岩体结构面动态剪切试验研究现状评述

针对岩体结构面动态剪切问题,总结了国内外能用于测试岩体结构面动态剪切强度特性的直剪试验仪和相关室内试验研究现状:目前国内外能用于测试岩体结构面动态剪切强度特性的仪器不多,且仪器指标参数如剪切速率、法向应力加载条件以及试样尺寸变化范围等无法完全满足相关试验要求;对于剪切速率较低的定速率剪切试验,人工岩体结构面峰值抗剪强度随剪切速率的变化而变化,且变化趋势因结构面硬度等物理力学性质的不同而不同,变化幅度随法向应力的增大而增大、随初始起伏度的增大而增大、随循环次数的增加而减小;天然岩体结构面动态剪切试验较少,较高剪切速率和变速率剪切试验数据不足,未见尺寸效应和壁岩强度对结构面动态剪切强度影响的试验成果.研发新的岩体结构面动态剪切强度特性测试的室内试验系统是未来岩体结构面动态剪切问题研究的必由之路.     

循环荷载作用下粗粒料与掺砾粘土接触面单剪试验研究

土石坝内部存在较多的接触面,在静、动力荷载作用下,接触面的力学特性对坝体的稳定性具有显著的影响。基于动态单剪仪,开展了粗粒料与掺砾粘土接触面循环单剪试验。试验结果表明,初始剪应力加载方向对相对位移有较大影响：相对位移总是在沿初始剪应力加载方向一侧较大;在一个剪切循环内,正、反向加载时,若剪应力较小,发生剪缩变形,若剪应力较大,则发生剪胀变形;卸载时试样发生剪缩变形;整个剪切循环过程中,试样总体上处于剪缩状态;循环单剪过程中,接触面抗剪强度提高;接触面抗剪强度随着法向应力的增大而增大,呈线性关系。     

等吸力三轴剪切试验中非饱和黄土强度变形及水量变化特性

通过饱和原状黄土常规三轴试验和非饱和原状黄土等吸力三轴试验研究吸力和净围压对非饱和黄土强度变形的影响,并用HUANG等、胡冉等和方祥位等提出的土水特征曲线模型分析剪切过程中排水规律。研究结果表明：等吸力下原状土样固结剪切体积变形随净围压增大而增大;等净围压下原状土样固结剪切体积变形量随吸力的增大基本呈减小趋势。p-q平面内饱和土CSL线逐渐超过低吸力下非饱和土CSL线,原因在于随着p值增大,相对于非饱和土,饱和土孔隙比越来越小,较小孔隙比对抗剪强度的贡献逐渐大于非饱和土吸力对抗剪强度的贡献。应用固结稳定的数据拟合出HUANG等和胡冉等提出的模型参数,并预测剪切过程中的排水量,发现剪切速率对排水量有影响,这两种模型适用于剪切速率慢,排水充分的情况,而方祥位等提出的模型对不同剪切速率会拟合出不同的参数。     

三维加载条件下粗粒土与结构接触面力学特性的试验研究

运用最新研制的80吨三维多功能土工试验机对工程中常用的粗粒土与结构接触面三维力学特性进行了研究,探讨了主要影响因素。结果表明:(1)接触面产生了明显的剪切体变;在往返型路径下可以分为可逆和不可逆两部分;(2)切向应力应变关系呈现显著的非线性特征,接触面在循环剪切时不断剪切硬化;(3)抗剪强度与法向应力呈良好的线性关系,可用摩尔-库伦准则描述;(4)法向应力、法向边界条件、切向控制方式、加载幅值、剪切路径等对接触面力学特性均有不同程度的影响。     

钢纤维再生混凝土剪切性能的正交实验研究

地震后,科学的处理和再利用废弃混凝土成为降低灾区环境污染、开发新型材料的关键问题。为研究水灰比、再生粗骨料掺量和钢纤维掺量3个因素对钢纤维再生混凝土剪切性能的影响,采用正交试验法设计了27根等高变宽梁进行连续加载试验。试验结果表明:水灰比为0.35、再生粗骨料取代率为20%和钢纤维体积掺量为1%的配合比条件下,钢纤维再生混凝土的抗剪强度和峰值剪切模量可达到最高;主拉应变ε1p、主压应变ε3p和剪应变γp随抗剪强度τp的增大而提高,经线性回归分析得出钢纤维再生混凝土试块的峰值应变与抗剪强度的关系式。     

循环荷载下密砂孔压发展的试验研究

循环加载条件下砂土的行为特性研究过去主要集中在松砂和中密砂方面。本文利用全自动三轴仪,对相对密度为80%的平潭砂进行了单调和循环荷载作用下的试验研究,分析了围压、固结侧压力系数、循环应力比对不排水条件下密砂超静孔压发展的影响规律。结果表明,固结侧压力系数和循环应力比共同影响土体的偏应力状态,它们对密砂的孔压发展有着决定性的作用。固结侧压力系数较大时,偏应力出现周期性的反向,超静孔压增长较快,砂土表现出典型的循环流动现象;而固结侧压力系数较小时,循环加载过程中偏应力始终在三轴压缩区内,产生的超静孔压较小,经过一定的周期数后,一个周期内由剪胀引起的超静孔压减小值正好等于由于剪缩所引起的超静孔压增大值,累积的超静孔压不再随周期数的增加而增大,密砂进入"周期稳定状态",而在文献中关于松砂和中密砂的循环加载试验尚无存在该现象的报道。     

空斗墙抗剪性能试验研究及有限元分析

通过24片1/2模型的空斗墙墙体和3片1/2模型的实砌墙体,在低周反复荷载下试验,研究3种砌筑方式的空斗墙在2种高宽比、4种砂浆强度和2种竖向压应力的影响下,墙体的抗剪承载力和破坏模式。建立有限元分析模型,分析砌筑方式、材料强度、高宽比和竖向压应力对空斗墙抗剪性能的影响。研究表明:不同砌筑方式的空斗墙极限荷载接近,约为实砌墙体的60%～85%;抗剪承载力随着砖和砂浆强度的提高而增大;抗剪承载力随着高宽比的增大而减小,破坏模式从剪切破坏转变为弯曲破坏;当N/Nu=0.6左右时,抗剪承载力最大。在此基础上提出空斗墙的抗剪强度计算公式。     

兰州九州重塑黄土抗拉特性研究

通过室内三轴快剪、无侧限抗压和无侧限贯入抗拉试验,对兰州九州开发区重塑黄土的抗拉特性进行对比性试验研究。结果表明：抗拉强度随含水量呈二次多项式递减关系;抗拉破坏时的贯入深度随含水量的增长呈现先减小后增大趋势,随干密度的增加呈现先增大后减小的趋势;抗拉强度远小于无侧限抗压强度,且无侧限抗压与抗拉强度呈线性递增关系;无侧限抗压和抗拉强度与黏聚力和内摩擦角正切值的乘积均呈指数递增关系。     

兰州九州重塑黄土抗拉特性研究

通过室内三轴快剪、无侧限抗压和无侧限贯入抗拉试验,对兰州九州开发区重塑黄土的抗拉特性进行对比性试验研究。结果表明：抗拉强度随含水量呈二次多项式递减关系;抗拉破坏时的贯入深度随含水量的增长呈现先减小后增大趋势,随干密度的增加呈现先增大后减小的趋势;抗拉强度远小于无侧限抗压强度,且无侧限抗压与抗拉强度呈线性递增关系;无侧限抗压和抗拉强度与黏聚力和内摩擦角正切值的乘积均呈指数递增关系。     

岩石三轴压缩实验的强度特性及应用

结合实例对岩石三轴实验数据的一些主要特点和适合应用的领域进行了探讨。结果为:①岩石的三轴抗压、抗剪强度随围压(或深度)的增大而增大。低围压时,呈线性增大;当围压超过某一值后,变为增长率逐渐下降的非线性增大;至更高围压后,抗压强度与围压的应力差、抗剪强度将趋于某一常数。②岩石的单轴强度是强度中的极小值。工程应用中应采用三轴强度,以降低造价、避免浪费。③在现有的各种岩石力学实验方法中,三轴实验得出的凝聚力C和内摩擦角Φ相对最准确。④岩石三轴实验数据在与地学相关的领域内有着广泛的用途。     

饱和黄土场地原位试验及液化势评价

目前,主要依靠室内动力试验对黄土液化势进行评价。由于黄土特殊的结构性,室内试验对其饱和的过程较为复杂,且与实际场地饱和黄土差异明显,导致室内黄土液化试验结果并不能代表现场饱和黄土的抗液化强度。本文选取兰州市西固区寺儿沟村某饱和黄土场地进行钻孔测试,现场实施了标准贯入试验、静力触探试验以及剪切波速测试。应用Robertson的土类指数分类图对该场地不同含水率黄土的土类进行了界定,确定了饱和黄土属于类砂土,有液化势。应用NCEER推荐方法,计算了3组原位试验数据的饱和黄土循环抗力比（CRR）,通过与1976年唐山地震和1999年集集地震液化土CRR对比,得出了饱和黄土抗液化强度很低的结论。     

Experimental study on the dynamic modulus of compacted loess under bidirectional dynamic load

The dynamic characteristics of compacted loess are of great significance to the seismic construction of the Loess Plateau area in Northwest China, where earthquakes frequently occur. To study the change in the dynamic modulus of the foundation soil under the combined action of vertical and horizontal earthquakes, a hollow cylindrical torsion shear instrument capable of vibrating in four directions was used to perform two-way coupling of compression and torsion of Xi'an compacted loess under different dry density and deviator stress ratios. The results show that increasing the dry density can improve the initial dynamic compression modulus and initial dynamic shear modulus of compacted loess. With an increase in the deviator stress ratio, the initial dynamic compression modulus increases, to a certain extent, but the initial dynamic shear modulus decreases slightly. The dynamic modulus gradually decreases with the development of dynamic strain and tends to be stable, and the dynamic modulus that reaches the same strain increases with an increasing dry density. At the initial stage of dynamic loading, the attenuation of the dynamic shear modulus with the strain development is faster than that of the dynamic compression modulus. Compared with previous research results, it is determined that the dynamic modulus of loess under bidirectional dynamic loading is lower and the attenuation rate is faster than that under single-direction dynamic loading. The deviator stress ratio has a more obvious effect on the dynamic compression modulus. The increase in the deviator stress ratio can increase the dynamic compression modulus, to a certain extent. However, the deviator stress ratio has almost no effect on the dynamic shear modulus, and can therefore be ignored.     

列车振动荷载作用下南京细砂动强度变化规律研究

以南京细砂为研究对象,采用空心圆柱扭剪仪模拟列车振动荷载作用对应的土体单元所受应力路径,考虑试样围压、加载幅值和排水条件,研究列车振动荷载作用下土体动强度的变化规律。试验结果分析表明:在模拟列车振动荷载作用对土体竖向应变的影响时,采用椭圆应力路径来代替心形应力路径是切实可行的,能克服试验仪器高频加载时无法有效模拟心形应力路径的缺点;其次,当围压和加载幅值都较小时南京细砂主要表现为在振动初期强度强化特征,当振动次数达到一定数量后强度也达到一个稳定阶段;当试验围压较大时,随振动次数增加,南京细砂的强度变化主要以强度弱化阶段为主;同时,排水条件对其强度变化的主要影响表现为对其振动前期强度强化阶段的影响,对其强度弱化阶段的影响并不明显。     

黄土抗剪强度的三轴试验

非饱和黄土的强度随着含水量的增大是降低的。本文对青海某场地的黄土进行了三轴的试验研究,结果表明含水量对土体的强度影响显著,但加载速率对土体静强度的影响甚微。     

地震长期效应对黄土力学性质的影响

黄土高原地区,具有大孔隙、弱胶结特征的黄土遭遇地震荷载影响后,其内部结构受到扰动,微结构的变化会在后期物理力学性质中集中反映出来。通过动三轴试验对原状黄土试样进行模拟历史地震预处理,对处理试样依次进行饱和、固结、不排水剪切试验。结果表明:黄土试样的初始含水率为10%时,经历历史地震扰动的黄土较未扰动黄土相比,其偏应力明显增加,孔隙水压力降低,抗剪强度指标值增大3.42 kPa和2.67°;当初始含水率增加至15%时,历史地震产生的长期效应将引起后期黄土强度持续增大,增幅远远超过10%的黄土试样,黏聚力和内摩擦角达到3.98 kPa和3.02°。通过扫描电镜试验和压汞试验,从微观角度分析地震长期效应对黄土力学性质影响的内在机制,结果发现历史地震引起黄土内部颗粒移动、孔隙结构变化是黄土强度增加的重要因素。     

考虑孔隙特性的压实黄土抗剪强度试验研究

以甘肃省临夏某机场场址黄土为研究对象,基于室内三轴剪切试验,研究了初始含水率和压实度对重塑黄土抗剪强度指标、应力路径、破坏强度的影响规律;结合室内电镜扫描试验得到的重塑黄土细观结构图像,定量分析了不同压实度下重塑黄土孔隙特性,并建立了孔隙特性与破坏强度之间的关系.研究结果表明:(1)不同初始含水率和压实度条件下重塑黄土应力G应变关系曲线形式为软化型、弱硬化型和强硬化型:7%含水率以下、90%压实度以上条件下为软化型,7%含水率、 85%压实度以下及9%含水率、90%压实度以上条件下为弱硬化型,其余条件下则为强硬化型; (2)重塑压实黄土应力路径曲线呈斜直线形式,曲线形式基本不受压实度和含水率影响;(3)重塑压实黄土抗剪强度指标、破坏强度随初始含水率的增加而减小,随压实度的增加而增大;(4)重塑压实黄土破坏强度与微、小孔隙含量成正比例关系,与中、大、特大孔隙含量及孔隙平均周长和面积成反比例关系.     

Flow Characteristics of Large-Scale Liquefaction-Slip of the Loess Strata in Shibei Tableland, Guyuan City, Induced by the 1920 Haiyuan M8 1/2 Earthquake

Based on the dynamic triaxial liquefaction test of the loess samples which are taken from Shibei tableland, Guyuan City, Ningxia, China, the characteristics of dynamic strain, dynamic stress and pore water pressure are studied under cyclic loading. Triaxial shear test is conducted immediately after the sample reaches liquefaction point. During the test, the property of the liquefied soil is analyzed through fluid mechanics method, whereby the fluidity of the liquefied soil is represented by apparent viscosity.The results show that the fluidity of liquefied loess changes from "shear thickening" to "shear thinning" as the shear force continues, and the fluidity of liquefied loess is closely related to its structure. In addition, in the process of forming a new stable state, the apparent viscosity and deviant stress change with axial strain in a similar approach. When the sample reaches its stable state, it meanwhile shows a relatively stable apparent viscosity. According to the fluid mechanics and the law of conservation of energy, the slip distance of the liquefied soil is estimated, and the results are in good agreement with the field investigation results.     

不同加载方式下黄土累积变形特征研究

土体动力特性主要与其受力状态、土体加载类型、试验控制方式以及荷载等参数有关。以往非饱和黄土累积变形试验研究通过单向动应力加载方式开展相关研究,并不能真实反映土体受力状态。现运用WF-12440型动三轴-空心圆柱扭剪试验系统,通过单向荷载和双向荷载两种不同的动应力加载方式,进行黄土的长期重复载荷试验,对比不同动应力加载方式对非饱和黄土累积变形发展特征的影响。试验结果发现：黄土在单向荷载或双向荷载作用下,其软化指数均随着循环次数的增加,呈非线性减小的趋势,在相同循环振次时,土体软化指数随着动应力幅值的增大而减小;黄土在不同加载方式作用下,软化指数减小速率在循环振次100次以内较快,后期随振次增加,土体软化速率逐渐趋于平稳;黄土在双向荷载作用下,当轴向动荷载较小时,径向荷载的施加,将加速黄土的软化程度,随着轴向动荷载的增大,径向荷载对黄土软化的影响逐渐减弱,其对于黄土变形的影响存在一临界轴向循环动应力。本研究的开展,可更准确地进行不同荷载耦合变化下,黄土场地震陷评估或路基土体变形计算,实现有效控制路基的整体稳定和工后沉降量,以期根据路基土参数预测后期沉降,极具重要的科研和工程意义。