红黏土与混凝土接触面剪切特性试验研究

采用大型直剪仪进行红黏土与混凝土接触面的单向直剪试验,研究不同法向应力与混凝土表面、不同粗糙度条件下接触面的力学特性,对红黏土与混凝土接触面的应力、应变及破坏形式进行分析。研究结果表明:随着接触面粗糙度的增大,接触面的抗剪强度以及残余强度增大,黏聚力增大,内摩擦角减小;在剪切初始,法向位移随着切向位移的增大而减小,表现为剪缩,之后随着切向位移的继续增大,法向位移增大,表现为剪胀,剪胀速率基本相同;在剪缩阶段,剪缩速率随着法向应力或粗糙度的增大而增大;在剪胀阶段,剪胀速率也随着粗糙度的增大而增大,随着法向应力的增大,剪胀速率基本不变。     

桩土接触面力学特性大型剪切试验

土与混凝土接触面力学特性直接影响到桩侧摩阻力的发挥,相关研究对抗拔桩设计及应用至关重要。采用大型剪切系统,设计试验剪切模型箱,通过将预制混凝土板置于剪切装置中,以模拟抗拔桩的实际受力情况,分别从剪应力-剪切位移曲线、接触面剪切强度及剪缩剪胀性3个角度进行对比分析。结果表明:剪应力达到峰值强度后随剪切位移的增加线性递减,且在不同法向应力作用下,减小速率近似相等;接触面最大剪应力随着法向应力的增大而增大,两者呈良好的线型关系,但随含水率的增大而减小;接触面抗剪强度随含水率的增大而逐渐减小,相同法向应力下其值远低于土体抗剪强度;当法向应力较小,土样含水率较低时,土体发生剪胀现象,而在其他条件下均为剪缩,法向应力越大,其剪缩量越大。     

粗糙度对红黏土与混凝土接触面循环剪切特性的影响

为了研究结构表面粗糙度对土与结构接触面循环剪切特性的影响,采用大型直剪仪进行了不同粗糙度与不同法向应力条件下红黏土与混凝土接触面的循环剪切试验,分析粗糙度对接触面循环剪切应力与剪切体变的影响规律.试验结果表明:不同条件下接触面都呈现出循环剪切软化特征,同一循环周次接触面剪切强度随粗糙度的增大而增大;循环剪切过程中接触面表现出明显的剪缩特征,接触面最终剪缩量随粗糙度的增大而增大.随着循环次数的增加,接触面剪切刚度和阻尼比逐渐减小并趋于稳定.结构表面粗糙度的增大能提高接触面剪切刚度,但对接触面阻尼比的影响不明显.     

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.     

粉质黏土与再生混凝土接触面剪切特性试验研究

采用大型直剪仪进行粉质黏土与再生混凝土及普通混凝土的接触面剪切试验,用建筑垃圾和铁尾矿配制再生混凝土,接触面采用在粉质黏土上现浇混凝土形成,研究不同法向应力下接触面的剪切特性。试验结果表明：再生混凝土接触面的剪切位移-剪应力(w-τ)曲线与普通混凝土接触面的类似,接触面的抗剪强度与法向应力呈线性关系,在相同法向应力下再生混凝土接触面的抗剪强度大于普通混凝土接触面的抗剪强度,两种接触面的抗剪强度均小于土体自身的抗剪强度;接触面的初始剪切刚度模量随着法向应力的增加而增大,剪切刚度模量与大气压强的比值(G/Pa)和法向应力与大气压强的比值(σ/Pa)在双对数坐标系上呈线性关系。     

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.     

颗粒粒径对粗粒土-混凝土接触面剪切特性影响试验研究

为研究颗粒粒径对粗粒土与混凝土结构接触面剪切力学特性的影响,进行3不同粒径范围(2.36~4.75mm、4.75~9.5mm、13.6~16mm)均匀粒径组粗粒土与两种不同混凝土接触面(光滑和粗糙)大型直剪试验,研究粗粒土粒径对接触面剪切强度的影响规律.试验结果表明:随粒径的增大接触面剪切应力-剪切位移曲线从剪切软化型逐渐向剪切硬化型发展.光滑接触面剪切强度随粗粒土平均粒径的增大几乎呈线性增大;而粗糙接触面剪切强度在平均粒径达到7.13mm后,其增大速率逐渐变小.相同法向应力下粗糙接触面剪切强度明显高于光滑接触面.摩尔库伦强度指标分析表明:粒径的增大显著提高了接触面的表观黏聚力;但对接触面内摩擦角的影响不明显.     

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。     

考虑结构表层粗糙度的混凝土桩-黏土界面剪切特性试验研究

为探讨结构物表层粗糙度对桩-土界面剪切特性的影响及其规律,基于砂纸规格及表面粗糙度指标的实测数据,构建砂纸规格与结构物表层粗糙度之间的指数化拟合模型,并得到相应的计算公式及参数。基于指数化拟合公式,利用不同规格砂纸模拟混凝土桩-黏土接触面处表层的粗糙度,采用ZJ型应变控制式直剪仪开展混凝土桩-黏土接触面直剪试验,定量分析粗糙度对混凝土桩-黏土界面剪切破坏、变形的影响。研究结果表明:混凝土桩-黏土接触面抗剪强度符合莫尔-库仑破坏准则,破坏形式表现为接触面剪切滑移破坏;在高法向应力作用下,接触面剪切破坏过程可分为"土体弹性剪切变形—接触面剪切滑移—土体弹塑性剪切变形"3个阶段;接触面抗剪强度随粗糙度的增加而呈幂函数关系增大,但随着法向应力的增大,粗糙度对抗剪强度的影响呈现减弱趋势,即粗糙度存在临界值。     

粗颗粒组分含量对中细砂抗剪强度的影响

粒径级配决定了砂体颗粒结构特征,影响着砂体的剪切力学行为。为查明粗颗粒组分含量对中细砂抗剪强度的影响,在中细砂中逐级加入粗颗粒组分,配制了5组混合砂样,并对其进行了直剪试验研究。结果表明:随着法向应力的增大,各组混合砂样的抗剪强度也随之增大;直剪试验中各混合砂样直剪峰值强度后均出现略微软化,随剪切位移的增大又发生硬化;当法向应力的增大时,各组混合砂样硬化现象更加明显;在同一法向应力作用下,增加粗颗粒含量,各组混合砂样抗剪强度均表现出先降低后升高的趋势,在粗颗粒含量由0%增加到20%时,混合砂样抗剪强度持续降低,在20%粗颗粒含量时达到最小,之后开始增大;在不同的级配及法向应力作用下,混合砂样的摩擦系数等强度指标变化均在20%粗颗粒含量时发生改变。     

砾砂与混凝土管界面剪切力学特性试验

基于数字图像相关技术,通过自主研制的可视化直剪容器,对砾砂与混凝土管接触面在常法向应力作用下的剪切力学特性进行较系统的试验研究.试验结果表明:砾砂-混凝土管界面初始剪切模量随法向应力的增大而增大;D_r=0.8的砾砂土样与混凝土接触面的摩擦系数较D_r=0.4时增大约17.5%,相对密实度每增大0.2,摩擦角平均增大2°;砾砂-混凝土接触面的剪应力-剪切位移曲线软化程度随法向应力增大逐渐减小,硬化程度逐渐明显;土体剪切位移随着与接触面距离的增加而增大,剪切变形主要发生在剪切错动带内,剪切错动带厚度约为3D₅₀.     

土石混合体原位试验的颗粒流数值模拟分析

基于颗粒流理论和PFC程序,解决了不规则碎石(clump)的生成、恒定法向荷载施加、剪切面的含石量等问题后,建立了土石混合体原位试验的颗粒流数值模型,对不同含石量、法向应力下土石混合体的直剪试验进行模拟,并与原位直剪试验的结果进行比较.结果表明：随着含石量增加,剪切应力及其峰值增大,剪切应力峰值对应的剪切位移减小;在低法向应力条件下,土石混合体表现为剪胀;在高法向应力下,土石混合体表现为先剪缩而后剪胀,并呈现出压剪破坏特征;剪切面附近分布的不规则碎石在剪切过程中出现挤压滑动与滚动,使得剪切破坏面出现凹凸,而且剪应力、法向位移、应变能随剪切位移增加而出现波动和平缓段;数值试验所得剪切应力峰值略高于其试验值,减小模型颗粒半径,可以有效降低计算的剪切应力峰值.     

石笼网护岸结构强度和变形特性试验研究

石笼网内填石料的填充率与石笼单体结构强度指标是石笼网生态护坡技术研究中的关键指标.采用室内石笼网填充率试验,进行了填石料的最小干密度与颗粒级配相关性研究,确定了石笼网单体结构大型直剪试验中填石料的级配曲线.利用NHRI-4000型高性能大接触面直剪仪,进行了相同粒径和剪切条件下有无石笼网的填石料剪切比对试验.试验结果表明:石笼网填充率随逊径颗粒含量的增大而增大;当试样粒径小于40 mm的颗粒(P<40)的质量分数为60％时,结合一定的击实措施,石笼网内碎石能达到最佳填充效果,填充率为72％,满足设计指标要求.石笼网结构是由填石料与石笼网组成的复合体,有石笼网的填石料抗剪强度远大于没有石笼网的填石料抗剪强度;石笼网的弹性模量远高于填石料的弹性模量,石笼网的"环箍"效应限制了填石料间颗粒的移动,增加了填石料整体稳定性;在变形特性上,除石笼单体结构整体延展性较大外,其发生应变软化和硬化的情况与一般粗粒土的变形特性基本一致.     

吸力对非饱和高液限黏土-土工织物界面剪切特性的影响

采用ZFY-1A型非饱和土应变控制式直剪仪,对非饱和高液限黏土-土工织物界面进行控制吸力的剪切试验,探讨基质吸力对筋土界面剪切特性的影响.研究结果表明,非饱和高液限黏土-土工织物界面的抗剪强度随着净法向应力、基质吸力的增大而不断提高,剪切位移-剪应力曲线表现出轻微的应变硬化软化特性.剪切过程中有水从试样中排出,净法向应力越大,含水量变化量Δwmax越大,基质吸力越大Δwmax反而越小.界面剪胀角随着基质吸力的增加而增大,随着净法向应力的增加而减小.界面强度随着平均界面剪胀角的增加而增大.最后确定了不同吸力值下的界面强度参数及强度公式.     

平均粒径和粗糙度对砂-玻纤网格布界面剪切特性

为了探究平均粒径和粗糙度对砂-玻纤网格布界面剪切特性的影响,开展了5种平均粒径砂(D₅₀)和4种粗糙接触面(R_a)的直剪试验。根据直剪试验结果得到平均粒径和粗糙度影响下抗剪强度-位移曲线、轴向位移-剪切位移曲线,并且通过示意图分析砂体的剪缩剪胀现象及抗剪强度的变化。结果表明：在砂剪切中,多为剪缩现象,随着D₅₀的增加,抗剪强度增大,内摩擦角增大,黏聚力为0 kPa,当D₅₀大于0.54 mm时,抗剪强度增长较快;在砂-玻纤网格布界面剪切中,多为先剪胀后剪缩现象,随着D₅₀的增加,抗剪强度、黏聚力和内摩擦角均增大;随着R_a的增加,抗剪强度总体增大,黏聚力和内摩擦角均增大,当R_a大于0.16 mm时,抗剪强度增长缓慢;在砂-玻纤网格布界面剪切中,砂颗粒与格栅界面咬合,使得界面上不可移动的颗粒增多,剪切面范围增加,导致抗剪强度增大。该成果以期丰富砂-结构物界面剪切特性研究。     

不同泥皮粗粒土与结构接触面力学特性实验

进行了粗粒土与结构面分别在夹膨润土泥皮、粘土泥皮以及无泥皮条件下的大型单剪试验,揭示了不同泥皮情况下接触面的力学特性与机理。试验结果表明,不同泥皮种类对粗粒土与结构面的强度有重要影响,夹有膨润土泥皮时,粗粒土与结构面的剪切强度显著减小,最大减幅可达45%,而夹有粘土泥皮时其最大减幅只有10%,远小于膨润土泥皮;试验测定的夹有膨润土泥皮时的摩擦角仅为夹有粘土泥皮时的60%左右。剪切破坏时,同一高度处,切向位移随法向应力的增大而增大;同样的法向应力及高度处,夹有膨润土泥皮时的切向位移小于夹有粘土时的切向位移,而法向位移相对要大些。此外,无泥皮低法向应力下,出现明显的剪胀现象,而泥皮条件下均表现为剪缩。     

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.     

接触面粗糙度对红黏土-混凝土接触面力学性质的影响

在混凝土试块上设计了粗糙度不同的表面,以该表面作为土-混凝土接触面,并采用灌砂法测定了接触面粗糙度。利用大型直剪试验仪对红黏土-混凝土试块接触面进行了剪切试验,定量分析接触面粗糙度对接触面抗剪强度参数、接触面剪应力-切向位移关系以及红黏土剪胀(缩)性的影响。研究结果表明:接触面粗糙度对红黏土-混凝土接触面的内摩擦角影响不大。在接触面粗糙度增大至临界粗糙度的过程中,接触面黏聚力随粗糙度的增大而增大,并逐渐趋近于红黏土自身的黏聚力。接触面粗糙度对剪应力-切向位移关系影响较大。接触面粗糙度对接触面上部土体的影响范围是有限的。该极限影响范围对应于临界粗糙度。当接触面粗糙度小于临界值时,接触面粗糙度越大,其对接触面上部土体的影响范围越大。当接触面粗糙度超过临界值,该影响范围不再变化。法向应力较低时,红黏土主要表现出剪胀性。接触面粗糙度对红黏土剪胀(缩)性影响不大。     

改良粗粒土填料大型三轴试验

为了解路基填料级配改良后的物理力学特性,向素土中掺加3种粒径范围内不同质量比的碎石,制成4种具有不同颗粒级配的改良填料,采用大型三轴剪切仪对素土和复合砾进行三轴剪切试验。在试验基础上提出轴向应变与侧向应变的二次函数关系,建立体积应变与轴向应变的函数方程,并对试样三轴试验的体积应变和切线泊松比进行预测。研究结果表明:粗颗粒质量分数较高的试料在低围压下出现剪胀现象,在高围压下出现剪缩现象;在低围压下,随着粗颗粒质量分数升高,试样体变由剪缩趋势逐渐转为剪胀趋势;应用邓肯-张模型并求得其参数,得出试样的黏聚力c、内摩擦角φ及切线弹性模量Et随粗颗粒质量分数的增加而增大;邓肯-张模型不能很好地反映粗粒土填料的变形特性;预测结果表明改进模型能较合理地描述粗颗粒土填料的体积应变特性。     

细粒含量对中细砂剪切行为的影响

为研究细粒含量对中细砂剪切行为的影响,在标准中细砂中分别添加不同比例的细粒土,制成5种细粒含量不同的混合粒组试样并进行直剪试验,研究了不同细粒含量和法向应力对剪切行为的影响,并对微观颗粒运动进行了分析.结果 表明,不同细粒含量的试样较低法向应力下均出现一定的软化现象,而200 kPa法向应力下细粒含量0、10％和20％的试样则出现硬化现象;不同试样的峰值强度及其对应水平应变、同应变下剪切应力随着法向应力增加而增大;法向应力不超过100 kPa时试样摩擦因数随法向应力增大而减小,之后变化幅度不大,试样体积先出现剪缩后逐渐变化为剪胀,其变化幅度以100 kPa法向应力为阈值;试样抗剪强度随细粒含量的变化在不同法向应力下具有一定差异,但细粒含量5％和20％通常对应了强度变化曲线的极值点.可见不同细粒含量中细砂的剪切行为存在明显差异,研究结论为实际应用和相关研究提供了一定的理论参考.