剪切路径对土与结构接触面三维循环特性影响研究

运用80t大型三维接触面试验机,通过改变往返圆弧剪切路径的半径和旋转角度幅值研究不同剪切路径下接触面三维循环力学特性,重点分析了剪切路径的影响规律。剪切路径由于影响两正交切向位移大小、方向转变及结构面附近土颗粒运动形态,从而导致接触面剪切体变及可逆性剪切体变-x或y向位移关系、切向应力位移关系及切向应力间关系形式差异显著。随旋转角度幅值的增大,接触面x向应力位移关系形式由双曲线向椭圆形转变;残余摩擦角由35°逐渐减小到33°,而后趋于稳定;峰值摩擦角则保持35°不变。不同剪切路径下接触面力学特性亦有诸多相同之处：抗剪强度具有各向同性;往返型路径下均产生明显的不可逆性和可逆性剪切体变,随循环剪切的进行,前者单调增长,后者峰值逐渐减小而后趋于稳定;不同剪切路径下接触面可逆性剪切体变-主切向位移关系及主剪应力-主切向位移关系具有良好的一致性;且后者曲线形式随循环剪切的进行由双曲线形式逐渐向理想弹塑性模式转变。     

粗粒土强度特性及颗粒破碎试验研究

利用大型多功能界面剪切仪对粗粒土进行大型直剪试验,并针对粒径范围在20～50 mm及10～20 mm的特殊试样进行两组对比试验,对粗粒土的力学特性及强度参数进行分析;试验结束后对所有试样进行颗粒筛分,总结颗粒破碎规律。结果表明:粗粒土属于剪切硬化型材料,不良级配材料强度非线性特性明显,呈现较大假黏聚力,摩擦强度变化较小;筛分分析表明,颗粒破碎率随法向应力增加明显增大,二者符合双曲线关系,其拟合参数与级配及颗粒尺寸等密切相关。     

直剪剪切速率对粗粒土强度与变形特性的影响

土体的强度和变形对路基及边坡的稳定性具有控制作用,为分析剪切速率对粗粒土抗剪强度和变形特性的影响,基于THE-1000型室内大型直剪仪,对不同剪切速率下粗粒土的强度和变形特性进行试验研究。试验数据表明：不同剪切速率时的剪应力-剪切位移曲线均呈应变软化型;剪切速率为小于5 mm/min时,粗粒土强度理论公式拟合相关系数比较理想;随剪切速率的增加,内摩擦角有减小的趋势,约在27.8°～22.8°内变化,咬合力在90.3～112.2 kPa范围内振动变化;颗粒破碎率和最大垂直变形随着剪切速率减小或垂直压力增加而增大,即剪切速率越小越容易发生剪缩;剪切速率小而抗剪强度高的本质原因是：破碎后的细颗粒填充了由粗颗粒构成的土骨架孔隙,造成试样的密实度增加。     

压实系数对粗粒土剪切特性的影响

压实系数是控制填方体工程质量的重要指标,但目前关于压实系数对填料剪切特性的影响研究还不够深入。采集重庆江北机场扩建工程回填夯实的粗粒土制备不同压实系数的重塑试样,通过室内大型直剪试验,研究了粗粒土在不同压实系数下的剪切特性,结果表明:高法向应力,低压实系数时,粗粒土表现为应变硬化和剪缩现象;低法向应力,高压实系数时,则表现为应变软化和剪胀现象;粗粒土在剪切过程中表现出“结构性”和“摩擦性”,“结构性”发挥在先,“摩擦性”在后;压实系数对剪切强度有增大效应,但法向应力对这种增大效应有削弱作用;压实系数对粘聚力有增大效应,但对内摩擦角的影响不显著;剪切破坏面上遇到粗颗粒时所表现出的“饶石”、“穿石”、“夹石”现象会随粗颗粒的强度、尺寸以及法向应力等因素的变化而互相转换。     

切向应力控制条件下粗粒土与结构接触面三维循环特性研究

运用大型三维接触面试验机,对切向应力控制十字剪切、单向和往返圆形剪切路径下接触面三维循环力学特性进行直剪试验研究,并探讨剪切路径、应力幅值等因素的影响.结果表明:(1)切向应力控制循环剪切时,粗粒土与结构接触面产生明显剪切体变,且可分为可逆和不可逆两部分.(2)往返剪切路径下,随循环剪切的进行,接触面剪切体变增量经历由...     

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。     

粉土–混凝土接触面冻结强度试验研究

土与结构物接触面冻结强度是寒区构筑物基础切向冻胀力计算及抗冻拔模型建立的重要参数。为解释土与结构物接触面冻结强度形成机制,探究其影响因素及变化规律,针对粉土–混凝土接触面开展多种含水率、温度及干密度条件下的正交直剪试验研究。试验结果表明:(1)试验设计的控制因素对抗剪强度影响的主次顺序为:含水率>温度>干密度,低温、高含水率、低干密度条件下,接触面的抗剪强度试验达到最佳;(2)含水率、温度对接触面的抗剪强度影响显著,接触面抗剪强度随含水率及温度绝对值的增大而增强,且二者对接触面抗剪强度的影响具有交互作用;(3)随法向压力增大,含水率对接触面抗剪强度的增强作用逐渐变小,而温度对接触面抗剪强度的增强作用仍能得到提高。基于试验结果进行讨论,给出了土与结构物接触面冻结强度形成及破坏机制的一种解释,研究结果可为切向冻胀力计算和抗冻拔模型的建立提供参考。     

粗粒含量对含粗粒滑带土剪切特性影响研究

提出了对剪切盒可视化的方法,对含粗粒滑带土剪切变形破坏特征进行研究,对不同粗粒含量下滑带土的抗剪强度指标进行了分析,阐明了含粗粒滑带土强度参数随粗粒含量的变化规律。     

循环直剪条件下粗粒土与结构接触面颗粒破碎研究

循环剪切条件下粗粒土与结构接触面颗粒破碎规律的定量研究具有重要意义。循环剪切时,接触面产生了明显的颗粒破碎,并显著影响其宏观力学响应。接触面颗粒破碎细观上表现为大颗粒破碎、小颗粒含量增加及大孔隙的减少或消失,统计上表现为粒径分布曲线的抬升和特征粒径的减小,宏观上表现为接触面不可逆性剪切体变;且不可逆性剪切体变可作为接触面颗粒破碎等物态演化的宏观度量。接触面颗粒破碎主要由剪切引起,相对破碎率与剪切路程、不可逆性剪切体变与相对破碎率间的关系均可用双曲线描述。法向应力越大、结构面板越粗糙、硬度越小,接触面颗粒破碎和损伤越严重;且相对破碎率与法向应力间符合幂函数关系;剪切路径对接触面相对破碎率影响较小。     

考虑颗粒破碎影响的粗粒土的剪切强度理论

由于粗粒土的粒径相差很大,通过剪切试验测量粗粒土的剪切强度很麻烦,且剪切试验费时费力、试验数据离散性大;另外,已有剪切强度经验公式中的参数没有明确的物理含义,工程应用中难以确定。本文根据颗粒破碎的分形模型,揭示单颗粒破碎强度的尺寸效应,假设剪切强度是颗粒接触面上的摩擦力,导出用正应力幂函数表示的粗粒土剪切强度公式,幂函数的指数是颗粒破碎分维的函数,并采用垃圾炉渣的颗粒破碎分维和剪切强度试验结果进行验证。     

粗颗粒土抗剪强度影响因数分析

介绍了颗粒破碎、含水率、最大粒径以及粗粒含量对粗颗粒土抗剪强度的影响,并指出颗粒破碎与粗粒含量是最主要的影响因数,含水率对抗剪强度影响不大,而最大粒径对抗剪强度的影响则是相对的。     

粗粒土与结构接触面的静动本构规律

进行了系统的粗粒土与结构接触面静动力学试验以研究其本构规律。基于试验得到的宏观和细观测量结果,归纳总结了粗粒土与结构接触面静动力学特性的五条基本规律,即:(1)抗剪强度与法向应力近似成线性关系;(2)在一条法向应力不变条件下的单调剪切应力路径中,剪应力随着剪应变的增加而不断增长并趋向于一稳定值;(3)剪胀体应变由不可逆性和可逆性的体应变分量构成,可逆性剪胀体应变表现出明显的接触面异向性,与剪胀体应变有关的剪应变在总剪应变中所占比例在不同剪切阶段是不同的;(4)压缩性随着法向应力的增大而逐渐降低;(5)受载过程中发生物理状态及力学特性的演化并逐渐趋于稳定。     

过渡型粗粒土渗透变形试验及破坏类型判别

工程中细料含量介于25%~35%的骨架密实型粗粒土通常表现出良好力学性能,但渗流下呈现管涌或流土的过渡型破坏类型难以准确判别。通过渗透变形试验,基于Kozeny-Carman公式,采用实测渗透系数K引入反映颗粒比表面积S_0和渗流弯曲率T的当量比表面积参数S_0',建立孔隙率n和S_0'相等的均匀毛细管模型;根据级配特征粒径d3与毛细管直径D的关系,提出判别过渡型粗粒土渗透破坏类型的"等效渗透–平均孔径法";借助粒组均匀球形颗粒假定,探讨过渡型粗粒土T与n的关系。研究表明:伴随密实度增加过渡型粗粒土依次表现出发展性管涌、非发展性管涌、流土3种破坏类型;相较于未反映弯曲率的"孔隙直径法"和基于均匀土弯曲率恒定的"变截面法",受S_0'影响的D能体现实际弯曲率对土体渗透性的作用,渗透破坏类型判定结果与试验现象吻合;计算弯曲率T1随n的减小呈线性增长趋势,较好反映了土中实际渗流路径随密实度增加而变长的客观规律。     

天然粗粒盐渍土大型路堤模型试验研究

西北地区分布着大量的粗粒盐渍土,研究其作为路堤填料的适用性,可充分利用当地资源和节约公路工程建设费用。为了使试验结果更准确地反映工程实际情况,在对天然粗粒盐渍土进行不同方法的化学成分分析试验、模拟季节交替冻融循环试验、有（无）附加荷载单次降温盐胀试验及大型溶陷试验的基础上,开展了多次冻融循环条件下大型路堤模型试验。结果表明：两种化学成分分析试验-规范法和过 5 mm 筛法分别得到的易溶盐含量相差较大,过 5 mm 筛法能更准确指导实际工程的施工;随着含水率的增加,粗粒盐渍土的盐胀量和溶陷量亦逐渐增大,溶陷累加性较显著; 50 kPa 附加荷载抑制该天然粗粒盐渍土的盐胀量可达 85% 以上;经多次冻融循环后,大型路堤表面的最大盐胀率仅为 0.44% ;该天然粗粒盐渍土可用于上部路堤填料。     

粗颗粒土橡皮膜嵌入试验研究

对于粗颗粒土三轴固结排水剪试验,橡皮膜嵌入是影响试验体变测量的最重要因素。通过在中三轴试样中埋置不同直径铁棒的方法进行等向固结试验来推求橡皮膜嵌入量。试验表明,试样土体体积与排水量呈较好的线性关系,基此给出了各个围压下的膜嵌入量。指出随着围压的增大,膜嵌入量逐渐增大,约0.8 MPa后,嵌入量的增速变缓,嵌入量占实时总排水量的比例可达31.0%~40.7%。由于粗颗粒土的各向异性,目前所用最多的Newland和Allely所提出的方法总体略高估了膜嵌入的大小,随着围压的增大,各向异性减弱,围压为2 MPa时嵌入量差异仅有0.22%的体变。最后,对比4种解析解发现Molenkamp和Luger的解析解最为接近试验值。针对粗颗粒土,需要进行更多的试验来建立颗粒破碎率和相对密度等与系数η的关系来修正解析解。     

粗粒土孔隙特征及其对泥浆渗透性的影响

土的渗透性与其骨架构成的孔隙通道有本质联系。在假定粗粒土颗粒呈球形且粒径分布均匀变化的条件下,首先给出了同一粒组最密实状态的土粒体积和孔隙体积的确定方法;进而,依据最密实状态条件下各粒组土粒体积和骨架孔隙体积,从最小粒组到最大粒组,依次比较小于或等于某粒组土粒体积、骨架孔隙体积之和与大一级粒组的骨架孔隙体积,后者大于前者即出现架空空隙,提出了最大渗流单粒孔隙的确定方法。通过不同级配试样的泥浆渗透试验表明,随着最大渗流单粒孔隙的增大,依次出现入渗面形成泥皮和未形成泥皮两类孔隙特征粗粒土的泥浆渗透。在入渗面未形成泥皮条件下,随着最大渗流单粒孔隙的增大,泥浆渗流量逐渐增大;在形成泥皮的条件下,随着最大渗流单粒孔隙的增大,形成时间逐渐增长,泥浆穿透土样的渗径逐渐增大。验证了最大渗流单粒孔隙反映粗粒土渗透性的合理性。     

季冻区公路路基粗粒土的冻胀敏感性及分类研究

对5种粗粒土13种不同含泥量土料在不同含水率、饱和度和密实度状态下进行了一系列封闭系统下的冻胀模拟试验。研究了各种粗粒土的η-w关系,并对其进行线性分析,揭示了粗粒土的冻胀规律。根据所建立的各种不同粗粒土的η-w经验关系式得出各种土料以及粗粒土的相应于不同冻胀等级和类别的界限含水率值,并与现有的规范进行对比,指出规范值得商榷的问题。     

粗粒土回弹特性试验研究

对2种粗粒土4种级配料进行了卸载–再加载的三轴固结排水剪试验,比较分析其强度变形特性与单调加载三轴试验条件下特性的差异。重点研究不同试验粗粒料的回弹模量取值规律,分析了回弹模量与初始模量、围压和应力水平等之间的关系。结果表明,围压对回弹模量影响较大而应力水平的影响相对较小;粗粒土的回弹模量约为初始模量的2.5～5.0倍,比目前对黏土等认识的1.5～3.0倍明显大。试验结果为邓肯–张模型等非线性弹性模型甚至弹塑性模型的回弹模量的合理取值提供了重要试验依据。     

卸载对粗砂抗剪强度影响的直剪试验研究

采用粗砂试样进行一系列卸载后的室内直剪试验,分析卸载作用、超固结比OCR、先期固结压力和剪胀性对粗砂抗剪强度的影响。试验结果表明：对于同样的卸载后竖向应力,OCR越大,相同剪切位移对应的剪应力越大;当OCR较小时,峰值强度基本上随超固结比的增加而增加,当OCR较大时,其对峰值强度的影响较小;当卸载后竖向应力较小时,峰值强度随竖向应力几乎线性增加,当竖向应力增加到一定数值以上时,竖向应力变化对峰值强度几乎没有影响;当卸载后竖向应力较小时,与正常固结砂样相比,超固结砂土试样均有一定的剪胀性,其中在低竖向应力下这种现象尤为明显,摩擦强度和剪胀强度均对剪胀性砂土的峰值强度有所贡献;根据试验结果,得到粗砂的峰值内摩擦角与最大剪胀角之间的线性拟合关系。