基于三维数字图像相关技术钙质砂颗粒运动行为试验研究

桩基附近土颗粒的运动行为与宏观力学表现密切相关,对揭示界面剪切机制具有重要意义。利用自主研制的大型直剪仪,结合三维数字图像相关技术（3D-DIC）全场位移测量分析系统,开展了钢−钙质砂界面循环剪切试验,研究了界面附近砂颗粒的运动行为演化规律。结果表明：界面峰值剪切应力和发挥的界面摩擦角随循环次数的增大而增加,体变特性以剪缩为主;钙质砂颗粒左右移动的幅度与距界面的垂直距离成反比,钙质砂颗粒的位置随循环次数的增大逐渐向正剪切方向移动,试验结束时上剪切盒左侧区域的钙质砂颗粒向正剪切方向移动的距离最大;钙质砂颗粒在单个循环内出现有规律的上下移动,向下移动的幅值更大,位于上层的钙质砂颗粒向下移动的位移值大于下层;钙质砂颗粒的运动速度在沿单方向剪切时,呈现出慢−快−慢的变化规律,位于上剪切盒右侧区域的钙质砂的体变特性较左侧区域更显著;网格位移值和缺失数量随循环次数的增大而增加,在试验后期趋于稳定,试验结束时的破碎带厚度为 6.21 mm。     

筋-土界面循环剪切刚度和阻尼比的试验研究

为了研究筋-土界面在遭受动力作用时的表现,利用大型直剪仪对土工格栅、土工编织布、土工无纺布和砂土界面进行了一系列循环剪切试验,得到了不同工况下界面的剪切刚度和阻尼比,并探究了循环次数与剪切刚度和阻尼比之间的规律。研究结果表明,同一循环次数时格栅-土界面的循环剪切刚度最大,土工编织布-土界面的阻尼比最大;剪切位移幅值为3 mm时3种竖向应力下界面都呈现出循环剪切硬化的特征,随着循环次数的增加,各竖向应力下的界面阻尼比有趋于某一值的趋势;砂土密实度越大,同一循环次数对应的剪切刚度越大,阻尼比越小,且随着循环次数的增加3种砂土密实度的界面阻尼比有趋于同一值的趋势;循环剪切位移幅值为5 mm的界面发生循环剪切软化现象,剪切位移幅值越大,界面同一循环次数的阻尼比也越大。     

峰前循环剪切作用下岩石节理剪切力学特性

微震、工程爆破等低应力循环剪切荷载作用对节理岩体工程失稳破坏具有重要影响。为研究峰前循环剪切加卸载作用下岩石节理剪切力学特性,采用RDS-200型岩石节理剪切试验系统对人工劈裂黄砂岩节理进行了峰前循环剪切下的直剪试验。通过与未进行峰前循环剪切加卸载时岩石节理力学参数预测值对比,得到峰前循环剪切加卸载作用对峰前剪切刚度、峰值剪切强度、峰值剪切位移与残余剪切强度的影响。结果表明：（1）峰前循环剪切加卸载后,当法向应力为2 MPa时,岩石节理峰前剪切刚度增大,当法向应力为4～10 MPa时,岩石节理峰前剪切刚度在循环剪切应力幅值范围内增大,在超出循环剪切应力幅值时减小;（2）峰前循环剪切加卸载后,峰值剪切强度降低了10%～20%,降低百分比随法向应力增大整体呈对数函数增大;峰值剪切位移增加了2%～40%,增加百分比随法向应力增大整体呈对数函数减小;（3）峰前循环剪切加卸载后,岩石节理残余剪切强度无明显变化,峰值剪切强度与残余剪切强度差值减小,峰后剪切应力做功损失百分比降低。     

土工膜-土工布界面动力剪切特性试验研究

糙面土工膜（GMX）和无纺土工布（GT）是垃圾填埋场中周边衬垫系统的重要组成部分,其界面特性对于整体填埋场的稳定性尤为重要。但是,目前对GMX-GT界面的动力剪切特性研究较少。为此,利用大型直剪仪,开展了一系列全饱和条件及干燥条件下GMX-GT界面的循环剪切试验,主要研究了竖向应力、位移幅值和循环次数等对GMX-GT界面动力剪切特性的影响,并对比分析了全饱和及干燥两种条件下GMX-GT界面动力剪切特性的差异。研究结果表明,随着位移幅值的增加,GMX-GT界面呈现出由剪切硬化向剪切软化转变的特性。循环剪切作用使得界面的内摩擦角随着位移幅值的增加而增大。GMX-GT界面主要表现为剪缩特性,且总剪缩量随竖向应力、位移幅值和循环次数的增加而增加。剪切刚度随竖向应力和循环次数的增大而增大,随位移幅值的增大而减小。阻尼比随位移幅值的增大而增大,随循环次数的增加而减小,说明位移幅值会增加GMX-GT界面的能量的耗散。GMX-GT界面在干燥条件下的破坏模式与饱和条件下的存在明显差异,干燥条件下GT内部的破坏更加显著,全饱和条件下GMX表面的破坏更加明显。     

循环剪切对格栅-土石混合体界面特性的影响

为了研究不同含石量下土石混合体-格栅界面的循环剪切特性，采用循环直剪仪，在不同的竖向应力、剪切位移幅值和剪切频率下进行了单调直剪试验、循环直剪试验和循环后单调直剪试验，探究了5种含石量（0%、25%、50%、75%、100%）、3种剪切位移幅值（1、3、6 mm）和3种剪切频率（0.2、1.0、2.0 Hz）对土石混合体-格栅界面的峰值剪切应力和体变规律的影响。试验结果表明，含石量在0%～75%之间时，随着含石量的增大，土石混合体-格栅界面的循环峰值剪切应力和最大剪切刚度均随之提高，最终竖向位移绝对值和最大阻尼比随之减小；含石量继续增大至100%，土石混合体-格栅界面的最大峰值剪切应力和最大剪切刚度均随之减小，最终竖向位移的绝对值和最大阻尼比随之增大。在同一含石量下，剪切位移幅值和剪切频率越大，界面最大峰值剪切应力和最终竖向位移绝对值也越大。与单调直剪试验相比，循环后单调直剪试验得到的内摩擦角和似黏聚力有所增加，含石量在0%～75%的范围内，内摩擦角和似黏聚力随含石量的增大而线性增加，含石量继续增加至100%，内摩擦角和似黏聚力随之减小。     

不同边界条件下剪切速率对类岩石节理剪切力学特性的影响

为研究不同边界条件下剪切速率对岩石节理剪切力学特性的影响,采用RDS-200型岩石节理剪切试验系统对人工浇筑的具有相同节理形貌的不规则水泥节理试样进行了常法向应力和常法向刚度2种边界条件下5种剪切速率的直剪试验。结果表明：（1）常法向应力边界条件下,随剪切速率增大,相同法向应力下的类岩石节理峰前剪切刚度减速增大,峰值剪切强度和残余剪切强度呈对数降低;随剪切速率增大,类岩石节理黏聚力减速增大,内摩擦角呈对数降低。（2）常法向刚度边界条件下,随剪切速率增大,相同法向应力的类岩石节理峰前剪切刚度减速增大,峰值剪切强度呈对数降低,较高法向应力下的残余剪切强度先增大后减小;随剪切速率增大,类岩石节理黏聚力呈对数降低,内摩擦角减速增大。（3）与常法向应力边界条件相比,常法向刚度条件下,节理黏聚力平均增加了115.85%,内摩擦角平均降低了8.44%;相同初始法向应力和剪切速率下,峰前剪切刚度、峰值剪切强度和残余剪切强度分别平均增加了11.96%、19.47%和32.32%,峰值法向位移平均降低了40.12%。该研究结论可为不同剪切速率下地表和地下工程岩体节理的剪切失稳评价提供一定参考。     

钙质砂与钢板接触面力学特性试验研究

对一种人工制备的钙质砂与光滑铜板接触面进行了一系列的单调和循环剪切试验,表明钙质砂与光滑钢板的接触属于摩擦接触,界面剪应力与正应力之比与剪切位移关系有较好的归一性。等正应力试验中钙质砂的的缩性较大;等体积试验中接触面的抗剪强度因正应力的降低而远低于等正应力试验;循环剪切中加荷与卸荷曲线基本重合,经历循环剪切作用后接触面的抗剪强度有降低的趋势。界面湿摩擦系数低于干摩擦系数。     

直剪剪切速率对钙质砂强度及变形特征的影响

为深入研究剪切速率对钙质砂强度和变形特征的影响,对钙质干砂进行不同剪切速率条件下的直剪试验。研究结果表明,随剪切速率从0.1 mm/min增至2.4 mm/min时钙质砂抗剪强度先减小后增大,其内摩擦角亦呈现出先减小后增大趋势,临界剪切速率为1.6 mm/min;低法向应力条件下钙质砂试样随剪切速率的增加更易于呈现剪胀现象,高法向应力条件下剪切速率从0.1 mm/min增长至1.6 mm/min时试样整体剪缩量逐渐减小;当剪切速率继续从1.6 mm/min增长至2.4 mm/min时试样最大剪缩量逐渐增加;不同法向应力水平条件下钙质砂加载速率效应的细观机制不同,较低应力水平条件下钙质砂加载速率效应主要由试样内部颗粒错动、换位、重新排列引起,在较高应力水平条件下钙质砂加载速率效应主要由颗粒破碎引起。     

三明治形加筋土筋-土界面动力剪切特性

三明治形加筋土是一种在黏土中加入加筋砂层形成的混合填料形式的新型加筋土。为了研究不同条件下三明治形加筋土筋-土界面的动力剪切特性,采用大型直剪仪对三明治形加筋土进行了一系列循环剪切试验,研究了不同薄砂层厚度、循环剪切幅值和竖向应力对界面剪切特性的影响。试验结果表明：筋-土界面的剪应力峰值随着循环次数的增加而增加,循环周次为10时,薄砂层厚度为5、6、7、8、9 mm的条件下,筋-土界面的剪应力峰值分别为24.84、27.4、27.94、26.33、24.68 kPa,表明薄砂层厚度为7 mm时,筋-土界面在循环剪切阶段的峰值剪应力最大;剪切幅值越大,界面循环剪切的最终剪缩量越大,同一循环次数对应的剪切刚度和阻尼比越小;在不同竖向应力下,界面在循环剪切过程中都发生了循环剪切硬化现象,循环周次为10时,竖向应力为30、60、90 kPa的条件下,筋-土界面的剪应力峰值分别为20.4、25.14、32.96 kPa,表明剪应力峰值随竖向应力的增大而增大,同一循环次数对应的剪切刚度也随竖向应力的增大而增大。     

砂与粘土接触界面的力学特性试验

利用DSJ-2型电动四联等应变直剪仪分别进行了不同粒径砂和粘土(方案1)、不同含水量砂和粘土(方案2)的直剪试验,揭示了其接触面的力学特性。试验结果表明:法向应力(σ_n)、砂粒径大小、砂含水量对接触面的力学特性有着重要的影响。方案1和方案2接触面的抗剪强度和达到剪切应力峰值时的剪切位移随着法向应力的增大而增大,当σ_n为100 kPa时,粘土和不同粒径砂的接触面剪切应力和水平剪切位移(τ-δ)关系曲线呈现应变软化现象;方案1接触面抗剪强度随砂粒径的减小而降低,方案2在σ_n为100 kPa时,接触面抗剪强度随砂含水量增加而降低,σ_n>100 kPa时,接触面抗剪强度随砂含水量增加先降低后变大;方案2在低法向应力下,接触面抗剪强度对应的含水量敏感区间为[10%,15%],且较明显。      

钙质砂抗剪强度特性的环剪试验

珊瑚礁沉积的钙质砂与石英砂的物理力学性质有较大差别。对取自南海岛礁的钙质砂进行了单次往返环剪试验以分析钙质砂的抗剪强度特性,试验中考虑了相对密实度和竖向应力对结果的影响,并与相同级配和试验条件下的石英砂进行对比分析。结果表明：钙质砂正向剪切时应力-位移曲线为软化型,具有明显的残余强度特性,而反向剪切时则表现为硬化型,正向和反向剪切强度基本一致;石英砂正向剪切和反向剪切均表现为软化型。钙质砂正向剪切和反向剪切残余强度与峰值强度的比值在0.75～0.93之间;石英砂正向剪切和反向剪切残余强度与对应峰值强度的比值在0.89～0.96之间。相同级配和试验条件下,钙质砂残余强度均大于石英砂,且强度比值基本保持在1.05～1.3之间。在100、200 kPa竖向荷载作用下,钙质砂0.5～2.0 mm的颗粒发生了破碎,破碎率分别为4%和6%。     

Simple Shear Behavior of Calcareous and Quartz Sands

The monotonic and cyclic simple shear behavior of several loose skeletal calcareous sands is investigated and compared to that of common Nevada and Ottawa quartz sands in order to draw contrasts between these types of materials and to develop stiffness and modulus degradation curves for quasi-nonlinear ground response analysis. Mobilized frictional resistance and cyclic strength are generally higher for the calcareous sands, whereas shear modulus and damping are larger for quartz sand at strain levels between 0.05 and 1%. Degradation properties do not appear to be very sensitive to the initial cyclic stress ratio. Differences in behavior between the calcareous and quartz sands are presumably due to contrasts in grain geometry, hardness, gradation and the amount of intraparticle voids.     

Energy dissipation in engineered sand of large damping ratio

Many geotechnical problems such as seismic resistant designs and machine vibrations require the installation of dampers or isolators to control the amplitude of vibrations. Engineered fills designed with increased capability of dissipating energy can provide a more economical approach to control excessive vibrations. This study presents a novel technique to increase the damping ratio of sand without affecting its stiffness and shear strength. The increase in damping ratio is evaluated by performing resonant column tests on the engineered sand. The damping ratio of the sand is increased by adding a controlled amount of viscoelastic material to the voids. The resonant column tests indicate that the damping ratio of the sand can be increased manifold without affecting the shear modulus. The micromechanical evaluation of the results shows a good correlation between the particle surface area in contact with the pore-mixture and the damping ratio of the sand. The suitability of engineered sand as foundation material is also evaluated by performing direct shear tests. The direct shear tests on mixtures indicate similar or better shear strength parameters compared to pure sand.     

法向刚度对土与结构接触面三维特性影响的试验研究

运用80 t大型三维接触面试验机,对不同法向刚度下粗粒土与结构接触面三维静动力学特性进行了试验研究,重点分析了法向刚度对接触面力学特性的影响规律。法向常刚度条件下,接触面在单调剪切时均先剪缩再剪胀、法向应力先减小后增大;循环剪切时接触面不可逆性剪切体变呈单调增长、可逆性剪切体变峰值逐渐减小后趋于稳定,切向应力峰值不断减小,抗剪强度逐渐减小,主应力比峰值则基本保持不变。法向刚度主要影响剪切体变、可逆性剪切体变、切向应力、主剪应力等接触面力学性能参数的大小;法向刚度越大,单调剪切时法向应力变化越大、切向应力峰值越大、剪缩和剪胀量越小;循环剪切时不可逆性剪切体变增长越慢、最终值越小,抗剪强度减小越快、达到0时对应的循环周次越少。法向刚度对剪切体变、可逆性剪切体变、主剪应力、主应力比等性能参数与切向位移的关系形式及接触面摩擦角基本没有影响。     

材料状态对干砂小应变特性的影响

利用注能虚拟质量(EIVM)共振柱系统进行了干砂小应变特性试验,研究了有效平均正应力、土样密度、剪应变幅值以及荷载往复次数对剪切模量和阻尼比的影响。试验结果表明,剪切模量随有效平均正应力与土样密度的增加而增加,而阻尼比的变化规律则与之相反,并且有效平均正应力对干砂小应变特性的影响程度比土样密度的影响程度大得多;随着剪应变的增加,剪切模量越来越小,而阻尼比越来越大;荷载往复次数对剪切模量基本没有影响,而对阻尼比有较大影响。     

循环单剪下珊瑚钙质砂和普通硅质砂剪切特性对比研究

对普通硅质砂和西沙群岛珊瑚钙质砂开展多级正应力下循环单剪试验,对比多循环周期下两种砂土剪切性质和颗粒破碎的差异。研究发现,两种砂样在循环剪切下体积变化都比较微弱,剪切过程中存在阶段性剪胀,使得试样的轴向位移呈波动变化;循环单剪下剪应力峰值包络线可以用联合型指数函数表达;剪应力随循环周期变化分为同步阶段和差异阶段,两个阶段转变节点对应的循环周期数随着正应力的增大而迅速减小;同步增长阶段珊瑚钙质砂和普通硅质砂的剪应力变化一致,在差异阶段普通硅质砂的剪应力要高出珊瑚钙质砂。两种砂剪应力差异程度随试验正应力不同而变化,普通硅质砂剪应力最大可高出珊瑚钙质砂14.7%;珊瑚钙质砂和普通硅质砂的颗粒破碎存在明显差异,珊瑚钙质砂全粒径范围内颗粒破碎分布更均衡,普通硅质砂在特定粒径区间内出现了剧烈的颗粒破碎,颗粒级配曲线存在明显拐点。普通硅质砂和珊瑚钙质砂滞回曲线的形状及随循环次数的变化规律有显著差异,是两种砂样剪切性质不同的重要体现。