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.     

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.     

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.     

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.     

结构接触面剪切特性及软硬化损伤模型

采用大型直剪仪进行了黏性土、砂土两种土样与混凝土接触面的直剪试验,研究了不同法向应力条件下,土与混凝土接触面上的应力、应变及破坏强度等特征.试验结果表明:对于黏性土与混凝土接触面的剪切加载,剪切过程表现出应变软化特性,残余应力水平趋于稳定状态;砂土与混凝土接触面的剪切过程主要表现为应变硬化,残余应力缓慢增长.针对土与结构接触面剪切特性,从损伤力学理论出发提出了考虑应变硬化和软化特性的结构接触面剪切损伤本构模型及模型参数确定的方法.该模型能充分反映土-结构接触面的应变软化和硬化特性,参数较少,方便实用.     

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.     

考虑颗粒破碎的粗粒土直剪试验离散元模拟

为了分析粗粒土的剪切力学特性,采用离散元软件PFC2D模拟考虑颗粒破碎的粗粒土直剪试验,提供了制备可发生破碎的单颗粒粗粒土试样方法,以及改变离散元试样孔隙率的方法。在不同竖向压力作用下对粗粒土试样模拟直剪试验,分析剪应力、体应变与剪切位移的关系,剪切前后应力状态,剪切后速度分布情况。改变粗粒土试样的孔隙率和颗粒间黏聚力,分析粗粒土剪切强度的影响因素。研究表明,试样先剪缩再剪胀,剪应力峰值、残余强度随着竖向压力的增大而增大。应力场受剪前均匀分布,受剪后分布不均匀。剪切带内外颗粒处于不同的运动状态,剪切带内速度变化梯度较大。在相同竖向压力作用下,剪切强度随孔隙率增大而减小,随黏聚力增大而增大。     

粗糙度对红黏土与混凝土接触面循环剪切特性的影响

为了研究结构表面粗糙度对土与结构接触面循环剪切特性的影响,采用大型直剪仪进行了不同粗糙度与不同法向应力条件下红黏土与混凝土接触面的循环剪切试验,分析粗糙度对接触面循环剪切应力与剪切体变的影响规律.试验结果表明:不同条件下接触面都呈现出循环剪切软化特征,同一循环周次接触面剪切强度随粗糙度的增大而增大;循环剪切过程中接触面表现出明显的剪缩特征,接触面最终剪缩量随粗糙度的增大而增大.随着循环次数的增加,接触面剪切刚度和阻尼比逐渐减小并趋于稳定.结构表面粗糙度的增大能提高接触面剪切刚度,但对接触面阻尼比的影响不明显.     

有效剪切面积对直剪试验结果的影响分析

我国现行土工试验的国家标准和行业规程中,对于直剪试验数据的整理和分析均未考虑剪切过程中土体本身或土体与其他材料接触面上剪切面积的变化.为此,推导了剪切过程中接触面剪切位移与有效剪切面积之间的关系,分析了现行数据整理方法引起的计算误差.结果表明,现行数据整理方法低估了土体或土体与其他材料接触面上的剪切应力和抗剪强度指标;直剪试验的剪切方向应沿着试样盒的长边方向布置.     

大型拉拔直剪仪剪切盒的改装

针对现有大型拉拔直剪仪剪切盒不能进行土工合成材料之间或土工合成材料和颗粒材料之间直剪试验的状况, 在现有大型拉拔剪切仪的基础上, 根据试验要求和试验影响因素, 分别对该设备的上下剪切盒进行了改装. 在下剪切盒内放置可固定土工合成材料的Ⅱ字型板架,并通过在上剪切盒内放置内置挡板或可固定土工合成材料的钢板2 种方式, 使加载方式能实现柔性承压和刚性承压. 利用改装后的设备, 对光面土工膜-砂土界面、光面土工膜-土工布界面进行了直剪试验, 试验结果与其他同类材料直剪试验结果较为吻合, 证明对该设备的改装是合理可行的. 最后, 对加肋土工膜-砂土界面、加肋土工膜-土工布界面进行了一系列直剪试验,进一步验证了该设备改装后的稳定性.     

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。     

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。     

砾砂与混凝土管界面剪切力学特性试验

基于数字图像相关技术,通过自主研制的可视化直剪容器,对砾砂与混凝土管接触面在常法向应力作用下的剪切力学特性进行较系统的试验研究.试验结果表明:砾砂-混凝土管界面初始剪切模量随法向应力的增大而增大;D_r=0.8的砾砂土样与混凝土接触面的摩擦系数较D_r=0.4时增大约17.5%,相对密实度每增大0.2,摩擦角平均增大2°;砾砂-混凝土接触面的剪应力-剪切位移曲线软化程度随法向应力增大逐渐减小,硬化程度逐渐明显;土体剪切位移随着与接触面距离的增加而增大,剪切变形主要发生在剪切错动带内,剪切错动带厚度约为3D₅₀.     

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.     

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.     

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。     

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.     

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.     

不同界面下梁端直剪型锚栓钢板剪切承载力试验研究

开展梁端直剪型锚栓钢板剪切承载力加固试验研究。试验序列包含1个对比试验段、5个剪切承载力加固试验段。试验参数包括界面条件和钢板高度。结果表明：受力过程中钢板与混凝土之间的黏结界面终会剥离,不同黏结界面不影响剪切承载力;增加钢板高度和配套的直剪型锚栓数量能有效提高混凝土梁的剪切承载力。直剪型锚栓钢板剪切承载力加固存在2种机制,约束机制通过限制斜裂缝宽度提高剪切承载力,而组合受力机制通过钢板将一部分剪力直接传入支座。加固钢板高度较小时以约束机制为主,加固钢板高度较大时,2种加固机制联合发挥作用。     

直剪试验中接触面渐进破坏的数值模拟

岩土工程中不同材料间的接触面力学性质是热点研究课题之一.为了研究不同接触面本构模型适用性,对室内接触面直剪试验进行有限元数值模拟,并采用刚塑性模型对接触面破坏过程进行了分析.数值模拟结果表明,计算与试验结果基本一致,不同本构模型计算结果相差不大;直剪试验剪切过程中,接触面上应力应变分布不均匀,导致接触面单元渐近破坏,使得接触面应力-相对位移关系呈非线性;刚塑性模型可以合理描述接触面本构关系,其模型参数较少且容易确定,可用于工程计算.