大型现场室内两用直剪仪研制(II):试验测试

利用新近研制的大型现场室内两用直剪仪,对两种不同性质的砂样进行了剪切试验。在对干砂的直接剪切试验特性进行综述的基础上,从多方面对该大型直剪仪得出的干砂剪切试验数据进行了分析验证,结果表明该大型直剪仪得出的试验数据一致性好、可靠性较高,说明该大型直剪仪的基本剪切性能稳定,可进一步应用于相关岩土材料的试验研究。     

现场室内两用大型直剪仪研制(I)：结构设计

直剪仪是测定岩土体抗剪强度参数应用最为普遍的一种试验仪器。从直剪仪的结构和大型直剪仪的研制两个方面对直剪仪的研究现状做了介绍，在此基础上，对新近研制的现场室内两用大型直剪仪的结构组成、工作机理及其特点进行了详细分析。该大型直剪仪与常规直剪仪相比，具有较大的优越性，其测试结果更加准确。适用范围广，测试精度高，可应用于现场和室内试验。     

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。     

自反力双剪面大型剪切仪研发及应用研究

原位直剪是测定土石混合料强度参数最为普遍也是最可靠的试验方法之一,但是现有原位直剪仪在试验过程中存在法向加压系统不合理、无法预留剪切缝等多方面的缺陷,影响试验结果的精度。本文对传统原位剪切仪进行有针对性的改造,研制出自反力双剪面大型剪切仪,该大型原位直剪仪有以下特点:（1）设备自身提供水平反力;（2）剪切过程中垂向加压系统固定,无需滚轴排;（3）剪切盒之间可预留可调节宽度的剪切缝,适用性更广;（4）装置模块化程度高,便于搬运、组装和拆卸。通过与单环剪切仪进行现场对比试验发现,与单环剪切仪得到的试验结果相比,自反力双剪面大型剪切仪得到的剪应力-剪切位移曲线为标准双曲线,并且可得到大剪切位移情况下的剪切曲线,通过大剪切位移曲线读取的最大剪应力更贴合实际。与单环剪切仪得到的抗剪强度值相比,内摩擦角低4.6°,而黏聚力高41.14 kPa。同时通过对两种剪切仪得到的剪切破坏面进行图像对照,可明显发现自反力双剪面大型剪切仪得到的剪切破坏面较为平整,未出现单环剪切仪对的剪切破坏面下凹现象。     

现场室内两用大型直剪仪研制(I):结构设计

直剪仪是测定岩土体抗剪强度参数应用最为普遍的一种试验仪器。从直剪仪的结构和大型直剪仪的研制两个方面对直剪仪的研究现状做了介绍,在此基础上,对新近研制的现场室内两用大型直剪仪的结构组成、工作机理及其特点进行了详细分析。该大型直剪仪与常规直剪仪相比,具有较大的优越性,其测试结果更加准确。适用范围广,测试精度高,可应用于现场和室内试验。     

组装式变尺寸直剪仪的研制

由于粗粒土的直剪试验存在显著的尺寸效应,且室内常规直剪仪无法调整试样尺寸,所以难以准确获得粗粒土的抗剪强度参数。基于此问题,介绍了一种可以改变试样尺寸的组装式直剪仪。该直剪仪由出力装置、位移量测装置、反力框架、剪切盒等部分组成。通过改变每一层剪切盒的钢环嵌套个数来改变试样的直径,直径有6.18、10、15、20 cm 4个取值;改变剪切盒的叠置层数来改变试样的高度,高度有5、10、15、20 cm 4个取值,试样直径和高度共有16种组合。在此基础上,选取薛城水电站引水隧洞开挖弃渣为试样,进行5组平行直剪试验,验证了该直剪仪的可重复性以及试验结果的可靠性。改变试样直径D与高度H的组合,进行一系列直剪试验研究了该试样直剪试验的尺寸效应,得出该试样的合理试样尺寸。     

颗粒形态对砂土抗剪强度影响的试验和离散元数值模拟

为研究颗粒形态对砂土抗剪强度的影响，制备了5组不同粒径的球形石英砂和颗粒形态不规则的实验室标准砂，并进行一系列的直剪试验；离散元法能有效地模拟砂土的离散性和不均匀性，基于高性能离散元分析软件MatDEM，通过二次开发，建立直剪试验三维模拟器，对直剪试验过程进行了数值模拟，并对比分析了试验和数值模拟结果。数据表明:(1)石英砂试样的自然休止角与其抗剪强度有着正相关性；(2)球形石英砂较实验室标准砂能更快达到峰值强度，但其值相对较低；标准砂存在着一定的黏聚力；(3)在直剪过程中，直剪盒中部颗粒的位移较周围颗粒不同，形成了明显的剪切带，并且球形石英砂试样的剪切带内颗粒的位移更小；(4)砂土直剪试验中配位数与剪应力有着良好的正相关性。本文结果表明，在相同的荷载条件下不规则颗粒形态的石英砂的抗剪强度要明显大于球形石英砂。     

土与钢材料接触面性能的试验研究

利用应变控制式直剪仪,对上海土与钢材料接触面进行直剪试验,研究了土与钢材料接触面内的变形特性,分析了法向应力对接触面剪切破坏特性的影响。分析结果表明,土与钢材料接触面内剪应力与剪切位移呈双曲线关系,并且法向应力影响剪切应力的发挥。     

基于应力集中系数的抗剪强度取值方法及其应用研究

通过对直剪试件剪切面内应力集中系数分布规律的研究,结合剪应力–剪切位移变化曲线的分析,提出一种采用应力集中系数进行土体抗剪强度取值的方法。以武汉地铁六号线某区间段角砾黏土地层为研究对象,进行室内大型直剪试验,得出角砾黏土的抗剪强度参数随含石量的变化规律,与规程方法进行对比分析,探讨文中方法的可行性。结果表明,应力集中系数K0一定程度上能够反映直剪时土体剪切承载力的强弱;角砾黏土的黏聚力随着含石量的增加呈近似线性关系,与现有研究成果一致;试验结果位于规程规定合理范围内,说明基于应力集中系数的抗剪强度取值方法可作为研究土体强度特性的有效途径。     

粗粒土大型剪切试验剪切带变形特征分析

采用含有叠环的大型粗粒土直剪试验设备进行试验,叠环作为剪切盒的重要组成部分,可以在剪切时根据粗粒土的结构形成多组剪切面,能够明显地展现出粗粒土的剪切变形特征.为了分析硬质岩粗粒对粗粒土的剪切强度和变形的影响,对粗粒岩性为花岗岩的粗粒土进行大型叠环式直剪试验.通过分析得到试验特征规律,研究粗粒土在剪切过程中的颗粒运动,得出花岗岩粗粒对其组成的粗粒土的剪切强度和变形有很大的影响.硬质岩性的花岗岩颗粒在剪切时不易被剪碎,在剪切过程中主要做错位、翻滚运动.低轴压下,剪切带位移会出现阶梯现象,而在高轴压下,剪切带位移为线性变化,并表现出更加明显的剪胀现象.粗粒土在剪切破坏后依然具有较高的抗剪强度和稳定性,为工程建设中土石体材料的选取提供了一定的借鉴.     

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。      

土工格室加筋土的大尺寸直剪试验研究

采用自行研制的500 mm?500 mm?400 mm（长?宽?高）大尺寸直剪仪,对土工格室加筋土以及土工格室加筋水泥稳定土的剪切性能进行了试验研究。通过大尺寸直剪试验模拟土工格室加筋土的剪切作用过程,得出加筋土剪切应力与剪切应变关系为非线性确定了土工格室加筋土的抗剪强度指标以及土工格室对土的抗剪强度增强机理,土工格室加筋土的黏聚力提高较大,内摩擦角变化相对较小。通过对素土和掺入量为5 %的水泥稳定土进行常规直剪试验、大尺寸直剪试验和三轴压缩试验对比分析,探讨不同试验方法对抗剪强度指标的影响,得出3种试验方法对应的抗剪强度指标及其相对大小;即素土的摩擦角大小依次为：三轴试验小于大尺寸直剪试验小于常规直剪试验,素土的黏聚力大小依次为：大尺寸直剪试验小于三轴试验小于常规直剪试验;水泥稳定土的摩擦角大小为：三轴试验小于大尺寸直剪试验,黏聚力结果比较大小依次为：三轴试验小于大尺寸直剪试验。     

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。     

冻土-混凝土接触面动剪强度研究

为了研究冻土-混凝土接触面的力学特性,开发了一种低温动荷载直剪仪,它是在普通直剪仪框架的基础上,安装了动力加载系统和温度控制系统。该装置能够保证在负温条件下对冻土进行动荷载直剪试验,从而测定冻土的动力学参数。为了研究寒区冻土与混凝土构筑物的相互作用,使用该仪器进行了一系列的多因素接触面动直剪试验,试验结果表明了冻土-混凝土接触面在动荷载作用下的行为特征,多因素对比试验则揭示了接触面动剪强度的影响因素和变化规律。     

不同剪切速率对风化砂改良膨胀土抗剪强度指标的影响

土的抗剪强度指标受含水率、剪切速率以及土样的类别等多个因素的影响。为了研究不同剪切速率对风化砂改良膨胀土的抗剪强度指标的影响规律,分别在2.4,0.8 mm/min剪切速率下对不同含水率和不同掺砂比例的风化砂改良膨胀土样进行了室内直剪试验,得到了不同剪切速率下改良膨胀土的抗剪强度指标值。试验表明:采用2.4 mm/min的剪切速率测得的抗剪强度指标比采用0.8 mm/min的剪切速率测得的值要大;通过对比试验数据可知,剪切速率对内摩擦角的影响比对黏聚力的影响相对来说较小,对砂土的抗剪强度指标的影响比对黏土的抗剪强度指标要小,对含水率较小的土样的抗剪强度指标的影响比对含水率大的土样的抗剪强度指标要大。对于风化砂改良膨胀土的抗剪强度指标的测定时的剪切速率应采用规范要求的0.8 mm/min。     

橡胶砂级配对混合土体剪切特性影响研究

为了研究橡胶砂的剪切特性,采用室内大型直剪仪,研究了4种橡胶砂级配（1种间断级配、2种连续级配、1种开级配）、3种橡胶掺入量（10%、30%、60%）、3种竖向应力（30、60、90 kPa）对橡胶砂强度特性和体变特性的影响;并在室内直剪试验的基础上,按照相同级配和橡胶掺量建立纯砂和橡胶砂的离散元数值模型,从颗粒接触状态和颗粒位移角度探讨橡胶砂内在力学机制。研究结果表明：在低橡胶含量下,橡胶砂的剪应力曲线趋势和纯砂一致,但其抗剪强度均低于纯砂;橡胶砂剪切应力随竖向应力的增大而增大,4种级配的橡胶砂中连续级配SR2抗剪强度最高;橡胶颗粒的掺入能有效抑制砂土的剪胀,其中间断级配SR1橡胶砂抑制土体剪胀效果最好,剪胀量相较于纯砂减少了37.6%;橡胶砂的内摩擦角随着橡胶掺入量的增大而减小,同一橡胶掺量下连续级配SR2橡胶砂的内摩擦角最大;橡胶颗粒在橡胶砂力链网络中主要参与弱力链的形成,橡胶砂剪切带宽度小于纯砂的剪切带宽度。     

干密度和细粒含量对砂卵石及碎石抗剪强度的影响

通过对河床砂卵石及爆破碎石的无黏性粗粒土直接剪切试验,对比分析了在不同试验状态下两种粗粒土的细粒含量和干密度分别对其抗剪强度参数的影响以及抗剪强度参数变化规律;试验结果表明,两种粗粒土的抗剪强度参数基本是随着干密度的增大而增大,摩擦角在细粒含量较小时稳定在某一特定值,随着细粒含量的增加而迅速减小;而当干密度增加到一定程度后不同试料在不同试验状态下,咬合力各自都将趋于某一稳定值。从两种试料的试验状态来看,非饱和固结抗剪强度参数相应地比饱和固结的大,河床砂卵石的抗剪强度参数比爆破碎石的大;对同一级配的河床砂卵石在不同相对密度下进行的直接剪切试验结果表明,其抗剪强度参数随着干密度的增大而增大,最终有趋于某一稳定值的趋势。     

砂土与钢材接触面剪切特性试验对比研究

为了研究砂土与钢材接触界面剪切特性,对原有的及改装后的DSJ-2型电动四联等应变直剪仪上分别进行了砂土同钢材界面的单剪试验和直剪试验,并做了对比分析。研究结果表明：1）单剪试验下在法向应力50kPa、100kPa时,砂土与钢材界面的剪应力-剪切位移关系曲线呈非线性弹性理想塑性关系,在法向应力200kPa、400kPa时呈刚塑性关系。直剪试验下在法向应力50kPa、100kPa时,砂土与钢材界面的剪应力-剪切位移关系曲线呈非线性关系,在法向应力200kPa、400kPa时呈双曲线关系;2）提出了界面抗剪强度指标的经验换算公式（直剪试验下得到的界面抗剪强度指标乘以一个小于1的系数）,以修正应用于设计的直剪试验结果。     

剪切速率对重塑饱和黏土强度影响试验

对不同干密度的重塑饱和黏性土进行直剪试验,探讨了剪切速率对重塑饱和黏性土剪应力-剪位移曲线的影响,分析了内摩擦角随剪切速率的变化关系。试验结果表明,干密度越小的重塑土,剪切速率对其内摩擦角的影响越明显。剪切速率主要影响剪切面附近的孔隙水压力,进而影响土体抗剪强度。剪切速率越大,剪切面周围超孔隙水压力越大,使土体总强度降低。在相同的法向应力下,不同剪切速率引起的剪切面周围孔隙水压力增量与抗剪强度差值成正比关系。当剪位移为7 mm时,剪切速率越大,土颗粒位移比较平直,剪切破坏面越平整。      

土石混合料剪切面分形特征试验研究

土石混合料因具有良好的工程特性而被广泛应用于道路、堤坝等工程，填筑体受力后往往沿薄弱面发生剪切破￡混合料的抗剪强度成为稳定和变形分析的重要力学指标。由于土石混合料物质组成的复杂性、结构分布的不规律性及采柠困难性，且受检测仪器的限制，确定其强度指标较为困难。应用改进的直剪试验仪进行了不同类别、不同最大粒径土石福料的室内大型直剪试验，在获得强度指标同时，再现剪切面的实际情况，量测剪切面的起伏特征。根据分形几何学原理，切面具有良好的分形特征，应用三角形棱柱表面积覆盖法编程计算了剪切面的分形维数。初步建立了剪切面分形维数与福料杭萌强度之间的关系，用来快速预测土石混合料的强度指标。