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。     

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。     

应力历史对重塑红黏土动力特性影响的试验研究

土体动力特性是影响工程稳定性的重要因素。大量试验研究表明应力历史对红黏土静力特性有较显著影响,但目前研究应力历史对红黏土动力特性影响的成果甚少。为进一步揭示应力历史对红黏土动力特性的影响,对承受过不同应力历史的重塑红黏土土样进行了大量动三轴试验,得到了不同应力历史条件下重塑红黏土的动应力应变骨干曲线及动模量变化曲线,分析了不同应力历史对重塑红黏土的影响规律。试验结果表明：在不超过重塑红黏土强度的范围内,提高土体压实度、围压、固结比和振动频率,有利于提高土体动强度和动弹性模量。为给相关工程提供基础数据及参考,建立了重塑红黏土动力指标与应力历史因素的经验公式。     

粗糙度对冻土-结构接触面剪切特性的影响研究

随着西部大开发和振兴东北战略进一步深化,各种寒区工程得以大规模修建。为了保证建、构筑物的寿命,使其在服役期内能够保持正常的工作状态,要求冻土和结构物具有良好的冻结强度和稳定性,冻土-结构接触面特性是冻土力学特性最直接的反映,而接触面粗糙度是影响这一特性的重要因素。因此主要从粗糙度出发,根据国内外现有冻土-结构接触面剪切试验研究成果,从粗糙度的评定、粗糙度对力学特性的影响及其微观机理等方面进行了系统的分析;最后基于Gompertz模型构建了可考虑粗糙度影响的接触面剪应力-剪切位移本构模型,验证表明,该模型能够较好地描述接触面的剪应力-剪切位移发展规律。     

高应力水平下深部黏土力学特性微观分析

深部黏土在不同应力水平作用下会表现出不同的力学特性,已有试验结果表明高应力水平下正常固结饱和深部黏土的压缩指数和内摩擦角均小于中常压下相应值。为揭示深部黏土力学性质发生上述变化的内在机理,首先利用现有基于双电层理论推算高压黏土压缩曲线的计算方法对试验结果进行验证计算,发现其低估了深部黏土在高压下的压缩性,分析表明原有的两黏土薄片中点无量纲势函数与黏土薄片无量纲距离参数的对数假设关系存在不合理之处,利用新提出的假设以及相应的计算方法获得的预测计算结果能够很好地与试验结果相吻合。然后利用弹性黏着摩擦理论对内摩擦角随应力水平变化进行了计算分析,结果表明在 0.2 MPa 作用下土的摩擦系数是 1.6 MPa 相应值的 2 倍,与实测结果基本一致。     

渗流–应力–化学耦合作用下岩石裂隙渗透特性试验研究

 为研究渗流–应力–化学耦合作用下岩石裂隙渗透特性变化规律,设计3组试验工况,在改变渗透压以及化学溶液的条件下,分别测定每种工况下的渗出水流量、渗出水离子浓度值以及渗出水pH值变化情况,进而得出裂隙渗透特性变化情况。通过处理试验数据,总结分析各因素对裂隙渗透特性的影响,并建立裂隙开度变化率与渗出水中钙离子浓度值之间的关系式。试验结果表明,渗出水流量、裂隙开度总体趋势是随着时间逐渐减小的,最终趋于稳定状态;增大渗透压,稳定状态会被打破,裂隙的流量和开度都会增大,但最终趋于另一个稳定状态;化学溶液对岩体裂隙的侵蚀性大,对岩体渗透性的影响更明显。通过分析和提炼渗出水流量、裂隙开度、渗出水的离子浓度值以及渗出水的pH值等随时间变化的数据,及它们之间的内部关系,在理论上描述岩体裂隙在渗流–应力–化学耦合作用下的渗透特性,进一步揭示渗流–应力–化学耦合作用机制。     

应力水平对结构性软黏土静力和动力变形特性影响的试验研究

采用原状和重塑软黏土样进行测量剪切波速的压缩试验及循环三轴试验，结果表明：在静荷载作用下，原状软黏土的变形特性随应力水平变化均可分为3个阶段，这3个阶段以先期固结应力和结构届服应力为分界点，利用剪切波速可简单、方便地判定出这2个关键应力值；重塑软黏土的变形规律与应力水平无关。对土体施加循环荷载时，两种土在不同固结应力下的应变一振次关系曲线上均存在着一个转折点，施加的动应力幅值小同，转折点应变也不相同，但该应变与相应的破坏振次呈线性关系。对于原状软黏土样，其转折点应变破坏振次关系分3个阶段变化，且与压缩试验的3个阶段具有良好的对应关系；对于重塑软黏士样，其线性关系基本不随应力水平变化而变化：当原状土结构破坏后，两种土样的变形规律趋于一致。     

考虑结构性影响的原状软黏土应力–应变特性真三轴试验研究

通过对营口原状软黏土和饱和重塑软黏土的真三轴试验,研究围压和中主应力系数对软黏土强度的影响。基于综合结构势理论,提出真三维应力条件下软黏土的应力比结构性参数,建立引入结构性参数的原状软黏土偏应力–广义剪应变关系式。研究结果表明:当固结围压先期固结压力时,原状软黏土偏应力–广义剪应变曲线形态表现为应变软化,体应变表现为剪缩特性;当固结围压先期固结压力时,其曲线形态表现为应变硬化,体积应变表现为剪胀特性;饱和重塑软黏土的偏应力–应变关系曲线则不受先期固结压力的影响,均表现为应变硬化型。软黏土强度都随着固结围压和中主应力系数的增大而增大。应力比结构性参数m_η随广义剪应变、固结围压和中主应力系数的增大而降低,其与广义剪应变呈显著的对数关系。将拟合得到的应力比结构性参数m_η引入到原状软黏土的q-ε_s曲线中,得到q/m_η-ε_s关系曲线,进而建立引入结构性参数的原状软黏土偏应力–广义剪应变关系式,其与试验结果具有较好的一致性,从而使原状软黏土q-ε_s曲线得到合理描述。     

应力方向效应对软黏土变形和孔压特性影响的试验研究

利用空心圆柱扭剪仪对原状软黏土开展了系列含主应力方向旋转条件下的试验研究:包括单纯旋转主应力方向、单纯往复旋转主应力方向以及主应力方向旋转的同时增加剪应力等典型应力路径。主要研究应力方向效应对软黏土变形及孔压特性的影响。通过参数对比研究,分析了中主应力系数b、剪应力水平、应力旋转方向及与剪应力耦合作用的影响等。试验结果表明:在主应力大小保持不变的条件下,主应力方向的旋转也会引起软黏土显著的应变和孔压或体应变的累积,中主应力系数对应变和孔压的变化规律均有一定的影响,b=0.5时,试样接近平面应变;b=0.75时,孔压随应力旋转累积最显著。剪应力越大,主应力方向旋转引起的应变和孔压也越显著。应力方向效应和剪切对土体具有叠加耦合作用。     

红黏土在不同应力路径下的力学特性试验研究

采用应力-应变控制式三轴仪对贵阳市某基坑内的原状和重塑红黏土进行了等压固结和K₀固结条件下的增p剪切、减p剪切、等p剪切应力路径室内试验,以研究在不同应力路径下红黏土的力学特性。研究结果表明,不同应力路径下红黏土的力学特性有较大的差异,红黏土对应力路径的敏感性与其自身的结构性有很大关系,初始固结条件和应力路径对红黏土抗剪强度指标的影响主要表现在对粘聚力的影响上,而对内摩擦角的影响较小。应力路径是孔隙水压力变化特征的决定因素之一。排水条件对红黏土的变形影响较小,对其强度值影响明显。对等压固结和K₀固结剪切结果进行比较,认为其在两种固结条件下的变形和强度上均存在较大差异。     

低剪应力水平主应力轴循环旋转对原状黏土性状影响研究

 为研究低剪应力水平主应力轴循环路径可能对黏土性状产生的影响,以杭州地区典型原状软黏土为对象开展试验研究。结果表明,试样在安全极限剪应力水平下进行剪应力恒定的多振次主应力轴循环旋转后(含单幅和双幅旋转),应变及孔隙水压力发展进入动态平衡,瞬时等效刚度和孔隙水压力值主要取决于剪应力中的扭剪应力分量,而轴向应力分量对两值亦有促进作用。进入主应力轴循环旋转动态平衡的试样在卸载后进行后续静态剪切时,应力–应变关系将表现出明显的刚度硬化特征,其中尤以三轴压缩过程中强度发挥程度提前的现象最为显著。同时,由于主应力轴循环旋转导致试样残余应变的积累及结构上的变化,使得试样在后续三轴压缩试验初期产生的主应变增量与主应力增量方向不共轴特性较为明显。但低于安全极限剪应力水平的主应力轴循环旋转未对试样的静态抗剪强度以及临界孔隙水压力产生显著影响。     

砂土颗粒级配对筋土界面抗剪特性的影响

为了研究砂土与土工合成材料相互作用时筋土界面的抗剪强度以及剪胀特性,采用3种不同级配的砂土分别与土工格栅和土工织物进行室内大型直剪试验,研究不同颗粒级配、密实度、筋材种类以及竖向应力对界面剪切特性的影响,并对界面剪胀系数进行分析。试验结果表明：粗砂和细砂与筋材的界面剪切强度要明显大于粗细混合砂;松砂剪切过程中只有剪缩效应的存在,但密实砂土呈现出明显的剪胀过程;当竖向应力较大时,筋土界面达到峰值剪切强度所需的剪切位移比低应力时大;粗砂与土工格栅作用时达到峰值剪切强度所需的剪切位移比与土工织物作用时大,而细砂则相反。     

黏土动、静弹性模量相关性试验研究

从实地黏性土的工程特性和动力特性试验入手,通过标准击实试验、抗压试验和波速测定等,并对7个样品的动、静态弹性参数进行测试、分析,研究不同含水率黏土样品的动、静态弹性参数试验和两者之间的转换关系,提出将含水率与密度的比值作为研究动、静态弹性参数的关系变量,建立该黏土的动、静态弹性模量和动、静态泊松比之间的转换关系。试验结果表明：（1）动、静态弹性模量和动、静态泊松比与含水率之间存在较好的三次曲线关系,动、静态弹性模量随含水率的升高而减小,动、静态泊松比随含水率的增加先增大后减小再增大,而动、静态弹性模量之比随含水率的升高而增大,动、静态泊松比之比随含水率的升高先减小后增大再减小（;2）动、静态弹性模量之比、动、静态泊松比之比与含水率密度之比之间也存在较好的三次曲线关系,动、静态弹性模量之比随含水率与密度的比值的增大而增大,动、静态泊松比之比随含水率与密度的比值的增大呈减小趋势;（3）动态弹性模量大于静态弹性模量,动态泊松比小于静态泊松比;（4）含水率与密度的比值作为研究动、静态弹性参数的关系变量,具有高的拟合精度;（5）动、静态泊松比随含水率的变化较弹性模量随含水率的变化小,动静泊松比之比随含水率与密度的比值的变化也较动、静态弹性模量随含水率与密度比值的变化小。该项研究为黏土动弹性模量在工程实际中的应用提供了试验依据,且为黏土的动、静弹性模量关系研究提供新的研究方法。     

钙质砂剪切特性试验研究

 对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行了不同围压下的三轴排水剪切试验,试验结果表明,钙质砂在三轴剪切试验中的应力–应变关系随围压而发生变化,在低压时与普通陆源砂相近,而在中、高围压时表现出陆源砂高围压时的力学性质。在剪切过程中由于颗粒破碎导致封闭的内孔隙释放,体积应变要比石英砂大得多,剪切过程中发生的变形几乎全为不可恢复的塑性变形,其剪胀性与峰值应力比与围压密切相关,峰值应力比与剪胀性随着围压的升高而下降。     

不同应力路径下红粘土的力学特性

红粘土的力学特性与土体中应力变化过程、应力状态有关，常规的直剪试验、三轴试验并不能真实地反映天然土层的初始应力状态、应力-应变和强度规律。采用不同应力路径试验以模拟土体在实际受荷过程中的应力．应变过程，结合试验结果分析了红粘土的力学特性。研究结果说明，在工程实践中应根据实际的受力情况、应力状态来确定相应的应力路径，以正确、合理地测定红粘土的力学参数。     

动三轴试验中饱和软黏土的孔压特性及其对有效应力路径的影响

 变围压动三轴试验能够同时施加循环变化的偏应力与循环变化的围压,可以模拟地震荷载下动剪应力与动正应力的耦合。通过GDS双向动三轴设备进行一系列饱和软黏土的变围压动三轴试验,系统研究循环偏应力和循环围压耦合对饱和软黏土孔压特性的影响。试验结果表明：在单纯循环围压条件下,饱和软黏土会产生相应的正的瞬时动孔压,但是并没有产生明显的负的瞬时动孔压;在循环偏应力与循环围压耦合情况下,饱和软黏土的孔压时程曲线表现出与常规动三轴试验不同的特性,即动孔压的振幅更大,并且最大动孔压和最小动孔压表现出不同的发展规律：最大动孔压持续增长,而最小动孔压在加载一定周数后趋于稳定。此外,对残余孔压的定义进行量化,并对循环偏应力和循环围压耦合对有效应力路径的影响进行研究。     

砂土与混凝土接触面力学特性大型单剪试验研究

利用研制的大型单剪仪,进行砂土与混凝土接触面单剪试验研究,研究单一粒径的砂土对混凝土接触面物理力学性质的影响。从试验结果分析得到,不同单一粒径砂土的接触面厚度和试样破坏时的剪切位移。试验表明:抗剪强度与法向应力呈较好的线性关系;在接触面法向应力压力较低时,剪切应力-位移关系曲线呈应变软化型;随着接触面法向应力的增高,剪切应力-位移关系曲线呈应变硬化型的趋势越明显,此时,不同单一粒径的砂土与混凝土界面剪应力-位移曲线可看成由一条曲线与一条平直线组成。接触面法向应力越低剪胀越明显;随着接触面法向应力的增大,剪胀性减弱,试样发生剪胀时的剪应力也逐渐增大。     

非饱和黏性土的抗拉强度与抗剪强度关系试验研究

 通过对具有一定抗拉强度的非饱和黏性土在不同含水量状态下的重塑土样进行剪切和拉伸对比试验研究,结果表明,非饱和黏性土的抗剪强度指标c和j在一定范围内都随含水量的增大而减小;以三轴拉伸试验围压为大主应力、轴向应力为小主应力所确定的各应力圆符合莫尔–库仑准则;物理性状相同的非饱和黏性土重塑土样的抗拉强度与抗剪强度存在一定的函数关系。提出在无拉伸试验条件情况下,可通过相应物理性状的剪切试验结果计算非饱和黏性土的抗拉强度思想。     

岩锚界面及其端部附近应力场奇异行为的弹性力学分析

预应力锚索的使用效果很大程度取决于锚杆和岩体的结合程度，而锚杆和岩体的结合界面不可避免地要受界面缺陷的影响。在锚索的设计和计算过程中，现有文献对岩锚界面的应力分布的描述有一定的误差。以锚索拔出为对象建立理论分析模型，对岩锚界面端部的断裂力学行为进行了研究。结果表明，剪应力和径向应力在界面的两个端部(内端部和外端部)都有较强的应力集中现象，应力集中可能直接引起端部的破坏，而平均应力法则忽略了这一现象。所得研究结果可以直接应用于工程施工和监测中，同时，对边坡预应力锚固设计也具有实际指导意义。