草根与土的相互作用实验及分析

近年来草皮护坡越来越多地出现在实际工程当中,但是相关研究却是一个相对较新的领域。传统的边坡工程加固措施,大多采用砌石挡墙及喷混泥土等护坡结构,仅仅起到了一个保护水土流失的作用。现基于土力学,弹性力学和生态学原理和方法,采用室内直剪试验的技术路线来探讨5种不同固土植物的根系对土体抗剪强度的影响,以及根和土复合体的抗剪特性。不断的研究和应用实践完善草皮护坡的科学基础,使其实用性与科学性进一步融合,并扩大和加深其工程应用的理论内涵和应用范围。     

土与结构间一种新的接触单元模型

将非线性弹性理论与弹塑性理论相结合,对于土与结构间接触面切线方向提出了一种非线性弹性-理想塑性本构模型,用于模拟土与结构相互作用体系中切向变形与破坏机理.该模型将接触带内的变形分为剪切变形与错动变形两部分,对于法线方向采用法向应力与法向相对变形之间的非线性模型.将该模型与有厚度接触面单元相结合,提出了一种用于有限元计算的接触带单元.详细推导了该模型的弹塑性矩阵以及应力修正方法.     

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。     

土与结构间一种新接触单元的数值解

推导了基于非线性弹性-理想塑性本构模型的接触带单元的单元刚度矩阵，并对接触带厚度的确定、非线性迭代方法等数值计算中一些重要的细节问题进行了论述．最后对某一典型算例进行了分析，分析结果表明，所提出的接触带单元能够合理地模拟接触面上的变形机理和受力状态，是一种比较适用的模型，在土与结构相互作用分析中具有一定的应用前景。     

垃圾土的强度特性试验研究

结合北京郊区某工地垃圾土地基的治理工程,对该场地垃圾土样的强度性质进行了室内试验,包括颗粒大小分析、三轴试验、单剪试验以及等向固结试验等。试验成果表明垃圾土中的纤维质成份具有加筋作用,能增加垃圾土的粘聚力,但对垃圾土的内摩擦角影响较小;单剪试验得到的强度指标一般小于三轴试验。历时1500h(62d)的等向固结试验表明,虽然孔压可以在4~10h内消散完毕,但垃圾土试样的排水过程却可以持续相当长一段时间,表现出流变性。     

土-锚杆界面模型的试验研究

在对锚杆－土之间相互影响的机理和现象进行理论研究的基础上又进一步进行了试验研究,证明了理论研究结果的正确性。应用这个结果,可在给定界面参数条件下预测锚杆的特性,可在减少大量锚杆拉拔试验的情况下得到较可靠的锚杆特性数据,可根据给定的锚杆抗拔试验结果确定界面参数,从而大大方便锚杆的设计。     

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。     

考虑应力修正的麦秆土直剪试验抗剪强度指标研究

为了分析麦秆含量对土壤抗剪强度指标的影响,获取更可靠的抗剪强度指标,推广能源节约型农业耕作生产,用TMS-PRO计算机控制质构仪做麦秆剪切试验。用应变控制式直剪试验研究原状与重塑麦秆土抗剪强度指标,分析麦秆含量对土壤抗剪强度指标的影响。应用应力修正法对直剪试验的正应力与剪应力进行修正,研究修正前、后麦秆土抗剪强度指标的变化量及随麦秆含量的变化规律,并对原状与重塑麦秆土修正前、后的黏聚力、内摩擦角拟合线分别进行叠加。试验结果表明:麦秆抗剪强度随含水量的增加而增大,麦秆土抗剪强度指标随麦秆含量的增加而增大,黏聚力符合线性拟合的规律、内摩擦角符合二次函数拟合的规律。考虑应力修正后原状与重塑麦秆土黏聚力较修正前提高了24%、内摩擦角较修正前提高了18%;未经修正的原状与重塑麦秆土在麦秆含量为0.58%时具有相同的黏聚力,在麦秆含量为0.37%时具有相同的内摩擦角;考虑应力修正后的原状与重塑麦秆土在麦秆含量为0.65%时具有相同的黏聚力,在麦秆含量为0.40%时具有相同的内摩擦角;在交汇点之后麦秆土抗剪强度指标增速表现为原状大于重塑。     

不同根系方位及径级下草本植物根土复合体抗剪强度试验研究

本文选取中国过渡带北侧山地土壤与莎草科植物(针薹草)开展植物根-土复合体抗剪强度试验研究,分析不同根系方位及径级下草本植物根-土复合体抗剪强度增强作用以及抗剪强度指标变化规律。试验结果表明：相同法向应力下, 根-土复合体试样的抗剪强度随着方位角度的增大而逐渐增加,且当方位角θ=90°时即垂直布根时,根-土复合体试样的抗剪强度达到最大;根-土复合体试样的抗剪强度随着径级的增加而逐渐增大;随着根系方位角的增加,根-土复合体试样的粘聚力逐渐增大;相同方位角时,随着根系径级的增加,根-土复合体试样的粘聚力亦逐渐增大;根-土复合体内摩擦角与根系径级和方位影响不大且规律性不明显。     

青海湖典型粉土抗剪强度的干湿循环影响研究

青海湖周边的水草地粉土层是典型的区域不良深厚软土.本文以青海湖西岸典型粉土为研究对象,研究干湿循环作用对重塑粉土的抗剪强度的影响规律.通过室内干湿循环试验及直剪试验,对不同含水率、经过8次干湿循环的粉土土样的直剪试验结果进行对比分析.研究结果表明：干湿循环作用对粉土的抗剪强度指标有劣化影响;多次循环后,粉土的残余黏聚力约为4 kPa,残余内摩擦角在10°～13°范围;随着干湿循环次数的增加,含水率的变化对粉土的抗剪强度指标的影响逐渐降低,最终基本可以忽略.     

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.     

非饱和玄武岩残积土剪切特性试验研究

非饱和土中的基质吸力对其抗剪强度特性有重要的影响。选取贵州毕威高速公路沿线的玄武岩残积土样,采用非饱和直剪仪进行控制基质吸力的剪切试验。试验结果表明,在不同的基质吸力和净法向应力作用下,重塑试样由于结构性遭到彻底破坏,应力应变关系表现为应变硬化型。在300 kPa的基质吸力范围内,基质吸力对黏聚力影响显著,对有效内摩擦角基本无影响。非饱和玄武岩残积土的抗剪强度与基质吸力基本呈线性关系,非饱和抗剪强度参数φ~b=19.4°,验证了非饱和土双应力状态变量抗剪强度公式的适用性。     

原状黄土的剪应变速率效应及数值模拟

为探究不同剪应变速率下非饱和原状黄土的变形性状与强度特性,利用南京土壤仪器SLB-1型三轴剪切渗透试验仪器,通过不同围压、不同剪应变速率条件下的室内三轴UU试验,对非饱和原状黄土在不同初始应力状态的剪应变速率效应进行分析,并结合PLAXIS 3D数值模拟研究,以期为数值模拟室内试验提供参考从而节约时间和成本。研究结果表明:非饱和原状黄土偏应力随应变的增加前期迅速增加,随后增加缓慢,呈现出应变硬化型,硬化程度随着围压的增大而增大,模拟结果的硬化程度小于试验结果的硬化程度。在试验范围内,原状黄土偏应力-应变曲线随着剪应变速率的增加不断上移,破坏强度随剪应变速率的增加而增大,模拟结果中剪应变速率对破坏强度的影响范围小于试验结果。     

粉质粘土含水量与抗剪强度参数关系的试验研究

本文采用常规直剪仪研究了粉质粘土的抗剪强度指标,据此分析了含水量对粉质黏土粘聚力、内摩擦角的影响,得出了土体抗剪强度参数随含水量变化而变化的规律,拟合出了相关的近似公式,结果表明:在含水量小于11.37％时,粉质粘土的粘聚力随着含水量的增加呈幂指数增加;含水量大于11.37％时,粘聚力随着含水量的增加呈线性降低.而粉质...     

基质吸力对非饱和土抗剪强度影响的试验研究

在非饱和土条件下产生的负孔隙水压力(基质吸力)对于预测如边坡、挡土墙、挖方工程、基础工程之类的土石结构的稳定性十分重要.为了探讨基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响,采用非饱和土固结排水三轴剪切试验对此进行了研究.试验采用恒定的净周围压力和变化的基质吸力,以反映基质吸力的变化对抗剪强度的影响.通过对试验结果的分析可以得到如下的结论:表示基质吸力对抗剪强度的平均增加率的参数Φb为20.7°,在较小的基质吸力范围内基质吸力与抗剪强度之间存在着线性关系.     

考虑土体变形与界面剪切耦合作用锚杆拉拔响应

针对土层锚杆在拉拔荷载作用下的轴向变形问题,考虑锚杆周边土体变形与锚-土界面剪切的耦合作用,建立了表征锚杆锚固体荷载传递机理的有限差分物理模型。通过数值编程求解该模型,获得了不同拉拔荷载水平下的锚杆轴向变形和土体剪切变形的解答,从而明确了锚固体在拉拔过程中荷载变形曲线和沿杆体长度方向的轴力分布规律。方法与荷载传递方法和剪切位移法等对某实际工程中灌浆锚杆案例进行分析,将各方法所获解答与实测数据进行了对比分析。结果表明:考虑土体变形与界面剪切耦合的模型可以获得与实测数据更为吻合的荷载位移曲线和轴力分布,验证了该模型的优越性和准确性。     

地裂缝隧道衬砌结构与围岩相互作用机理

针对台凹型活动地裂缝正交区间隧道,通过有限差分数值方法模拟地裂缝区间隧道的开挖施工、分缝衬砌结构与地裂缝上下盘之间相对错动,从地表和衬砌的沉降位移、围岩位移场、围岩土压力以及衬砌结构内力方面分析了隧道结构与围岩的变化特征.结果表明：台凹型活动地裂缝不均匀变形主要发生在上盘内地裂缝一定范围的地层内;分缝衬砌结构端部的拱顶土压力呈现出集中增大和减小的变化特征,上盘内地裂缝附近仰拱底的土压力出现松弛;变形缝两侧衬砌结构的端部出现轴向应力集中现象.分缝衬砌结构一方面能够适应地裂缝错动位移,避免结构内力过大而引起强度破坏;另一方面,能够抑制地层的不均匀沉降变形,使得地裂缝处变形缝两侧衬砌结构的相对位移减小,并改善地裂缝区间隧道的运行条件.