结构接触面剪切特性及软硬化损伤模型

采用大型直剪仪进行了黏性土、砂土两种土样与混凝土接触面的直剪试验,研究了不同法向应力条件下,土与混凝土接触面上的应力、应变及破坏强度等特征.试验结果表明:对于黏性土与混凝土接触面的剪切加载,剪切过程表现出应变软化特性,残余应力水平趋于稳定状态;砂土与混凝土接触面的剪切过程主要表现为应变硬化,残余应力缓慢增长.针对土与结构接触面剪切特性,从损伤力学理论出发提出了考虑应变硬化和软化特性的结构接触面剪切损伤本构模型及模型参数确定的方法.该模型能充分反映土-结构接触面的应变软化和硬化特性,参数较少,方便实用.     

土石混合料与岩石接触面变形特性模拟试验研究

以土-岩接触面滑坡为工程背景,用室内大型叠环单剪试验研究土石混合料与岩石接触面变形特性,重点分析法向应力、含水率、粗糙度对接触面变形特性的影响.研究表明,土-岩接触面的体变规律主要与法向应力有关,当法向应力小于400 k Pa时,表现为剪胀,400 kPa时试样表现为剪缩,体变随着剪切位移变化曲线呈"U"型变化趋势,粗糙度和含水率只影响体变的幅度.相同试验条件下,同一高度的土样剪切变形移随着法向应力以及粗糙度的增大而增大,饱和含水率土样较天然含水率土样剪切变形明显变小;接触面剪切带厚度受粗糙度、法向应力影响较大,随着法向应力和粗糙度的增加,接触面破坏形式,由滑移破坏向接触面剪切滑动带破坏再向土体内破坏转变,因此存在临界粗糙度和法向应力,使得接触面的破坏由接触面向土体内转移.在分析土-岩接触面常用模型适应性基础上,用统计损伤模型描述土-岩接触面应力位移关系较好.     

基于扰动状态概念的桩-土接触面荷载传递模型

基于扰动状态概念(DSC),假定桩-土接触面单元中相对完整(RI)状态部分的抗剪强度服从线弹性理论,完全调整(FA)状态部分的抗剪强度服从理想塑性理论,进而建立桩-土接触面荷载传递模型.针对桩-土接触面进行了大型直剪试验,试验结果表明:桩-红黏土接触面剪切过程中,接触面表现出应变软化特性,且随着法向应力的增加,软化现象越明显;桩-粉质黏土接触面剪切过程中,接触面表现出轻微应变硬化特性.利用桩-土接触面荷载传递模型计算得到的剪切应力-剪切位移曲线(τ-s曲线)与直剪试验得到的τ-s曲线吻合较好,验证了基于DSC的桩-土接触面荷载传递模型具有较好的准确性与适用性.     

水泥土泥皮下土与结构接触面的单剪特性

采用大型单剪仪进行粗粒土与混凝土接触面在水泥土泥皮(粘土中掺入水泥)条件下的剪切试验,揭示泥皮条件下接触面的力学特性与机理.试验结果表明,峰值强度以及剪胀发生所对应的位置与法向应力大小有关,峰值强度所对应的剪应变滞后于产生剪胀的位置.剪切破坏时,在同一高度处,法向应力越大,切向位移也越大;同样的法向应力及高度处,切向位移随水泥含量的提高而增大.以单剪试验为原型,采用颗粒流模拟程序PFC建立水泥土泥皮条件下粗粒土与混凝土接触面的单剪模型,通过对接触面试验试样内部特征点在剪切过程中运动状态的追踪,分析了土体的扰动高度及其主要影响因素.研究发现,扰动高度与粗粒土的最大粒径、法向应力以及粗糙程度(有无泥皮)等有关.对粗粒土,靠近结构面3～4倍最大粒径的区域内土颗粒切向位移明显,形成明显的剪切错动带,因此,建议该剪切错动带厚度为有厚度接触面单元厚度.     

直剪试验中接触面渐进破坏的数值模拟

岩土工程中不同材料间的接触面力学性质是热点研究课题之一.为了研究不同接触面本构模型适用性,对室内接触面直剪试验进行有限元数值模拟,并采用刚塑性模型对接触面破坏过程进行了分析.数值模拟结果表明,计算与试验结果基本一致,不同本构模型计算结果相差不大;直剪试验剪切过程中,接触面上应力应变分布不均匀,导致接触面单元渐近破坏,使得接触面应力-相对位移关系呈非线性;刚塑性模型可以合理描述接触面本构关系,其模型参数较少且容易确定,可用于工程计算.     

考虑渗透水压力的黏土与混凝土接触面力学特性

采用大型直剪仪进行黏土与混凝土接触面的单向直剪试验,研究接触面在不同渗透水压力和法向应力作用下的力学特性,并对黏土与混凝土接触面的强度及应力变形特性进行分析,基于双曲线模型提出了考虑渗透水压力作用的黏土与混凝土接触面本构模型。结果表明:接触面的剪应力与相对剪切位移较好地满足双曲线关系,竖向位移表现为剪缩;接触面的抗剪强度与接触土体的饱和状态显著相关,当土体由非饱和状态过渡至饱和状态时,接触面抗剪强度随渗透水压力的增大显著降低;当接触土体趋于饱和时,抗剪强度随渗透水压力增大的降幅随之减小,且与有效法向应力间呈较好的线性关系;模型计算结果与试验结果吻合较好,验证了所提出的考虑渗透水压力作用下黏土与混凝土的接触面本构模型是合理的。     

粗粒土大型单剪颗粒破碎试验研究

使用新研制的大型单剪仪,对粗粒土的颗粒破碎及粗粒土一结构接触面进行了系统的试验研究,分析了试验中影响颗粒破碎的主要因素及颗粒破碎对粗粒土一结构接触面应力应变特性的影响.试验结果表明,颗粒破碎率随着法向应力的增大而增大,颗粒破碎受剪应力大小的影响程度随着法向应力的增大而减小.     

土-结构接触面剪切全过程本构关系研究

结合室内直剪试验分析土与结构接触面的本构关系,研究不同法向应力条件下接触面的变形特征和应力路径,并构建反映土-结构接触面本构关系的数学模型.试验结果表明:法向应力和界面粗糙度是影响接触面剪切特性的主要因素.界限法向应力的存在使得剪切破坏模式发生转变,其数值与接触面的粗糙度和土体的相关剪切属性有关.此外对接触面统计损伤本构模型进行改进,在忽略接触面厚度参数的基础上,结合剪切过程中的“三阶段”模式,提出了考虑接触面剪切全过程的统计损伤改进模型,并通过试验数据验证其正确性.该模型可以反映一定法向应力情况下土-结构接触面周围的整体变形量.     

泥皮条件下土与结构接触面弹塑性本构模型

采用大型单剪仪进行粗粒土与混凝土接触面在膨润土泥皮条件下的剪切试验,揭示泥皮条件下接触面的力学特性与机理.结果表明,峰值强度以及发生剪胀所对应的位置与法向应力大小有关,峰值强度所对应的剪应变大于产生剪胀的位置.基于广义位势理论,建立了考虑剪胀以及应变软化的接触面弹塑性本构模,并将其推广到三维应力空间,拟合了相应的模型参数,并编制了有限元计算程序.结合室内防渗墙模型试验结果,并与Goodman模型进行比较分析,验证了模型的合理性.     

颗粒粒度与级配对碎石料与结构接触面剪切特性的影响

为了研究碎石料颗粒粒度与级配对土与结构接触面剪切强度与变形的影响,采用大型直剪仪分别进行4种不同粒度的单粒组碎石料以及3种不同连续级配碎石料与混凝土结构接触面的直剪试验,研究颗粒粒度、级配形式、结构面粗糙度以及法向应力对接触面剪切特性的影响。研究结果表明:颗粒粒度对碎石料与结构接触面的力学特性有显著影响,接触面剪切强度随颗粒平均粒度的增大而增大;而当平均粒度相同时,连续级配碎石料与结构接触面的剪切强度明显比单粒组碎石料与结构接触面的剪切强度高;接触面的体积变形在低法向应力下表现为先剪缩后剪胀,而在高法向应力下接触面则发生明显剪缩;在相同条件下,粗糙接触面的剪切强度和变形量(剪胀或剪缩)均比光滑接触面的高。     

粗粒料与结构物接触面力学特性缩尺效应

为了研究土石坝中不同材料间接触面的力学特性,利用清华大学土与结构物接触面循环加载剪切试验机,对粗粒料与混凝土板接触面分别进行了试样缩尺和粒径缩尺试验,得到了缩尺前后的接触面强度与变形特性。根据试验结果,探讨了试样缩尺和粒径缩尺对接触面力学特性的影响,并分析了其机理。结果表明:当试样与粗粒料最大粒径之比大于一定值时,试样缩尺的影响很小;而粒径缩尺后的接触面强度会降低,同时初始剪切模量则有所增长,其影响不能忽略。     

中国寒区粗粒土力学研究现状与进展

在寒冷地区,粗粒土是路基、土石坝等工程主要填料,也在高寒山区斜坡上广泛分布.寒区高铁路基冬季冻胀病害和高海拔斜坡春季滑塌灾害等的防治与评价,均与冻融作用下粗粒土的力学特性密切相关.在查阅大量中外文献的基础上,从本构关系、物理特性、力学性质和界面问题等方面对寒区粗粒土力学理论的研究现状进行综述.通过引入不同新理论建立了考...     

含弱界面的复合材料层合板对水平剪切波的散射

对含有弱界面的复合材料层合板,采用弱连接界面的剪切弹簧模型,借助波函数法研究了水平剪切波入射时层合板对波的散射,得到了解析结果.数值计算结果表明,弱界面处在不同位置时,对以一定角度入射到复合材料层合板的水平剪切波,其反射和透射系数有明显变化;当层合板中弱界面的力学性能参数强弱不同时,以入射角为变量所得到的透射系数和反射系数曲线呈现出明显差异.证明了根据含弱界面复合材料层合板所得到的水平剪切波的散射规律,不仅能够确定反映弱界面力学性质的参数R的大小,而且还能够判明弱界面所在的位置,这将为复合材料层合板中弱界面的超声无损检测提供依据.     

不同土工合成材料加筋土界面的静动力直剪特性

为研究不同加筋材料对筋-土界面在静力、动力作用下的剪切特性的影响, 采用大型直剪仪对土工编织布、土工无纺布、土工膜加筋的加筋土界面进行了一系列单调直剪试验、循环直剪试验和循环后单调直剪试验, 并将单调直剪试验与循环后单调直剪试验的结果进行对比分析. 结果表明：单调直剪试验中, 界面剪应力-剪切位移关系由于加筋筋材力学特性与结构特征不同, 呈现出较大差别, 其中筋材在较大竖向应力的剪切过程中容易发生变形; 在循环剪切过程中, 土工编织布、土工无纺布界面抗剪强度发生了软化现象, 而土工膜界面抗剪强度则发生了硬化现象.     

考虑层间界面剪切损伤的复合式沥青路面力学特性

提出沥青路面层间界面剪切损伤本构关系方程、引入Goodman接触单元,模拟路面各分层之间的应力接触传递;基于ANSYS软件建立起考虑层间界面剪切损伤的沥青路面数值分析模型,对重载车辆制动荷载作用下典型复合式沥青路面结构的力学特性进行分析.研究表明,车辆轴重和层间粘结强度对层间界面损伤度、路面内水平剪应力及最大值位置、路面总沉降均有不同程度的影响;车辆超载1倍并制动时,层间界面损伤度最大值增加约50%,路面水平剪应力和沉降最大值翻1倍多;层间粘结强度减弱50%时,标准轴重车辆制动荷载下层间界面剪切损伤度翻1.5倍多,路面内水平剪应力、沉降最大值增加20%~30%.     

高速公路加筋土体的滑移变形过程模拟

首先分析了加筋土颗粒接触面处的单元剪切刚度矩阵,并考虑土体剪切破坏的应力特点,引入莫尔库伦强度准则对加筋土体的微元强度进行度量,从而建立了模拟加筋土体滑移变形过程的统计损伤本构模型.在此基础上,进而提出一种较完备的,且参数少、物理意义明确的模型参数确定方法.最后,通过与常规直剪试验曲线的对比分析,发现该模型能够模拟加筋土体的滑移变形特性,并进而探讨了土体抗剪强度随法向应力的变化规律,从而验证了模型的合理性.     

高强混凝土新旧结合面抗剪性能试验

进行了11个标号C80和4个标号C40混凝土试件的单调推剪试验,得到了结合面破坏形态、剪力-滑移曲线和剪力-抗剪钢筋应变曲线,分析了混凝土强度、结合面配筋强度和结合面类型对结合面抗剪性能的影响.收集了32组国外试验数据,对比了高强混凝土结合面受剪承载力试验值与国内外相关标准的计算值.研究结果表明:试件出现了结合面剪切和试件混凝土冲切两种破坏模式;粗糙面C80试件的结合面受剪承载力小于C40试件,键槽面试件的结合面受剪承载力高于粗糙面试件;结合面的受剪承载力与配筋强度成正比;按照我国《装配式混凝土结构技术规程:JGJ 1—2014》公式计算的C80试件受剪承载力与试验值之比在0.33~0.72之间,且相比于国际结构混凝土协会、美国和欧盟规范,我国规程计算公式偏保守.利用试验数据,经回归分析,提出了高强混凝土新旧结合面受剪承载力修正建议计算公式.     

箱形倒虹吸结构的两种应力计算方法比较分析

结合南水北调中线某箱形倒虹吸结构,分别采用工程中常用的弹性地基梁法与土体一结构相互作用的方法,利用ADINA软件进行倒虹吸结构应力分析,得出不同工况下倒虹吸结构的应力分布规律,归纳了两种计算方法下结果的差异性并重点分析土体与结构相互作用对结构应力及变形的影响．与常规弹性地基梁方法的对比结果表明,把结构与土体作为整体研究,考虑二者相互作用的方法能够更准确地反映真实情况,是分析地下倒虹吸结构应力及变形的不可忽略的因素．     

砼-土界面抗剪特性试验研究

利用改进的直剪装置对砂岩泥岩混合土料和不同粗糙表面的混凝土块进行直剪试验,观察土料变形特征,探究不同的界面粗糙度对砼-土界面剪切特性的影响。通过简化应力应变关系曲线的方法得出计算参数,利用峰值剪应力得出接触面抗剪性能,分析切向刚度系数k的意义。通过观察可以证实土体的基本变形阶段和破坏变形阶段的过程,即达到峰值剪应力前的基本变形过程,之后的破坏变形过程。结合试验现象对两个阶段的土体摩擦过程进行分析,即土体与结构物接触面的摩擦过程和土体与残余在结构物上的土体的摩擦过程。