解有着基本的一致性。综合参考学界的主要观点,笔者认为,生态文明是指人类在自然和人类社会发展的动态过程中,遵循其客观规律,正确处理人与人、人与自然、人与社会三重关系所取得的一切物质、精神、文化和制度成果,是与物质文明、政治文明、精神文明相并列的一种文明形式,是继原始文明、农业文明和工业文明之后的一种新的文明形态,标志着人类文明发展的新理念、新方向。

1) 随着含水率的增大,原状花岗岩残积土与原状全风化花岗岩的粘聚力与内摩擦角均逐渐减小,此外由2种土体的强度参数随含水率的变化曲线可以看出,在同等含水率下,原状全风化花岗岩抗剪强度和内摩擦角较花岗岩残积土的要略大。

2) 通过室内加载卸载三轴试验所测得的原状花岗岩残积土与原状全风化花岗岩的弹性模量随含水率的变化曲线图可以看出,2种土体的弹性模量都是先增大后减小,并在其最佳含水率附近达到最大值,且原状全风化花岗岩较花岗岩残积土而言,弹性模量要略大。

尽管对树脂面做粗糙处理可以增加托槽的抗剪切强度,但也使树脂表面产生了大小不均的裂隙及空洞样改变。因此,临床医生应根据需要选择不同表面处理方法。

参考文献:

通过表1可以发现,英语四级分数大于等于500分的学生使用全英词典的比率远远大于四级分数低于500分的学生,这或可说明低于500分的学生由于英语水平有限而不能很好使用全英词典学习工具,因此而放弃了使用全英词典。使用英汉词典的一部分学生也同时在使用汉英词典,他们使用汉英词典的主要考虑是用作四级翻译部分的备考学习。

[1] 单伟,张维. 含水率和附加荷载对北黑高速公路滑坡路段土体弹性模量影响因素[J].森林工程,2013,29(4):103-107.

[2] 蔡建. 原状土的抗剪强度研究[J].岩土力学,2012,33(7):1967-1971.

[3] 黄琨,万军伟,陈刚.非饱和土的抗剪强度与含水率关系的试验研究[J].岩土力学,2012,33(9):2600-2604.

[4] 胡昕,洪宝林,杜强. 含水率对煤系土抗剪强度的影响[J].岩土力学,2009,30(8):2291-2294.

[5] Clayton C R I, Simons N E, Matthew M C, et al.Site in vestigation[J].Blackwell Science,1995,60(3):607-619.

[6] GB50218-94,工程岩体分级标准[S].

 
刘泽,李友云
《湖南交通科技》 2018年第01期
《湖南交通科技》2018年第01期文献

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