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。      

锚杆拉拔过程中力学特性试验

锚杆杆体-黏结剂界面是锚杆锚固作用演化的核心,是研究锚杆支护系统力学传递机制的基础,对于揭示锚固作用机理有着重要的工程实际意义。以杆体-树脂界面为研究对象,基于弹性力学中厚壁筒原理开展了室内试验,采用聚氯乙烯塑料套筒模拟了两种低刚度围岩条件下的套筒拉拔试验,以研究不同法向刚度和肋间距条件下杆体-树脂界面力学特性的演化规律。试验结果表明,两种低刚度围岩条件下的峰值剪切应力对应的最优肋间距为20 mm,耗能值对应的最优肋间距为30 mm;基于厚壁筒原理修正了法向应力测量值,以减弱套筒拉拔试验中的泊松效应,根据拉拔试验结果阐述了界面切向和法向力学特性的演化过程。研究成果为进一步揭示锚杆杆体-黏结剂界面力学演化规律提供参考。     

土-结构接触界面的宏细观参数敏感性分析

为了研究土-结构接触界面各种微观参数对宏观响应的影响,从土的细观结构出发,采用二维离散元法进行双轴剪切数值试验,对颗粒间摩擦因数、颗粒形状、孔隙比、法向应力以及刚度比等参数进行灵敏度分析,得出各种微观参数对宏观响应的影响,建立接触界面颗粒材料微宏观参数的跨尺度关联,揭示接触界面处的颗粒材料力学行为的细观机理.结果表明:摩擦因数、孔隙比、颗粒形状和法向应力对接触界面的峰值强度影响较大,刚度比对接触界面的峰值强度影响较小;摩擦因数、法向应力和刚度比对弹性模量影响显著,其中摩擦因数与内摩擦角近似成正比,且对土体的抗剪强度和剪胀性影响较大.组合圆弧颗粒比圆形颗粒更接近真实砂粒形状,模拟效果更好;其临界强度和临界孔隙比不受初始孔隙比的影响,且组合圆弧颗粒体的抗剪强度受法向应力影响,法向应力越大,颗粒体抗剪强度越大.研究结果为接触界面的材料优化、改性等提供理论参考.     

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。     

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.     

地下洞室全长粘结式锚杆受力分析方法

以地下洞室全长粘结式锚杆为研究对象,分析了锚杆与围岩荷载传递机制,导出了相应的荷载传递基本微分方程.结合围岩自由变形,采用有限差分法求解方程,进而得到锚固体轴力和界面剪应力沿杆长分布.采用二折线剪切滑移模型描述锚固体界面力学特性,考虑锚固体滑移,将界面的超余剪应力转化为模型节点荷载,通过不断更新围岩位移以修正锚固体内力.基于此锚杆算法,模拟了拉拔试验,结果表明该方法合理、可行.通过对某引水隧洞特征锚杆的受力分析,计算了围岩弹模、界面剪切刚度、砂浆厚度、锚杆直径和锚杆长度对锚固体受力的影响,计算结果可为地下洞室锚杆布置优化提供理论依据.     

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.     

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。     

软弱夹层参数对岩质边坡稳定性及锚固影响研究

运用FLAC~(3D)有限差分软件建立了含软弱夹层顺倾层状锚固岩体边坡计算模型,并利用改进的cable单元建模获取了锚固界面即砂浆-岩体界面和锚杆-砂浆界面上的剪应力,研究了地震作用下软弱夹层参数(数量、间距、厚度、倾角)对边坡锚固界面剪应力和边坡稳定性的影响.研究表明:随着软弱夹层参数的变化,边坡主破坏面位置不变,主要的破坏模式分为沿着主软弱夹层的整体性倾倒-滑移破坏和层间错动倾倒-滑移破坏.因两锚固界面的极限粘结强度不同,砂浆-岩体界面脱粘程度更大,这与工程实际相符合.锚固界面剪应力峰值和坡面永久位移随软弱夹层数量、厚度的增大而增大,随软弱夹层间距、倾角的增大而减小.该研究对相关工程有重要参考意义.     

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。     

颗粒形状对砂性土宏细观力学性质的影响

针对多数关于颗粒形状对砂性土宏细观力学性质的影响方面的研究中忽略的两个问题,天然砂性土中颗粒的随机不规则形状和对比试验中颗粒的体积不相等问题,基于已有的研究成果,对天然的硅质粗砂做了直剪试验,然后通过离散元程序PFC对其进行模拟,并设计了基于圆形颗粒的对比试验。试验结果表明,颗粒形状只有在较高的法向应力下才可以增加砂性土的剪切峰值强度,当法向应力较低时,不规则形状颗粒组成的砂性土的剪切峰值强度还不如圆形颗粒组成的砂性土,且当颗粒间的摩擦作用较弱时会有类似的现象,临界值强度并没有因颗粒形状的不规则而有明显差别。对此结果的细观机理也做了浅析,认为在较低法向应力时,圆形砂性土较大的剪胀角是其剪切峰值强度较大的主要原因。     

节理岩体剪切强度的计算方法及其应用

根据36组直剪试验结果,对基于起伏度和粗糙度等剪切强度公式进行对比,给出其建议适用性范围.研究结果表明:在只考虑起伏度时,Ladanyi-Archambault公式的计算结果更接近实际值;而只考虑粗糙度时,采用JRC-JMC模型和Grasselli改进公式进行预测更加合理;节理岩体的峰值剪切强度与法向应力有关,当法向应力较小时,节理面起伏度是节理岩体峰值强度的主要影响因素,而随着法向应力的增大,采用粗糙度计算结果与实际值相吻合.     

不同锯齿高度对软弱结构面剪切特性的影响

为分析不同法向应力与锯齿高度情况下软弱结构面的剪切行为,通过数值方法建立不同锯齿高度情况下的结构面计算模型,模拟在不同法向应力情况下的直剪试验,探讨结构面抗剪强度峰值前后的应力应变关系。建立剪胀角?与锯齿高度h之间的线性关系表达式。研究结果表明:随着锯齿高度增大,峰值抗剪强度对应的位移逐渐增大;应变软化阶段应力下降的速率呈先减小后增大的趋势,当锯齿高度与夹层厚度相同时达到最小值;峰值抗剪强度与残余抗剪强度均随锯齿高度的增大而呈线性增大,当锯齿高度达到一定值后,残余强度不发生变化;当锯齿高度较大如80 mm时,结构面法向应力与抗剪强度之间呈现显著的线性关系,而当锯齿高度较小时,两者之间的关系表现出一定的非线性特征,并且此时对应较小法向应力的剪切强度基本相同;随着法向应力增大,应变软化阶段应力下降的速率不断减小,残余强度与峰值强度的比值呈先增大后减小的趋势,最大值为0.961 4。     

考虑剪切方向的改进Barton模型

为研究节理在剪切过程中的方向性和剪切强度规律，利用直剪仪对复制岩石节理试样进行了爬坡和顺坡两个方向的直剪试验。试验结果表明：剪切方向对岩石节理的剪切强度有明显影响，沿爬坡方向的剪切强度大于沿顺坡方向，但粗糙度系数（joint roughness coefficient，JRC)的减小和法向应力的增大可在一定程度上削弱剪切方向的影响。节理剪切破坏过程具有显著的阶段性特征，中低法向应力条件下以爬坡滑移为主要机制，而高法向应力下以相互啃食和凸起啃断为主要机制。采用平均有效倾角差指标参数描述剪切强度的各向异性，并在此基础上提出了考虑剪切方向的改进剪切强度模型，更好地预测节理正、反方向的剪切强度。通过百分位数参数建立了三维形貌指标与端部轮廓线二维高差指标的联系，大大简化了节理形貌指标的获取难度。该模型参数较少容易获取，物理意义明确，且把岩石节理剪切强度的各向异性考虑在内，具有广阔的潜在工程应用前景。     

考虑粗糙度和相对密实度下砂土-混凝土桩接触面力学特性试验研究

为探究粗糙度和土体相对密实度对砂土-混凝土桩接触面力学特性的影响规律,利用大型直剪仪开展了不同粗糙度、相对密实度下的砂土-混凝土接触面直剪试验,分析了粗糙度、相对密实度对砂土-混凝土接触面的剪切应力-切向位移、峰值剪切强度、割线摩擦角、归一化摩擦系数的影响.研究结果表明：密砂的剪切应力-切向位移曲线在光滑接触面下呈轻微软化型,随粗糙度增加,软化越明显;松砂的剪切应力-切向位移曲线始终呈硬化型.界面峰值剪切强度随法向应力增加呈非线性增长,土体相对密实度越大,非线性越明显.接触面割线摩擦角随法向应力增加呈指数衰减,而由于剪切强度增量较小,导致接触面峰值摩擦系数随法向应力增加呈幂函数衰减.存在临界粗糙度Icr, 当I > Icr时,接触面峰值摩擦系数和归一化割线摩擦角不再随粗糙度增大而增加,而是呈减小趋势.     

复杂节理面剪切强度和变形特征的数值分析

采用FLAC~(3D)软件建立三维节理试样模型,分析不同表面形态和边界条件对节理强度和变形特征的影响.研究结果表明:当节理而起伏角较小时,试样剪切强度与正应力之间符合Mohr-Coulomb线性关系,起伏角对内摩擦角的影响大于对黏结力的影响;随着起伏角的增大,剪切强度与正应力之间逐渐呈非线性关系特征;通过抛物线方程对其进行拟合,可得到较高的相关性,并且节理的破坏模式从滑移破坏转变为沿节理面滑移和锯齿压剪碎裂的复合破坏;峰值强度与残余强度之比随正应力的增大而逐渐减小,减小趋势符合指数规律,同时,试样的各向异性逐渐减弱,剪切刚度不断增大.     

膨胀土-混凝土界面剪切特性研究及界面系数修正

为对不同含水率下与不同法向应力下的膨胀性土的界面抗剪强度-界面剪切位移曲线进行分析,通过设计室内膨胀土-混凝土界面直剪试验,研究各含水率对膨胀土-混凝土界面各力学性质的影响。结果表明：不同含水率条件下的应力应变曲线均无应变软化现象,基本符合应变硬化模型;含水率的增长,对界面抗剪强度有较为明显的劣化影响,应力应变曲线的峰值也随之愈发滞后;同一含水率的界面抗剪强度与法向应力较好地符合摩尔-库伦强度准则,随着含水率的逐渐增长,界面抗剪强度也呈现递减态势;界面黏聚力先呈增长态势,后呈逐渐减小态势;界面等效剪切模量呈现下降趋势,同时通过微观角度对界面黏聚力和界面内摩擦角引起的界面强度变化规律进行了机理性的分析。界面内摩擦角则随着含水率增加逐渐地呈现反比例函数降低态势,引入界面摩擦系数,进一步细致分析界面摩擦力学性质,同时修正了界面黏聚力和法向应力对界面摩擦带来的较大影响,针对于浅层边坡土体与桩基础的摩擦估算,考虑到法向荷载对于界面摩擦系数影响较为合理。     

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.     

岩石剪胀效应的数值模拟研究

应用FLAC 3D数值模拟软件,分别对不同剪胀角与围压作用下,岩样的剪切带分布及强度特征进行模拟研究.结果表明:随着剪胀角的增加,单轴压缩试验岩样由单一剪切破坏向共轭剪切破坏转变,同时韧性有所增强;围压的增加使得剪胀角为零的岩样由单一剪切破坏发展为双"X"形剪切破坏,剪胀角大于零的岩样由复合共轭剪切破坏过度到单一"X"形剪切破坏,剪切带宽度不断增大;岩样的剪切带倾角随着剪胀角的增大而增大,随围压的增加而减小;围压使得岩样峰值强度与残余强度增加,对岩样残余强度的提高显著;相同围压条件下,剪胀角越大岩样的强度越高但增加幅值不大;随着巷道围岩剪胀效应的增强,围岩的变形量增加显著,合理有效地控制巷道围岩的剪胀变形是支护的关键.     

全长黏结岩石抗浮锚杆承载性能现场试验

抗浮锚杆具有地层适应能力强、锚固力高、造价低、工期短等优点,具有广阔的工程应用前景.开展了4组13根岩石抗浮锚杆的极限抗拔承载试验,在1根试验锚杆上安装光纤光栅应变传感器进行应力测试,所有试验锚杆均加载至极限破坏状态,从荷载-锚固体顶面位移曲线、锚筋轴力分布、锚筋剪应力分布规律及界面黏结强度等方面进行了分析.结果表明,抗浮锚杆主要出现锚筋-锚固体界面剪切滑移破坏、锚固体-周围岩体界面剪切滑移破坏及锚筋拔断3种破坏形态.试验条件下,黏结长度为2.0 m的抗浮锚杆其极限抗拔承载力为240 kN,黏结长度不小于3.0 m的抗浮锚杆其极限抗拔承载力不低于320 kN,承载力高、变形小,能够满足抗浮要求.锚筋轴力自上而下逐渐衰减,锚筋在距锚固体顶面3.0 m以下范围内不受力,建议中风化花岗岩中抗浮锚杆的黏结长度设计值取3.5～4.0 m.锚筋剪应力沿深度呈先增大后减小的趋势,在距锚固体顶面0.45 m的位置达到峰值,约为2.7 MPa.锚筋-锚固体界面平均黏结强度为1.14～1.36 MPa,锚固体-岩土体界面平均黏结强度为0.28～0.37 MPa.