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。     

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。     

静压沉桩桩土界面抗剪强度及其参数室内试验研究

采用大型恒刚度桩土界面直剪试验系统,对不同含水率（w=18%,20%,25%,28%）的低塑性黏性土,在不同界面粗糙度（R=0, 2, 4, 6 mm）条件下,施加不同法向应力（σ=25、50、100、150 kPa）,进行不同剪切速率（v=0.4、0.6、0.8、1.0 mm/min）的直剪试验,分析低塑性黏性土的剪应力-剪切位移关系、抗剪强度及其参数。结果表明：桩土界面抗剪强度随界面粗糙度等级的增大而增大;法向应力越大,粗糙度对桩土界面抗剪强度影响越小,桩土界面黏聚力和摩擦系数随着粗糙度的增大而减小;黏性土受含水率影响的主要原因为其黏聚力,在含水率为25%左右时黏聚力出现峰值,此时桩土界面抗剪强度达到最大;随含水率的增加,桩土界面摩擦系数先减小后趋于平稳,减小幅度仅为5.5%左右;在研究剪切速率范围内,剪切速率对桩土界面抗剪强度影响较小,抗剪强度波动仅为10%～15%,随剪切速率的增加,黏聚力先增加0.87 kPa后降低1.41 kPa。桩土界面的力学特性受粗糙度、含水率、剪切速率的共同影响。     

土与结构接触界面改进直剪试验研究

目的 研究土与结构接触界面力学行为随接触材料类型及含水率变化规律．方法 通过改进的直剪仪进行黏土自身、黏土与混凝土、黏土与石、黏土与砖4个含水率共64个试样的剪切试验．结果 得到了不同含水率不同正应力下土与不同结构接触界面的剪切应力应变曲线，当土体含水率增大时，黏土内部摩擦角缓慢减小，而黏土与混凝土和黏土与砖接触界面的摩擦角急剧降低；土体内部的黏聚力逐渐减小。而土与结构接触界面的黏聚力均先增大后减小，各接触类型接触界面的抗剪强度随土体含水率的增大均呈下降趋势．只在含水率为13％、法向应力为50kPa的黏土内部剪切时才出现剪胀现象．结论 土与结构接触界面的抗剪强度、摩擦角、黏聚力等力学参数与接触材料类型及土体含水率密切相关，研究结果为工程设计的计算参数取值提供了试验依据。     

考虑粗糙度的黏性土-结构接触面力学特性试验

目前土与结构接触面的粗糙度定义未达成统一认识,不利于量化分析粗糙度对结构接触面力学性质的影响。同时,粗糙度对粘性土与结构接触面相互作用影响的研究也有待深入。为此,基于对灌砂法的修正,提出了一种测定土-结构接触面粗糙度的方法。针对试验自制的混凝土试块的半圆凹槽状粗糙表面和其他学者设计的齿形粗糙表面,使用修正后的灌砂法、常规灌砂法和试验常用的峰谷距测定法测定它们的粗糙度,并进行对比。利用大型直剪试验仪对红粘土-混凝土试块接触面进行了直剪试验,定量分析了粗糙度对接触面剪切破坏、变形等的影响,并探讨了粗糙度的影响机理。研究成果表明：针对接触面粗糙度的测定,修正后的灌砂法比常规灌砂法或峰谷距测定法都有效。接触面剪切破坏满足摩尔-库伦剪切破坏准则。粗糙度对接触面摩擦角影响不大。接触面抗剪强度和粘聚力的增长速率随粗糙度的增大而降低。随着粗糙度的增大,接触面粘聚力增大且逐渐趋近红粘土的粘聚力,此时剪切破坏可能发生在接触面上或接触面附近土体内。随着法向应力的增大,临界粗糙度减小且粗糙度对接触面抗剪强度的影响降低。粗糙度较小时,接触面剪切破坏后出现较为明显的应力跌落现象。     

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。     

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.     

砂-结构接触面直接剪切的物理试验与数值模拟

利用DRS-1型超高压直残剪试验系统以及颗粒流软件PFC2D,对砂与地下结构的接触面分别进行了直接剪切物理试验与数值模拟,获得了砂与地下结构接触面力学特性的宏观表象及内在机理.结果表明:砂与地下结构接触面的剪切应力-剪切位移曲线随法向应力的增加,其应变软化特性逐渐减弱而硬化特性逐渐增强.在一定法向应力条件下,随着结构面粗糙程度的增加,应变软化特性增强,且达到峰值剪应力所需要的剪切位移逐渐减小;随着法向应力的增加,结构面粗糙度对接触面力学特性的影响程度降低.在一定的法向应力条件下,对同一结构面,接触面的剪切强度符合摩尔-库伦强度准则;不考虑颗粒破碎时,颗粒的"剪胀"是引起砂-结构接触面剪切强度变化的主要原因之一;当相对粗糙度R较小时,结构面的存在所引起的剪胀量较小,接触面的峰值剪应力较小;随着R增大,颗粒受结构面的约束,引起的剪胀量变大,峰值剪应力增加;当R增大到一定程度时,结构面对颗粒运动的约束作用所引起的试样剪胀量变小,峰值剪应力亦随之降低.     

弃渣混合料与混凝土接触面剪切力学特性

为理清粗糙度、含石量、法向应力对灰质岩弃渣混合料与混凝土接触面剪切力学特性的影响,采用新型大型直剪仪对4种含石量的灰质岩弃渣混合料和5种粗糙度的混凝土面板分别在不同法向应力条件下进行系列接触面剪切试验,探究粗糙度、含石量、法向应力变化对接触面剪切强度的影响,揭示三者与接触面剪切力学特性的内在关联及接触面抗剪强度机制。结果表明：相同法向应力条件下,随粗糙度的增加,接触面抗剪强度呈现先增加后减小的趋势,且粗糙接触面能显著提高接触面的剪胀程度,但随法向应力的增加,粗糙度对接触面抗剪强度和法向变形的影响均减弱;相同法向应力条件下,随含石量的增加,接触面抗剪强度的变化规律与法向应力的大小密切相关。同时,试验数据分析表明接触面抗剪强度与Mohr-Coulomb强度准则高度吻合,且粗糙度和含石量对接触面表观黏聚力的影响相比对接触面内摩擦角的影响更为显著。合理的粗糙度和含石量能较大程度地提高弃渣混合料与混凝土接触面的抗剪强度。     

考虑粗糙度影响的黏土–混凝土接触面峰值剪切强度模型研究

结构物表面粗糙度是影响土体与结构接触面剪切力学特性的重要因素。为研究结构面粗糙度对接触面强度特性的影响,采用大型直剪仪进行不同粗糙条件下黏土–混凝土接触面剪切试验,分析粗糙度对接触面峰值剪切强度的影响规律,并揭示粗糙度对接触面剪切强度的影响机理。研究结果表明:不同粗糙度条件下黏土–混凝土接触面剪切应力位移曲线均表现为剪切软化型,且粗糙度越大,曲线的峰值点越明显。粗糙度的增大能显著提高接触面的峰值剪切强度,且粗糙度的影响存在临界值;不同粗糙接触面的剪切破坏面形态特征分析结果表明,剪切过程中光滑接触面主要发生界面剪切滑移破坏,随着粗糙度的增大,土体与结构面间的摩擦、咬合作用得到增强,导致接触面剪切破坏逐渐向土体内部剪切破坏发展。接触面的剪切强度主要由土体与光滑接触部分的界面剪切强度以及粗糙接触部分土体自身剪切强度组成,通过在Jewell界面强度模型中引入与粗糙度相关的粗糙效应系数,并提出了粗糙效应系数与粗糙度间的函数关系式,最终建立了考虑粗糙度的接触面峰值剪切强度模型;最后将不同粗糙度条件下的模型计算值与试验值进行对比分析,模型计算最大相对误差为11.01%,平均相对误差为4.74%,验证了本文模型的准确性与合理性。     

土-结构接触面剪切力学特性及其影响因素试验

利用DRS-1型超高压直残剪试验系统,研究了不同试验条件下土-结构接触面的剪切力学特性,采用归一化方法获得了剪切强度和剪切位移之间的相关关系.结果表明:当法向应力σ3MPa时,剪切应力-位移曲线呈应变软化型;当σ=3～5MPa时,基本呈线性强化型;而当σ≥8MPa时,基本呈应变硬化特性;结构面粗糙度影响接触面的本构关系及剪切强度,在同一法向应力条件下,剪切强度随粗糙度的增加而增大,但随着法向应力的增加,其影响程度逐渐降低;一定范围内剪切速率(v=0.02～1.2mm/min)的改变对本构关系及剪切强度基本无影响;对于颗粒细小的硅粉-结构接触面,剪切应力-位移曲线基本不受粗糙度及法向应力等影响,基本呈现出理想的弹塑性特征,但剪切强度随着法向应力的增加而增大.     

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。     

路用坡积体填料剪切性能试验研究

为了研究路用坡积体填料的剪切特性,以陕西略阳山区典型坡积体为研究对象,开展室内大型直剪试验,研究不同含石率和不同法向应力下坡积体填料的剪切特性,重点对剪应力-剪切位移曲线、剪胀剪缩特性、抗剪强度及其参数进行分析。结果表明:剪应力-剪切位移曲线分为线性变形阶段、初始屈服阶段和硬化阶段,剪切过程中由于块石存在出现了轻微抖动现象;高含石率的坡积体填料比低含石率的坡积体填料的剪胀剪缩现象更为明显;相同含石率条件下,剪缩段的法向应力越大,剪缩越明显,剪胀段则相反;含石率在45%～65%时,路基填料的抗剪强度较高;内摩擦角随含石率增大而增大,而黏聚力呈先增大后减小再增大继而减小的趋势。     

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%。     

方桩-水泥土接触面摩擦特性试验研究

通过一系列三维桩土接触面剪切试验，研究方桩–水泥土接触面的摩擦特性，主要研究方桩边长、水泥土龄期对接触面摩擦特性的影响.研究结果表明，方桩–水泥土接触面最大桩顶荷载随着方桩边长的增加而呈现先增大后减小的趋势，方桩–水泥土接触面最大桩顶荷载随着养护时间的增加而增加.方桩–水泥土接触面的最大侧摩阻力随着方桩边长的增加而减小.方桩边长的增加，即水泥土厚度的减小，使得方桩–水泥土接触面的破坏模式由渐进破坏转变为脆性破坏.方桩–水泥土接触面最大侧摩阻力随着养护时间的增加而增加，即最大侧摩阻力随着水泥土强度的增加而增大.在剪切试验过程中，方桩角点处出现应力集中，不利于方桩–水泥土接触面摩擦特性的发挥.     

土与结构接触面单直剪试验力学性质研究

基于高应力下土与结构接触面单直剪试验结果,从接触面本构关系、接触面剪切刚度及接触面摩擦角等方面研究了高应力下单直剪试验接触面的力学性质差异。结果表明:高应力直剪过程中剪应力-剪切位移具有非线性弹性特征,可用双曲线模型描述,而单剪条件下两者可用非线性弹性-理想塑性表征,双曲线模型的本质特征与单剪试验数据不吻合;直剪试验中接触面剪切刚度未减至零,而单剪试验中接触面剪应力达到抗剪强度后接触面保持零剪切刚度状态;高应力单剪试验条件下土与结构接触面的强度准则更适合用无黏聚力的莫尔-库仑强度准则表示;两种剪切试验条件下,影响因素对接触面初始剪切刚度的影响不尽相同;借助Taylor基于Davis关系式提出的接触面流动法则,给出了高应力下单直剪接触面摩擦角差异的理论解释,试验结果印证了该分析的合理性。     

规则锯齿形节理在剪切荷载作用下的参数分析

采用类岩石材料水泥砂浆,制备3种起伏角度的规则锯齿形节理试样,对各起伏角度的试件进行5种法向应力下的剪切试验得到试验曲线,分析节理剪切应力—剪切位移、法向位移—剪切位移曲线和节理破坏的特征机理;根据Coulumb-Mohr准则对不同起伏角下的剪切强度与法向强度进行拟合,得出黏聚力、摩擦角均较初始值均有大幅度提高,且剪胀角与节理面起伏角为正相关。     

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.     

考虑粗糙度影响的黏土-混凝土接触面峰值剪切强度模型研究

结构面粗糙度是影响土-结构接触面力学特性的重要因素。为深入研究结构面粗糙度对接触面强度特性的影响,采用大型直剪仪进行不同粗糙度条件下黏土-混凝土接触面剪切试验,分析粗糙度对接触面峰值剪切强度的影响规律,揭示粗糙度对接触面剪切强度的影响机理。研究结果表明：粗糙度的增大能明显提高接触面的峰值剪切强度,且粗糙度的影响存在临界值;接触面的剪切强度主要由土体与光滑接触部分的界面剪切强度以及粗糙接触部分土体自身剪切强度组成,随着粗糙度的增大,接触面逐渐由剪切滑移破坏向土体内部破坏发展;通过在Jewell界面强度模型中引入与粗糙度相关的粗糙效应系数,建立了考虑粗糙度的接触面峰值剪切强度模型;将不同粗糙度条件下的模型计算值与试验值进行对比分析,验证了本文模型的合理性。     

正融土-混凝土接触面力学性质分析

为研究正融土-混凝土接触面力学性质,采用应变式直剪仪分别开展了3种含水率条件下冻结和常温环境粉质黏土-混凝土接触面直剪试验。分析了不同含水率、常温和冻结环境、不同法向荷载作用下粉质黏土-混凝土界面力学性质。结果表明:剪应力-位移曲线呈现明显的四阶段分布;影响其界面性质的因素为冻结情况、土壤含水率、法向压力;常温土-混凝土的剪切曲线呈弹塑性变形,没有明显峰值,正融土-混凝土接触面的剪切过程存在明显峰值。正融土-混凝土界面剪切强度始终小于正融土剪切强度;剪切过程的平稳阶段黏聚力和内摩擦角相比其他阶段偏小。