原状黄土与结构接触特性直剪试验研究

采用大型直剪仪对常、变法向应力下原状黄土与混凝土接触面力学特性开展研究。结果表明:法向应力及混凝土表面粗糙程度均对剪应力—剪切位移曲线影响很大,接触面抗剪强度符合摩尔—库仑定律。     

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2MPa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2MPa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。     

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。     

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。     

应力历史对黏土–混凝土界面剪切特性的影响研究

 采用大型直剪仪,系统研究法向应力历史对黏土–混凝土界面剪切特性的影响。根据制定的加卸荷方案,对3个粗糙度等级(锯齿高为0,1,2 cm)的黏土–混凝土接触界面先加荷至初始法向应力,再卸荷至剪切法向应力进行剪切。从剪应力–剪切位移曲线、界面最大剪应力、剪胀性3个角度对试验结果进行对比分析。分析结果表明：黏土–混凝土界面剪应力–剪切位移曲线仍大体呈双曲线形式,并未出现应变软化现象。初始法向应力越大,相同剪切位移对应剪应力越大;初始法向应力越大对应的界面最大剪应力越大,根据Mohr-Coulomb准则通过线性拟合得出界面强度参数,并引入界面摩擦有效系数和黏聚有效系数。通过数据对比发现,界面黏聚有效系数随着初始法向应力的增大而增大,而摩擦有效系数则随初始法向应力的增大而减小。剪切过程中3个粗糙度等级的黏土–混凝土界面均发生不同程度的剪胀,界面越粗糙,剪胀量越大。同时,应力历史对界面剪胀性规律有明显的影响,未经历法向卸荷的界面剪切过程开始先剪缩然后再剪胀,而经历法向卸荷的界面剪切一开始便呈现剪胀,且初始法向应力越大,剪胀越明显。     

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 。     

考虑卸荷效应的砂土–混凝土接触面剪切特性影响研究

采用上海某工程第(3)_2层灰色粉砂,通过对3种粗糙度的砂土–混凝土接触面在3种不同固结法向应力下进行的共计36组加、卸荷大型直剪试验,分析不同加、卸荷状态下接触面的力学特性,以及卸荷程度、粗糙度等对接触面软化特性和剪胀(缩)性的影响。试验结果表明:固结法向应力主要通过影响接触面土体密实度和含水率间接对峰值剪切应力产生影响;接触面峰值和残余剪切应力均随着卸荷比的增大而线性降低;粗糙度对接触面峰值和残余剪切应力随卸荷比的降低速率没有明显影响;同一剪切法向应力下,接触面残余剪切应力值随粗糙度增大逐渐趋向于剪切法向应力值;接触面软化现象随卸荷比增大而越明显,而粗糙度r对接触面软化性的影响存在一临界值,约为10 mm,当r10 mm时,接触面软化现象受粗糙度的影响较小,软化现象不明显,当r10 mm时,接触面软化现象随粗糙度的增大而越明显;加荷条件下接触面土体均发生剪缩,卸荷条件下随着卸荷程度的减小由剪胀逐渐向剪缩发展;在同一粗糙度下,接触面最大剪胀量随着卸荷程度的增大而增大,而接触面最大剪缩量则随着卸荷程度的增大而减小。     

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。     

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。     

土石混合体—基岩界面剪切力学特性试验研究

填方体–下伏基岩接触面间的剪切强度是控制高填方体或堆积体边坡稳定性的重要因素,界面强度参数取值是高填方工程设计的重要参数之一。通过较系统地室内大型直剪试验探讨了接触面粗糙度对土石混合料–基岩接触面剪切力学特性的影响。结果表明:在低法向应力作用下,剪应力–剪切位移曲线前期呈现出应变硬化现象,后期呈现出塑性应变现象,且接触面粗糙度越大接触面发生剪切破坏时变形越小;在高法向应力作用下,曲线呈现出应变硬化现象,无明显峰值;相同法向应力水平作用下,接触面粗糙度越大,土石混合体–基岩接触面剪切刚度越大。剪切界面上块石的破碎形态可分为完全破碎、部分破碎和表面磨损3种,随着接触面粗糙度的增加,剪切界面上块石的破碎总数也增加。接触面的抗剪强度、内摩擦角和表观黏聚力随着接触面粗糙度的增加而增大,相比于内摩擦角,接触面的表观黏聚力增大较为明显。接触面粗糙度对剪切带宽度有影响作用,表现为接触面粗糙度越大,剪切带越宽。     

滨海土体与钢材接触面剪切特性试验

以某滨海地区土体为研究对象,采用改进直剪仪研究土与钢材料接触面的摩擦特性。试验结果表明,法向应力越大剪应力越大,剪应力最大时纯土的剪切位移大于土体-钢材料复合体的剪切位移,剪应力与法向应力近似呈线性关系;一般情况下,土体-钢材料复合体的抗剪强度低于纯土的抗剪强度;随着法向应力的增长,沥青涂层使得剪应力先降低后增加。     

新老混凝土界面直剪力学性能测试研究

新老混凝土界面不同承载方式的抗剪性能是加固结构中的关键,因此,开展了新老混凝土界面倾角和法向应力对剪切性能影响的试验测试,分析了剪切破坏特征,研究结果表明：新老混凝土剪切过程中剪应力-剪切位移曲线大致经历线弹性变化阶段、破坏阶段和残余强度阶段;新老混凝土峰值剪应力随着界面倾角增大呈幂指数增大,随着法向应力增大呈线性增大;新老混凝土剪切破坏一般表现为剪胀-剪缩混合型;界面倾角和法向应力对剪切破坏裂纹扩展模式裂纹分布影响显著。     

考虑超孔隙水压力的桩土界面直剪试验研究

采用大型恒刚度直剪仪,系统研究超孔隙水压力对黏性土中桩土界面剪切性能的影响。根据制定的测试超孔隙水压力方案,对4个粗糙度等级(混凝土表面锯齿状峰谷距为0、2、4、6mm)的不同含水率黏性土中桩土界面在不同剪切速率下进行剪切试验。针对界面粗糙度、黏性土含水率、剪切速率3个变化参数对界面抗剪强度的影响进行分析。结果表明：界面粗糙度越大,界面超孔隙水压力越小,有效法向应力越大,黏性土颗粒与混凝土表面吸附性越大,桩土界面抗剪强度越大;黏性土含水率越大,界面超孔隙水压力越大,有效法向应力越小,黏性土颗粒与混凝土表面吸附性不能完全发挥,桩土界面抗剪强度反而减小;在剪切速率0.4~1.0mm/min范围内,剪切速率越大,界面超孔隙水压力增幅较小,有效法向应力变化不大,桩土界面抗剪强度虽有减小,但不同剪切速率下超孔隙水压力对桩土界面抗剪强度的影响不明显。     

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FLAC3D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。     

粗糙度对混凝土–砂土接触面力学特性的影响试验研究

为探究粗糙度对混凝土–砂土接触面力学特性的影响规律,开展不同粗糙度条件下的混凝土–砂土接触面大型直剪试验。根据钻孔灌注桩成孔后的孔径–深度曲线,采用概率统计分析的方法获得混凝土结构凸出尺寸的分布频率。基于此,分别构建表面"光滑"和"规则型"凹槽的混凝土板用于模拟实际工程中混凝土结构表面的粗糙度。提出可考虑凹槽几何参数、槽内土体扰动深度和槽宽修正的粗糙度(R)计算方法。试验研究结论如下:(1)对于平均粒径D500.7 mm的粗砂和细砾,其剪切带厚度约为5D50;(2)对于"规则型"凹槽的混凝土–砂土接触面,其峰值应力比随lgR近似呈线性增长;峰值、残余应力比均随法向应力的增加而减少。(3)接触面剪胀角随粗糙度的增加而增大,随法向应力的增加而递减。高法向应力抑制剪胀,并弱化粗糙度对剪胀的影响。(4)归一化接触面峰值摩擦因数Ep随lgR的增加而线性递增,当R增至0.70 mm时,Ep1,说明由于"被动阻力"的存在,砂土的自身切剪强度不是"规则型"混凝土–砂土接触面剪切强度的上限。     

粗粒土与结构接触面三维力学特性的直剪试验研究

运用80t三维多功能土工试验机,对粗粒土与人造粗糙钢板接触面的三维力学特性进行试验研究,包括常法向应力条件下单调剪切试验(法向应力σ=200kPa、400kPa、700kPa、1000kPa)及十字、单向圆形和往返圆形路径下循环剪切试验(σ=400kPa)。结果表明:在单调和循环剪切时接触面均产生了明显的剪切体变,循环剪切时可分为遵循不同规律的可逆和不可逆两部分;不同剪切路径下接触面切向应力-应变关系曲线有很大差别,但主剪应力-主切向位移关系类似;随循环剪切的进行,接触面在逐渐剪切硬化,主剪应力-主切向位移曲线形式均由双曲线形式向理想弹塑性模式转变;接触面抗剪强度具有各向同性,其与法向应力关系符合摩尔-库伦准则;法向应力对接触面单调力学特性影响显著,剪切路径对其循环力学特性(剪切体变、切向应力-应变关系及破坏状态等)有重要影响。     

粉质黏土与混凝土结构接触面的力学特性研究

为了研究粉质黏土与混凝土接触面作用的力学特性规律,运用大型直剪仪进行了粉质黏土与混凝土接触面的直剪试验,得到了在不同法向应力(5 kPa、20 kPa、50 kPa、100 kPa、150 kPa)下,土体的不同含水率(12%、14%、16%)对力学特性的影响。结果表明:(1)在同一含水率条件下,桩土接触面的抗剪强度随着法向应力的增大而呈现同幅度增大。(2)在同一法向应力条件下,随着含水率的增加,抗剪强度及初始切线模量呈现下降的趋势。(3)粉质黏土与混凝土接触面抗剪强度满足摩尔-库伦强度准则。     

常/变法向应力下松砂-混凝土接触面剪切力学性状试验研究

利用Shear Trac-Ⅲ大型直剪仪对松砂-混凝土接触面进行了常/变法向应力作用下的剪切试验,分析了剪切过程中剪应力和剪切面体应变的变化特征,建立了能够反映松砂-混凝土接触面剪切力学性状的数学模型,并给出了模型参数的确定方法。试验结果表明:在常法向应力作用下的剪切试验中,松砂-混凝土接触面的剪应力及体应变与法向应力密切相关;在变法向应力作用下的剪切试验中,松砂-混凝土接触面的抗剪强度与相应的常法向应力的抗剪强度相同,但其体应变小于相应的常法向应力作用下的体应变;在常法向应力作用下,松砂-混凝土接触面的剪应力-剪切位移关系可以用双曲线模型表示;在变法向应力作用下,松砂-混凝土接触面的剪应力-剪切位移关系可以用分段双曲线模型表示。     

接触面粗糙度对黏性土-混凝土界面剪切特性影响研究

通过大型恒刚度直剪仪,研究粗糙度对黏性土-混凝土界面剪切力学性能的影响。对粗糙度为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个等级的混凝土界面分别施加25,50,100,150 k Pa的法向应力,探寻界面粗糙度对黏性土-混凝土界面剪切应力和强度参数的影响规律。结果表明:界面剪应力-剪切位移曲线呈现折线形和双曲线形,应变软化现象较明显;界面法向应力越大,最大剪应力和破坏剪切位移越大;界面粗糙度等级越高,最大剪应力和破坏剪切位移越大,在法向应力为150 k Pa时,Ⅳ级界面和Ⅰ级界面曲线达到峰值时,最大剪应力分别为94.57,67.14 k Pa,最大剪应力的破坏剪切位移分别为15.80,10.42 mm;Ⅳ级界面摩擦角和黏聚力分别是Ⅰ级界面的1.3,1.46倍,界面粗糙度等级越高,界面摩擦有效系数和黏聚力有效系数越大。     

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。