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.     

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.     

砂砾石与结构接触面强度与变形特性试验研究

通过长江科学院和四川大学华西岩土仪器研究所针对实际工程中的砂砾石料与结构物所形成的接触面联合研制的大型叠环单剪仪,对砂砾石料与凝土接触面及夹泥皮混凝土接触面力学特性进行了相关试验研究.试验结果表明,泥皮的作用对结构接触面特征影响较大,在试验的法向应力范围内,砂砾石料与混凝土板接触面的剪应力与相对剪切位移呈现出较好的双曲线关系,可用Clough-Duncan双线性模型进行描述;而砂砾石料与夹泥皮的混凝土板的接触面试验在达破坏阶段后切向变形具有刚塑性的变形特征,可用殷宗泽刚塑性模型进行描述.     

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.     

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.     

不同类型粗粒土抗剪强度特性试验研究

为探究不同结构类型的粗粒土所表现的强度特征,采用室内直剪仪对不同结构类型粗粒土进行了直剪试验,推导了不同结构类型粗粒土的剪应力-剪切位移曲线变化规律,得出了不同结构类型粗粒土的抗剪强度.通过对抗剪强度-正应力曲线进行分析,分析不同结构类型粗粒土的强度指标.试验结果表明:充填结构粗粒土试样内摩擦角最小,嵌合结构、骨架密实结构内摩擦角逐渐增大,而骨架松散结构内摩擦角又发生减小的趋势.粗粒土4种结构类型中,骨架密实结构具有最大的抗剪强度值,研究结论有助于提高建筑施工中的稳定性.     

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.     

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。     

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。      

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.     

粘粒含量对砂土强度和压缩特性的影响

利用四联直剪仪和高压固结仪,研究膨润土和高岭土含量对漓江砂土的强度和压缩特性的影响。试验结果表明：膨润土和高岭土对砂土的强度存在不同的影响,不同的粘粒含量对砂土强度影响略有不同,粘聚力随着粘粒含量的增加而增加,摩擦角与粘粒含量并非呈单调关系,而呈抛物线型,存在一个粘粒的含量使得砂土的摩擦角最小并且这个值为10%~15%。固结试验中,粘粒含量对砂土压缩性的影响很大,相同初始孔隙比下加载导致的最小孔隙比并不一致,随粘粒含量增加最小孔隙比先增大先减小,同时,粘粒成分不同,最小孔隙比也不同。高岭土粘粒对砂土的回弹指数基本上没有什么影响,而膨润土在粘粒含量小于5%时也没影响,但粘粒含量超过5%时回弹曲线非线性。     

泥水盾构施工废弃泥浆对同步注浆材料性能的影响

泥水盾构施工会产生大量废弃泥浆,传统的抛弃堆放不但污染环境且占用土地资源。本文依托南京长江新济洲供水廊道项目泥水盾构工程,针对江底盾构施工中的废弃泥浆,开展了将其应用于同步注浆材料的可行性研究。通过室内试验,研究了泥浆固水比、膨润土替代率和废弃泥浆黏粒含量对注浆材料性能的影响,同时对比分析了新配制膨润土泥浆和废弃泥浆对注浆材料性能影响的差异。结果表明：增大泥浆固水比,可使砂浆凝结时间缩短、强度增大、泌水率和体积收缩率降低,但会导致砂浆流动性变差。相比于新配制膨润土泥浆,废弃泥浆制备的砂浆具有更优的流动性能,但存在泌水率偏大和强度偏低的问题。采用废弃泥浆替代部分新配制膨润土泥浆,则能够有效控制砂浆的泌水率增大和强度降低的问题,同时使砂浆的流动性能大幅提高;废弃泥浆黏粒含量对砂浆性能影响相对较小,一定程度上表明了使用不同地层废弃泥浆制备的砂浆性能差异不大,故无需随地层变化而对砂浆配比进行较大调整,便于实际工程施工应用。     

金属刀具切削粘土时剪切速率对界面抗剪强度的影响

地基处理工程中常用的水泥搅拌桩,在制桩过程中,搅拌头刀片切削粘土时容易引起粘附、阻塞,从而导致水泥搅拌桩桩身水泥含量不均匀,强度降低。为了能够有效的减少粘附和阻塞,首先要研究其影响因素及其变化规律,因此通过直剪试验研究金属刀具切削粘土时剪切速率对界面抗剪强度的影响。其试验结果如下：随着剪切速率的增加,界面抗剪强度逐渐减小,其中摩擦角逐渐减小,而粘聚力几乎不变。     

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。     

荆门压实弱膨胀土的排水抗剪强度

黏性土体的长期稳定性主要受排水抗剪强度控制.为深化对压实弱膨胀土峰值强度、完全软化强度、残余强度3种排水抗剪强度间量化关系的认知,以荆门弱膨胀土为研究对象,开展泥浆固结样的固结慢剪试验以获得完全软化强度,开展压实样的排水反复直接剪切试验以获得峰值强度与残余强度.在此基础上,获得了制样压实度、应力水平、剪切次数与剪切位移等因素对排水抗剪强度及剪切过程中体变行为的影响规律.结果表明:对于制样压实度95%的试样,峰值强度与完全软化强度的有效内摩擦角接近,约为20°;峰值强度有效黏聚力为18.4 k Pa,完全软化强度有效黏聚力为0;残余强度呈现出较强的非线性,可用Lade(2010)建议的幂函数形式抗剪强度公式描述.以上结果可为压实弱膨胀土长期稳定分析的抗剪强度参数选择提供参考.     

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.     

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。     

膨润土-红黏土-石英砂基毛细阻滞覆盖层的实验研究

针对下伏防护层的毛细阻滞覆盖层的防渗特点，本文使用膨润土-红黏土-石英砂混合物对常用的黏土防护层进行改进实验研究。为了确定混合物中膨润土和石英砂的质量百分比对防护层功能的影响，首先采用变水头渗透、自由膨胀率测定和直剪实验研究了不同膨润土和石英砂含量的混合物，确定了两者作为防护层材料时的合适配比；其次，对膨润土-红黏土-石英砂基毛细阻滞覆盖层边坡模型和无防护结构边坡模型分别进行降雨条件下的对比实验，研究了毛细阻滞覆盖层的防渗效果。结果显示，膨润土和石英砂的质量百分比分别为12%和5%时，试样的饱和渗透系数、自由膨胀率和抗剪强度均比其他组合更符合作为防护层材料的要求；毛细阻滞覆盖层边坡在中段和坡顶的入渗深度分别比无防护结构边坡浅10和15.5 cm，其总排水时间比无防护结构边坡的长217 min，毛细阻滞覆盖层整体表现出了较好的防渗与导排效果。