垃圾填埋场边坡上土工膜的受力分析

在垃圾填埋场中,土工膜可以隔离垃圾体与周围环境,避免地下水受到污染。在土工膜上填埋垃圾和土层,沿其长度方向将有剪应力作用,使得土工膜发生变形,内部产生拉力,为保证土工膜的安全使用,需要对土工膜的拉力进行分析。将土工膜与黏土界面的剪应力–位移关系曲线分为弹性、软化和残余强度3阶段,采用三阶段弹塑性模型来描述土工膜与黏土界面的剪切变形特性,推导出了界面处于弹性、软化和残余强度3阶段时土工膜位移–拉力的微分控制方程,由于3个阶段分界点的位置是未知的,利用迭代法求解土工膜的拉力,分析了填埋高度和坡度的变化对土工膜拉力的影响。     

水化针刺GCL+GM复合衬里的单剪破坏特征

针刺GCL和HDPE土工膜(GM)广泛应用于填埋场防渗衬里,GCL的内部剪切强度和GCL/GM界面剪切强度是填埋场复合衬里边坡滑移稳定性的控制因素。通过开展不限定剪切破坏面的水化针刺GCL+GM复合衬里大单剪试验,获得了剪切过程中GCL/GM界面位移和GCL内部位移发展规律,分析了GM的糙面分别与GCL的有纺面和无纺面接触时的峰值强度,揭示了GCL+GM复合衬里的整体剪切破坏特征。试验结果表明:大单剪试验能够正确和合理地模拟GCL与GM间的相互作用,GCL+GM复合衬里中的极限破坏面不仅会随着法向应力的增加而发生转移,甚至出现GCL内部和GCL/GM界面同时成为剪切破坏面的临界状态。     

土工膜/GCL界面剪切强度特性的试验研究

土工复合膨润土垫(GCL)是一种新型复合材料,其良好的防渗隔气功能以及抗张拉的能力使其与HDPE土工膜(GM)的联合使用在填埋场具有广泛的应用前景,但GM/GCL界面较低的剪切强度易导致填埋场衬垫系统等失稳。利用大尺寸界面直剪仪进行三种不同土工膜与GCL界面的剪切试验,重点研究GCL不同加载水化顺序对膨润土挤出及界面强度的影响。试验结果表明:干燥状态下,粗糙土工膜/GCL界面的峰值强度较大于光滑土工膜/GCL界面的峰值强度,但粗糙土工膜/GCL界面表现出强烈的应变软化特性,其残余强度接近于光滑土工膜/GCL界面的强度;不同加载水化顺序是影响膨润土挤出的重要因素,并严重影响界面剪切强度;膨润土挤出造成粗糙土工膜/GCL界面的峰值摩擦角降低3.5°,大位移摩擦角降低7.6°,接近光滑土工膜/GCL界面的摩擦角。     

基于钻孔式锚固单元体试样的锚-土界面剪切特性研究

为探究土体干密度和含水率对锚杆锚固体-红土界面剪切特性的影响,研制了一种钻孔成孔的锚杆单元体试样制作装置。制备了6组不同土体含水率、不同干密度的红土锚固单元体试样,测试其界面剪切特性,获得了锚-土界面剪应力-剪切位移全过程曲线(τ-s曲线),并同步开展相应土体的直剪试验,获得了土的抗剪强度包线。试验结果表明:随着含水率的降低,土体黏聚力和内摩擦角均呈减小趋势,而随着干密度的增大,土体黏聚力显著增加;随着土体含水率和干密度的增大,锚-土界面剪切τ-s曲线逐渐由应变硬化转变为应变软化,且含水率越高,软化特征越明显;此外,随着土体干密度的增大,锚-土界面剪切强度增加,峰值位移减小,界面剪切刚度增大,而随着土体含水率的增大,锚-土界面剪切强度减小,峰值位移也减小。最后,通过回归分析建立了锚-土界面剪切强度随土体黏聚力和内摩擦角变化的经验公式。     

钢板、高聚物、土不同材料界面剪切特性试验研究

为了研究高聚物与不同介质界面的剪切特性,基于直剪试验,研究了土体含水率、法向应力、界面类型、高聚物密度和成型方式等因素对界面剪切强度的影响。研究结果表明：钢板-高聚物界面破坏形式与其它界面存在差异,呈现脆性破坏。不同界面的剪切强度与高聚物密度、法向应力和土体含水率存在关系。界面的剪应力值随高聚物密度和法向应力的增大而逐渐增大,随含水率的增大而减小。当法向应力和土体含水率一定时,非预成型高聚物-土体界面剪切强度大于预成型高聚物-土体界面,但随着含水率的增大,高聚物成型方式对高聚物-土体界面剪切强度的影响逐渐减小。当其它条件一致时,钢板-高聚物界面、高聚物-土体界面、土体自身和钢板-土体界面的剪切强度依次减小,使用高聚物后,界面抗剪强度分别提高了73%,108%,125%和115%,钢板-高聚物-土体界面的抗剪强度明显优于单纯钢板-土体界面。     

土工合成材料与稻壳灰土界面特性研究

针对垃圾填埋场中黏土-土工膜界面抗剪强度低的特性,对黏土掺杂不同质量分数的稻壳灰,以提高其界面抗剪强度。利用大型直剪设备,对黏土-土工膜、不同质量分数稻壳灰混合黏土-土工膜进行界面抗剪强度试验。重点分析不同质量分数稻壳灰混合黏土-土工膜界面的剪切应力-剪切位移曲线、抗剪强度、抗剪强度摩擦系数等,然后对模型适用性进行分析,比较双曲线模型和指数模型。结果表明:1)掺入稻壳灰能明显增大界面抗剪强度,掺入质量分数为15%的稻壳灰时效果最佳,此时摩擦角和黏聚力分别提高了29.5%和109.3%;2)指数模型拟合效果明显优于双曲线模型,更能反映实际情况。     

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。     

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。     

含石率对土石混合体–基岩界面剪切力学特性的影响

土石混合体与基岩接触界面是高填方体边坡和天然斜坡失稳不容忽视的潜在滑移面。通过室内大型直剪试验和离散元数值模拟探究了含石率对土石混合体—基岩界面剪切力学特性的影响及接触面剪切破坏机理。结果表明:土石混合体—基岩界面的剪应力–剪切位移曲线随法向压力的增大有由应变软化向应变硬化转变的趋势;剪应力–剪切位移曲线出现"V型跳跃"主要与颗粒破碎、转动和翻越有关;土石混合体—基岩界面抗剪强度和抗剪强度指标随含石率的增加先增大后减小,存在着最优含石率,但内摩擦角φ变化不大,在38°左右波动;剪切带的分布和形态受含石率和法向压力影响显著,法向压力和含石率越高,剪切带就越厚;剪切带内的块石破坏表现为表面研磨、局部破碎和完全破碎3种模式;法向压力和含石率都是影响相对破碎率B_r的主要原因,表现为随着含石率和法向压力的增加,块石相对破碎率不断增加。     

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。     

锚杆杆体–砂浆界面剪切力学特性试验研究

为研究锚杆杆体–砂浆界面力学特性及其破坏模式,进行简化的锚杆杆体–砂浆界面直剪试验,分析法向应力与横肋间距对界面力学特性及破坏模式的影响,阐述界面剪切滑移与剪胀特性,并对界面剪切强度与破坏模式进行分析与解释。试验结果表明:剪切滑移曲线和剪胀曲线均具有明显的阶段特征,界面剪切破坏为典型的脆性破坏,随着横肋间距增大,脆性程度有所减弱;界面破坏模式可划分为剪胀滑移破坏、切齿破坏及复合破坏模式三种,随着法向应力增大,界面破坏逐渐由剪胀滑移破坏向切齿破坏过渡,且剪胀位移明显减小;随着横肋间距增大,更容易出现剪胀滑移破坏,且剪胀位移明显增大;剪胀起始点对应的剪切应力约为0.5τmax。试验结果能够为进一步研究砂浆锚固系统的破坏准则和力学模型,揭示其破坏机制奠定基础。     

含一阶和二阶起伏体节理剪切强度的试验研究

 利用高强石膏材料浇注含不同一阶和二阶起伏度的岩体节理模拟试件,通过节理在不同一阶和二阶起伏度及法向应力下的常法向荷载剪切试验,对其剪切强度特性进行研究,分析一阶和二阶起伏度及法向应力对剪切强度的影响规律。试验结果表明：含二阶起伏体节理试件的剪切强度–剪切位移曲线有多个峰值剪应力出现,只含一阶起伏体节理的峰值剪应力不明显;节理剪切强度随着一阶和二阶起伏度及法向应力的增大而增大;随着二阶起伏度与一阶起伏度比值的增大,剪切强度先增大后降低。对试验数据进行回归分析,提出能反映一阶和二阶起伏度及法向应力影响的剪切强度经验公式。     

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。     

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。     

考虑破坏面转移和垃圾坝作用的边坡稳定分析

垃圾坝是山谷型填埋场和横向扩建填埋场中常采用的增稳措施;破坏面在衬里结构不同界面间发生转移也是被证实的规律,考虑破坏面转移和垃圾坝作用的垃圾体边坡稳定分析方法尚未见报道。通过将衬里结构中破坏面转移点作为分界点,将滑动垃圾体分成5个楔体,利用极限平衡条件建立了五楔体边坡稳定分析方法。研究结果表明,五楔体极限平衡分析方法能够分析考虑破坏面转移和垃圾坝影响的填埋体稳定性;考虑破坏面转移计算得到的安全系数低于不考虑考虑破坏面转移的计算结果,考虑破坏面转移的计算方法能够发现更危险的情况;填埋场安全系数随垃圾坝高度的增大而增大;垃圾坝的背坡有一最优坡度,垃圾坝的背坡小于这一坡度时,发生“坝背破坏”模式;垃圾坝的背坡大于这一坡度时,发生“坝底破坏”模式;最危险破坏面通过填埋场的背坡和底坡的衬里,再通过垃圾坝的坝背衬里界面或坝底。     

法向卸荷条件下含单裂隙砂岩剪切强度与破坏特征试验研究

在地下工程及边坡开挖和河谷下切等人为和自然因素作用下,岩体应力将沿至少某一个方向卸荷,造成复杂的岩体应力重新分布。这种卸荷易诱发岩体工程灾变,其中法向应力卸荷诱发岩体剪切破坏尤为突出。采用法向应力逐渐卸荷而剪切应力保持恒定的直剪试验方法,模拟开挖卸荷诱发岩体剪切破坏的力学机制。研究法向应力卸荷条件下,裂隙与剪切方向的夹角(后面简称夹角)及应力水平对单裂隙砂岩试样剪切变形、强度及破裂演化的影响规律。随着夹角从0°向180°增加,破坏模式依次表现为剪切破坏、张拉破坏、张剪混合破坏及剪切破坏的过渡。卸荷过程中法向位移和剪切位移均随初始法向应力的增大逐渐增大,而随初始剪应力的增大均逐渐减小。卸荷过程中法向位移随夹角的增大呈现先减小后增大的变化,而剪切位移对夹角不敏感。破坏时法向应力卸荷量随初始法向应力的增大逐渐增大,随初始剪应力的增大逐渐减小,随夹角的增大先减小后增大,夹角为60°时试样最容易发生破坏。通过对破裂面的应力状态分析,从力学机制的角度解释了破坏模式与夹角的相关性。研究成果丰富了卸荷岩体力学基础理论,为岩体工程开挖灾害防治提供理论支撑。     

山谷型垃圾填埋场失稳模式离心模型试验研究

利用能够在超重力离心环境下旋转的模型箱,进行了山谷型垃圾填埋场离心模型试验。试验结果表明,在40g离心加速度的条件下,前坡40°,后坡45°的填埋场在坡肩处变形较大,沿底部界面失稳的可能性较小。当模型箱转动11.6°(对应填埋体前坡51.6°,后坡56.6°,底坡11.6°),填埋体开始出现整体滑移,随着模型箱的转动角度不断增大,整体滑移呈加速趋势,并伴随有填埋体本身的大变形,其中垂直坡底方向的变形大于平行坡底方向。当模型箱旋转26°后(对应填埋体前坡66°,后坡71°,底坡26°),破坏模式由整体滑移变为沿填埋体内部滑移破坏。试验再现了垃圾堆体沿衬垫界面失稳过程,为山谷型填埋场衬垫界面参数取值方法提供数据支撑。基于测量数据、分析了垃圾土变形、破坏发展规律,探讨了垃圾土抗剪强度参数取值的主要影响因素。     

不同加载速率下混凝土剪力传递性能试验研究

为了研究不同加载速率下混凝土剪力传递的性能,进行了15个钢筋混凝土试件的剪切试验,试验中主要量测了钢筋混凝土裂缝处钢筋的应变、剪切面处的剪切滑移,得到了试件裂缝处剪应力和剪切滑移曲线,重点探讨了加载速率、混凝土强度、裂缝的存在等因素对钢筋混凝土试件的破坏形态及剪力传递性能的影响。研究表明,随着加载速率的增大,试件的极限剪应力也增大;裂缝的存在对混凝土的剪力传递造成较大程度的削弱,对剪应力及破坏形态有很大影响;混凝土强度也对剪应力传递造成影响,强度越高,剪应力越大。     

加肋土工膜表面形态与界面剪切强度相关性研究

为了研究加肋土工膜表面形态对加肋土工膜与土工布界面剪切强度的影响,基于分形几何理论,采用立方体覆盖法得到不同加肋形式土工膜的表面分维数D。在原有直剪试验结果的基础上,对不同加肋土工膜分形维数D与界面剪切强度进行分析,经研究表明加肋土工膜与土工布界面抗剪强度随着分形维数D的增加而加强,因此可以运用分形维数来评测加肋土工膜与土工布的界面剪切强度。通过添加吻合度系数JMC以及经验系数η对JRC-JCS模型进行修正,代入加肋土工膜与土工布直剪试验结果中反算得加肋土工膜表面粗糙度系数JRC与分形维数D的定量关系,在此基础上得到加肋土工膜与土工布界面抗剪强度的经验估算关系式。最后,采用加肋土工膜与土工布界面剪切强度的经验估算关系式估算界面剪切强度,并将经验公式估算值和直剪试验实测值进行对比,结果表明:计算结果和试验结果吻合良好,所推导的计算公式计算精度和可靠性能满足工程估算的要求。     

粉土界面恒刚度循环剪切试验研究

竖向循环荷载作用下桩土界面的作用机理是研究桩土摩擦疲劳的关键。针对循环荷载作用下桩-粉土界面的剪切性能,使用改进的剪切试验装置在恒刚度条件下进行循环剪切试验,研究循环次数、累积位移和法向刚度对其摩擦疲劳性能、循环后单调剪切性能的影响。试验结果表明,粉土在循环剪切过程中,法向应力和剪应力在初始10个循环内随循环数增加快速衰减,随着循环进行,逐渐趋于稳定;单次循环内在剪切位移方向变化时,土体呈现表现出剪缩-剪胀-剪缩交替现象,总体变形呈现剪缩的趋势;循环荷载作用下,粉土界面的法向应力和剪应力随法向刚度增大衰减速率增大,达到稳定的累积循环位移越小;粉土循环后的单调剪切、法向应力恢复的单调剪切的剪应力比小于首次单调剪切试验值,且法向应力恢复的循环后剪切试验的剪胀程度较小,表明循环剪切过程中界面处粉土颗粒棱角破碎,颗粒变得光滑。在对试验数据分析的基础上,提出了与累积位移、法向刚度和初始应力相关的无量纲累积位移,建立了法向应力和界面摩擦角随累积位移的衰减方程。