混凝土表面粗糙度对桩土接触面剪切特性影响试验研究

桩侧表面粗糙程度是决定桩土接触面力学特性的主要因素之一,其对桩侧摩阻力的发挥具有重要影响。为研究桩侧表面粗糙度对桩土接触面剪切特性的影响,制作不同粗糙度的混凝土板模拟桩侧表面,并给出了混凝土表面粗糙程度计算方法。采用大型室内剪切系统,依次在不同法向应力下进行剪切试验,从剪应力-剪切位移关系、剪胀性和接触面抗剪强度三方面对接触面力学特性进行分析。结果表明:接触面剪应力-剪切位移曲线大体呈折线型,存在较为明显的应变软化现象。表面粗糙度越大,剪应力峰值越高,不同粗糙度界面达到剪应力峰值强度所对应的剪切位移变化不大。在法向应力较低时接触面有剪胀现象发生,随着粗糙度的增大,剪胀现象越明显;法向应力较高时则出现剪缩。接触面抗剪强度及残余剪切强度均随着表面粗糙度的增大而增大。根据试验结果建立的接触面力学参数与混凝土表面粗糙度关系式,可为进一步研究预制抗拔桩承载力发挥机理提供参考。     

一种大型桩土界面直剪试验装置的研制与应用

自主设计研制了一台大型恒刚度桩土界面直剪仪用于黏性土中桩土界面的力学特性测试。该试验装置采用理想弹簧组加载系统,法向可提供恒刚度边界条件;切向可按位移控制,能够实现上剪切盒静止,下剪切盒直线和往复运动的加载路径。试验结果表明:该试验装置再现了黏性土体与结构接触面在不同加载条件下的力学响应,能够很好地模拟桩土界面剪切过程,为黏性土中桩土界面力学特性的研究提供了基础;大型桩土界面直剪试验得到的不同法向应力下,随着接触面粗糙度、剪切速率和黏性土含水率变化而变化的剪应力–剪切位移关系曲线,与已有关于桩土界面剪切力学特性影响因素研究结论相符。     

压实度对红层泥岩土中土工格栅拉拔性能影响的试验研究

通过室内拉拔试验,研究压实度对土工格栅与红层泥岩界面拉拔性状的影响,试验结果表明,土工格栅在红层泥岩中主要表现为拔出破坏。随着压实度的增大,在一定程度上提高筋土界面的峰值剪应力;在压实度一定的情况下,随着竖向应力的增加,筋土界面剪应力峰值增大,其对应的剪切位移减小。由于土与土工格栅接触面的剪胀造成该类接触面的界面剪应力峰值与竖向应力不再是线性关系。     

单一粒径砂-混凝土单剪试验研究

通过单剪试验,研究了不同单一粒径砂与混凝土接触面的力学特性。试验结果表明,不同单一粒径砂的接触面厚度和试样破坏时的剪切位移随粒径的增加而增加;在法向压力较低时,剪切应力-位移关系曲线呈现应变软化型;随着法向压力的增高,剪切应力-位移关系曲线逐步呈现应变硬化型;此时,单一粒径砂与混凝土界面剪应力～位移曲线可看成由一条斜直线、一条双曲线和一条水平直线三部分组成。随着法向压力的增大,试样剪胀性逐渐减弱,试样发生剪胀时的剪应力也逐渐增大。     

大型土与结构相互作用恒刚度直剪试验装置研究

已有的土与结构接触面室内剪切试验多集中在恒荷载和恒位移加载条件下接触面力学特性的研究,而预制桩基础沉桩过程中桩土界面受力条件与恒刚度加载类似,即桩土界面法向应力随桩周土体法向位移是动态变化的。针对目前黏性土中桩土界面大型恒刚度的试验手段比较缺乏,自主设计研制了一种大型恒刚度直剪仪用于桩土界面力学特性的测试。该直剪仪考虑了桩周土体变形特点,剪切过程中桩土界面接触面面积始终保持不变,能够准确模拟桩土界面剪切试验;采用弹簧组加载系统和数控电机控制系统,法向可提供恒刚度边界条件,水平切向可按位移控制,能够实现桩土界面上直线和循环剪切的加载路径。试验结果表明:该直剪仪能够很好地再现黏性土中桩土界面在恒刚度加载条件下直线剪切的力学响应,为静压桩沉桩过程的桩土界面力学特性的研究提供了基础。     

土与结构物接触面物理力学特性试验研究

利用改进的直剪仪进行了砂土与结构物的接触面剪切试验 ,研究了不同接触面相对粗糙度对接触面物理力学性质的影响 ;并通过数字照相技术记录了接触面附近砂土颗粒的位移情况 ,分析了土与结构物接触面剪切破坏的变形机理。试验结果表明 ,存在接触面临界相对粗糙度Rcr,土与结构物接触面可依据Rcr 分为光滑接触面和粗糙接触面。光滑接触面剪切变形时沿土与结构物接触表面产生滑动破坏 ,接触面附近体积变化很小 ,剪切破坏时无明显的剪应力峰值 ,为理想弹塑性模式 ;粗糙接触面剪切破坏时在接触面附近产生应变局部化 ,形成剪切带 ,并伴有应变软化和剪胀现象。剪切带厚度约为 5D50 。     

砂土与混凝土接触面力学特性大型单剪试验研究

利用研制的大型单剪仪,进行砂土与混凝土接触面单剪试验研究,研究单一粒径的砂土对混凝土接触面物理力学性质的影响。从试验结果分析得到,不同单一粒径砂土的接触面厚度和试样破坏时的剪切位移。试验表明:抗剪强度与法向应力呈较好的线性关系;在接触面法向应力压力较低时,剪切应力-位移关系曲线呈应变软化型;随着接触面法向应力的增高,剪切应力-位移关系曲线呈应变硬化型的趋势越明显,此时,不同单一粒径的砂土与混凝土界面剪应力-位移曲线可看成由一条曲线与一条平直线组成。接触面法向应力越低剪胀越明显;随着接触面法向应力的增大,剪胀性减弱,试样发生剪胀时的剪应力也逐渐增大。     

桩-红黏土接触面温控测试及应力-应变关系研究

在对能量桩承载特性进行设计与计算时,能量桩桩-土接触面力学特性十分重要;已有桩-土接触面力学特性研究中考虑温度效应的仍相对较少。采用重庆地区重塑红黏土,通过室内温控直剪试验测试其桩-土接触面力学特性,并与土体本身直剪强度特性进行对比;基于能量耗散原理推导的桩-土接触面模型,分析红黏土温度效应试验结果,归纳形成两个温度因子?1、?2,建立考虑温度效应的桩-红黏土接触面模型。通过新模型模拟结果与实测值的对比,验证文中所建立的桩-红黏土接触面温度效应模型的准确性和可靠性。研究结果表明,文中试验条件下,温度升高,桩-红黏土接触面的剪切强度略有增大;桩-红黏土接触面温度效应模型可以较好地模拟不同法向应力下的接触面应力-应变曲线,并且可以在一定程度上反映温度对接触面力学特性的影响。     

土与结构相互作用的可视化剪切试验装置研制及应用

 土与结构的相互作用是岩土工程中普遍存在的力学问题,在已有大型直剪试验系统平台上,设计局部可透视的刚性剪切盒和数据采集分析系统,研制相应的设备。在接触面力学参数可靠获取的基础上,通过高清数码摄像实时采集剪切试验过程中接触面剪切带的数字图像,利用GeoPIV分析获得剪切带土砾的变形和剪切带的厚度,实现土与结构接触面直剪试验剪切带变形的可视化与定量化。以三峡库区堆积体滑坡工程为背景,开展不同含水率条件下土石混合体与混凝土接触的剪切试验,得到接触面抗剪强度参数的变化规律和剪切过程中土砾颗粒运移特征,定量分析土砾颗粒在剪切过程中的位移变化规律,获得试验条件下接触面剪切带厚度为17～23 mm,试验结果表明上剪切盒中的土砾剪切过程中发生显著的位移,其相对下剪切盒的水平位移小于上下剪切盒的相对位移,呈现非线性的变化趋势,并给出土砾实际位移与剪应力的关系。该研究成果可为土与结构相互作用的可视化剪切试验、接触面力学特性和本构模型分析提供重要支撑。     

砂砾石垫层料与混凝土面板接触面特性的大型单剪试验研究

采用自主研制的低摩阻叠环式双向静动剪切试验机,考虑面板与垫层间喷涂和不喷涂乳化沥青两种情况,进行混凝土面板与砂砾石垫层料之间的大型剪切试验,研究混凝土面板与垫层料接触面的力学特性,基于Clough和Duncan非线性弹性本构模型整理出接触面模型参数,并探讨了乳化沥青在接触面剪切变形中的作用机制。研究表明:①不喷涂乳化沥青时,接触面应力随着剪切位移的增加逐渐变大,接触面剪应力与位移呈现出很好的双曲线关系。喷涂乳化沥青时,接触面剪应力与剪切位移在峰值强度前呈现出很好的双曲线关系,在峰值强度后,呈现出一定的应变软化特性,法向应力越低,表现越为明显;②两种情况下,随剪切位移的增加,上盒土体变形逐渐发展,并由上到下逐渐增加,最大的相对错动位移均发生在混凝土面板与垫层之间的接触面处,表明接触面的抗剪强度小于砂砾石垫层的抗剪强度;③法向应力对叠环的剪切位移有较大影响,法向应力越大,同一高度处叠环的剪切位移越大;在相同的剪切位移和法向应力作用下,喷涂乳化沥青时叠环水平位移均小于不喷涂时叠环水平位移;④乳化沥青对接触面的力学参数有很大的影响,采用Clough和Duncan非线性弹性本构模型拟合时,与不喷涂乳化沥青时相比,喷涂乳化沥青的接触面其劲度系数、指数及强度指标均有大幅度降低,剪切过程中乳化沥青形成了完整的过渡层来隔离砂砾石垫层料和混凝土面板的直接接触,并起到很好的阻隔–润滑效果。     

基于桩侧阻力强化效应的嵌岩桩承载力计算

 根据常法向刚度条件下结构面剪切力学特性研究嵌岩桩的荷载传递机制。考虑桩–岩界面胶结作用,提出完整的嵌岩桩桩–岩界面剪切机制,即包括胶结破坏、滑动剪胀及剪切滑移3部分;根据桩–岩界面不同剪切阶段的力学特性,建立完整的桩–岩界面剪切本构方程。基于结构面剪切力学特性,从理论上分析嵌岩桩桩侧阻力强化效应的产生机制。研究结果表明,桩侧阻力增强效应在整个桩侧都有发生,但在桩端附近桩侧最为明显。在机制分析的基础上,提出考虑桩侧阻力强化效应的嵌岩桩竖向承载力理论计算方法,该法计算模式明显有别于传统桩基规范算法。工程算例对比分析结果表明,该方法计算值比桩基规范传统算法计算值更接近于现场实测静载试验结果。这一算法可为嵌岩桩设计与应用提供新的思路。     

柔性与硬性地工格网在砂土与风化泥岩围压下之力学特性

地工格网（以下称格网）用於加劲土壤时，除考虑无围压下的张力行为之外，围压下之力学性质更是设计考量的重点。实际工程应用而言，基於经济考虑，期以现地土壤作为回填材料。本研究分别以拉出、围压抗张与直剪三种试验来探讨格网放土壤中之力学行为；并利用凝聚性泥岩与非凝聚性细砂作为回填材料，评估两种回填材料对加劲成效之影响。结果显示，柔性格网之肋条在拉出过程中易扭曲，造成主应力面旋转的现象，以致拉出阻抗大放硬性格网；围压下格网抗张的应力-应变行为可分为三阶段，即束制阻抗期、张力发展期与破坏期。束制阻抗期大都於3％应变内即已完成；在低围压情况拉出阻抗达20％～60％之拉出强度（相同应变），在高围压下达150％。由直接剪力试验结果可以预测：（a）格网／泥岩加劲结构-低围压时，剪力破坏面应通过格网／泥岩之界面；而高围压时，剪力破坏面应通过泥岩上体。（b）格网／细砂加劲结构-低围压与高围压下剪力破坏面应通过格网／细砂之界面。     

基于数字图像法的桩-土接触面特性试验研究

桩与土接触面的力学特性是桩-土共同作用研究中的一个重要课题。利用基于数字图像的非接触光学测量方法,通过室内模型试验,对密实砂土中桩-土接触面上荷载传递特性、剪切位移场及剪应变场分布规律进行研究。结果表明:密砂中单桩桩侧摩阻力与沉降关系呈软化型,桩侧摩阻力达到极限值所需桩身沉降约为桩横截面边长的3%。桩周土体剪切滑动区发生在有限范围的土体中,最大剪应变首先出现在桩顶及桩底附近土体中,而后向桩身中部发展,在极限荷载条件下,最大剪应变沿桩身呈"两头大中间小"的分布形式。试验结果为合理建立桩-土接触面模型和相关数值计算提供有益的参考。     

剪胀和破坏耦合的节理岩体本构模型的研究

 摘要：根据节理岩体切向加载作用下的变形机制,把微凸体在磨损破坏过程中引起的剪胀软化现象和伴随的强化现象分开考虑,提出一种新的本构模型。试验结果表明,在法向和切向载荷共同作用下,由于微凸体的爬坡和啃断作用,节理岩体均会发生一定程度的剪胀和磨损,累积到一定程度就产生软化现象,在此引入一个初始剪应力概念体现上述特征。另一方面,由于破碎颗粒的碾压和迁移作用,使得抗剪力学行为由微凸体粗糙度控制逐渐转变为由结构面上形成的紧密夹层的力学行为所控制,抗剪强度提高,在此通过弹塑性随动强化模型来体现这一变形行为。当随动强化模型与初始剪应力相结合时,即为节理岩体切向加载作用下的剪应力–切向位移本构关系。通过对各种已有试验曲线的对比分析,验证该模型的正确性。     

双剪统一弹塑性应变软化本构模型研究

 根据统一强度理论应力不变量的形式,确定所要建立模型的屈服函数以及塑性势函数,考虑土体强度随加载过程的逐渐发挥,确定土体硬化函数。采用非相关联流动法则建立复杂应力状态下的土体弹塑性本构方程,并且对模型中所产生的奇异性进行分析和处理,指出模型中的奇异性是屈服函数、塑性势函数的流动矢量、以及硬化模量所引起的。给出模型中所含参数的确定方法,采用膨胀性泥岩的常规三轴试验模型进行验证,验证结果表明,所建立弹塑性本构模型能够模拟泥岩的应力–应变关系,较好地反映土体的应变软化特性。     

耦合结构面剪胀的嵌岩桩侧摩阻力分析

 嵌岩桩桩–岩界面受力剪切机制通常包括滑动剪胀及剪切滑移两部分,滑动剪胀导致桩–岩界面法向应力显著增大。Serrano法计算嵌岩桩侧摩阻力没有考虑桩–岩界面剪胀效应的影响,从而使得其计算结果比现场实测值偏保守。基于常法向刚度(CNS)条件下结构面剪切力学特性,充分考虑岩性、桩径以及施工等因素对嵌岩桩受力特性的影响,在对既定粗糙度结构面剪胀产生的法向应力增量实现量化分析的基础上,通过耦合结构面剪胀对Serrano法进行修正。计算结果表明,修正的Serrano法计算所得嵌岩桩侧摩阻力明显高于Serrano法,也更接近于现场实测。修正的Serrano法完善嵌岩桩侧摩阻力的理论计算。     

基于非饱和黏性土桩土界面剪切特性试验研究

通过自制的大型恒刚度直剪仪对非饱和黏性土进行桩土界面剪切试验,探讨了非饱和黏性土桩土界面剪切特性及受黏性土饱和度的影响规律。试验和研究结果表明:在分析了非饱和黏性土桩土界面土压力和孔隙水压力的变化规律后,得到桩土界面剪应力峰值和剪切破坏位移随黏性土饱和度的增大而降低的结论,同时还受界面粗糙度和法向应力的影响,界面粗糙度和法向应力越大,桩土界面剪应力峰值和剪切破坏位移越大,在法向应力不同时最大剪切破坏位移相差9.81~12.23 mm;桩土界面黏聚力在饱和度80%~90%时最大,摩擦角随着饱和度的增大呈衰减趋势,因此在桩基设计中需要考虑黏性土饱和度对桩土界面抗剪强度参数的影响,否则会使设计结果过于安全。     

不同剪切速率下格栅–土界面循环剪切及其后直剪特性

 为了研究剪切速率对砂土与土工格栅界面剪切特性的影响,采用室内大型直剪仪对土工格栅加筋砂土试样分别进行不同剪切速率下的单调直剪试验、循环直剪试验,并在循环直剪试验结束后接着对试样进行单调直剪试验,研究了剪切速率对筋土界面剪切应力、剪切体变的影响,对比分析不同剪切速率下单调直剪试验的结果与经受过循环剪切后的单调直剪试验结果的差异。试验表明：剪切速率对单调直剪条件下筋土界面的剪切特性影响不大;循环剪切过程中,低剪切速率和高剪切速率下分别发生循环剪切软化和循环剪切硬化现象;剪切速率对循环剪切后的筋土界面直剪特性影响较明显,受循环剪切后筋土界面的抗剪强度比不受循环剪切作用的要低。     

粗粒土与结构接触面的静动本构规律

进行了系统的粗粒土与结构接触面静动力学试验以研究其本构规律。基于试验得到的宏观和细观测量结果,归纳总结了粗粒土与结构接触面静动力学特性的五条基本规律,即:(1)抗剪强度与法向应力近似成线性关系;(2)在一条法向应力不变条件下的单调剪切应力路径中,剪应力随着剪应变的增加而不断增长并趋向于一稳定值;(3)剪胀体应变由不可逆性和可逆性的体应变分量构成,可逆性剪胀体应变表现出明显的接触面异向性,与剪胀体应变有关的剪应变在总剪应变中所占比例在不同剪切阶段是不同的;(4)压缩性随着法向应力的增大而逐渐降低;(5)受载过程中发生物理状态及力学特性的演化并逐渐趋于稳定。     

损伤模型接触面单元在有限元计算分析中的应用

简要介绍了接触面损伤模型 ,推导了接触面单元的有限元格式 ,编制了平面和轴对称问题有限元计算程序 ,对土与结构相互作用问题进行了有限元分析。对单个接触面单元进行了有限元计算 ,与损伤模型理论解比较 ,验证了计算程序的正确性。对不同边界约束条件的土工织物拉拔试验和桩土相互作用问题进行有限元计算 ,对接触面非线性模型和损伤模型的计算结果进行比较。计算结果表明 ,损伤模型能够反映土与结构物接触面剪切过程中的应变软化和剪胀特性 ,较非线性弹性模型接触面单元有显著的优越性 ;土体与结构物刚度、边界约束等条件对土与结构相互作用有明显的影响 ,这些影响在桩基础、加筋土与周围土体相互作用等问题的研究中必须加以考虑。