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。     

混凝土与混凝土接触摩擦试验及其数值计算模型

目的研究混凝土与混凝土接触摩擦特性,得到混凝土与混凝土接触面剪切应力与剪切位移变化关系,为相似剪切破坏问题的数值计算提供依据.方法采用直剪试验和数值计算两种方法对混凝土与混凝土间的接触摩擦响应进行分析,对试验进行数值计算,并与试验结果进行了对比分析,利用PPR内聚力模型来描述接触面的接触摩擦响应.结果接触面剪切应力随剪切位移变化过程可分为弹性变形阶段、塑性硬化变形阶段和理想塑性变形阶段;剪切应力达到峰值后,接触面仍处于较高的应力状态,局部位置会出现应力集中态和局部破坏.Archard非线性摩擦幂次准则能够较好地描绘出混凝土与混凝土接触面剪切应力峰值与轴向应力的关系.结论数值计算剪切应力随剪切位移变化关系曲线与试验结果基本吻合.在轴向荷载较小时数值结果与试验结果存在较小差异.PPR内聚力模型能够较准确地反映剪切破坏问题中剪切应力随剪切位移变化中各阶段的响应,可用来描述相似剪切破坏过程.     

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.     

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.     

模拟不同形态土-岩界面的直剪试验

土-岩界面具有特殊的工程地质性质,为了研究土-岩界面的剪切特性,在实验室制备了若干不同形态接触面和不同材料性质的圆盘试样,开展室内直剪试验,并对剪切破坏面的颗粒分布和接触面剪切本构模型进行分析。研究表明:接触面的应力-应变曲线呈现出弹塑性变化特点,利用指数型接触面摩擦本构模型,可以较好地反映剪切过程中接触面的应力-应变关系;剪切面颗粒在剪切过程中发生了破碎和移动,颗粒破碎所需的力大于移动所需的力,宏观上表现为抗剪强度的差异,颗粒重新分布及接触面闭合共同作用导致试样的法向变形;低法向荷载下,接触面强度低于两侧材料强度,随着法向荷载增大,接触面强度逐渐增大,其残余强度值位于两侧材料强度之间。     

循环前后不同颗粒粒径下sandwich形加筋土筋土界面单调直剪特性

采用3种不同颗粒粒径石英砂作为sandwich加筋土中薄砂层,使用大型直剪仪分别对不同薄砂层厚度的sandwich形加筋土进行了单调直剪、循环剪切及循环后直剪试验.试验结果表明:在单调直剪和循环后直剪过程中,不同颗粒粒径下都存在一个最优厚度,使筋土界面内剪应力最大,且颗粒粒径越大,最优薄砂层厚度越大;在循环剪切过程中,随着颗粒粒径增大,界面强度呈先增大后减小的趋势;相比单调直剪结果而言,在循环后的直剪过程中筋土界面的峰值剪应力更大,体积变更小.     

混凝土与混凝土接触特性的试验研究

为分析混凝土与混凝土接触特性,采用直剪试验和单轴压缩试验分别研究了混凝土与混凝土接触法向和切向接触特性。试验结果表明接触面剪切应力随剪切位移变化过程可分为弹性变形阶段、塑性硬化变形阶段;剪切应力达到峰值后,接触面仍处于较高的应力状态,试件局部位置出现破坏。Archhard非线性摩擦幂次准则能够较好的描绘出剪切应力峰值与轴向应力的关系,为相似接触条件问题剪切应力峰值的估计和预测提供依据。在混凝土未产生破坏时,接触面的法向和切向接触刚度可分别取值为28.95、12.77MPa/mm,为相似接触条件的分析计算提供参考。     

混凝土与混凝土接触摩擦特性的试验研究

为分析混凝土与混凝土接触特性,采用直剪试验和单轴压缩试验分别研究了混凝土与混凝土接触法向和切向接触特性。试验结果表明接触面剪切应力随剪切位移变化过程可分为弹性变形阶段、塑性硬化变形阶段;剪切应力达到峰值后,接触面仍处于较高的应力状态,试件局部位置出现破坏。Archhard非线性摩擦幂次准则能够较好的描绘出剪切应力峰值与轴向应力的关系,为相似接触条件问题剪切应力峰值的估计和预测提供依据。在混凝土未产生破坏时,接触面的法向和切向接触刚度可分别取值为28.95、12.77 MPa/mm,为相似接触条件的分析计算提供参考。     

土工格栅加筋膨胀土抗剪特性及边坡稳定性分析

近年来关于膨胀土边坡的病害处治逐渐转向了柔性防护领域,其中在膨胀土中植入土工格栅就是典型的一种。取十天高速西略段膨胀土加入不同层土工格栅,进行室内剪切试验,研究加筋对膨胀土抗剪强度的影响;再结合现场试验,考察筋材对膨胀土边坡稳定性的影响,以此来探讨加筋膨胀土的抗剪作用机理。试验结果表明:加筋使得剪应力峰值、峰值区域、残余强度以及峰值出现所对应的位移均得到提高;加土工格栅可以有效抑制土样剪切带的发展及土体的双向变形,提高其延性,推迟塑性破坏的出现,改善土体的变形特征,导致破坏模式发生变化;加筋能有效增大土体的黏聚力,而内摩擦角变化不大;加土工格栅能减小坡体的位移变形,增大土体抗滑移强度,提高坡体的稳定性。     

基于颗粒离散元的土石混合体直剪试验模拟研究

土石混合体是一种由高强度块石和低强度土体组成的非连续非均质材料,力学性质受土体、块石及土石接触面三者共同控制.本文为研究块石含量及土体性质对混合体力学特征及变形破坏形态的影响,利用颗粒离散元理论和PFC~(2D)程序,生成了可描述块石非规则形态的团粒(clump)结构,建立了土石混合体直剪试验离散元模型,以室内直剪试验结果作为细观参数标定依据,对不同含石量、不同黏结强度的混合体进行直剪试验模拟.结果表明:直剪试验模拟结果与实际试验结果基本相符,证明了块石随机模型与细观参数的可靠性;随含石量增加,混合体抗剪强度增加,应力峰值强度对应剪切位移减小;高含石量条件下,黏聚力上升至峰值后骤降,在块石逐渐主导地位后重新上升;试样剪切面凹凸不平,剪胀现象更为明显;随黏结强度增加,剪切应力峰值及其对应位移增大,高黏结强度下应力曲线波动和剪胀性更为明显.     

基于三维重构的原岩硬性结构面抗剪强度

节理面形貌特征是影响岩石节理面剪切破坏的重要因素。具有相同形貌特征的岩石节理面，沿不同剪切方向其力学行为存在差异性。结合三维激光扫描和3D打印技术，针对天然节理岩石的表面形貌进行逆向处理，将其制备为不同剪切方向的人工节理试样，并进行5种法向应力条件下的直剪试验。依据室内试验结果与理论分析，提出了定量计算节理面三维粗糙度与沿剪切方向接触面积有效系数值的方法，建立了不同剪切方向下含有三维形貌参数的抗剪强度模型。结果表明，影响剪胀角的因素与节理面的粗糙度系数和沿剪切方向接触面积有效系数值有关；沿不同的剪切方向会得到不同的剪胀角。基于剪切破坏的爬升和摩擦效应理论，并利用非线性拟合方法，得到峰值剪胀角的变化规律。最后，与已有的Barton抗剪强度公式进行对比分析，进而验证了该方法的合理性。     

标准砂-钢板接触面剪切失效机理的宏细观研究

为探究标准砂-钢板相互作用失效机理,分析接触面受力变形情况,使用特制的带有观察窗的半模直剪仪对标准砂-钢板进行单调剪切试验,对其应力变形特性进行研究,并利用MiVnt和PFC2D进行细观分析。试验结果表明:标准砂-钢板接触面的剪应力-位移曲线呈现加工硬化,可视为理想弹塑性模式,曲线划分为线性增长、缓慢增长和水平发展三阶段;剪切过程中接触带孔隙率的变化规律和孔隙大小的变化规律相吻合;单调剪切过程中,接触面颗粒运动状态分为三类,对应剪应力-位移曲线的三个阶段,接触面通过颗粒的运动传递剪应力。     

冷轧过程中的混合润滑特性

基于Christensen的表面粗糙峰分布假设,以轧制理论、流体力学理论为基础建立了考虑表面粗糙度的冷轧混合润滑模型,并提出了混合润滑摩擦状态约束关系式用来判别摩擦状态.对不同条件下油膜厚度、接触面积比、压应力及摩擦应力分布情况进行了仿真分析.结果表明:随着压下率的增加,油膜变薄、界面接触面积比增加、应力增大;同时,表面粗糙度对界面接触面积比及应力分布有较大影响,粗糙度增加,界面接触面积比增加,压应力及摩擦应力均增加.较高的润滑液黏度或轧制速度可以有效地降低轧制界面摩擦力及轧制力.     

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.     

热镀锌先进高强度钢板摩擦耦合塑性变形行为

采用自行研制的板带式耦合摩擦试验机,通过设置不同的下压量和载荷的组合获得摩擦过程中钢板的不同塑性变形量,以此来模拟实际冲压过程中在成形力作用下不同变形量板料与模具的相对滑动.通过比较3种不同变形量下的表面粗糙度、摩擦系数和动态演化过程来确定模具拉毛的萌生,研究了塑性变形量对拉毛磨损的影响规律.结果表明:在耦合变形的摩擦条件下,拉毛萌生一般会经历"锌层开裂"、"材料转移"、"积聚长大"3个阶段;而塑性变形量越大,拉毛萌生越早,板材损伤越严重;拉毛产生的表面损伤是黏着磨损和犁沟效应共同作用的结果.     

涂层材料特性对滚动轴承接触性能的影响

使用半解析法求解涂层材料的接触问题. 对于接触压力的求解采用共轭梯度法;而表面弹性变形以及次表层应力,通过解析法得到影响系数,并采用离散卷积-快速傅里叶变换加速求解. 结果表明,薄涂层对表面压力的改变很小,主要由基体承受载荷,对于滚子轴承而言,涂层不能消除边缘压力集中;最大Von-Mises应力的大小和位置与涂层材料、涂层厚度以及摩擦因数有关;与软涂层相比,硬涂层具有较大的界面剪切应力,涂层剥落、黏着失效更易发生,随着涂层厚度的增加,最大界面剪切应力先增加后减小.      

滑带土抗剪强度特性的环剪试验研究

以黄土坡滑坡滑带土为研究对象,采用环剪仪研究了天然含水率的滑带土在不同法向应力与剪切速率下的抗剪强度特性。试验结果表明:滑带土的峰值强度和残余强度均随着法向应力的增大而增大,并呈现出较强的线性关系;0.1~10mm/min范围内的剪切速率对滑带土的残余剪切强度影响不明显,变化幅度在±6%以内;但剪切速率越大,滑带土需要更多的变形以达到残余强度;随着剪切速率地增大残余黏聚力不断地减小,残余内摩擦角逐渐地增大,峰值强度及峰值黏聚力、内摩擦角均增大;剪切速率对滑带土的软化特性影响明显,并且较大的剪切速率使得剪切过程中从剪切盒侧壁流失的黏粒与孔隙水增多,因此在进行滑带土排水环剪时,宜采用较小的剪切速率。     

基于冻融作用的固化硫酸盐渍土-混凝土界面力学行为

冻融作用下固化盐渍土强度发生劣化并影响土体与结构的相互作用。鉴于此，开展了不同固化剂对硫酸盐渍土力学特性的影响研究并得知石灰+硅灰双掺改良效果显著；在此基础上，探索了石灰-硅灰双掺固化剂、含盐量、冻融次数等因素对非饱和固化硫酸盐渍土-混凝土接触面力学性能的影响。结果表明， 石灰-硅灰固化硫酸盐渍土与混凝土界面内摩擦角随着冻融循环次数的增加先增大后减小再增大，黏聚力随着冻融次数的增加逐渐减小，接触面抗剪强度随着冻融次数的增加先增加后逐渐减小并趋于稳定；在相同的冻融次数下，接触面的内摩擦角及黏聚力均随着含盐量的增大先增大后减小，两者含盐量阈值分别为3%和2%。在本试验范围内，5%石灰+10%硅灰对含盐量为2%~3%的硫酸盐渍土改良效果较好；冻融前后，固化盐渍土-混凝土接触面剪应力-剪切位移曲线分为四个阶段：弹性变形阶段、强化阶段、软化阶段及流动阶段。