堆石坝面防渗膜-垫层料界面力学特性试验研究

堆石坝面防渗土工膜与垫层料界面的力学特性关系到防渗体的抗滑稳定性以及整个大坝的安全性.采用土工合成材料界面直剪拉拔仪分别对复合膜和HDPE纯膜与无砂混凝土及聚合物透水混凝土两种垫层料、加糙PVC膜与表面复合细骨料聚合物透水混凝土的界面力学特性进行了试验研究.试验结果表明：HDPE纯膜与两种垫层界面的剪应力-剪位移关系具有不同程度的应变软化特征,界面峰值强度高于残余强度;而复合膜与两种垫层界面的剪应力-剪切位移关系无明显软化现象;复合土工膜与两种垫层界面抗剪强度高于纯膜与两种垫层界面的抗剪强度;聚合物透水混凝土和无砂混凝土与复合膜界面抗剪强度差别不大,聚合物透水混凝土界面抗剪强度略低;糙面PVC膜与表面为细骨料聚合物透水混凝土的咬合力较大.     

堆石坝面防渗膜-垫层料界面力学特性试验研究

堆石坝面防渗土工膜与垫层料界面的力学特性关系到防渗体的抗滑稳定性以及整个大坝的安全性.采用土工合成材料界面直剪拉拔仪分别对复合膜和HDPE纯膜与无砂混凝土及聚合物透水混凝土两种垫层料、加糙PVC膜与表面复合细骨料聚合物透水混凝土的界面力学特性进行了试验研究.试验结果表明:HDPE纯膜与两种垫层界面的剪应力-剪位移关系具有不同程度的应变软化特征,界面峰值强度高于残余强度;而复合膜与两种垫层界面的剪应力-剪切位移关系无明显软化现象;复合土工膜与两种垫层界面抗剪强度高于纯膜与两种垫层界面的抗剪强度;聚合物透水混凝土和无砂混凝土与复合膜界面抗剪强度差别不大,聚合物透水混凝土界面抗剪强度略低;糙面PVC膜与表面为细骨料聚合物透水混凝土的咬合力较大.     

土工合成材料界面剪切破坏机理和峰值强度分析

利用大型饱和直剪仪开展了光面土工膜(GMS)/土工布(GT)界面、糙面土工膜(GMX)/GT界面和GMX/土工膨润土衬垫(GCL)界面剪切试验,并对相似材料构成的不同界面之间的剪切强度特性进行了比较分析.结合试验现象和前人研究成果,阐述了GM,GT和GCL界面剪切的破坏机理和强度特征.GM/GT和GM/GCL界面剪切强度可以分解为界面摩擦、土工布纤维在GMX糙面凸点上的勾扯效应和膨润土对界面剪切的润滑效应三部分.根据已有的国内外相关试验结果,对土工合成材料界面峰值剪切强度各组成部分进行了定量统计分析.     

复合土工膜-不同含水率垫层结构界面直剪摩擦特性试验研究

复合土工膜-垫层防渗体作为一种刚柔混合防渗结构体系，其界面摩擦特性对工程的安全运行至关重要。为给复合土工膜防渗体在特大流量引水渠道工程中的应用提供科学合理的依据，探析复合土工膜-垫层界面摩擦特性和界面强度特性，重点考虑膜后垫层材料含水率的变化，采用室内直剪试验对复合土工膜与不同含水率0%、3%、6%、8.5%垫层材料的摩擦剪切特性进行研究，分析不同含水率工况下的界面强度特性。结果表明：复合土工膜与不同含水率垫层材料的界面剪切特性经历了弹性、弹塑性和残余强度阶段，具有明显的峰值强度和残余强度特征，剪切位移为9～11 mm时达到峰值强度。随着剪切位移的增大，界面剪应力先减小后逐渐趋于稳定，表现出稳定的残余强度，残余强度约为峰值强度的80%～90%。随着垫层材料含水率增大，界面峰值抗剪强度和残余抗剪强度呈非线性减小趋势，表明膜后垫层材料水分对界面强度具有“润滑效应”。     

考虑界面摩擦和剪切面积变化的直剪试验剪应力修正方法

鉴于已有的直剪试验剪应力修正公式未考虑剪切过程中上下盒未开缝导致的剪切盒与土样间的界面摩擦,开展了铜板-土样界面摩擦试验,获得了饱和状态下的界面摩擦系数为0.2,提出了考虑界面摩擦和剪切面积变化的直剪试验剪应力计算式.评价了直剪试验测定峰值与残余强度的结果表明:1)修正后的剪应力大于修正前的数值;剪应力相对误差随剪切位移增大而增大,最大可达-12.9%;垂直压力越小,剪应力相对误差越大.2)初始密度对峰值强度相对误差影响较为显著,对残余强度相对误差影响不大.3)不同初始密度下,峰值与残余强度有效内摩擦角相对误差均在±5%以内;峰值与残余强度有效凝聚力相对误差变化范围较大,具有更大的不确定性.4)考虑剪应力修正后的峰值和残余强度抗剪强度指标(有效凝聚力与有效内摩擦角)均比修正前值更大,表明采用不考虑剪应力修正的抗剪强度指标偏于安全.     

糙面土工膜与无纺土工织物界面剪切强度及表面粗糙度变化规律

为了量化糙面土工膜表面粗糙度变化规律,研制了表面粗糙度测量仪,并进行了不同法向应力下糙面土工膜和无纺土工织物界面剪切和对应的糙面土工膜表面粗糙度试验。研究表明,糙面土工膜和无纺土工织物界面剪切强度是由糙面土工膜粗糙凸起和无纺土工织物纤维相互嵌入和拉拽作用产生的,界面的剪切峰值摩擦系数主要受到法向应力的影响,界面强度发展到残余强度,糙面土工膜粗糙凸起磨损趋于稳定,无纺土工织物纤维定向排列完成。     

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.     

硫酸对赤泥改良黄土剪切特性的影响

为了探究硫酸浓度对抗剪强度的影响,通过室内直接剪切试验测试赤泥改良黄土在不同浓度硫酸下的抗剪强度。将电阻率法应用到直剪试验中,分析剪切过程中电阻率和剪应力随剪切位移的变化趋势。同时探讨了硫酸侵蚀下不同垂直压力对电阻率和抗剪强度的影响。结果表明:在不同的硫酸浓度下电阻率随剪切位移的增大快速增大,剪应力随剪切位移的增大而增大;相同浓度硫酸下,随垂直压力的增大电阻率和剪应力都增大。由抗剪强度和垂直压力的线性关系,得到硫酸侵蚀下赤泥改良黄土的抗剪强度指标;分析了抗剪强度与硫酸浓度之间的关系。     

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。     

Pb（II）污染土抗剪强度及电阻率特性研究

通过研究不同铅污染含量在快剪试验中的抗剪强度和电阻率的变化,探讨了剪应力和剪切位移、抗剪强度和铅污染含量、电阻率和剪切位移及抗剪强度和电阻率的关系。结果表明:铅污染土在剪切过程中没有明显的屈服点,剪应力随剪切位移的增加而增大;受铅污染土壤抗剪强度略大于未污染土壤;铅污染土壤的抗剪强度在5 mg/kg时比未污染土壤大,之后随污染浓度呈现先减小后增大的趋势;电流频率为低频(50 Hz)和高频(50 kHz)时,电阻率随剪切位移变化趋势相同,均先减小后增大,在4 mm左右最小,但50 k Hz时的电阻率曲线更光滑,更能有效地反映铅污染土在剪切破坏的过程中电阻率变化情况,采用电流频率为50 kHz的电阻率能较好地判断铅污染土的剪切破坏位移。     

砂泥岩配合比对钢-土界面剪切特性影响的试验研究

通过控制试样级配、含水率及密实度,研究不同砂泥岩配合比对钢-土接触界面剪切特性的影响。试验设计砂泥岩配合比分别为0∶10、2∶8、4∶6、6∶4、8∶2、10∶0,在法向应力分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa条件下观测不同砂泥岩配合比试样的水平位移和竖向位移的变化情况。通过引入含泥量m及摩尔-库伦准则,分析不同含泥量条件下,剪应力与水平位移的关系、抗剪强度以及水平位移与法向位移的关系,得出剪应力随水平位移的增加而增大并趋于稳定,且变化过程主要分为三个阶段:弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段;钢-土接触界面的抗剪强度符合摩尔-库伦准则,通过摩尔-库伦准则反算出内摩擦角和界面黏结力,发现随着含泥量逐渐增大,黏结力呈线性增大而内摩擦角呈抛物线递减;法向位移随着含泥量的增加而增大。     

多层复合衬垫界面非线性强度特性的斜面单剪试验

为研究位于垃圾填埋场斜坡上衬垫结构在垂直应力作用下沿斜坡滑移的剪切特性,研制了大型叠环斜面单剪系统。通过砂-无纺土工布-土工网-HDPE膜-黏土结构的大型斜面单剪试验,得到剪切过程中发生破坏面转移位移对应的垂直应力和水平应力,计算得到位移面的转移法向应力。试验结果表明:当界面的法向应力小于转移法向应力时,破坏面为土工网与土工膜界面;当界面的法向应力大于转移法向应力时,破坏面为土工膜与黏土界面。建议破坏面转移前后的界面强度包线用双直线表示,土工膜与相邻材料的剪切强度特性用双曲线表示,破坏面的转移法向应力等参数由试验确定;大型叠环斜面单剪系统为分析多层复合衬垫剪切特性提供新的试验研究方法。      

不同含水率花岗岩残积土-格栅界面剪切特性

花岗岩残积土可作为回填土应用于加筋土结构,含水率对结构的稳定性具有重要影响。以广州市增城区花岗岩残积土为研究对象,通过室内大型直剪试验,研究了不同含水率（13%、19%、25%、32%）、竖向应力（50、100、150、200kPa）对花岗岩残积土-格栅界面剪切特性曲线、抗剪强度、体变特性的影响。试验结果表明：含水率为13%、竖向应力为50kPa时,残积土-格栅界面剪应力随着剪切位移的增大先升后降,降幅较小,其余条件下剪应力随着剪切位移的增大而升高;格栅加筋能够缓解花岗岩残积土剪应力达到峰值后大幅降低的剪切软化趋势;筋土界面抗剪强度随着含水率的升高而大幅降低,界面抗剪强度系数整体上随着含水率的升高先增加后降低,含水率为19%和25%时格栅加筋的增强效果最佳;筋土界面黏聚力随着含水率的增加先增大后减小,界面内摩擦角随着含水率的升高而降低;13%、19%含水率下筋土界面在50kPa竖向应力作用下发生了剪胀,其余条件下体积应变以剪缩为主。     

含水率和冻融循环对筋土界面剪切特性的影响

制作了一套可实现温度控制的筋土界面直剪试验设备。为了研究含水率、界面温度、冻融循环次数对筋土界面剪切特性的影响,开展11组土工格栅-砂土界面直剪试验。研究结果表明,筋土界面的黏聚力和摩擦角均随含水率的增加而减小,当含水率提高时,筋土间的抗剪强度减弱。加筋可显著提高冻土的抗剪强度,当界面温度为-10℃时,土工格栅-砂土界面剪应力峰值较冻结后砂土的剪应力增加了约20%。筋土界面剪应力随着界面温度的降低而增大,当界面温度在0℃以下时,剪应力较大且剪应力-剪切位移曲线会出现峰值强度和残余强度,而在无冻结情况下,筋土界面剪应力稳定值基本相同。冻融循环后筋土界面的抗剪强度减小,筋土界面的黏聚力和摩擦角均随着冻融循环次数的增加而减小,但在4次冻融循环后趋于稳定。研究成果可为冻土地区土工格栅加筋土结构的设计和应用提供理论依据。     

糙面土工膜表面微凸体的法向变形规律

土工膜在垃圾填埋场衬垫系统中具有重要作用,其中糙面土工膜（GMX）与无纺土工织物（GT）的界面强度较低且极易发生滑坡。糙面土工膜表面分布着高度不均且随机分布的微凸体,而微凸体的细观力学特性决定了GMX/GT的界面强度。本文利用改进的大型直剪仪对GMX/GT界面进行了单轴压缩试验,并用轮廓仪测量了压缩前后的土工膜表面轮廓高度。将GMX/GT的接触模型进行简化,研究了在法向载荷逐渐增加时的粗糙表面微凸体的法向变形规律。通过将理论结果和试验结果进行对比,明确了土工膜表面微凸体的变形过程,从细观角度揭示了糙面土工膜的法向变形机理。     

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。     

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.     

非饱和粉土力学特性的大型直剪试验

以LG-8200M型室内大型直接剪切仪为基础,针对非饱和粉土的抗剪强度及变形特性问题展开实验研究.研究结果表明:(1)低含水质量分数的重塑非饱和粉土试样在高垂直压力下剪切峰值不明显,呈现明显的应变硬化特性,在低垂直压力(0.1 MPa)下剪应力-剪切位移关系存在剪切峰值,达到峰值后曲线趋于平缓.(2)相同含水质量分数的重塑非饱和粉土试样,其剪切面抗剪强度随法向应力的增大而提高,随剪切速率的增大而降低,剪切速率每增加0.4 mm/min,其抗剪强度减少约20%~30%.(3)不同含水质量分数的重塑非饱和粉土试样,其抗剪强度指标(c,φ)随含水质量分数的增大呈现先升高后减小的变化趋势,且含水量超过临界值后,粉土的抗剪强度会急剧衰减,内摩擦角比粘聚力衰减速度更为明显.     

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。     

结构面剪切特性的试验与数值模拟分析

结构面的性质对岩体工程稳定性具有重要意义,通过室内试验和数值模拟,分析了结构面在直剪条件下的应力和变形特征,得到:①直剪试验过程中.剪力一剪切位移之间的关系逐渐从线性关系转化为非线性关系;当剪应力将要达到峰值剪切强度时,切向位移突然增大,岩体已开始沿结构面剪坏;②试样剪切强度与正应力之间符合Mohr-Coulomb线性关系;数值计算得到的应力应变关系与室内试验得到的结果相同,说明了数值试验的可靠性;③结构面剪应力的分布从结构面施加切向位移速率的一端向另一端逐渐增大:④随着法向应力的增大,最大剪应力分布区域基本上没有变化,说明法向力的大小对结构面剪应力的分布影响较小:并且根据Mohr-Coulomb理论.正应力在结构面上的分布情况类似于剪切力的分布情况.