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0.4 mm/min增加至5.0 mm/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0.81~5.93 kPa之间。     

黏土–水泥土接触面剪切特性试验研究

黏土–水泥土接触面的剪切特性及土体运移规律是研究水泥土桩、墙等结构物承载和变形机理的关键。对黏土与不同粗糙度水泥土接触面的力学特性进行直剪试验研究,探讨黏土–水泥土接触面抗剪强度、破坏规律及变形特性。结果表明:黏土–水泥土接触面的剪切破坏强度服从摩尔–库伦强度准则,接触面摩擦角随粗糙度的增加而增大,但增长速率逐渐减缓,而接触面黏聚力与黏土黏聚力大小相当;黏土–水泥土接触面的法向应变–剪切位移曲线整体表现为剪缩型,且剪缩量随法向应力和粗糙度的增加而增大。归一化的接触面强度有效系数Es随粗糙度的增加而增大,且当粗糙度R超过1.0 mm后,Es大于1.0,说明由于"被动阻力"的存在使得黏土–水泥土接触面的抗剪强度得到提升,从而出现大于黏土自身抗剪强度的情况。不同法向应力下,各接触面的剪应力–剪切位移关系曲线均服从指数分布,据此建立了描述接触面粗糙度、剪应力、剪切位移、法向应力、摩擦角和黏聚力关系的复合指数模型,该模型对接触面剪应力–剪切位移关系曲线具有良好的拟合效果。此外,随剪切过程的持续进行,剪切破坏区逐步由剪切前方扩展至剪切后方。研究结果对揭示黏土–水泥土接触面的力学特性及水泥土桩、墙等的设计具有参考和指导意义。     

黏土-水泥土接触面剪切特性试验研究

掌握黏土–水泥土接触面的剪切特性及土体运移规律是研究水泥土桩、墙等结构物承载和变形机理的关键。本文基于系列直剪试验研究黏土与不同粗糙度水泥土接触面的力学特性,以探究黏土–水泥土接触面抗剪强度、破坏规律及变形特性。结果表明：黏土–水泥土接触面的剪切破坏强度服从摩尔–库伦强度准则,接触面摩擦角随粗糙度的增加而增大,但增长速率逐渐减缓,而接触面粘聚力与黏土粘聚力大小相当;黏土–水泥土接触面的法向应变与剪切位移曲线整体表现为剪缩型,且剪缩量随法向应力和粗糙度的增加而增大。归一化的接触面强度有效系数Es随粗糙度的增加而增大,且当粗糙度R超过1.0 mm后,Es大于1.0,说明由于“被动阻力”的存在使得黏土–水泥土接触面的抗剪强度得到提升,从而出现大于黏土自身抗剪强度的情况。不同法向应力作用下,各接触面剪应力–剪切位移关系曲线均服从指数分布,据此建立了描述接触面粗糙度、剪应力、剪切位移、法向应力、摩擦角和粘聚力关系的复合指数模型,该模型对接触面剪应力–剪切位移关系曲线具有良好的拟合效果。此外,随着剪切过程的持续进行,剪切破坏区逐步由剪切前方扩展至剪切后方。研究结果对揭示黏土–水泥土接触面的力学特性及水泥土桩、墙等的设计具有参考和指导意义。     

桩-砂土界面循环弱化宏细观机制

循环荷载下桩-土界面研究是桩土体系相互作用的重要研究方向,循环荷载下桩-土界面弱化效应主要包括界面剪应力循环弱化、界面法向应力循环弱化以及界面砂土颗粒破碎机制3部分,三者彼此影响共同制约桩-土界面的承载性能.界面粗糙度是影响桩-土界面力学机制的重要影响因素,为此,利用自主研发的可视化恒刚度界面剪切仪结合数字图像技术(DIC),研究不同界面粗糙度下桩-土界面循环弱化效应的宏细观机制.结果表明,界面剪应力、法向应力与剪切位移关系曲线分别呈"滞回环"和"碟"状发展;相同粗糙度下,界面剪应力、法向应力随循环次数的增加呈对数型弱化,界面粗糙度越大弱化系数越大;应力路径曲线呈"蝴蝶环"状发展,界面摩擦角随着界面相对粗糙度的增加而增大;界面剪切带随剪切循环数和界面粗糙度的增加逐渐增厚,30个循环剪切后剪切带厚度稳定在(4～5) D_(50);剪切带内颗粒破碎明显,相对破碎率为1. 86%～10. 25%,随粗糙度增大而增大.     

高应力下砂土与结构界面单剪试验研究

利用改装自RMT-150B试验系统的单剪试验仪进行饱和砂土与结构界面单剪试验,研究高应力条件下界面本构模型及界面剪切刚度变化趋势,为高应力状态下涉及到界面力学问题的工程设计、计算提供理论依据。试验中,首先对剪切盒中的砂土进行固结,然后法向应力恒定在高应力水平上开始界面剪切,并记录试验数据,剪切时保证砂土能相对自由的变形。试验结果表明：高应力下界面剪应力剪切位移关系曲线呈现非线性弹性一理想塑性特征,不同于直剪试验条件下二者呈现的双曲线关系;三参数威布尔分布曲线能克服NEPP模型中双曲线的缺陷,其取代双曲线形成新的非线性弹性理想塑性模型能更好地拟合试验数据。界面初始剪切刚度的回归结果表明,相对于幂函数,线性函数更适合描述界面初始剪切刚度同法向应力之间的关系。基于新的界面模型给出了界面切线剪切刚度的公式,同时比较了2种模型的界面切线剪切刚度随剪切位移的变化趋势。     

高应力下粗砂与混凝土接触面剪切特性影响因素试验研究

利用改装自RMT-150B的直剪试验仪在不同法向应力下进行了含水量为0%、8%、16%、24%的粗砂与具有4种不同粗糙度、强度混凝土基底的接触面直剪试验。试验结果表明：当法向应力等于2 MPa时,随接触面粗糙度的增加,达到极限抗剪强度的剪切位移先增加后减小;当法向应力大于2 MPa时,达到极限剪切强度的剪切位移基本不再随接触面粗糙度而变化;在法向应力相同的情况下,干砂初始抗剪刚度较湿砂大。依据试验数据回归分析可知：高应力直剪条件下,粗砂与混凝土接触面的剪应力剪切位移关系可用双曲线模型描述。直观分析结果表明：极限抗剪强度受法向应力影响最大,且与应力呈线性相关,其次为接触面粗糙度,含水量的影响略高于混凝土界面强度;初始抗剪刚度随法向应力、接触面粗糙度、基底硬度的增大而增大,接触面初始剪切刚度所受因素影响从大到小依次为法向应力、含水量、接触面粗糙度、基底硬度;颗粒相对破碎受法向应力影响最大,其次为含水量,再次为基底硬度,接触面粗糙度影响最小,并且颗粒相对破碎随法向应力增达而增大,随混凝土粗糙度与基底硬度的增大而减小,随含水量增加存在破碎的破碎峰值。     

考虑粗糙度影响的不同土与混凝土界面大型直剪试验研究

土与结构接触界面的力学特性对于土体与结构相互作用系统的研究具有重要意义,结构周围土体性质与结构表面粗糙度是影响接触面力学性质的重要因素。为研究结构表面粗糙度对不同土体与结构接触面的剪切力学特性的影响,采用大型直剪试验仪进行了3种土体（红黏土、砂土与碎石土）与混凝土接触面剪切试验。通过在混凝土表面预制不同数量的规则半圆型凹槽来改变表面粗糙度,并采用灌砂法对混凝土表面粗糙度进行定量评价,研究粗糙度对不同类型接触面的剪切应力与剪切位移曲线以及强度参数的影响。结果表明：土体类型对接触面的剪切应力与剪切位移曲线形态具有较大的影响,红黏土与混凝土接触面剪切曲线表现为剪切软化型,砂土与混凝土接触面剪切曲线表现出理想弹塑性特征,碎石土与混凝土接触面剪切曲线主要表现为应变硬化型。粗糙度对接触面的剪切强度有着显著的影响,不同土体与混凝土接触面的剪切强度随粗糙度的增大均有明显提高,但法向应力的增大会弱化粗糙度对接触面剪切强度的影响。不同粗糙度条件下接触面的剪切强度与法向应力之间均存在着良好的线性关系,表明接触面的剪切破坏符合摩尔-库伦准则。粗糙度的增大能显著提高接触面的表观黏聚力,但对接触面内摩擦角的影响较小。     

桩侧摩阻力-桩土相对位移试验曲线及其拟合分析

为研究单桩不同加载方式对桩侧摩阻力-桩土相对位移规律的影响,通过粉土中桩底无土顶压桩、桩底有土顶压桩、底托桩、自平衡桩等的室内模型试验,得出不同加载方式下的桩侧摩阻力-桩土相对位移曲线(τ-s曲线)。对τ-s曲线的分析结果表明:桩侧平均摩阻力呈阶段性变化;桩底有土顶压桩达到极限摩阻力需要的桩土相对位移大于桩底无土顶压桩及底托桩;不同加载方式的单桩荷载传递均较好地遵循双曲线函数传递规律,通过两种方法拟合实测单桩桩侧摩阻力-桩土相对位移曲线,所得拟合τ-s曲线的拟合度大于0.98。此外,采用变形的双曲线函数进行线性函数拟合,比采用双曲线函数模型对τ-s曲线直接拟合得到的拟合度更高。     

冀北地区原状土与重塑土的抗剪强度对比研究

为研究冀北地区原状土与重塑土的抗剪强度特性,对不同法向应力作用下的原状土与重塑土进行了饱和快剪试验和饱和固结快剪试验,分析了原状土与重塑土应力-应变曲线及抗剪强度-法向应力曲线。结果表明：饱和快剪试验中,原状土与重塑土在低于200 kPa的法向应力下具有应变软化的特性,而在高于200 kPa的法向应力下具有应变硬化的特性;饱和固结快剪试验中,原状土在不同法向应力下具有应变软化的特性,重塑土应力-应变变化特征与饱和快剪试验一致。在应变软化状态下,重塑土峰值强度对应的剪切位移小于原状土峰值强度对应的剪切位移。在应变硬化状态下,随着剪切位移的增加,重塑土的剪切应力增加速率高于原状土。在不同法向应力作用下,重塑土的抗剪强度基本低于原状土,其黏聚力c的最大降幅为33.8%,内摩擦角φ的最大降幅为22.0%。     

不同初始干密度黄土与混凝土接触面直剪试验

为提高黄土填方地区基础承载力和沉降计算分析水平,采用大型直剪仪开展了不同初始干密度的重塑黄土与混凝土接触面剪切试验.试验结果表明,随着法向应力的增加,不同土样初始干密度下接触面剪应力-剪切位移曲线由弱软化型逐渐过渡为弱硬化型,最后转变为强硬化型.随着土样初始干密度的增加,接触面剪应力-剪切位移曲线的初始斜率增大,抗剪强度增大,粘聚力先增大再减小,内摩擦角持续增大.土样初始干密度对接触面抗剪强度的影响随法向应力的增加而增大.随着土样初始干密度的减小或法向应力的增加,体应变增大,黄土与混凝土接触面由剪胀逐渐转化为剪缩.     

红层泥岩桩岩接触面本构模型试验及数值模拟

桩-岩（土）接触面力学特性的研究是桩基承载机理研究的基础。通过红层泥岩桩岩接触面大型直剪试验,研究了红层泥岩桩岩接触面的力学特性,结果表明：接触面剪应力先随剪切位移增大而增大,在达到峰值后,剪应力随着剪切位移增大而降低,并最终趋于稳定值,应力应变曲线呈现出应变软化的特征。根据剪切试验结果,推导出桩岩接触面应变软化本构方程。利用fish语言对FLAC^3D中自带的理想弹塑性接触单元进行二次开发,并应用开发的模型对桩岩接触面直剪试验进行了数值模拟,分析剪应力与剪切位移之间的关系,证明了该本构能够较好地模拟接触面间的应变软化特性。     

接触面等应力增量比路径单剪试验及模型研究

为研究等应力增量比路径下土与结构接触面力学特性,进行高塑性粘土与混凝土接触面等应力增量比路径单剪试验,获得不同应力路径下应力应变关系曲线。试验结果表明,高塑性粘土能够较好地适应大变形,接触面剪应力与切向应变关系呈剪切硬化型曲线,法向剪胀不明显;接触面剪切强度与应力路径无关,应力应变关系与应力路径密切相关;初始法向应力一定,应力增量比越小,剪应力增长越快,对应的破坏剪应力也越高;无剪胀发生情况下,法向应变与法向应力关系曲线与单向压缩试验具有一致性;应力比与切向应变呈良好的双曲线关系。在试验研究的基础上,基于广义位势理论,将土与结构接触面问题看着应力空间上的二维数学问题,采用塑性状态方程代替传统的屈服面,建立了双重势面接触面弹塑性模型。模型能够反映应力路径、初始法向应力对接触面力学特性的影响,具有一般性,参数能够通过试验完全确定,可以方便地应用于有限元分析,具有一定的应用推广价值。     

非饱和重塑黄土-混凝土接触面修正双曲线模型

为解决非饱和土与结构物接触计算中的力水耦合问题,进行了不同含水率重塑黄土与混凝土接触面的直剪试验,首先根据试验规律分别简化了双曲线模型中初始剪切劲度系数、极限抗剪强度与法向应力间的关系表达式,然后引入含水率这一变量,建立了适用于非饱和土的接触面修正双曲线模型,该模型具有6个参数,通过不同含水率的接触面直剪试验即可获得。计算结果与试验结果的对比证明了该模型的可行性。该修正双曲线模型可以同时考虑法向应力与含水率两变量,可以较好地实现非饱和黄土与结构物的接触计算。     

粒状土与结构接触面多重剪切边界面模型

针对工程中存在大量的土与结构物相互作用,使接触面的力学特性对土体和结构物的受力变形及其相互作用产生重要影响的问题,利用塑性滑移理论,将粗粒土与结构接触面的宏观变形分解为一个宏观法向变形和剪切面内一系列不同方向分布的相互独立虚拟微观剪切变形;通过虚功原理,在粒状土的状态相关和边界面弹塑性理论框架内建立一个粗粒土与结构接触面的多重剪切边界面模型.每个微观剪切变形包含一个微观剪应力-应变关系和一个微观应力-剪胀关系.引入一个与接触面土体密度和法向应力相关的状态参数,用以描述不同状态下土与结构接触面的变形和强度特性.对不同粗粒土与结构接触面在二维或三维应力条件下的单调和循环剪切试验进行模拟计算,模型预测与试验结果吻合良好,说明模型能够合理地描述粗粒土与结构接触面的非线性力学行为.     

干燥及饱和橡胶砂压缩和剪切特性

将废弃轮胎作为建筑材料应用在土木工程领域是对其回收处理最有前景的方法之一。为了研究轮胎橡胶颗粒改良砂土的效果,选取橡胶颗粒与福建砂的混合土为研究对象,研究了橡胶砂的压缩和抗剪特性,分析了橡胶含量与干湿状态对橡胶砂力学特性的影响,并建立了双曲线模型预测橡胶砂受剪过程的剪应力与剪切位移关系。结果表明：橡胶砂的压缩变形随橡胶含量增大而增大,饱和橡胶砂的压缩变形明显大于干燥橡胶砂;橡胶砂的剪应力剪切位移曲线表现出应变硬化特征;橡胶砂的抗剪强度与橡胶含量的关系不大;干燥试样内摩擦角随着橡胶含量的增大而降低,饱和试样的内摩擦角随着橡胶含量的增大而轻微升高;通过双曲线模型预测的剪应力剪切位移关系曲线与试验结果吻合。     

广州地区土体与混凝土表面摩擦特性的试验研究

为了研究广州地区不同土体与混凝土表面的摩擦角，将取自不同地区的4种不同土体试样、3种不同的浆土混合体放入改造后的直剪仪中，在不同法向应力下进行快剪的直剪试验，得到不同土体、浆土混合体与混凝土试件表面的摩擦角。试验结果表明：(1)花岗岩残积重塑干土与混凝土试块表面摩擦角为25.2°；花岗岩残积原状土与混凝土试块表面摩擦角为24.1°；南沙淤泥质土与混凝土试块表面摩擦角为17.2°；福建标准干砂与混凝土试块表面摩擦角为31.7°。(2)分析土体与混凝土表面的摩擦角时，认为剪切时的法向应力、颗粒间的咬合摩擦、含水量、土体与混凝土表面的共同作用等为主要因素；而混凝土剪切表面的黏聚力大小，则与混凝土表面的凸凹程度、土中砂粒的含量及颗粒级配、土体的非饱和状态等有关。(3)随着浆土混合体中泥浆质量比例的提高，管片与浆土混合体的摩擦阻力减小，浆土混合体的整体黏聚力也同时减小。     

桩侧土软化对单桩承载力及沉降的影响

用分段线性函数模拟桩侧剪应力与桩土相对位移的关系，用应力跌落描述了峰值剪应力和残余剪应力之间的关系，运用力学理论推导出单桩荷载与沉降的关系，并通过算例分析了软化系数的大小对单桩承载力，沉降，桩射轴力和位移的影响。研究结果表明：若桩土之间剪应力和相对位移的关系满足软化模型（即应力－应变关系曲线上有明显的峰值，峰值后应力随位移增大而降低），则根据p-s曲线确定单桩承载力时，必须综合考察软化系数大小，桩端土的性状及单桩沉降和p-s曲线的形状，才能合理地确定单桩承载力。     

静压桩与土体间滑动摩擦及其时效性研究

静压桩贯入地基时,桩侧面与土之间会产生滑动摩擦。采用改进直剪仪进行试验,研究了静压桩与天津滨海新区土体间的滑动摩擦及其时效性,得出了静压桩与土的外摩擦角及其变化规律,并总结了静压桩与土摩阻力的时效性机理。研究发现滑动摩阻力与土的类型、法向应力有关,且与法向应力近似呈直线关系;随着时间的增长,粘土和淤泥质土与桩之间的摩阻力显著增大,且与桩的承载力增长曲线相近。对进一步研究天津滨海地区静压桩的挤土效应和承载力具有一定的参考价值。     

高应力下接触面抗剪特性影响因素分析

通过在DRS 1型微机高压直残剪试验系统上所进行的建筑砂、标准砂、粉土和粘土与砼、金属光滑、金属粗糙界面的正交直接剪切试验研究表明 :高应力作用下土体与刚度较大的界面的剪切应力 剪切位移曲线呈现出应变硬化的特征 ,与低应力作用下土与不同结构剪切特性存在明显的区别 .根据试验数据的方差分析和直观分析结果 :对于残余强度 ,法向应力的大小是第一影响因素 ,其次是土体的性质 ,第三是界面的基底性质 ,剪切速率的影响最小 ;对于剪切应力 -剪切位移曲线起始切线斜率 ,法向应力的大小、土体的性质是主要影响因素 ,第三是界面的基底性质 ,剪切速率的影响最小 .总的来看 ,影响高应力下接触面抗剪特性的主要影响因素是法向应力的大小 ,土体的性质是其次 ,剪切速率和基底性质的影响可以不予考虑 .     

温度影响下能量桩-土接触面剪切特性试验研究

能量桩工作过程中,桩体受温度变化影响会产生热变形,进而引起桩周土体的循环剪切作用,弱化地基承载力,给桩基的正常使用带来风险。由于传统直剪仪无法模拟能量桩工作过程中的温度变化,因此对桩-土接触面力学特性受温度影响的变化规律研究较少。对传统直剪仪进行改造,使其可以改变剪切试样温度;所用土体从重庆某施工现场取样,开展不同温度变化下桩-土接触面的室内土工直剪试验,分析单次温度变化和循环温度变化对桩-土接触面力学性能的影响,并对温度影响下桩-土接触面力学特性与土体力学特性的差异进行比较。结果表明,能量桩-土接触面的抗剪强度受温度影响较大;随着温度的升高,能量桩-土界面摩擦角和黏聚力先减小后增大;低法向应力下温度循环对桩-土接触面力学特性影响较大,而高法向应力下温度循环对桩-土接触面力学特性影响不显著;土体的抗剪强度、黏聚力和摩擦角随温度变化规律与桩-土界面类似。