CNL及CNS条件下结构面剪切特性试验研究

为比较CNL及CNS边界条件下结构面剪切力学特性的差异,开展2种法向边界条件下不同粗糙度结构面的直剪试验研究,系统阐述法向刚度、初始法向应力及结构面粗糙度对结构面剪切力学特性的影响。试验结果表明,低法向应力水平下,法向刚度效果显著,CNS条件下剪切位移曲线展现出明显的硬化特征,剪胀曲线被抑制,峰值及残余剪切强度、峰值剪切位移及峰值法向位移均大于CNL试验结果。随着法向应力增大,法向刚度效果逐渐减弱,高法向应力水平下,CNS和CNL试验结果相近。试验成果有助于进一步认识CNL和CNS条件下结构面剪切力学特性及其差异。     

考虑法向应力历史的黏土–混凝土界面弹塑性分析

 土与混凝土接触界面剪切力学特性研究对桩基础设计至关重要,非挤土桩施工过程中由于成孔卸荷或桩身混凝土凝结造成界面附近土体径向卸荷,径向荷载的变化势必改变桩土界面的荷载传递规律。通过大型结构剪切试验发现：法向应力的变化历史对黏土–混凝土接触面剪切变形特性和强度参数影响明显。为给钻孔灌注桩桩土接触界面数值模拟提供合理的剪切力学模型,以接触界面积累的能量为硬化参数,假定接触界面剪切过程为界面积累能量对外做功的过程,考虑法向应力历史对剪切刚度的影响,提出考虑法向应力历史的黏土–混凝土界面模型,并介绍各模型参数的确定方法。模型原理清晰,参数物理意义明确。通过大型直剪试验成果数据对界面模型进行验证。结果表明：提出的模型能准确地再现和预测不同法向应力历史条件下的黏土–混凝土接触界面的力学特性。     

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。     

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。     

钢-粉质黏土界面剪切特性及本构模型研究

在结构物与土体相互作用的研究中,分析界面剪切特性并建立合理的本构关系具有重要意义。利用改进的直剪设备,对粉质黏土与光滑或粗糙界面钢之间的剪切性能进行试验,分析剪切应力-剪切位移关系和界面抗剪强度指标,依据Gompertz曲线模型和Clough-Duncan双曲线模型对试验结果进行拟合,结果表明:剪切应力随剪切位移增大而增加,达到峰值剪切应力后基本不变,未出现弱化现象;峰值剪切应力和峰值剪切位移均随法向应力和粗糙度的增加而增大;粗糙界面的黏聚力和摩擦角较光滑界面的更大;在法向应力较低的情况下,按Clough-Duncan双曲线模型和Gompertz曲线模型拟合效果均较好,在法向应力较高的情况下,Gompertz曲线模型拟合结果更合理。     

高应力状态砂土界面抗剪强度的试验研究

通过在DRS-1型微机高压直残剪试验系统上所进行的直接剪切试验研究表明高应力作用下砂-砂、混凝土-砂的抗剪峰值强度与正应力、残余强度与正应力之间的关系,符合库伦强度准则(高应力作用下混凝土-砂的剪切特性呈现出软化现象,混凝土-砂的剪切特性呈现出硬化现象.基底对砂土的抗剪峰值强度准则影响较小,但对抗剪残余强度准则影响较大,界面残余抗剪强度准则的选择与法向应力的大小有关,法向应力较低时剪切破坏发生在砂土中,法向应力较高时剪切破坏发生在界面上).     

锚杆锚固体与土体界面特性室内测试新方法

为了更真实地反映锚杆受拉时锚固体与土体界面的特性,较准确地获得包含界面剪切残余段的剪应力–位移(?–s)全过程曲线,自行研发了一种锚–土界面摩阻性能测试仪及相应的锚杆拉拔试样制作装置和方法。该测试仪器和测试方法简便易行,可成批模拟多种环境条件进行室内锚杆拉拔试验。利用该仪器完成了4批次27个不同条件的锚固体拉拔试验,深入研究了锚固体养护龄期、拉拔速率等因素对锚–土界面剪切强度特性的影响,提出了一种锚–土界面?–s全过程本构模型。研究结果表明:界面剪切强度在锚固体养护14 d后增长缓慢;锚杆以0.1~2.5 mm/min拉拔时,速率对剪切强度的影响不大;提出的锚–土界面模型计算曲线与试验曲线吻合良好。     

高温下带栓钉连接件型钢混凝土界面剪力传递性能研究

通过20个高温下带栓钉连接件型钢混凝土短柱推出试验及2个常温下的对比试验,研究其破坏形态、荷载-滑移特性、界面剪切承载力等。试验结果表明：高温下带栓钉连接件型钢混凝土推出试件的破坏形态与常温下大致相同,破坏以栓钉外侧混凝土劈裂为主;与常温下试件的荷载-滑移曲线相比,高温下推出试件荷载-滑移曲线的上升段相对平缓,在较小的荷载作用下即产生相对滑移,滑移刚度相对减小;当升温最高温度的持续时间相同时,试件的界面剪切承载力随最高温度的提高而降低,其中从常温到最高温度达到400℃以前,试件的界面剪切承载力随最高温度提高下降很快,而最高温度超过400℃以后,界面剪切承载力随最高温度提高下降的趋势减缓;当升温最高温度一定时,随着最高温度持续时间的增加,试件的界面剪切承载力降低。引入高温下界面剪切承载力影响系数,提出高温下带栓钉连接件型钢混凝土界面剪切承载力计算式,计算结果与试验结果相比总体偏于安全。     

压剪应力条件下砂岩开裂扩展过程的试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置及 PCI-2型声发射(AE)测试分析系统,开展法向应力分别为0.0,1.5,3.0,4.5,6.0 MPa条件下砂岩的压剪试验,对砂岩在压剪应力条件下的变形特性、声发射特性及其细观开裂扩展特征等进行系统研究。研究结果表明：随着法向应力的增加,砂岩抗剪强度增大,峰值剪切力及其相应的峰值位移均近似呈线性增大;不同法向应力条件下岩石的最终断裂破坏形态虽有所不同,但其开裂扩展趋势基本都是沿预定剪切面不断向前延伸扩展;法向应力越大,开裂扩展的时间越晚,岩石越不容易发生失稳破坏;受法向应力的影响,AE 事件率并未随着剪应力达到峰值而达到最大值,而是在峰值剪应力后急剧增大,微裂纹急剧扩展演化,最终AE事件率达到最大值,裂纹贯通导致岩石失稳破坏;随着法向应力的增加,剪切面两侧颗粒之间的摩擦力增大,同时受应力分布不均及岩石内部结构的影响,主裂纹的宽度越大,开裂扩展形态更加复杂。     

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。     

基于3种破坏类型的岩石损伤软化统计模型

为研究岩石峰后力学特性和本构关系,进行岩石的单、三轴压缩全程试验。基于不同阶段和不同破坏类型分别建立"分段本构模型"和"基于破坏类型的损伤软化统计模型"。分段本构模型通过屈服点、峰值点和残余强度点将岩石的应力应变划分为3个阶段,建立分段本构关系函数;基于破坏类型的损伤软化统计模型将岩石的压缩破坏划分为低围压(含单轴)下的环向张拉破坏、高围压下的剪切破坏以及中低围压下的张剪组合破坏,分别选取环向应变、剪切应变和体积应变作为损伤控制变量建立3种破坏类型的本构模型。结果表明,基于破坏类型的损伤软化统计模型能更好地描述岩石峰前及峰后的本构关系,揭示岩石内部损伤的发展过程。     

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。     

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。     

白砂岩、大理岩及花岗岩加锚剪切力学特性研究

为研究不同自然岩石材料锚杆锚固前后剪切力学特性的改变,选取白砂岩、大理岩及花岗岩3种代表性的岩石,对其切割、钻孔、锚固、养护后进行直接剪切试验,每种岩石材料分为无锚与加锚2种情况,试验中设置3组法向应力级别,探究不同自然岩石材料在不同法向力及剪切力作用下的受力和变形特征,对比分析岩性及节理面法向应力等因素对加锚节理岩体剪切力学特性的影响规律。试验结果表明:自然岩石与水泥砂浆等类岩石材料的加锚力学特性具有一定差别,锚杆锚固能够增加岩石节理面的当量黏聚力及内摩擦角,岩石材料的抗压强度对加锚节理面力学特性具有重大影响,岩性越软,岩石的加锚力学特性与类岩石材料越相近,岩性越硬,锚杆对岩石节理面抗剪强度的提高幅度越大,锚杆加固效果越显著。     

高温环境下钢筋和再生混凝土黏结性能的研究

为了研究高温对再生混凝土与钢筋的黏结性能的影响,设计制作44个中心拉拔试件,进行了四个受火温度(常温、200℃、400℃、600℃、800℃)的高温环境中心拉拔试验,对比分析了普通混凝土和取代率为100%再生混凝土在不同温度下的黏结性能变化,绘制了钢筋与混凝土τ-s曲线,在此基础上,基于界面黏结损伤模型探讨了高温下及高温后钢筋与再生混凝土的黏结损伤演变规律。试验表明：拉力作用下,再生混凝土的破坏形式分为劈裂破坏和劈裂-拔出破坏;随温度升高,黏结强度下降,峰值滑移特征值增大,同时,再生混凝土的极限黏结强度约为普通混凝土的0.8倍;黏结-滑移曲线整体呈现下降的趋势,在试验的基础上进一步通过数学分析软件对试件界面黏结损伤程度和相对滑移值进行回归分析,得到了钢筋与再生混凝土考虑界面损伤的黏结滑移本构方程。     

冻融循环对冻土–混凝土界面冻结强度影响的试验研究

为研究冻融循环作用对冻土–混凝土界面冻结强度的影响,对不同冻融循环次数、法向应力、试验温度及土体初始含水率条件下的冻结界面进行了系列直剪试验,研究经历冻融循环后界面峰值剪切强度、残余剪切强度及强度参数的变化规律。试验结果表明:冻融循环对界面剪切应力与水平位移曲线形态影响很小,经历20次循环后曲线仍是应变软化型。冻融循环对峰值剪切应力的影响强于对残余剪切应力的影响,表明其对界面胶结冰含量产生影响。当土体初始含水率较低且温度较高时,冻融循环使界面峰值剪切强度增加,但变化量较小。然而在含水率较高(20.8%)及试验温度较低时(-5℃),峰值剪切强度随着冻融循环增加而降低。因此在土体含水率较高且冻结温度较低时,对于发生小变形的冻结界面需要重视冻融循环对峰值剪切应力的影响。不同初始含水率、试验温度下冻融循环对残余剪切强度的影响较小且变化规律不明显。在试验温度为-1℃,-3℃,-5℃时,峰值黏聚力随冻融循环增加分别表现为增加、波动和下降,推测是由于界面胶结冰含量不同而引起。峰值摩擦角和残余摩擦角随冻融循环次数增加略有变化。     

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。     

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。     

渗流状态下非规则砂岩节理峰值剪切强度经验公式

为研究渗流条件下岩石节理的剪切力学特性,采用基于RDS–200型岩石直剪仪改造的剪切–渗流试验装置,分别进行了10组无渗流自然状态下和25组渗流状态下的非规则砂岩节理直剪试验,分析渗透水压、法向应力和节理粗糙度等因素对岩石节理剪切力学特性的影响,并提出渗流状态下非规则砂岩节理峰值剪切强度经验公式。研究结果表明,与无渗流自然状态相比,岩石节理在渗流作用下整体呈现峰值剪切强度减小,峰值剪切位移增大和峰前剪切刚度减小的特征。基于Barton提出的岩石节理峰值剪切强度经验公式,结合有效应力原理,并考虑渗透水压对基本摩擦角的影响,提出渗流条件下非规则砂岩节理峰值剪切强度经验公式。该公式仅增加了2个易于获取的试验参数(岩石节理壁强度JCS和渗透水压),对渗流条件下砂岩节理剪切强度试验数据拟合效果较好,对于准确估计渗流条件下岩石节理峰值剪切强度具有一定帮助。     

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...