节理剪切试验及其表面形貌特征变化分析

 节理表面形貌是影响节理抗剪强度的重要因素之一。采用试验方法研究岩石节理表面形貌与其抗剪强度之间的关系;运用RYL–600岩石剪切流变仪对天然岩石节理在不同法向应力下进行剪切试验,得到不同法向应力下节理的抗剪强度曲线,并运用TALYSURF CLI 2000扫描仪将节理表面在每次剪切前后进行高精度激光扫描测试,得到岩石节理表面的三维扫描图。分析节理在不同法向应力作用下的抗剪强度与节理表面形貌变化的关系,计算岩石节理表面轮廓平均角的加权平均值 ,发现随着法向应力的增加,节理峰值抗剪强度增加,随着剪切次数增加, 呈减小趋势。说明节理的抗剪强度与法向应力和节理表面形貌特征参数 有关。     

循环动载边界下三维粗糙节理面剪切力学响应研究

开展正弦波式循环法向动载–循环剪切位移叠加作用下三维粗糙节理面剪切试验,探讨初始法向静载(F_s)、法向动载振幅(F_a)、法向动载频率(f_v)及循环剪切次数(N)对节理面剪切特性的影响。随着F_s与F_a的增加,节理面法向荷载变化范围逐渐增大,一个剪切位移周期内剪切荷载呈现波动增加→波动减小→波动增加趋势;稳定状态下峰值剪切荷载随着F_s与F_a的增加分别增大4.90倍与65.12%,节理面抗剪能力逐渐增强,而随着f_v的增加,节理表面损伤渐进累积导致峰值剪切荷载逐渐减小,且出现的时刻逐渐前移,稳定状态峰值剪切荷载减小17.49%。一个剪切位移周期内节理面法向位移呈现波动增加→波动减小→二次增加→二次减小的趋势,当节理面远离初始位置剪切时,凸起体持续“爬坡效应”导致法向位移逐渐增大;节理面法向位移–法向荷载呈现明显负相关,且最大法向位移滞后于最大剪切位移1/4法向荷载周期;随着N的增加,节理面持续磨损劣化导致最大法向位移呈指...     

节理的剪切力学性质与含三维形貌参数的剪切强度准则比较研究

利用水泥砂浆材料浇注3组不同表面形貌的节理试件,由常法向应力下的直剪试验研究节理的剪切力学性质,并分析法向应力、三维形貌特征对抗剪强度的影响。直剪试验结果表明：峰值剪胀角与法向应力成反变化关系,与粗糙程度呈正变化关系;峰值抗剪强度与法向应力、粗糙程度均呈正变化关系。分析了JRC-JCS准则计算值偏低于试验值的原因,根据试验现象建议采用三维形貌参数、抗拉强度描述节理的剪切强度。对比分析了含三维形貌参数的峰值抗剪强度准则,建议低法向应力水平下采用双曲线形式的峰值剪切强度准则估算岩石节理的峰值抗剪强度。     

重复剪切作用下节理强度和形貌特征劣化规律

为了分析重复剪切作用下节理面剪切力学特性及微观形貌特征劣化规律,制备了单节理砂岩试样,考虑4种法向应力分别进行了6次重复剪切试验。研究结果发现:(1)在重复剪切作用下,节理面剪应力–剪切变形曲线变化特征明显,经过2~3次剪切,不再出现明显峰值,剪切硬化现象明显,残余抗剪强度逐渐趋于稳定;(2)随着重复剪切次数增加,节理面的抗剪强度劣化趋势明显,呈先陡后缓的劣化趋势,前2次剪切的劣化幅度占总劣化值的65%以上,而且法向应力越大,抗剪强度劣化幅度和劣化速度越大;(3)在重复剪切作用下,节理面上相互咬合的微凸起和凹陷部分发生切齿、磨损和填充,节理面的凹凸起伏程度逐渐减小,使得其形貌特征参数及粗糙度系数逐渐降低,进而导致其剪切力学特性逐渐劣化;(4)建立了重复剪切作用下节理面粗糙度系数劣化方程,结合N.Barton提出的结构面抗剪强度经验公式,建立了考虑重复剪切作用的节理面抗剪强度计算公式,结果表明计算值与试验值吻合的较好。     

不同位置和尺寸的裂隙对岩体破坏影响的试验研究

为研究节理裂隙岩体中节理位置和尺寸对岩体综合抗剪强度的影响,以水泥砂浆作为模型材料,通过在试件的不同位置预制相同长度的节理裂隙和相同位置预制不同长度的节理裂隙,进行不同法向压力下3种具有不同起伏角的节理面剪切试验。试验结果表明:当节理位置和长度一定时其抗剪强度随法向压力增加而增加;对于同一节理裂隙,当其位于试件中间时抗剪强度和黏聚力最小,位于试件后端时抗剪强度和黏聚力最大,位于试件前端时介于两者之间;内摩擦角随节理位置的变化规律不明显;当节理裂隙位置固定时,节理裂隙越长,抗剪强度和黏聚力越低,且抗剪强度随节理长度的增加呈近乎线性的减小。节理位置和尺寸对综合抗剪强度的影响可能由于节理、岩桥的强度参数及岩桥内部损伤劣化程度共同作用所致,现场节理岩体的抗剪强度取值应考虑节理的位置影响。     

直剪作用下不共面断续节理岩桥破断试验与数值研究

在伺服控制剪切加载系统下对不共面类岩石断续节理试件进行正向、反向直剪试验,研究直剪下不共面断续节理的岩桥破断机理和剪切规律,试验研究发现,直剪作用下不共面断续节理岩桥破坏过程具有明显的阶段性,经历线弹性阶段、裂纹起裂扩展阶段、岩桥断裂贯通阶段、剪切面爬坡咬合阶段和残余摩擦阶段5个阶段,正向剪切下岩桥呈齿形破断面,反向剪切作用下岩桥产生沿直剪方向贯通的带形破断面,与正向剪切相比,反向剪切下节理的初裂抗剪强度和峰值抗剪强度较大,裂纹倾角、法向应力和相邻节理搭接比例是影响试件初裂抗剪强度和峰值抗剪强度的主要因素。采用FLAC3D对正向、反向直剪作用下不共面断续节理的岩桥破断、剪切破断面的形成过程进行数值试验,数值试验结果和类岩石直剪试件的试验结果基本吻合,数值试验揭示了直剪作用下不共面断续节理岩桥的拉裂破坏和破断面的剪切屈服机理。     

节理峰值抗剪强度试验研究

 节理的三维形貌特征是影响节理剪切力学行为的重要因素。为了深入研究三维形貌特征对岩石节理峰值抗剪强度的影响,制备花岗岩和红砂岩人工劈裂岩石节理试样,并在常法向应力条件下进行了两种岩样节理的直剪试验,法向应力变化范围为0.325～8.0 MPa。在直剪试验前对节理表面形貌进行测量,并计算其三维形貌参数最大接触面积比A0、最大有效剪切倾角 和粗糙度参数C。通过对三维形貌参数和直剪试验结果的分析,基于三维形貌参数最大有效剪切倾角 和粗糙度参数C,建立了节理峰值抗剪强度模型。最后,引用Grasselli的30组直剪试验数据对模型进行验证计算,并结合本文的20组试验数据与Grasselli和夏才初的节理强度模型进行对比分析,结果表明新模型有合理的改进,而且能够很好的预测节理的峰值抗剪强度。     

循环荷载作用下节理凸起体概化破坏模型及剪切强度计算分析

认知循环剪切荷载作用下节理剪切强度的劣化机制并提出相应的分析模型,是准确评价地震荷载作用下岩体工程安全的重要基础之一。基于不同起伏角度、强度等级的人工节理试样在多种法向应力下的循环剪切试验结果,分析循环剪切的试验曲线特点及表面凸起体的破坏过程和残余凸起体的形态特征,提出表征节理表面凸起体形态变化过程的概化破坏模型。利用提出的破坏模型,分别确定剪胀角与剪胀率、凸起体剪断率以及表面基本摩擦角之间的表达关系;并引入到 Ladanyi-Archambault 剪切强度公式中,建立以剪胀角经验公式和 Ladanyi-Archambault剪切强度公式为基础的节理循环剪切强度公式。最后将部分试样的剪切强度计算值与试验值进行对比,结果表明计算值与试验值总体上吻合较好,高起伏角度节理试样存在一定偏差。     

基于三维形貌参数的偶合节理峰值抗剪强度公式

 节理表面形貌是影响节理峰值抗剪强度的重要因素,采用人工模拟材料节理分别在0.5,1.0,1.5,2.0,3.0 MPa的法向应力下进行直剪试验,研究三维形貌参数与峰值抗剪强度之间的关系。选用节理面有效三维平均倾角 、粗糙度系数 、最大可能接触面积比 作为表征节理面粗糙度的参数。直剪试验前、后采用TJXW–3D型便携式岩石表面形貌测量仪对节理表面进行形貌数据测试;根据直剪试验结果建立节理峰值剪胀角与三维形貌参数 , , 之间的关系;建议采用新的强度准则计算节理的峰值抗剪强度。新公式的计算结果与试验值具有较好的一致性,并将其与Barton公式的计算结果进行比较,可知Barton公式的计算结果低于试验实测值。     

不同接触状态下粗糙节理剪切强度性质的颗粒流数值模拟和试验验证

节理表面形貌和接触状态对节理剪切力学性质有重要的影响。用砂浆材料的单轴压缩试验和光滑节理直剪试验得到材料和光滑节理的宏观力学性质参数,对颗粒流数值模拟的节理细观力学性质参数进行标定。用颗粒流离散元数值软件(PFC2D)构建人工粗糙节理表面形貌,对不同表面形貌的节理在不同接触状态下的剪切强度性质进行颗粒流直剪数值模拟试验,获得其峰值剪切强度。同时进行人工材料节理直剪试验,与颗粒流直剪数值模拟试验结果进行对比分析,数值试验与直剪试验结果吻合较好,验证了颗粒流直剪数值模拟试验与直剪试验具有同等的精度,可以作为各种表面形貌的节理在不同法向应力水平下抗剪强度研究的一种补充方法,以解决节理直剪试验中表面形貌损失对其剪切强度的影响,也可以在少量节理直剪试验的基础上,预估相同形貌的节理在不同接触状态下的剪切强度性质,同时还可以在现场测定不同粗糙度的节理表面形貌,预估其在不同接触状态、不同法向应力下的剪切力学性质。从而解决节理直剪试验中在相同形貌节理试件取样和制备困难的问题,且具有经济、方便、快捷、可重复性强等特点。     

钢板混凝土剪力墙抗剪性能试验研究

完成了2个内嵌钢板混凝土墙试件和3个外包钢板混凝土墙试件在恒定轴压力和往复剪切作用下的拟静力试验,用以研究钢板混凝土剪力墙的抗剪性能。墙试件采用工字形截面,剪跨比为1.2,腹板墙截面含钢率约6%。试验结果表明：试件腹板墙发生剪切破坏;当设计轴压比由0.3提高至0.6时,试件的受剪承载力略有提高,极限位移角减小约20%;在轴压比相同和腹板墙含钢率相近的情况下,外包钢板混凝土墙的变形能力比内嵌钢板混凝土墙大约20%;采用竖向加劲肋-缀条拉结代替栓钉-对拉螺栓连接,外包钢板混凝土墙的受剪承载力差异不大,但变形能力显著增大。对国内外46个钢板混凝土墙试验数据的分析表明,按中国规程 JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》计算得到的受剪承载力平均为试验值的78%,计算公式偏于安全;而美国规范AISC 341-10和欧洲规范Eurocode 8的计算公式仅考虑钢板的抗剪贡献,计算值仅为试验值的51%,严重低估了钢板混凝土墙的受剪承载力。对大量剪力墙试验数据的分析表明,钢板混凝土墙的剪切变形能力显著优于钢筋混凝土墙和钢骨混凝土墙。     

斜板PBL剪力键受剪性能试验研究

为缓解间隔式PBL剪力键端部受力集中的问题,提出一种斜板PBL剪力键.通过四组共16个推出试件的加载试验,研究了直板与斜板PBL剪力键的受剪承载力、刚度及变形性能.研究结果表明:直板剪力键与斜板剪力键受剪承载力相当,斜板剪力键具有较高的抗剪刚度和较好的变形能力.当考虑端部承压作用时,斜板剪力键的受剪承载力随肋板角度变化...     

弯折钢筋抗剪键组合剪力墙抗剪性能试验研究

提出了一种弯折钢筋抗剪键的内嵌钢板-混凝土组合剪力墙,通过对3片新型组合剪力墙和1片钢筋混凝土剪力墙进行低周往复试验,研究其抗剪承载力、变形能力、抗侧刚度、延性和耗能能力等性能.试验参数包括弯折钢筋的布置方式、是否设置横向分布钢筋及墙体类型.按《组合结构设计规范》(JGJ 138-2016)中的公式计算了组合剪力墙的抗剪承载力,并与试验结果进行了对比.结果 表明:新型组合剪力墙抗剪承载力、屈服位移和极限位移均高于钢筋混凝土剪力墙,在相同侧向位移下表现出更强的耗能能力.未设置横向分布钢筋的组合剪力墙位移延性系数低于钢筋混凝土剪力墙,表明横向分布钢筋的设置可有效限制构件屈服后混凝土的开裂,提高构件的延性;抗剪钢筋交错布置的组合剪力墙屈服强度和极限强度高于抗剪钢筋平行布置的组合剪力墙,但抗剪钢筋布置方式对混凝土开裂和裂缝贯通位移角无明显影响;试验后的内置钢板核心区域未产生平面外变形,组合剪力墙表现出较高的抗剪承载力.     

弯折钢筋抗剪键组合剪力墙抗剪性能试验研究

提出了一种弯折钢筋抗剪键的内嵌钢板-混凝土组合剪力墙,通过对3片新型组合剪力墙和1片钢筋混凝土剪力墙进行低周往复试验,研究其抗剪承载力、变形能力、抗侧刚度、延性和耗能能力等性能.试验参数包括弯折钢筋的布置方式、是否设置横向分布钢筋及墙体类型.按《组合结构设计规范》(JGJ 138-2016)中的公式计算了组合剪力墙的抗剪承载力,并与试验结果进行了对比.结果 表明:新型组合剪力墙抗剪承载力、屈服位移和极限位移均高于钢筋混凝土剪力墙,在相同侧向位移下表现出更强的耗能能力.未设置横向分布钢筋的组合剪力墙位移延性系数低于钢筋混凝土剪力墙,表明横向分布钢筋的设置可有效限制构件屈服后混凝土的开裂,提高构件的延性;抗剪钢筋交错布置的组合剪力墙屈服强度和极限强度高于抗剪钢筋平行布置的组合剪力墙,但抗剪钢筋布置方式对混凝土开裂和裂缝贯通位移角无明显影响;试验后的内置钢板核心区域未产生平面外变形,组合剪力墙表现出较高的抗剪承载力.     

Numerical investigation on ultimate shear strength of steel plate shear walls

Ultimate shear strength of steel plate shear walls, SPSW, was conventionally computed as the sum of base shear supported by in-fill plate and boundary frame elements. The base shear supported by the in-fill plate was computed assuming that it was fully yielded after buckling whereas the base shear supported by the boundary frame elements was computed by plastic analysis assuming uniform yielding mechanism. In this paper the ultimate shear strength of SPSW was investigated by the finite element method. A detailed three-dimensional finite element model was established using ANSYS software at which the in-fill plate and the boundary frame elements were modeled using finite strain iso-parametric shell elements. The analysis included material and geometric non-linearities. Numerical results obtained from cyclic and pushover loading of SPSWs were verified by comparison to test results published in the literature. A comprehensive parametric analysis was conducted to assess the effect of geometric and material parameters of the wall on its ultimate shear strength. Discrepancies between numerical results and conventional theory were attributed to interaction of in-fill plate and boundary frame elements at ultimate load. When the flexural rigidity of boundary frame elements decreased, the in-fill plate did not achieve full yield strength. On the other hand, the base shear supported by boundary frame elements increased when thicker in-fill plates were utilized. Numerical results were used to update the theoretical expression of ultimate shear strength of SPSWs. The proposed expression was assessed by comparison to test results published in the literature.     

配筋砌块短肢砌体剪力墙抗剪承载力研究

建立了配筋砌块短肢砌体剪力墙抗剪承载力的理论分析模式,并在此基础上根据国内59片符合配筋砌块短肢砌体剪力墙基本要求的配筋砌块砌体剪力墙抗剪承载力试验数据,分别考虑了灌孔砌体强度、剪跨比、竖向压力、水平钢筋等因素对抗剪承载力的影响,给出了与试验数据吻合较好的配筋砌块短肢砌体剪力墙抗剪承载力计算公式.与GB 50003-2001《砌体结构设计规范》中配筋砌块砌体剪力墙抗剪承载力计算公式相比,该公式适当增大了灌孔砌体和竖向压力对抗剪承载力的影响,水平配筋利用效率系数随着水平钢筋配筋率和剪跨比的增大而减小.     

直剪剪切速率对粗粒土强度与变形特性的影响

土体的强度和变形对路基及边坡的稳定性具有控制作用,为分析剪切速率对粗粒土抗剪强度和变形特性的影响,基于THE-1000型室内大型直剪仪,对不同剪切速率下粗粒土的强度和变形特性进行试验研究。试验数据表明：不同剪切速率时的剪应力-剪切位移曲线均呈应变软化型;剪切速率为小于5 mm/min时,粗粒土强度理论公式拟合相关系数比较理想;随剪切速率的增加,内摩擦角有减小的趋势,约在27.8°～22.8°内变化,咬合力在90.3～112.2 kPa范围内振动变化;颗粒破碎率和最大垂直变形随着剪切速率减小或垂直压力增加而增大,即剪切速率越小越容易发生剪缩;剪切速率小而抗剪强度高的本质原因是：破碎后的细颗粒填充了由粗颗粒构成的土骨架孔隙,造成试样的密实度增加。     

偏心受拉钢筋混凝土剪力墙受剪性能试验研究

对4个偏心受拉钢筋混凝土剪力墙试件进行了静力试验研究,研究发现：对于小剪跨比试件,轴拉力可以改善试件延性,同时降低剪力墙的受剪承载力和侧向刚度;提高剪力墙中的竖向分布钢筋配筋率可提高偏心受拉剪力墙的斜截面受剪承载力。GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中偏心受拉剪力墙斜截面受剪承载力计算公式可满足工程设计安全要求,但是该公式中未考虑竖向分布钢筋的贡献,对于竖向分布钢筋配筋率较高的剪力墙计算结果偏保守。提出了考虑竖向分布钢筋贡献的偏心受拉剪力墙斜截面受剪承载力计算式,同时,提出了偏心受拉剪力墙的设计建议,以期为实际工程设计提供参考。     

钢筋混凝土剪力墙板的剪切滞回性能试验研究

为提高低矮钢筋混凝土剪力墙板的数值模拟精度,完善混凝土在循环荷载作用下的剪切本构理论,进行6个钢筋混凝土剪力墙板的循环剪切试验,研究配筋率及钢筋角度对钢筋混凝土剪力墙板在循环剪切应力作用下滞回性能及累积耗能能力的影响,得到试件的滞回曲线、骨架曲线、延性、刚度退化、累积耗能能力等。试验结果表明：所有试件均发生剪切破坏模式。配筋率对钢筋混凝土剪力墙板的抗剪承载力有一定影响,对其变形能力影响不明显。钢筋角度对钢筋混凝土剪力墙板的滞回曲线有显著影响,分布钢筋与剪力墙剪切斜裂缝夹角越小,其滞回曲线越饱满,累积塑性剪切角、累积延性比、等效黏滞阻尼比及累积塑性耗能系数越大,但其初始剪切刚度反而越低。该文的试验结果可为完善混凝土的本构理论提供参考。     

剪切速率对黏性土混凝土界面抗剪强度影响的试验研究

通过自行研制的大型恒刚度桩土界面直剪仪,进行6种剪切速率的黏性土混凝土界面剪切试验,探讨剪切速率对黏性土混凝土界面抗剪强度的影响规律。结果表明:在黏性土混凝土界面,超孔隙水压力随着剪切速率的提高而增大;法向应力和剪切速率通过影响超孔隙水压力大小,决定黏性土混凝土界面剪切峰值强度和剪切破坏位移的大小;剪应力剪切位移关系曲线由基本一致变化到一定范围内产生偏离,且法向应力和剪切速率越大偏离越显著,并出现明显的应变软化现象;剪切速率从0.4mm/min增加至5.0mm/min,黏性土混凝土界面抗剪强度减小幅度增大,摩擦系数减小0.1,有效黏着力的变化介于0.81～5.93kPa之间。