大型原位直剪试验设备改进研制与应用

大型原位直剪试验的试样尺寸大,对土体扰动小,是获取岩土体强度参数的有效方法。中国科学院武汉岩土力学研究所在参考室内、现场两用大型直剪仪后,又改进研制了一套大型原位剪切设备。与传统原位直剪设备不同,该设备采用上、下两个刚性剪切盒,可完成尺寸为50 cm×50 cm×41 cm,最大粒径为5 cm的原位土体试样的剪切试验。该直剪设备组装方便,采用高精度传感器可自动采集数据,更适合于复杂的现场试验环境。介绍了该设备的结构组成、工作原理、技术优点。结合实例详细介绍了大型原位直剪试验的试验方法及注意事项。将此大型原位直剪设备应用于向家坝库区两个滑坡现场试验,得到了滑坡滑带、滑体的原位抗剪强度参数,分析了不同试样大型原位直剪试验剪切曲线的特点,进一步论证了该直剪设备的优良工作性能。     

黄土原位钻孔剪切试验研究

准确获得黄土原位土体抗剪强度参数对黄土工程至关重要。将钻孔剪切试验应用于西安某黄土滑坡原位土体抗剪强度参数测试,提出了黄土场地中适宜的成孔方法,在原Iowa钻孔剪切仪基础上加装微型位移测量系统和剪切力测量系统,精确测量法向位移与剪切应力,并将钻孔剪切试验结果与室内直剪试验结果进行了对比。结果表明,改进后的设备测试更加可视化、可控化;试验阶段法向压力–位移分布近似在一条直线上,土体处于似弹性变形阶段;首级法向压力固结时间为10 min,后续每级压力固结时间为5 min,满足试验要求并能保证试验成功率;与室内直剪试验相比,钻孔剪切试验测得的内摩擦角平均大40.8%,黏聚力平均小12.7%。钻孔剪切试验数据之间相关性较好,测试效果良好,可为今后黄土原位土体抗剪强度参数测试提供借鉴与指导。     

连云港海相软土不排水强度特征

连云港地区软土为碱性环境下沉积的非均质海积软土,软土抗剪强度具有固有各向异性。采用三轴不固结不排水剪切（UU）试验、无侧限抗压强度（UTC）试验、快剪试验和原位十字板剪切（FVT）试验4种方法,对连云港地区软土的不固结不排水抗剪强度特征进行了研究。结果表明：土体水平剪切面强度最低,竖直面抗剪强度最高;土体制样采用垂直方向的切取试样方式时,土体强度最高。根据三轴UU试验得出的黏聚强度和内摩擦角基于土体单元极限平衡理论恢复了土体剪切破坏时的应力状态,计算出土体实际抗剪强度。三轴UU试验得出的抗剪强度平均值约为13.13 kPa,试样破裂面与水平面的夹角在45.1°~45.7°区间最为集中。UTC试验测得的土体平均抗剪强度近似等于三轴UU试验测得的平均抗剪强度。FVT试验测得软土抗剪强度平均值为19.72 kPa,与三轴UU试验和UTC试验得出的抗剪强度平均值相比高了约6.60 kPa,这种现象与室内试验试样的机械扰动、土体应力状态改变和剪切面特征有关。     

不同测试方法对确定黄土力学参数的影响

黄土的力学性质对黄土地区的工程建设至关重要。通过对兰州地区的黄土在天然含水状态下用不同的试验方法测得了其力学参数。根据室内直接剪切试验和原位试验结果,进行比较分析发现:用不同的试验方法测得的同一类黄土的力学参数值有所差异,而且原位试验比室内试验所测得的值偏大,尤其是剪损时的应变值,同类黄土在相同正压力下的原位试验值是室内直接剪切试验值的2     

土体抗剪强度参数的钻孔剪切试验方法初探

介绍了一种通过钻孔剪切试验测定土体抗剪强度参数的原位测试新方法,从试验原理、试验设备和试验数据处理分析方法等方面对钻孔剪切试验进行了总结。为验证钻孔剪切试验的工程适用性,采用美国Iowa钻孔剪切试验仪分别对非饱和黄土及饱和黄土的抗剪强度指标进行了实测。试验结果表明,钻孔剪切试验可快速、直接地得到黄土的抗剪强度参数,试验数据的线性相关性较高。针对现有钻孔剪切试验中存在的问题,建议了今后的研究方向。     

北京东部地区非饱和粉砂层原位直剪试验成果分析

对北京东部地区典型非饱和粉砂层进行原位直接剪切试验,采用最小二乘法拟合得到黏聚力和内摩擦角指标,其内摩擦角指标相比于传统地区经验值和室内直接快剪试验值分别提高了11.11%～24.4%、3.01%～17.40%;室内直接快剪试验测得粉砂层的黏聚力为4.8～7.5 kPa,而原位直剪试验测得该值最高达9.5 kPa。研究成果为该地区非饱和砂土层的剪切指标参数优化提供了试验支撑,节约了基坑支护造价,为实现工程建设全过程绿色建造提供了可能。     

高边坡开挖应力路径下黄土变形和强度特性的试验研究

为了探究高边坡开挖路径下黄土的力学性质,首先采用线弹性有限元法模拟一高150m的人工边坡在开挖条件下,潜在破坏区黄土的应力路径。据此路径分别对天然和饱和试样做了三轴固结不排水试验,并做了相同固结应力的加载应力路径试验（CTC）。结果表明开挖应力路径下饱和试样的应力应变关系为应变软化,天然试样为应变硬化;CTC试验条件下,饱和试样应力应变也为应变软化,天然试样亦为应变硬化,但硬化比开挖应力路径明显。上述两种试验条件下,饱和试样的有效应力路径接近,强度包络线相同,有效强度参数相同;天然试样则不同,强度包络线近似平行,开挖应力路径下有效黏聚力c’高于CTC,有效内摩擦角φ’相差不大。实际工程中获取土体变形和强度性质时应考虑应力路径和含水率的影响。     

钻孔剪切试验及其在黄土中的应用

钻孔剪切试验是一种通过在钻孔侧壁上进行直剪试验来测定土体黏聚力和内摩擦角的原位测试方法。阐述和总结了钻孔剪切试验的基本原理、试验和数据处理方法。为了评估钻孔剪切试验测定黄土抗剪强度指标的适用性,采用Iowa钻孔剪切试验仪实测了不同深度黄土的抗剪强度指标,并与室内三轴剪切试验（CU）和直剪试验结果进行了对比。试验结果显示,钻孔剪切试验用于测定黄土的抗剪强度指标时,抗剪强度与法向压力具有较好的线性相关性;试验黄土的钻孔剪切试验应力-应变关系曲线为应变软化型;钻孔剪切试验结果与室内三轴剪切试验（CU）和直剪试验结果相比,黏聚力降低,内摩擦角增大;均质黄土地层的钻孔剪切试验数据离散性相对较小,可采用“整体”破坏包线法对抗剪强度指标进行统计。     

黄土边坡开挖卸荷力学响应与破坏机理研究

开挖黄土边坡诱发的黄土滑坡频繁发生, 对黄土地区的工程建设产生了极大的威胁, 严重阻碍了各种基础设施建设的推进, 认识开挖卸荷过程中黄土边坡的力学响应机制及变形破坏过程, 是对此类型滑坡进行防治的前提条件和重要依据。基于此, 开展饱和黄土常规三轴剪切试验和卸荷路径下的三轴剪切试验(卸荷三轴试验), 着重分析在两种应力路径下饱和黄土的力学响应及变形特征, 并以兰州上洼子滑坡为例对其形成机制进行分析。研究表明:(1)在三轴试验中, 相比于常规条件, 侧向卸荷条件下, 虽然孔压增长幅度较低, 但卸荷导致侧向压力大大降低, 因此孔压比快速增长, 有效应力持续降低, 对边坡的稳定更为不利; (2)侧向卸荷条件下试样达到峰值强度时所需应变更小(1%~2%), 表明卸荷条件下边坡更易失稳破坏且具有突发性; (3)两种应力路径下饱和土体抗剪强度参数有显著差异, 与标准三轴剪切试验相比, 卸载三轴剪切条件下, c'值降低62.32%~76.92%, 且接近于零, 有效内摩擦角φ'值增大26.92%~29.77%;(4)采用FLAC-3D对上洼子滑坡进行数值模拟分析, 选取侧向卸荷三轴剪切试验结果更符合土体真实应力路径, 揭示了上洼子滑坡的破坏模式为“后退渐进式”。     

不同连通率下非贯通硬性结构面抗剪强度参数变化规律研究

岩质边坡边界多由结构面控制,天然结构面一般是非贯通的,研究非贯通结构面力学参数和取值具有重要意义。采用水泥砂浆制作非贯通结构面试样进行剪切试验,研究c、φ值与连通率k值的敏感性程度,建立c、φ值与k的相关性模型,通过试验数据对预测模型进行验证。结果表明:c值对k值的敏感性程度相对较高,c、φ值均与k值呈一种负相关的指数关系,该预测模型能较好描述抗剪强度参数与连通率之间的关系,模型吻合率达0.95。研究成果能更好地为岩土工程参数取值提供一定参考。     

甘肃永靖黑方台地区黄土滑坡土的力学性质

与地下水位以下的饱和黄土力学性质相比,包气带黄土力学性质具有不同的表征参数和测试方法,其对黄土斜坡渗流场和稳定性的影响不容忽视.以甘肃黑方台地区黄土为例,分别采用张力计和轴平移技术量测了黄土的部分区段土-水特征曲线,依据Gardner、Van Genuchten和Fredlund and Xing 3种经验公式对轴平移测试数据进行拟合,获取了完整的土-水特征曲线.基于GDS多功能三轴仪,通过控制基质吸力的三轴剪切试验,获取了考虑基质吸力的黄土强度参数.结果显示:张力计和轴平移技术量测的部分区段土-水特征曲线具有相近的曲线形态,但张力计曲线位于轴平移技术曲线的上方;当基质吸力由100kPa减小至20kPa时,黄土内摩擦角减小约1°,粘聚力下降近22kPa;拟合所得的黑方台地区黄土的基质吸力摩擦角为15.6°.试验为进行黑方台黄土斜坡的非饱和渗流和稳定性分析提供了参数.     

岩体抗剪强度参数现场测试新方法及工程应用

岩体抗剪强度参数的确定是进行岩体工程稳定性分析中最基本和最重要的,也是最困难的一项工作。由于室内和现场试验方法的局限性以及经验准则的人为性,快速、简易和较可靠确定岩体抗剪强度参数的原位测试手段一直是岩石工程界关注的热点。采用引进美国生产的岩石钻孔剪切仪,在实验室混凝土空心圆柱体和向家坝水电站坝基岩体中进行了尝试,取得了有益的试验成果。将主要从钻孔剪切仪的工作原理、数值模拟分析和工程应用等几方面对其进行全面的阐述和总结。试验成果和数值分析结果显示,岩石钻孔剪切仪是一种适用于软岩~中硬岩的原位试验设备,其试验成果总体钻孔剪切试验得到的c、 小于传统三轴和直剪试验成果,但钻孔剪切试验的 值在 <40?的范围内略低于传统三轴和直剪试验成,而钻孔剪切试验的c值较传统三轴和直剪试验的c 值降低较多,一般为25%～50%。     

饱和重塑黄土抗剪强度影响因素的试验研究

强降雨和灌溉导致黄土强度劣化并发生饱和破坏现象,进而诱发黄土滑坡,给当地带来严重的灾难。饱和黄土抗剪强度的影响因素较多,本文根据水头饱和与反压饱和相结合的原理,利用改装后的TFB-1型非饱和土应力-应变控制式三轴仪对党川地区马兰黄土重塑土样进行饱和试验和CU试验。分别采用50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa围压对饱和重塑黄土进行剪切速率分别为0.02 mm·min-1、0.06 mm·min-1、0.2 mm·min-1、0.4 mm·min-1的CU试验,探讨了围压和剪切速率对饱和重塑黄土抗剪强度的影响。研究发现:同一围压下,饱和重塑黄土的抗剪强度随着剪切速率的增大呈先增大后减小的趋势;同一剪切速率下,饱和重塑黄土的抗剪强度随着围压的增大逐渐增大;在干密度相同的条件下,饱和重塑黄土的总黏聚力及有效黏聚力随着剪切速率的增大先减小后增大,总内摩擦角及有效内摩擦角随着剪切速率的增大先增大后减小。该研究可为黄土滑坡预报和范围预测提供一定依据。     

高应力状态下的黄土抗剪强度特性研究

土体抗剪强度包络线在一定的应力范围内可近似看做直线, 一般工程中直剪试验正应力和三轴试验围压常为0～400kPa, 试验可得出以黏聚力c和内摩擦角确定的强度。在黄土地区, 人工和自然边坡可超百米, 坡内应力自低到很高变化范围大, 对该类高边坡需考虑强度参数随应力状态的变化。本文先通过线弹性有限元模拟一黄土高边坡应力场。以潜在滑面上关键点的应力为固结应力进行三轴压缩试验(NCTC)。为了对比分析, 又进行了100kPa、200kPa、300kPa、400kPa围压下的三轴压缩试验(CTC)。结果表明, 考虑黄土高边坡应力状态时, 由总应力莫尔圆得到的强度包络线为曲线, 直线型莫尔-库伦强度准则不适用; 而有效应力莫尔圆的到的强度包络线可为直线, 其有效强度参数高于CTC试验。在-应力空间中, NCTC试验总强度包络线和有效包线均位于CTC试验强度包线之上, 抗剪强度高, 这同固结应力高且为偏压固结有关。     

硫酸钠浓度对黄土强度影响的试验研究

黄土中含有大量的Na+、Ca2+、CI-、SO₄2-等,水在进入黄土过程中这些离子会溶于水中被水带走,从而影响黄土的结构和强度,为了研究矿物离子浓度对黄土强度的影响,本文利用TFB-1型非饱和土应力-应变控制式三轴仪对甘肃黑方台重塑土样进行固结不排水（CU）试验。分别在100 kPa、200 kPa、300 kPa围压下对不同浓度硫酸钠溶液重塑的黄土试样进行CU试验,探讨了硫酸钠浓度对黄土强度的影响。试验结果表明:同一围压下,随硫酸钠浓度的增大,黄土峰值剪切强度和残余剪切强度先减小再增大;在干密度相同条件下,随硫酸钠浓度的增大,黄土的总内摩擦角、有效内摩擦角、总黏聚力先减小再增大,而黄土的有效黏聚力单调增大;硫酸钠浓度的增大会减小黏粒的双电层厚度,使黏粒之间的力增强,从而黏粒的颗粒集合体增多,进而影响黄土的强度。     

岩体结构面剪切流变试验及模型参数反演分析

针对锦屏二级水电站地下洞室群围岩富含节理的实际情况,采用弱面直剪流变仪对组成隧洞围岩的主要岩样（板岩、大理岩）进行了含软弱夹层岩石的剪切流变试验,得出岩石夹层的剪应力-剪切位移时程曲线。通过对岩石夹层试验结果的分析,得出了岩石的长期强度参数,与快剪试验获得抗剪强度参数相比较发现长期抗剪强度参数有所降低,且凝聚力对剪切流变特性的影响略高于内摩擦系数。最后通过对6种模型的拟合分析,得出了适合岩石夹层的标准线性体流变模型,在此基础上通过反演分析得到了岩石夹层标准线性体黏弹-塑性剪切流变模型,并反演了该模型的参数。     

Experimental Investigation of Mechanical Properties of Sands Reinforced with Discrete Randomly Distributed Fiber

The addition of cementitious admixtures and/or inclusion of fibers are frequently used in practice to stabilize soils and to improve their mechanical properties. In this study, ring shear tests were conducted to investigate mechanical properties such as shear strength, angle of friction and cohesion values of randomly distributed discrete fiber-reinforced sand mixtures. The length and aspect ratio of the fibers used in the current study were 12 mm and 120, respectively. Specimens were prepared at four different fiber ratios (0.1, 0.3, 0.6, and 0.9 % by weight of sand). A series of ring shear tests were carried out on sand alone and fiber-reinforced sand mixtures at different normal stresses. The test results indicated that the addition of fiber had a significant effect on the shear strength of the sand. Shear stress of the unreinforced sand increases 1.29–2.32, 1.16–1.39, and 1.07–1.5 times at a normal stress of 50, 150, and 250 kPa, respectively with fiber inclusion. Fiber content had positive effects on improving the shear strength parameters (angle of internal friction and cohesion) of the mixtures. The cohesion and angle of internal friction of fiber-reinforced sand prepared at different ratios of fiber increased by 5.3–27.4 kPa and 2.0°–7.3° respectively. The inclusion of fibers improves the ductility of the soil by preventing the loss of post-peak strength.