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.     

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。     

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。     

颗粒粒度与级配对碎石料与结构接触面剪切特性的影响

为了研究碎石料颗粒粒度与级配对土与结构接触面剪切强度与变形的影响,采用大型直剪仪分别进行4种不同粒度的单粒组碎石料以及3种不同连续级配碎石料与混凝土结构接触面的直剪试验,研究颗粒粒度、级配形式、结构面粗糙度以及法向应力对接触面剪切特性的影响。研究结果表明:颗粒粒度对碎石料与结构接触面的力学特性有显著影响,接触面剪切强度随颗粒平均粒度的增大而增大;而当平均粒度相同时,连续级配碎石料与结构接触面的剪切强度明显比单粒组碎石料与结构接触面的剪切强度高;接触面的体积变形在低法向应力下表现为先剪缩后剪胀,而在高法向应力下接触面则发生明显剪缩;在相同条件下,粗糙接触面的剪切强度和变形量(剪胀或剪缩)均比光滑接触面的高。     

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.     

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。     

高塑性黏土与混凝土接触面剪切特性

通过高塑性黏土与混凝土接触面大型单剪和直剪试验,研究了高塑性黏土与结构接触面的剪切应力应变关系及强度参数.结果表明:单剪试验的剪应力剪应变和直剪试验的剪应力剪切位移呈双曲线关系;在对应垂直荷载作用下,直剪试验的抗剪强度大于单剪试验的抗剪强度;剪胀现象只在低垂直荷载时发生,且不明显;高塑性黏土达到抗剪强度后,在保持强度基本不变的情况下变形可以有很大的发展,表现出较强的变形适应能力和延展性能.     

土与结构接触面力学特性研究现状与展望

总结国内外土与结构接触面力学特性研究的现状,系统介绍接触面力学特性研究领域在试验模拟、本构模型以及计算方法方面的进展,分析不同试验仪器的特点,讨论现有接触面模型及计算方法的应用条件和存在的问题,指出:土与结构接触面复杂应力状态及高应力状态下特性研究、剪胀(剪缩)测试及颗粒破碎机理研究,特殊土与结构接触面的力学特性研究以及接触面动力特性研究等是今后研究的主要方向.     

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。     

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。     

不排水条件下全风化花岗岩残积土工程特性与本构模型

通过土工试验对不排水剪切条件下的饱和松散砂质土的工程特性进行了探讨 ,发现其在剪切时的应力 -应变关系呈现出加工软化特性 ,土体超过峰值强度后最终达到了变形的稳定状态 .基于稳定状态概念 ,将临界土力学理论与非线性应力 -应变关系相结合 ,建立了非线性应力 -应变 -临界状态本构模型 .采用香港钻石山地区全风化花岗岩残积土的不排水三轴试验结果 ,确定了有关模型参数 ,验证了所建议本构模型的合理性     

高塑性土蠕变破坏的新模型

提出一个新的表征高塑性土蠕变破坏的模型。基于常规三轴试验得到土的归一化特征曲线和三轴蠕变试验得到n值应力水平曲线后,可以预测任何应力水平下的蠕变破坏时间;并得出如下结论:土体存在一条归一化特征曲线来表征其直到峰值应力前的应力应变行为,该曲线能辅助确认蠕变试验中的峰值应力和临界应变;模型在双对数轴上是一条直线,其斜率为n值;且不同应力水平下n值基本相同,n值可被认为是土的黏土指标;任何应力水平下土体都可能蠕变破坏,只是所需的时间长短不同,土体蠕变破坏的依据是蠕变累积应变超过临界应变。     

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。     

路用红砂岩粗粒土的流变特性试验研究

为了研究红砂岩粗粒土高速公路路堤填料的流变工程性质,利用大型三轴流变试验仪对路用的90区和93区红砂岩粗粒土进行低应力状态(σ3=100,200和300 kPa)的三轴流变试验,研究红砂岩粗粒土在低应力下的流变规律以及应力状态对体积流变分量和剪切流变分量的影响。引入Morgan-Mercer-Florin核函数,建立描述红砂岩粗粒土的体积流变分量-时间的关系和剪切流变分量-时间关系模型,提出红砂岩粗粒土最终体积流变量和最终剪切流变量公式。最后,建立一个基于Morgan-Mercer-Florin函数新的红砂岩粗粒土流变本构模型,确定压实度为90％和93％的红砂岩粗粒土的流变模型参数,并将Morgan-Mercer-Florin模型嵌入椭圆-抛物线双屈服面弹塑性本构模型,用于描述红砂岩粗粒土的粘弹塑性性质。流变试验结果表明:球应力(p)对最终体积流变分量影响很大,应力水平(S)对最终剪切流变分量影响显著,最终体积流变量和最终剪切流变分量可以分别用p和S表示。     

带肋钢筋与堆石料接触面剪切特性

设计了一种用于堆石料中筋材拉拔试验的试验装置,并开展了带肋钢筋在堆石料中的一系列拉拔试验,研究钢筋-堆石料接触面的剪切特性。试验结果表明:接触面的剪应力-剪切位移关系曲线均呈明显的非线性关系,形状类似于下端开口的抛物线;堆石料上覆压力对试验结果影响较大,随着上覆压力的增加,峰值和残余剪应力均逐渐增加,但峰值剪切位移逐渐减小。此外,基于损伤力学理论建立了一个接触面损伤本构模型,该模型能较好地模拟上覆压力对接触面剪切特性的影响,以及剪应力-剪切位移曲线的应变硬化、应变软化、残余状态等非线性特征。     

桩土接触面三轴模拟试验设备研究与应用

针对基坑开挖卸荷会导致桩基承载力损失和引起桩身拉力作用所带来的安全问题,研制了一套可控制复杂应力状态变化的桩土接触面三轴模拟试验仪.该试验仪采用三轴围压室的气压加载控制接触面法向应力,利用围压室顶部的双套活塞实现对顺接触面向土体应力状态和桩土接触面剪切加载的分别控制,通过设置土样上下表面孔压来控制接触面的渗流状态和有效应力变化.其测试系统可对接触面总摩擦阻力、桩土相对位移和土样分层变形进行量测,实现对复杂应力状态下的桩土接触面相互作用特性的研究.通过等向加卸载应力作用下的接触面试验验证了该试验仪的有效性.试验结果表明,桩土接触面的极限摩擦阻力和摩擦系数随着法向应力的增加而增大,土层的变形也随着法向应力的增加而变大.     

砼-土界面抗剪特性试验研究

利用改进的直剪装置对砂岩泥岩混合土料和不同粗糙表面的混凝土块进行直剪试验,观察土料变形特征,探究不同的界面粗糙度对砼-土界面剪切特性的影响。通过简化应力应变关系曲线的方法得出计算参数,利用峰值剪应力得出接触面抗剪性能,分析切向刚度系数k的意义。通过观察可以证实土体的基本变形阶段和破坏变形阶段的过程,即达到峰值剪应力前的基本变形过程,之后的破坏变形过程。结合试验现象对两个阶段的土体摩擦过程进行分析,即土体与结构物接触面的摩擦过程和土体与残余在结构物上的土体的摩擦过程。     

液化地基自由场振动台试验的土性参数识别

基于已进行的液化地基自由场振动台试验,利用参数识别技术对试验记录的土体加速度和孔隙水压力进行分析,研究了场地液化机理及土的动力特性.由自由场振动台试验的土体加速度记录求出土体的动剪切应力—应变曲线,并研究了土体的动剪切模量及阻尼特性随动剪切应变的变化关系.结果表明:利用参数识别技术识别的土的刚度与土动力性质试验获得的数据基本一致,而阻尼要高于土动力性质试验的结果;孔隙水压力增长对土的剪切波速有影响,会引起土的刚度降低.