壁面强度及粗糙度对含软弱夹层岩体影响研究

软弱夹层作为一种特殊的结构面是影响岩体稳定性的重要因素之一.软弱岩层与围岩接触壁面的物理力学性质很大程度上影响着整个岩体的强度特征和破坏特征.为研究其中规律自行设计并制作了不同粗糙度和强度壁面的试样,通过室内直剪试验结果分析了壁面强度和壁面粗糙度对岩体强度特征和破坏特征的影响.发现岩体峰值抗剪强度与壁面强度和粗糙度成正相关关系,法向应力较小时,随着壁面强度增加,试样主破坏裂纹与水平面夹角越来越小,随着壁面粗糙度增加,岩体从无裂纹变成夹层上部岩体出现裂纹,法向应力较大时,随着壁面强度增加,试样主破坏裂纹与水平面夹角越来越大,随着壁面粗糙度增大,主裂纹与水平面夹角逐渐减小,并且裂纹数有所增加.     

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。     

反复直剪试验节理强度与粗糙度变化的研究

通过对人工模拟节理在不同法向应力作用下的4次反复直剪试验,分析节理峰值抗剪强度与反复剪切次数之间的关系以及节理粗糙度系数CJR退化与剪切次数之间的关系,并提出考虑反复剪切次数n的节理峰值强度公式和节理粗糙度系数CJR衰减的经验公式。研究结果表明:峰值强度随剪切次数的增加逐步减少,但第1次直剪试验得到的峰值抗剪强度与第2次直剪试验得到的峰值抗剪强度差异最明显,后3次直剪试验得到的峰值强度较接近;在相同的法向应力作用下,CJR随剪切次数的增加而减少,但减少速率逐步变小。     

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。     

尺寸效应对锯齿状结构面抗剪强度影响

为研究尺寸效应对锯齿状结构面抗剪强度的影响,对不同尺寸的具有锯齿状结构面的试样进行直剪试验,得到不同尺寸结构面的抗剪强度,同时运用3DEC数值分析软件对试验过程进行模拟.试验结果表明:随着完整试样尺寸的增大,试样的单轴抗压强度和黏聚力减小,且减小的幅度减弱,最后趋于稳定;材料的内摩擦角随尺寸的增大,变化很小;当结构面尺寸一定,结构面受到剪切作用时,随着法向应力的增大,锯齿状结构面抗剪强度增大;当法向压力一定,随着锯齿状结构面尺寸的增大,锯齿状结构面抗剪强度减小,且减小的幅度减弱.     

基岩-混凝土胶结面剪切强度JRC-JCS模型研究

通过室内直剪试验，系统地研究了粗糙度、正应力对混凝土与基岩胶结面抗剪强度的影响，从而提出微风化花岗岩-混凝土胶结面剪切强度的JRC-JCS模型，并给出了该模型的粗糙度适用范围．该模型考虑了粗糙度和正应力对胶结面剪切强度的影响，解释了剪切试验结果．此外，讨论了胶结面剪切强度的尺寸效应，给出粗糙度系数JRC与胶结面尺寸的关系式，为工程设计提供参考依据．     

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.     

基于结构面粗糙度随机场表征的抗剪强度变异性

岩体结构面抗剪强度参数具有变异性是客观事实,而受限于室内外直剪试验成本而导致抗剪强度变异性指标获取困难是目前制约岩质边坡可靠度评价发展的主要原因之一。鉴于此,本文提出了一种利用少量实测结构面粗糙度曲线样本和岩块物理力学参数,结合JRC-JCS剪切强度模型、随机场理论和非侵入式离散元数值试验,获取结构面抗剪强度参数变异性指标的方法。将此方法应用于某隧道进口段岩质边坡可靠度评价中,研究发现：（1）该岩质边坡主控结构面粗糙度纵坐标方差为0.012 5 cm2,相关距离为0.75 cm,生成的随机粗糙度曲线与实测样本相似;（2）结构面粘聚力和内摩擦角均值分别为0.427 MPa和54.9°,标准差分别为0.229 MPa和4.47°,变异系数分别为53.63%和8.14%;（3）此边坡稳定性系数服从正态分布,失稳概率为2.8%,可靠度为1.52。     

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。      

土壤酸、碱度含量对土抗剪强度影响

土壤酸、碱度用以表征土壤的重要物理化学性质。本文通过室内不排水直剪试验研究不同酸、碱条件下土壤的抗剪强度变化规律。实验结果表明,酸的污染会降低土壤的抗剪强度。碱污染对土壤抗剪强度的影响受法向应力大小的影响。在法向应力小的时候,土壤的抗剪强度小幅提高;法向应力大时,土壤抗剪强度降低。     

结构面剪切特性的试验与数值模拟分析

结构面的性质对岩体工程稳定性具有重要意义,通过室内试验和数值模拟,分析了结构面在直剪条件下的应力和变形特征,得到:①直剪试验过程中.剪力一剪切位移之间的关系逐渐从线性关系转化为非线性关系;当剪应力将要达到峰值剪切强度时,切向位移突然增大,岩体已开始沿结构面剪坏;②试样剪切强度与正应力之间符合Mohr-Coulomb线性关系;数值计算得到的应力应变关系与室内试验得到的结果相同,说明了数值试验的可靠性;③结构面剪应力的分布从结构面施加切向位移速率的一端向另一端逐渐增大:④随着法向应力的增大,最大剪应力分布区域基本上没有变化,说明法向力的大小对结构面剪应力的分布影响较小:并且根据Mohr-Coulomb理论.正应力在结构面上的分布情况类似于剪切力的分布情况.     

高分解度泥炭土直剪抗剪强度特性及机理

基于大量室内压缩-直剪联合试验结果,系统分析了取自昆明市和大理市3个不同场地典型高分解度泥炭土的直剪抗剪强度特性及机理。试验结果表明:固结快剪、快剪和慢剪所得泥炭土的剪应力~剪切位移关系曲线表现出不同的形态;固结快剪和慢剪时,随着法向应力的增大,剪切变形从塑性变形转变为弹塑性变形为主;不同法向应力下,快剪的剪切变形均以塑性变形为主。高分解度泥炭土抗剪强度包线近似为相交的2段不同斜率的直线;固结快剪和慢剪抗剪强度包线转折点对应的法向应力σs约为200 k Pa,快剪时σs约为100 k Pa。通过分析泥炭土固结压缩变形特性并建立压缩-剪切微结构模型,分析了其抗剪强度来源及演化机理。机理分析表明:随着法向应力增大,高分解度泥炭土经历了从多孔隙状态至相对密实状态的转变,导致其抗剪强度及抗剪强度参数发生相应改变。     

某深基坑边坡岩体的原位直剪试验研究

通过对某边坡岩体原位直剪试验的数据分析,得到了岩体的抗剪强度指标(c和φ)和岩体原位直剪的剪应力—应变关系曲线。试验结果还表明:岩体的抗剪强度和残余强度与法向应力近似成正比例关系,再一次验证了库伦强度准则的正确性。     

碱激发粉煤灰和矿粉固化淤泥的胶结体孔隙分布特征

通过压汞试验分析得到进汞曲线和孔径分布密度曲线,采用直剪试验、承载比试验测定固化淤泥胶结体的力学性质。提出采用孔隙分布系数(η)表征固化淤泥的胶结体孔隙分布的均匀程度,建立了固化淤泥的胶结体孔隙分布系数与抗剪强度指标和CBR值之间的定量关系。结果表明,固化淤泥的胶结体孔隙分布系数与其力学指标具有密切的相关性。孔隙分布系数越小,固化淤泥的胶结体孔隙分布越均匀,抗剪强度越高,CBR值越高;孔隙分布系数越大,固化淤泥的胶结体孔隙分布越不均匀,抗剪强度和CBR值越低。     

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。     

贯通结构面抗剪强度尺寸效应研究

目前,岩土工程界普遍采用Barton和Bandis建议的公式,计算具有一定规模岩体结构面的抗剪强度,但经分析发现并不适用于规模大于5m的结构面.因此,借助二维离散元软件UDEC,提出了一种基于现场实测结构面粗糙度系数JRC(长10 cm)和结构壁面回弹试验的结构面抗剪强度尺寸效应分析方法,并通过实例验证了方法的准确性.     

基于原位孔内剪切试验的残积土强度指标及风化程度影响评价

为了研究花岗岩残积土原位力学特性及受风化程度的影响,开展孔内剪切试验(BST)以获取土体的原位抗剪强度指标,同时结合大型原位剪切(LDS)试验与室内直剪(DS)试验对不同测试方法的差异进行分析.试验结果表明,由BST得到的花岗岩残积土应力-应变关系曲线呈应变硬化型特征,峰值应力与法向应力呈正相关的线性关系;被测残积土是一种高渗透性饱和土,剪切时孔壁土体的排水速度较快而发生自由体变,由BST获取的强度指标近似为饱和土的有效强度指标;大型原位剪切试验与孔内剪切试验获得的强度指标较为接近,但由室内直剪试验得到的强度指标数明显比原位试验结果小,说明取样扰动对土体力学特性造成了不可逆的损伤;根据土体的砾粒含量表征花岗岩残积土的风化程度,由BST测试结果得到的有效内摩擦角与砾粒含量之间保持正相关的线性关系,有效黏聚力与砾粒含量之间保持负相关的线性关系;从SEM的结果认为砾粒含量的增加一方面使得砾粒颗粒间的咬合摩擦力增长;另一方面降低了黏土颗粒间的胶结作用,在宏观上表现为内摩擦角指标的增大和黏聚力的减小.     

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.