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。     

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。     

台阶开挖基岩-填方体界面剪切强度及变形特征研究

以西南山区基础建设过程中高填方边坡工程为背景,为了研究含石率对基岩-填方体界面剪切特性与变形的影响,通过室内大型直剪试验,分别对两种含石率不同的试样进行直剪试验,分别研究填方体材料为纯土和在75%含石率的土石混合料条件下,结构面粗糙度、法向应力以及颗粒材料的微观力学特性对接触面剪切特性的影响。研究结果表明:含石率对填方体与基岩接触面的力学特性有显著影响,接触面剪切强度随含石率的增大明显提高;在相同条件下,含石率越小剪切过程的连续性越好;当含石率偏大且法向应力较高时,会对接触面前期的剪切强度形成不利影响。该研究成果可为填方体边坡设计、施工和工程的长期稳定性分析提供依据。     

粗糙度对接触面处土石混合体剪切特性的影响

对于土与结构接触面相互作用的研究基本上是对于一般粘土或者砂土,而对于土石混合体结构接触面的相互作用研究较少。利用德国研制的ADS-500/HL-200大型直剪试验仪探究接触面粗糙度对土石混合体与结构接触面力学特性的影响以及在特定粗糙度下,通过下移结构面法探究剪切带的特性。试验结果表明:随着接触面粗糙度的增大,接触面的内摩擦角略有增大,粘聚力不断增大;在不同的粗糙度下,法向压力从200 kPa增加到600 kPa,剪切过程中的竖向位移逐渐减小,但当法向压力从600 kPa增大到800 kPa时,土石混合体在剪切过程中的竖向位移增大;在法向压力为200 kPa、400 kPa、600 kPa时,土石混合体的剪切带厚度为L₁cm(6 cm≤L₁≤8 cm),在法向压力为800 kPa下,土石混合体的剪切带厚度为L₂ cm(4 cm≤L₂≤6 cm)。     

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。     

粗糙度对硅质板岩–泥岩界面强度与变形特性影响试验研究

为探讨粗糙度对硅质板岩–泥岩界面强度与变形特性影响,利用界面剪切仪开展软–硬岩界面剪切力学特性试验研究,分析界面试样剪切破坏模式、变形特征、强度演化规律,并探讨粗糙度对软–硬岩界面强度影响机制。结果表明：(1)硅质板岩–泥岩界面剪切破坏模式分为界面间剪断、泥岩内剪断以及界面与泥岩混合剪断三类。界面粗糙度越大,试样剪切破坏模式越趋于泥岩内剪断;(2)粗糙度对硅质板岩–泥岩界面剪切变形影响显著,随界面粗糙度增大,其剪切刚度降低、峰值强度点位移增大,表明界面试样剪切破坏前更易变形、剪切破坏时产生的塑性变形量越大;(3)粗糙界面存在显著提升了硅质板岩–泥岩界面抗剪强度,且界面粗糙度越大,其峰值强度与残余强度提高幅度越高;粗糙度大幅提升了界面试样的黏聚强度,但对其摩擦强度提升幅度有限;(4)剪切过程中泥岩不断被硅质板岩粗糙界面铲刮挤密形成“硬化剪切带”,且界面糙度越大,“硬化剪切带”越厚,试样剪断面越趋于泥岩内部。而泥岩抗剪强度大于界面强度,因此界面强度随粗糙度增大而不断提高,且提高幅度受控于剪断泥岩的黏聚强度。     

土与结构物接触面物理力学特性试验研究

利用改进的直剪仪进行了砂土与结构物的接触面剪切试验 ,研究了不同接触面相对粗糙度对接触面物理力学性质的影响 ;并通过数字照相技术记录了接触面附近砂土颗粒的位移情况 ,分析了土与结构物接触面剪切破坏的变形机理。试验结果表明 ,存在接触面临界相对粗糙度Rcr,土与结构物接触面可依据Rcr 分为光滑接触面和粗糙接触面。光滑接触面剪切变形时沿土与结构物接触表面产生滑动破坏 ,接触面附近体积变化很小 ,剪切破坏时无明显的剪应力峰值 ,为理想弹塑性模式 ;粗糙接触面剪切破坏时在接触面附近产生应变局部化 ,形成剪切带 ,并伴有应变软化和剪胀现象。剪切带厚度约为 5D50 。     

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。     

粗颗粒含量对粗粒土—混凝土结构接触面剪切力学性质的影响

利用大型直剪试验仪对粗粒土—混凝土结构接触面进行直剪试验,研究粗颗粒含量对接触面剪切力学性质的影响.通过试验获得接触面剪切条件下的强度、黏聚力、摩擦系数、刚度和残余强度等力学参数随粗颗粒含量变化的规律.研究结果表明,粗颗粒含量对接触面剪切力学性质有重要影响.随着粗颗粒含量的增大,接触面上的剪切强度、摩擦系数、残余强度和...     

随机形貌岩石节理剪切数值模拟和非线性剪胀模型

 采用满足正态分布的随机函数,构造岩石节理剖面的形貌,为研究受剪岩石节理的细观剪切特性和宏观剪胀效应提供研究基础。利用UDEC软件,基于CY微段节理模型,开发随机形貌岩石节理直剪特性的数值分析程序,采用CY微段节理模型的细观剪切力学参数,探讨微段节理的细观剪切特性和岩石节理的宏观剪切响应,提出节理抗剪强度参数与节理面粗糙度系数JRC之间的拟合关系。得到如下结论：JRC越大,岩石节理的宏观剪切峰值强度和剪胀角随之增大,而峰值剪切位移与JRC成反变化关系;随着法向应力的增加,节理的剪胀效应逐渐减弱;这些数值结论得到模型实验的充分验证。微段节理的细观切向爬坡和剪胀效应是岩石节理产生宏观剪胀的细观力学机制。通过对随机形貌岩石节理的宏观剪胀数值曲线性态进行分析,提出能考虑节理粗糙度JRC和法向应力影响的非线性剪胀本构模型,该模型较好描述了受剪岩石节理的剪缩段和剪胀段。     

基于细观数值试验的非饱和土石混合体力学特性研究

 从土石混合体细观结构出发,融合细观结构模型生成技术、主–从接触面模型及非饱和土渗流与强度理论,建立非饱和土石混合体的细观数值模拟方法。通过与非饱和土石混合体室内试验结果进行对比,验证所建立的细观数值模拟方法的可行性和合理性。利用该细观模拟方法,分析土–石界面接触特性、含石量及饱和度等因素对非饱和土石混合体力学特性与破坏机制的影响。结果表明：(1) 非饱和土石混合体在低围压下表现出明显的剪胀性,且受含石量和饱和度影响显著;在较高围压下基本上表现为剪缩变形,随含石量的增大其剪缩变形减小,饱和度对剪缩性的影响较小。(2) 土石混合体的峰值强度和变形模量随土–石界面摩擦因数的增大呈非线性增长,在界面摩擦因数大于0.6以后,两者基本趋于稳定值。(3) 含石量越大,非饱和土石混合体的峰值强度和变形模量越大,应变硬化特征更为显著,在含石量增加到58%后峰值强度和变形模量趋于稳定值。在低围压下剪胀变形随含石量的增加而增大;在较高围压时,剪缩变形随含石量的增大而减小。(4) 饱和度越大,基质吸力越小,非饱和土石混合体的峰值强度越低,但变形模量变化不大。     

粉土—混凝土界面与粉土剪切对比试验研究

采用自制的大型直剪仪开展不同含水量条件下黄泛区粉土-混凝土界面剪切及粉土直剪试验,研究不同含水量下粉土-混凝土界面及粉土剪切力学特性。试验结果表明:粉土-混凝土界面和粉土直剪的剪切应力-剪切位移曲线均为应变硬化型;粉土直剪的剪缩变形明显大于界面剪切结果;相同条件下,粉土-混凝土界面的剪切强度大于粉土的直剪强度,随着含水量的增大,粉土-混凝土界面与粉土剪切强度的差异逐渐减小,粉土趋近饱和时,两者强度基本相同;粉土直剪破坏时的剪切位移大于界面剪切破坏时的剪切位移;粉土直剪的黏聚力和界面黏聚力、摩擦角随含水量的增大均近似呈线性减小趋势,粉土直剪的内摩擦角随含水量增加呈现先缓慢后加速减小的变化趋势。     

围岩-衬砌接触面剪切力学性质及破坏机制的试验研究

基于巴西劈裂试验和三维扫描、3D打印技术,制作了围岩-衬砌接触面模型,结合围岩、衬砌的混凝土模拟材料,制备围岩-衬砌接触试样,通过模拟围岩-衬砌接触试样的剪切试验,研究围岩-衬砌接触面的剪切力学性质和破坏机制,分析影响其力学性质的主要因素,探究了围岩-衬砌接触面的抗剪强度公式,研究结果表明:围岩-衬砌接触试样的剪切曲线呈现出延性和脆性2种破坏类型;法向应力、接触面粗糙度和两侧材料力学性质对围岩-衬砌接触面的剪切变形、强度和破坏形态均有影响,对比发现接触面两侧材料属性的影响大于接触面粗糙度;接触面的剪切力学性质和破坏形态不仅取决于各因素的大小,还取决于其组合作用;依据接触面的破坏特征,将黏着摩擦理论引入Barton经验公式,提出适用于围岩-衬砌接触试样的剪切强度公式,实现了强度特征与影响因素的结合,为地震作用下的围岩-衬砌相互作用研究提供了试验参考。     

库岸危岩剪切带—基岩界面宏细观剪切贯通机制及力学特性研究

以三峡库区“板壁岩”危岩为研究背景,在总结岸坡危岩内部剪切带形成过程及基本特征的基础上,通过室内剪切试验和数值模拟手段,从宏细观的角度研究该岸坡危岩内部剪切带–基岩界面的剪切贯通机制及其力学特性。研究表明：(1)剪切带为危岩体失稳的主控因素,内部充填物质具有层状无胶结特征;(2)在常法向应力作用下,界面的破坏模式可以总结为台阶根部张裂–台阶爬坡,岩板损伤–台阶剪断,岩板裂纹贯通–台阶剪碎;(3)界面剪切应力–剪切位移曲线分为压密阶段、近加载端台阶根部斜裂缝出现阶段、近似弹性变形及微裂隙扩展阶段、近加载端台阶剪断阶段、剩余台阶剪断阶段及残余阶段6个阶段;(4)界面的峰值剪切强度和残余强度随法向应力、层厚和台阶高度的增加而增加,竖向累积位移随法向应力的增加而减小、随层厚和台阶高度的增加而增加;(5)界面裂纹数量变化曲线呈“S”型,共经历裂纹缓慢增加(岩板表面磨损)–裂纹迅速扩展(台阶剪断)–裂纹数量稳定(残余摩擦)3个发展阶段,试样内部颗粒应变能和胶结应变能变化趋势与剪切应力–剪切位移曲线变化相近,总能量、摩擦能及阻尼能随剪切位移的增加而增加。研究成果对剪切带整体力学性质及含剪切带危岩稳定...     

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。     

一种大型桩土界面直剪试验装置的研制与应用

自主设计研制了一台大型恒刚度桩土界面直剪仪用于黏性土中桩土界面的力学特性测试。该试验装置采用理想弹簧组加载系统,法向可提供恒刚度边界条件;切向可按位移控制,能够实现上剪切盒静止,下剪切盒直线和往复运动的加载路径。试验结果表明:该试验装置再现了黏性土体与结构接触面在不同加载条件下的力学响应,能够很好地模拟桩土界面剪切过程,为黏性土中桩土界面力学特性的研究提供了基础;大型桩土界面直剪试验得到的不同法向应力下,随着接触面粗糙度、剪切速率和黏性土含水率变化而变化的剪应力–剪切位移关系曲线,与已有关于桩土界面剪切力学特性影响因素研究结论相符。     

基于零厚度黏聚力单元节理面剪切破坏机理宏细观研究

为了探究不同粗糙度节理岩体剪切过程及破坏类型,利用ABAQUS有限元分析软件,采用全局嵌入零厚度黏聚力单元的方法模拟带节理岩体压剪过程。通过室内压剪试验和数值模拟结果对比确定所建立模型的正确性,从宏细观角度分析节理岩体剪切破坏行为。研究结果表明：采取全局嵌入零厚度黏聚力单元模拟节理岩体压剪过程的方法相对准确,能真实反映节理面细观破坏过程;不同粗糙度节理试样在恒定法向荷载下的剪切峰值强度随着粗糙度增加而递增;节理岩体的剪切过程大致可以分为4个阶段,线弹性强化阶段、带裂纹强化阶段、塑性软化阶段和残余强度阶段;不同粗糙度节理岩体在剪切过程中破坏类型不同,在恒定法向荷载下岩体剪切破坏大致可以分为3种形式,分别是滑移破坏,岩体局部剪断破坏和切齿破坏。     

粉质黏土–混凝土接触面特性单剪试验研究

 利用改进的循环单剪试验系统进行粉质黏土–混凝土接触面剪切性能试验。混凝土表面粗糙度分为光滑、一般和粗糙3种状态,法向压力为5～200 kPa,土样厚度分为10,20 mm两种情况,主要考查接触面粗糙度、法向压力以及试验选取的土样厚度对接触面剪切性能的影响规律。试验结果表明：接触面主要表现出2种破坏模式,一种是接触面附近土体自身剪切破坏,另一种是接触面滑移破坏,接触面的强度即为这2种破坏强度的下限,接触面加载路径最终达到哪一段强度曲线决定接触面的应力–应变特性;接触面粗糙度和法向压力越大,越趋向于土体自身剪切破坏;土样厚度对试验测得的接触面应力–应变曲线存在影响,但这种影响随着接触面粗糙度和法向压力的增大而减小。     

常/变法向应力下松砂-混凝土接触面剪切力学性状试验研究

利用Shear Trac-Ⅲ大型直剪仪对松砂-混凝土接触面进行了常/变法向应力作用下的剪切试验,分析了剪切过程中剪应力和剪切面体应变的变化特征,建立了能够反映松砂-混凝土接触面剪切力学性状的数学模型,并给出了模型参数的确定方法。试验结果表明:在常法向应力作用下的剪切试验中,松砂-混凝土接触面的剪应力及体应变与法向应力密切相关;在变法向应力作用下的剪切试验中,松砂-混凝土接触面的抗剪强度与相应的常法向应力的抗剪强度相同,但其体应变小于相应的常法向应力作用下的体应变;在常法向应力作用下,松砂-混凝土接触面的剪应力-剪切位移关系可以用双曲线模型表示;在变法向应力作用下,松砂-混凝土接触面的剪应力-剪切位移关系可以用分段双曲线模型表示。     

考虑黏土–结构接触变形的剪切–渗流耦合试验

针对高黏土心墙坝岸坡部位接触黏土与混凝土基座接触面的剪切渗流问题,研制了一整套可用于开展黏土与结构接触剪切力学特性和渗流特性研究的剪切–渗流耦合试验系统。该系统可实现接触面的大剪切变形,控制剪切变形与渗流方向正交,自动获取接触面力学特性与渗透特性的演化过程。通过开展接触黏土渗透试验及接触黏土–结构接触面力学特性试验,验证了该试验系统的可靠性。对某高心墙土石坝接触黏土料开展剪切–渗流耦合试验,结果表明：在低正应力下,试样整体渗透系数随剪切变形的增大先减小后增大,最后趋于稳定;在高正应力下,整体渗透系数随剪切变形的增大而不断减小并快速趋于稳定;探讨了不同正应力下土体剪胀性对接触黏土–结构接触面渗透性的影响机制。提出了结构粗糙度对接触面的渗透特性的影响有待进一步研究。