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。     

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。     

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。     

人工冻结砂土与结构接触面冻结强度试验研究

 为探究人工冻结砂土与结构接触面冻结强度影响因素及其规律,揭示冻结强度形成机制,利用自行研制的大型冻土直剪仪开展冻结强度试验研究。结果表明：人工冻结砂土与结构接触面冻结强度受接触面温度、法向应力、粗糙度等因素影响显著;冻结强度均随接触面温度降低而增大,其中极限冻结强度随接触面温度降低而线性增大,残余冻结强度随接触面温度变化呈现持续稳定、先波动后稳定及循环波动3种典型规律;冻结强度均随法向应力增大而增大,其中极限冻结强度与法向应力关系符合莫尔–库仑定律,残余冻结强度随法向应力变化呈现同样3种典型规律;冻结强度均随粗糙度增大而增大,其中极限冻结强度与粗糙度满足对数函数关系,残余冻结强度曲线波动式循环周期随粗糙度增大而增大。进一步揭示接触面冻结强度形成机制,并对残余冻结强度呈现黏滑现象作出合理解释。通过接触面冻结强度多影响因素综合分析,给出极限冻结强度与接触面温度、法向应力、粗糙度的经验公式,可用于预测极限冻结强度值。     

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。     

钢-粉质黏土界面剪切特性及本构模型研究

在结构物与土体相互作用的研究中,分析界面剪切特性并建立合理的本构关系具有重要意义。利用改进的直剪设备,对粉质黏土与光滑或粗糙界面钢之间的剪切性能进行试验,分析剪切应力-剪切位移关系和界面抗剪强度指标,依据Gompertz曲线模型和Clough-Duncan双曲线模型对试验结果进行拟合,结果表明:剪切应力随剪切位移增大而增加,达到峰值剪切应力后基本不变,未出现弱化现象;峰值剪切应力和峰值剪切位移均随法向应力和粗糙度的增加而增大;粗糙界面的黏聚力和摩擦角较光滑界面的更大;在法向应力较低的情况下,按Clough-Duncan双曲线模型和Gompertz曲线模型拟合效果均较好,在法向应力较高的情况下,Gompertz曲线模型拟合结果更合理。     

砂土与结构接触面粗糙度试验研究

利用大型多功能界面剪切仪进行了砂土与结构物的接触面剪切试验,研究了粗糙度对接触面力学性质的影响。试验结果表明:在法向应力不变条件下,随着粗糙度在增加,接触面的初始剪切模量和剪切应力的峰值都相应增大。不同粗糙度条件下,接触面的切向位移和剪切应力都表现出相近的非线性关系,并且随着法向应力的增加,切向位移和剪切应力关系曲线直接的距离越来越小。相同粗糙度条件下,接触面上的法向应力和剪切应力表现出明显的线性关系。     

砂土-钢接触面力学特性的直剪试验研究

基于常应力状态下的接触面直剪试验,研究土体内部和土与钢接触面的剪切特性。结果表明,土体内部和土-钢接触面特性均可用双曲线模型描述,土体内部和土与钢接触面剪切试验具有明显差异,前者出现略微软化现象,后者出现明显的软化现象,随着法向应力和颗粒粒径的增大,软化特征逐渐减弱,硬化特征逐渐增强。钢-土接触的剪切应力位移曲线可用简化的折线函数进行表述。与钢接触的剪切试验摩擦角明显降低,工程中根据具体情况选取土体与接触面强度参数。     

基于局部应力变形测试方法的土–结构物渐进破坏试验研究

为研究土–结构物接触面渐进破坏机制及影响因素,研制一种新型剪应力–位移传感器,并用该传感器展开红黏土与结构物接触面大型直剪试验,探讨剪切作用下接触面的应力变形响应特征及渐进破坏规律。试验结果表明:接触面沿剪切方向上峰值应力及位移的出现呈现明显的先后顺序,在剪切方向上接触面呈现渐进破坏特征。接触面上的法向应力和土体的压实度对其渐进破坏有着显著的影响。各测点剪应力峰值出现的时间差随法向应力的增大而增大,而随压实度的增大而急剧减小。接触面的渐进破坏现象在土体低压实度情况下表现更为明显。     

剪切速率和法向加载频率对筋土界面剪切特性的影响

加筋土结构在道路工程中广泛应用,而车辆等动荷载对筋-土界面相互作用特性的影响不可忽略。采用动态直剪仪开展了一系列法向循环荷载作用下的砾石-土工格栅界面直剪试验。试验研究了4种剪切速率(0.1,1,5,10mm/min)、4种法向加载频率(0.1,0.5,1,2 Hz)以及3种法向初始应力(20,40,60 kPa)对筋土界面剪切特性的影响。试验结果表明:法向循环荷载下的剪切应力及法向位移呈周期性动态变化;上峰值应力、上残余应力及剪切应力幅值随频率的增大而减小,随剪切速率的增大而增大,而下剪切应力受影响较小;剪切应力和法向应力的峰值相对时间差分别在频率为0.5 Hz和速率为1 mm/min时最大,而摩擦系数与法向应力的相对时间差约为0.5个周期;上峰值摩擦角随频率的增加而减小,随剪切速率的增加而增大。     

不同黏性土的残余强度及其抗剪强度指标特性研究

利用环剪仪系统地研究了17种不同塑性指数的饱和黏性土在不同固结状态下的残余强度的变化规律,分析了当前法向应力、超固结比、塑性指数和多级剪切方式对残余强度的影响,重点给出了大变形条件下的抗剪强度指标随塑性指数的变化规律及实用公式。试验结果表明:残余强度随当前法向应力的增大而增大;超固结比对残余强度没有显著的影响;随着塑性指数的增大,残余强度逐渐减小;残余强度在较小的当前法向应力水平下具有明显的非线性;在大变形条件下,残余内摩擦角随塑性指数的增大而减小;最后给出了残余内摩擦角与塑性指数的函数关系式。     

贵州重塑黄褐色玄武岩残积土残余强度试验研究

以重塑黄褐色玄武岩残积土为研究对象,利用环剪仪对不同干密度、不同含水率的土体进行了不同加载方式下的多级环剪试验,探求了在大剪切位移条件下,土样干密度、含水率和加载方式对土体峰值强度和残余强度的影响。试验表明:试样的剪应力-剪切位移关系曲线呈应变软化型;对同一干密度土样,其峰值强度和残余强度随含水率的变化受每级固结后的状态影响较大;随着含水率的增大,残余黏聚力逐渐减小,而残余内摩擦角在较小的范围则小幅增大。对于同一含水率土样,干密度与峰值强度和残余强度均呈负相关关系,即峰值强度和残余强度均随着干密度的增大而减小。     

粗粒土与混凝土接触面特性单剪试验研究

采用大型单剪仪进行粗粒土与混凝土接触面在膨润土以及混合土(膨润土中掺入水泥)泥皮条件下的剪切试验。通过对不同水泥浆含量的混合土泥皮接触面进行试验,揭示不同泥皮条件下接触面的力学特性。结果表明,与无泥皮或膨润土泥皮时不同,存在混合土泥皮时,剪应力与剪应变关系曲线存在明显软化段,峰值强度的位置与水泥含量以及法向应力大小有关。水泥含量越大其相应的强度越大,水泥含量由10%提高到40%时,其相应的内摩擦角提高约3.2倍,水泥含量为40%时,其强度达到无泥皮时的84%。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。无泥皮、低法向应力下,试样出现明显的剪胀现象,而泥皮条件下试样均表现为剪缩。试样的有效高度对粗粒料的强度及变形有一定的影响,最大粒径为20mm时,高度分别为100与30mm的试样相比,其内摩擦角及水平位移偏差分别为3%和6%左右。与最大粒径为60mm试样相比,最大粒径20mm试样的内摩擦角要小1.9°,减幅4.8%。     

恒定法向刚度条件下三维粗糙裂隙面剪切力学特性EI北大核心CSCD

通过恒定法向刚度边界条件下真实三维粗糙裂隙面剪切试验,研究初始法向应力(0.02~8 MPa)和粗糙度系数JRC(12~18)对裂隙面剪切应力、法向位移、法向应力和表面剪切磨损特征的影响。结果表明:整个剪切过程中,裂隙面法向位移–法向应力拟合关系为一组平行直线,法向边界刚度保持在10.8 GPa/m。随着初始法向应力和粗糙度系数的增加,裂隙面法向应力均逐渐增大,初始剪应力峰值分别增加了6.201~9.974倍和22.70%~55.76%;裂隙面法向位移随初始法向应力的增加逐渐减小,而随JRC的增加,由于剪切过程中沿凸起体的"爬坡效应"趋于显著,剪胀变形逐渐加剧。峰值表面阻力指数随初始法向应力的增加线性减小,而随JRC的变化增加了10.82%~36.46%。随着粗糙度系数的增加,初始剪应力峰值强度包络线变得陡峭;剪切磨损阶段,法向应力–剪切应力路径可通过线性函数较好地拟合,且随着初始法向应力的增加,拟合曲线趋于平缓。二值化计算结果表明试验后裂隙面剪切面积占比随初始法向应力和粗糙度系数分别增加了1.032~1.799倍和8.63%~71.81%,剪切磨损特征趋于显著。     

高应力作用界面剪切性质的试验研究

通过在DRS-1型微机高压直残剪试验系统上所进行的不同土质与不同基底的界面剪切特性试验研究表明：高应力作用下不同结构接触面的峰值强度、残余强度与正应力之间符合库伦强度准则：基底性质对标准砂的抗剪峰值强度准则影响较小，但对其抗剪残余强度准则影响较大：混凝土界面下残余抗剪强度准则的选择与法向应力的大小有关，法向应力较低时剪切破坏发生在砂土中，法向应力较高时剪切破坏发生在界面上，而对于其他基底的剪切破坏始终发生在界面上：标准砂在剪切过程中的体积应变-剪切位移关系，呈现出应变硬化现象整体符合双曲线模型，表现为剪缩性。试验数据的直观分析和方差分析表明：对于残余强度和初始剪切刚度，法向应力是第一影响因素，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。     

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。     

结构性吹填软土侧向变形真三轴试验研究

为了研究吹填软土在侧向变形条件下的力学与结构特性,利用真三轴试验机以及WF应力路径试验仪进行了不排水条件下的侧向卸荷试验,并与常规三轴试验结果进行了对比分析。试验结果表明:与常规三轴剪切试验应力应变关系曲线表现的硬化特性不同,真三轴卸荷试验表现出应变软化现象。随着初始围压的增大,土体由剪缩向剪胀变化。由于中主应力的影响,真三轴卸荷状态下土体的结构屈服应力值明显大于WF卸荷状态以及常规三轴试验下的数值,其随着中主应力系数bd的增大而成非线性增长。真三轴侧向卸荷条件下土体抗剪强度指标大于WF卸荷条件,与常规三轴试验结果也明显不同,其内摩擦角增大,粘聚力减小。     

基于直剪试验的金坛盐岩力学特性研究

 采用RMT–150C试验机对江苏金坛拟建储气库埋深段盐岩试样进行一系列直剪试验研究。将盐岩作为多晶聚合体考虑,深入分析试验过程中的剪切应力、剪切变形、剪胀以及破坏特性。试验结果表明：盐岩剪切破坏是一种延性破坏,盐岩剪切峰值对应的剪切位移一般为4～6 mm,个别试样可达7～8 mm,且整个剪切应力–剪切位移曲线都较平缓,剪切峰值不明显,这主要是由于局部位错交替导致的;得到盐岩抗剪强度参数c,? 值分别为3.16 MPa,44.7°;发现残余强度基本上与法向应力呈正比例关系,且残余应力较大,约为峰值应力的50%～80%,表明盐岩摩擦承载能力较强;盐岩剪胀终止发生在峰值应力之后、残余应力之前,且在较大法向应力作用下剪胀起始应力与剪胀终止应力接近;盐岩的剪切破坏位置不是一个面,而是一个破碎带,破碎带上下一定范围内有不同程度损伤;表面局部有明显擦痕,类似于摩擦学的“犁沟效应”,有利于提高其抗剪能力。试验研究成果对深入理解金坛盐岩破坏机制及地下盐岩储气库稳定性研究具有一定的参考价值。     

含盐量对硫酸钠盐渍土–混凝土界面剪切特性的影响研究

为了探究不同地区盐渍土–混凝土界面的强度及变形差异,自制硫酸钠盐渍土与混凝土试样,将盐渍土在不同含盐量、初始干密度及法向应力条件下与混凝土进行一系列单调直剪试验。通过试验研究不同因素对界面抗剪强度的影响,并分析在不同含盐量下界面抗剪强度参数及剪胀性的变化规律。研究结果表明：含盐量对界面抗剪强度起到劣化作用,其劣化程度在土体孔隙溶液处于非饱和状态时随含盐量增大而减弱,而孔隙溶液饱和结晶时,劣化作用增强;盐渍土抑制了初始干密度对界面抗剪强度的增强作用;不同竖向应力下,含盐量为1%～4%的盐渍土对应界面的平均破坏剪应力是素土的0.71,0.75,0.86和0.77倍,界面盐蚀折减系数在0.68～0.88范围内变化;界面黏聚力随着含盐量的增加而增大,内摩擦角表现出与抗剪强度相同的变化趋势,并且界面黏聚力受含盐量影响效果更显著;在较低法向应力和较高含盐量下,界面出现剪胀现象,其余情况均表现为剪缩,剪缩量随法向应力递增,在含盐量为3%时取得最小值。界面剪胀角在含盐量0%～3%范围内随含盐量增加显著提升。此外较高法向应力对界面剪胀角存在抑制作用,并弱化含盐量对剪胀角的影响。