粗粒土与结构接触面单调力学特性的试验研究

使用新研制的大型土与结构接触面循环加载剪切仪,对粗粒土与人工粗糙钢板接触面在单调荷载作用下的力学特性进行了较系统的试验研究。从宏观和细观两个角度进行了测量,分析总结了粗粒土与结构接触面的基本力学特性和受力变形机理。试验表明:接触面的厚度约为5～6倍的平均粒径;接触面受剪时表现出明显的相对法向位移,其变化趋势与法向应力有关;接触面的变形可分解为同时发生、互相影响的土与结构交界面上的滑移变形以及结构面附近的土在结构面约束之下的剪切变形两部分,而后者是引起相对法向位移的主要原因;结构面粗糙度、土的种类和法向应力等因素对接触面的力学特性具有重要影响。     

粗粒土与结构接触面静动力学特性的大型单剪试验研究

运用80t大型三维接触面试验机,对单剪条件下粗粒土与钢板接触面静动力学规律进行了研究。随单调剪切的进行,接触面土体变形由靠近结构面区域逐渐向远处传递和发展,并集中于剪切区域内,接触面厚度约为（6D₅₀~7D₅₀;接触面达到强度时对应的滑动位移约为0.5D₅₀,之后滑动位移发展变快,破坏发生在接触界面处;法向应力对接触面厚度、土体变形沿试样深度分布形式影响较小,主要影响土体变形大小。循环剪切时接触面厚度未继续扩展;土体变形及变形位移幅值随循环剪切逐渐减小,并向初始剪切方向偏移,出现了异向性;接触面在不断剪切硬化,主要由结构面附近土体硬化所致;接触面强度是否达到主要取决于滑动位移,并在达到后逐渐减小,减小程度达16%,且正反向剪切时强度呈现异向性;接触面剪切体变、切向应力与3种位移（切向位移、变形位移、滑动位移）的关系稍有差别。     

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...     

筋土接触面直剪试验研究

为研究筋材与砂土接触面剪切特性,在改造的直剪仪上进行了筋材与砂土界面的直剪试验。结果表明:筋土接触面摩擦关系曲线符合摩尔-库仑强度准则。在本次试验的含水率范围内,筋土接触面的粘聚力随着含水率的增加而增加,摩擦角随着含水率的增加而减小。含水率为4%,筋土接触面的粘聚力和摩擦角随着砂土干密度的增大而增大。     

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%。     

土与混凝土接触面大型直剪试验方法研究

土与结构接触面直剪试验是研究接触面力学特性的有效途径,在常规直剪仪的基础上改进了混凝土制备方法,即分别制作混凝土垫块和面块,预埋吊装钢筋,并以三峡库区碎石土为研究对象,开展了一系列不同法向应力和不同初始含水率条件下的碎石土与混凝土室内大型直剪试验,得到了其接触面力学特性的变化规律,试验结果表明该试验方法方便可行,可为土与结构相互作用大型直剪试验研究提供一定的参考。     

球形粒状介质与钢板接触面力学特性的试验研究

 理想接触面力学特性的研究对其离散元数值模拟具有佐证材料和推动意义;运用自主研制的80 t大型三维接触面试验机对球形粒状介质与钢板形成的理想接触面三维单调、循环剪切力学特性进行分析和总结。试验结果表明理想接触面与实际粗粒土与结构接触面力学特性有较大不同。理想接触面亦产生明显的剪切体变,循环剪切时可分为可逆性和不可逆性两部分;不可逆性剪切体变主要由颗粒调整、孔隙减小所致;可逆性剪切体变主要由颗粒爬升、翻滚造成,受剪切路径影响明显;理想接触面剪切硬化现象不明显,切向应力–切向位移关系呈现明显非线性,曲线形式亦受剪切路径影响;接触面抗剪强度与法向应力关系符合莫尔–库仑准则,其摩擦角?i 约为20.2°,小于粒状介质本身内摩擦角;剪切路径对主应力比时程曲线形式影响明显,对主应力比峰值影响不大。     

大型三维土与结构接触面试验机的研制与应用

已有的土与结构接触面试验研究集中在二维加载条件下的接触面力学特性,而实际工程中接触面的受载条件大多为三维的,即接触面的剪应力方向在剪切过程中是不断变化的。针对粗粒土与较粗糙结构面的大型三维接触面的试验手段目前较为缺乏,自主设计研制了一台用于土与结构接触面特性试测的大型三维加载试验机。该试验机具有高加载能力,提供大试样截面,能够进行较大粒径土体与较粗糙接触面在较大应力变化范围内的单调和循环加载试验;采用液压伺服控制系统,法向可提供应力、常位移、常刚度等边界条件;切向两个方向均可按应力或位移控制,能够实现接触面上单向往返、十字、圆形、椭圆等不同的任意设定的加载路径。试验表明,该试验机能够很好地再现粗粒土与结构接触面在上述的复杂加载条件下的力学响应,为接触面的三维力学特性的研究提供了基础。     

循环荷载作用下粗粒土与结构接触面变形特性的试验研究

使用新研制的大型土与结构接触面循环加载剪切仪,对粗粒土与结构接触面在循环荷载作用下的力学特性进行了系统的试验研究,从宏观和细观两个层次进行了分析测量,讨论了循环荷载作用下接触面受力变形的规律和机理。试验表明,在循环荷载作用下,粗粒土与结构接触面的相对法向位移总体上表现为单调增长,但在一个剪切循环内表现出有规律的增减变化,因此接触面的剪胀体变可以划分为可逆性和不可逆性两个分量。接触面表现出由于初次剪切造成的细观结构异向性导致的宏观结构异向性。剪切过程中接触面存在着土颗粒破碎和剪切压密两种物态变化机制,共同支配着接触面力学性质的变化。     

土工格栅–土体界面特性大型直剪试验研究

土工格栅与土体的界面特性直接影响了加筋土工程的安全和稳定性,土工格栅两侧为不同材料的界面特性研究还较少。采用双向土工格栅为加筋材料,对其两侧分别为不同含水率粉质黏土及不同粒径石英砂的界面特性开展一系列的大型室内直剪试验,分析法向应力、粉质黏土含水率、剪切速率、石英砂粒径及粉质黏土压实系数等因素对土工格栅–土体界面抗剪强度的影响。结果表明:土工格栅–土体界面抗剪强度与法向应力呈线性相关,符合莫尔–库仑理论;粉质黏土含水率的变化对土工格栅–土体界面抗剪强度有较大的影响,在最优含水率时其界面抗剪强度指标最高;剪切速率的大小和石英砂的粒径变化对土工格栅–土体界面的抗剪强度有一定的影响,其影响范围分别在±10%和±7%内;粉质黏土压实度的增加能有效增加界面抗剪强度,压实系数越高,其提高幅度越大。这些影响应在工程应用中适当考虑。     

直剪试验与三轴试验的对比探讨

介绍了直剪试验与三轴试验的仪器设备及方法，通过对两种不同试验方法及结果的对比，指出三轴试验结果更接近土的实际理论值，数据更安全可靠，为岩土工程师使用抗剪强度指标提供了依据。     

Microstructural investigation on mechanical behavior of soil-geosynthetic interface in direct shear test

Interface shear strength between soil and geosynthetics mainly depends on the mechanical and physical properties of soil, geosynthetics and the normal stress acting at the interface. This paper presents results of an extensive experimental investigation carried out on sand-geosynthetic interface using modified large direct shear box. The study focusses on the shearing mechanism at the sand-geosynthetic interface and the effect of different parameters on the shearing mechanism. Smooth HDPE geomembrane, nonwoven needle punched geotextile and two types of sand having different mean particle size, have been used in the present study. Microstructural investigation of deformed specimen through Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM) reveals the shearing mechanism which includes interlocking and fiber stretching for sand-geotextile while sliding, indentation and plowing for sand-geomembrane interface. The shearing mechanism for sand-geomembrane interface highly depends on the normal stress and degree of saturation of sand. The critical normal stress that demarcates the sliding and plowing mechanism for sand-geomembrane interface is different for dry and wet sand. The amount of scouring (or plowing) of the geomembrane surface reduces with increase in the mean particle size of sand. FESEM images revealed that the sand particles get adhered to the geotextile fibers for tests involving wet sands. The present microstructural study aided in understanding the shearing mechanism at sand-geosynthetic interface to a large extent.     

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。     

不同剪切速率下格栅–土界面循环剪切及其后直剪特性

 为了研究剪切速率对砂土与土工格栅界面剪切特性的影响,采用室内大型直剪仪对土工格栅加筋砂土试样分别进行不同剪切速率下的单调直剪试验、循环直剪试验,并在循环直剪试验结束后接着对试样进行单调直剪试验,研究了剪切速率对筋土界面剪切应力、剪切体变的影响,对比分析不同剪切速率下单调直剪试验的结果与经受过循环剪切后的单调直剪试验结果的差异。试验表明：剪切速率对单调直剪条件下筋土界面的剪切特性影响不大;循环剪切过程中,低剪切速率和高剪切速率下分别发生循环剪切软化和循环剪切硬化现象;剪切速率对循环剪切后的筋土界面直剪特性影响较明显,受循环剪切后筋土界面的抗剪强度比不受循环剪切作用的要低。     

粗粒土与结构接触面切向变形非共轴现象的试验研究

粗粒土与结构接触面在切向应力控制三维加载条件下会出现切向变形非共轴现象,对其研究具有重要的理论意义。试验结果表明：单向圆形路径下,非共轴角在第1循环由接近90°逐渐减小,随后围绕某一数值波动,该值基本上不随循环周次变化;单位应力切向位移增量在初始剪切时由零开始增大,切向应力幅值不大时随循环周次逐渐减小,最后基本趋于稳定。往返圆形路径下,相邻2个循环周次的非共轴角符号相反;一个完整循环内,非共轴角由接近90°逐渐减小,最后基本趋于稳定,单位应力切向位移增量由小逐渐变大,然后基本趋于稳定;该稳定值在切向应力幅值不大时随循环周次逐渐减小。单向和往返圆形路径下接触面非共轴角的平均稳定值基本相同,均约为45°。切向应力幅值对接触面切向变形非共轴现象有较大影响;应力幅值越大,非共轴角越小,单位应力切向位移增量则越大。     

土工格室规格对加筋土剪切性能的影响

土工格室加筋结构由于抗震性好、施工简便、造价低廉,而广泛应用于公路、铁路等交通基础设施中。目前土工格室加筋结构中仅考虑了土工格室的抗拉强度,而未考虑土工格室规格的影响,使土工格室的选用主要依靠工程经验。通过对5种不同规格土工格室开展室内直剪试验,研究了条带高度、结点间距及法向应力对土工格室–砾砂剪切力学特性的影响,通过引入加筋强度系数评价了不同法向应力、土工格室规格的加筋效果,最后分析了土工格室规格对剪切强度参数的影响。试验结果表明：不同规格土工格室均可有效提高加筋结构的抗剪强度,其中抗剪强度随条带高度的增大、结点间距的减小而增大,同时条带高度对剪切强度的贡献约是结点间距的1.8倍。土工格室加筋砾砂的抗剪强度随法向应力增大而增大,但其加筋强度系数随法向应力的增大而减小。50kPa作用下,条带高度对加筋强度系数的增幅在12.57%以上,而结点间距对加筋强度系数的增幅却不足3.80%。土工格室加筋可显著提高填料的黏聚力,其中条带高度对黏聚力的提高尤为显著,增幅约为25%,而对内摩擦角提高相对较少,增量最大为5.11°。试验结果可为土工格室在实际工程中的应用和理论研究提供实验基础。     

Modified stress and temperature-controlled direct shear apparatus on soil-geosynthetics interfaces

In this paper, a bespoke stress and temperature controlled direct shear apparatus to test soil-geosynthetics interfaces is introduced. By adopting the apparatus, a series of ‘rapid loading’ shear tests and creep tests were conducted on the Clay – Geosynthetic Drainage layer (GDL) interfaces to assess the functionality of the apparatus. The experimental results indicate that, the modified apparatus can allow the shear deformation behaviour of soil-geosynthetics interfaces under environmental stress during thermal and drying-wetting cycles to be investigated, with a reliable performance. The resistance of Clay-GDL interfaces to shear deformation under the rapid loading of shear stress decreases after drying-wetting cycle and at elevated temperature. In the creep tests, the interfaces subjected to drying-wetting cycles and thermal cycles fail under a lower shear stress level than that of the interfaces without experiencing drying-wetting cycles and thermal cycles, respectively. The impacts of drying cycles on the horizontal displacement is significantly larger than that of wetting cycles. The first drying cycle has the largest impacts on the horizontal displacement than those of the following drying cycles. The impacts of drying alone on the horizontal displacement of Clay-GDL interfaces during drying cycles are small, and the main influence factor is the elevated temperature.     

纤维聚合物与砂的界面性能分析

通过试验，对加纤维聚合物的复合材料(FRP材料)与砂的界面性能作了初步的定性和定量的分析研究。结果表明：FRP材料与粒状材料界面的剪切性能，与法向应力的大小、相对粗糙度(表面粗糙度/颗粒的平均粒径)、砂体的初始密度、颗粒的棱角度有关；而剪切速率、土样的制备方法、样本的厚度对界面摩擦系数几乎没有影响。