结构面爬坡剪断耦合作用影响因子与影响规律

为研究硬性结构面剪切过程中爬坡剪断耦合作用,制作了不同高度h和坡度 组合的凸起体的硬性结构面三维模 型,开展模型剪切试验,试验结果证实了两种作用的耦合。分析剪切运动特征,提出了利用剪断面积Sj与剪切面积S的比值K定量表征爬坡和剪断耦合程度,在不同的主导作用下K值变化在0～1之间,并建立了考虑爬坡剪断耦合作用的抗剪强度算式,可评价锯齿型硬性结构面抗剪强度影响规律,得出抗压强度大的硬岩、表面起伏较平缓的结构面K值小,爬坡摩擦对抗剪强度贡献的组分大;抗压强度小的软岩、表面起伏较大的结构面K值大,岩石材料的强度对抗剪强度贡献的组分大。     

土石混合料大型直剪试验的颗粒离散元细观力学模拟研究

土石混合料作为一种特殊的岩土介质越来越受到国内外众多研究者的重视。基于3维颗粒离散元PFC3D,建立了土石混合料直剪试验模型,进行了不同含石量、不同岩性的土石混合料直剪试验模拟研究。颗粒离散元模拟结果表明,土石混合料的石料岩性和含石量在很大程度上控制了土石混合料的抗剪强度特性。硬岩混合料的摩擦角普遍比软岩混合料大6°～ 7°,含石量为60%～80%时达到最大。土石混合料的剪切面不再是一个平面,其起伏度随含石量增加而增大。剪切过程中软岩混合料在低正应力下表现为剪胀,高正应力下表现为剪缩,并产生软化现象,硬岩混合料表现为剪胀和塑性;软岩土石混合料剪切过程中能量以应变能和动能为主,而硬岩土石混合料的能量以摩擦能和动能为主。     

生态护坡基材土-岩接触面原位剪切试验研究

基材土-岩接触面剪切力学性能是生态护坡体系长久稳定的关键,相关研究可为解决基材脱落难题、完善生态防护技术体系提供必要依据和指导。采用自制的原位剪切仪对4种不同粗糙起伏的基材土-岩接触面进行了原位剪切试验,结果表明,基材土-岩接触面剪切应力-位移表现出典型的软化特性,具有明显的初始线弹性变形、弹塑性变形、峰后软化以及残余剪切变形4个阶段。分析发现,文中试验条件下凸起高度算数平均偏差Ra在4 mm以下时,峰值剪切强度增加速度较快,随后呈逐渐减弱趋势;残余剪切强度、峰值剪切位移以及进入残余阶段的剪切位移与粗糙凸起高度算数平均偏差呈近线性正相关关系。可见实施生态护坡时合理地控制坡面粗糙起伏,有助于提高土-岩接触面峰值剪切强度和残余剪切强度,改善其变形性能,对防护体系的长期整体稳定具有促进作用。     

土石混合料剪切特性及块石破碎特征

通过室内大型直剪试验和基于PFC2D的颗粒离散元数值模型,探讨考虑块石破碎的土石混合料的剪切特性及块石破碎特征。以土石混合料室内大型直剪试验和筛分试验为基础,提出了一种能真实描述块石形态特征并准确反映块石破碎效应的土石混合料颗粒离散元数值建模方法,模拟并分析了6种含石量土石混合料在4种不同法向应力作用下的剪切特性及块石破碎特征。结果表明：土石混合料抗剪强度随含石量的增大而增大,且基本符合摩尔-库仑（M-C）强度准则,随着含石量增大,内摩擦角呈现“慢-快-慢”增长趋势,黏聚力则呈现先增后减再增大的变化趋势。剪切后土石混合料块石破碎形式可归纳为表面研磨、局部破碎、完全破裂、完全破碎4种方式。提出了一种新的颗粒破碎指标,该指标能够准确描述粒径大于5 mm的块石的破碎程度,其随含石量和法向应力的增大而增大。通过对土石混合料颗粒离散元数值模型剪切面的分析发现,剪切面出现“剪斜”现象,其起伏程度随含石量增大愈加明显,且随着含石量增大剪切面附近剪裂隙数量增多,土石混合料在剪切过程中的破坏为拉-剪混合破坏。     

土石混合料剪切特性影响因素的离散元数值研究

土石混合料剪切特性控制着高填方边坡的稳定性。土石混合料特殊的结构、物质及粒径组成等极其复杂,为探究土石混合料剪切特性影响因素及其规律,在室内试验基础上,基于PFC2D构建了颗粒离散元数值模型,分析了颗粒级配、初始孔隙率、块石尺寸及块石形状等因素对土石混合料剪切特性的影响。结果表明:土石混合料的剪应力-剪切位移曲线主要包括4个阶段:弹性变形、局部剪切、剪切破坏以及残余变形;块石形状、颗粒级配及初始孔隙率对土石混合料的破坏模式无明显影响,破坏模式均为应变软化型;当土石混合料的颗粒级配较差时,剪应力随剪切位移的增加出现较大波动,曲线出现明显"跳跃"现象;当含石量一定时,相同法向应力条件下,块石尺寸越大,土石混合料的抗剪强度越大,且随着法向应力的增大,不同块石尺寸的试验组之间抗剪强度差值也越大,块石尺寸对土石混合料抗剪强度的影响越明显。     

门楼水库溢流坝段岩石与混凝土抗剪参数的确定

通过对门楼水库溢流坝段不同位置、不同深度、不同岩石风化程度在不同混凝土强度和不同含水率情况下近百块试块的室内直剪试验,研究了岩石和混凝土胶结面的抗剪强度与混凝土强度、岩石的风化破碎程度和含水率的关系。结果表明,混凝土的强度对胶结面的抗剪强度具有明显的影响;对于块状及次块状结构类型岩体,胶结面抗剪强度参数基本相同,但裂隙块体强度降低很多,部分块体破坏形态已不在是沿胶结面破坏,而是部分迁就胶合面,部分追随岩体内的结构面,并形成较大的起伏;随着含水率的增加,凝聚力和内摩擦角都明显降低。试块的抗剪强度只代表试验点的强度,为了得到建基面的抗剪强度,将岩石和混凝土的抗剪强度看作随机变量,引入区域化内变量和变异函数反映抗剪强度的随机性和结构性,通过克里格方程求得各个样本的权值,进而求出不同建基面的抗剪参数。     

不同风化程度下灰岩抗剪强度特性及估算模型研究

工程上常见的灰岩在不同风化程度下的抗剪强度特性鲜有研究,也没有快速评估灰岩抗剪强度的数学模型,不能满足大量灰岩工程灾害防治的需要。为探究风化程度对灰岩抗剪强度特性的影响规律,试验选取现场新鲜灰岩试样,通过开展室内风化模拟试验制备不同风化程度的岩样,进行室内岩石强度剪切试验,探究灰岩剪切应力-剪切位移关系曲线的变化规律和...     

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。     

粗粒土与结构接触面特性的离散-连续耦合数值研究

三维变形体离散元法能够自动检索接触关系,并对具有不规则形状的粗粒土颗粒和结构物进行有限差分网格离散,因此,具有模拟离散-连续耦合问题的先天优势。采用随机模拟技术生成粗粒土三维数值试样,基于变形体离散元进行粗粒土与结构接触面特性的数值试验,研究了不同接触面粗糙程度的接触面力学特性,对比了粗粒土与结构物在单剪和直剪状态下的接触面力学特性,从宏观和细观两个层面分析了数值试验结果。结果表明,数值试验能较好地反映粗粒土与结构接触面的力学特性,其剪应力-相对剪切位移曲线与试验结果规律相似;接触面粗糙程度对接触面的强度和变形特性影响较大,其机制在于剪切对试样的扰动程度不同;直剪和单剪状态下试样剪应力-相对剪切位移均为双曲线,单剪试验的初始剪切刚度低于直剪试验,两种试验得到接触面抗剪强度指标比较接近。     

土石混合料强度特性的试验研究

开挖山体得到的土石混合料因强度高、施工方便而被广泛用作路基或基础的填料,但由于受地质条件、含石量、粒度分布范围及颗粒粒径等因素的影响,土石混合料的力学性质表现出明显的非线性,强度指标无法通过常规的试验设备检测,导致应用土石混合料填筑的路基或基础经常出现较大的差异沉降或滑塌,严重影响上部结构的使用。为了研究土石混合料的强度特性及其随各影响因素的变化规律,对室内大型直剪试验进行了改进,研制了新型的大型直剪试验系统,对不同类别土石混合料在不同影响因素下进行了击实试验和大型直剪试验。研究发现,在高应力条件下,土石混合料的剪切破坏不再完全符合库仑定律,抗剪强度应进行一定的折减;试验结果揭示了土石混合料的强度指标随各主要影响因素的变化趋势,初步建立了土石混合料指标随各影响因素的变化规律。结果还表明,母岩性质及含石量对混合料的强度指标影响较大,硬岩类混合料的内摩擦角普遍比软岩类高,混合料的强度随含石量变化规律为,当含石量小于30 %时,含石量的变化对强度影响较小,随含石量的增加,混合料的强度也呈抛物线形增长,一般至含石量为70 %左右达到峰值。     

衬砌粗糙度对季节冻土区渠基土-衬砌接触面间峰值抗剪强度的影响北大核心CSCD

目前来看,在构筑物与土体表面粗糙度影响土-构筑物接触面间切向冻胀力方面的研究还较少,因此,本研究从川西季节冻土区渠基土-衬砌接触面的切向冻胀力问题出发,着重考虑衬砌表面粗糙度这一因素对接触面间抗剪强度、黏聚力、内摩擦角的影响规律和影响效应,并结合环境温度、含水率及冻结时长,利用正交分析综合探究了4种因素对接触面间峰值抗剪强度影响的相关性和显著性,结果表明:接触面间抗剪强度、黏聚力、内摩擦角随衬砌表面粗糙度变化呈现相同规律,即衬砌表面越粗糙,3项指标随即增大。正交分析中揭示了影响接触面间峰值抗剪强度大小最显著的因素是衬砌粗糙度,其次是环境温度和含水率,冻结时长的影响效应不显著,同时低温、低含水率、较长冻结时长、较高衬砌粗糙程度下的峰值抗剪强度越大。此项结果可为季节冻土区渠系工程防冻胀危害提供理论支撑。     

昔格达组粉砂岩与结构接触面力学特性试验研究

以攀枝花钢铁集团西昌钒钛资源综合利用项目建设中典型的昔格达组中风化粉砂岩为对象,进行了重塑土与混凝土压密,原状土与混凝土浇筑两种不同方式形成接触关系的环剪试验。对两种工况接触面下,剪切应力-剪切位移、竖向应变-剪切位移和抗剪强度特性分析表明:接触面剪切变形引起法向变形,随着法向应力的增加剪切引起的法向变形增大,在法向应力在400kPa时,最大法向应变高达6.8%; 接触面采用浇筑形式形成时,接触面上的土体由于水泥浆的渗入形成强度较高的一个薄层土带,此时接触面破坏发生在土体内部; 当接触面采用压密形成时,摩擦角与土体的内摩擦角接近,而接触面的黏聚力近似可以忽略。     

不同法向边界条件接触面三维力学特性的试验研究

运用最新研制的80 t三维多功能土工试验机对粗粒土与结构接触面在3种典型法向边界条件下的三维力学特性进行了试验研究。结果表明,接触面法向边界条件对其力学特性有重要影响,不同法向边界条件下接触面表现出了一些相似和不同的力学响应：(1)接触面总体上剪缩或有剪缩趋势,但数值不同;(2)除常应力条件外,接触面切向应力-切向位移关系曲线同一循环内一般不闭合,不同循环也不重合;(3)3种法向边界条件下接触面应力比-切向位移关系曲线同一循环内基本闭合,不同循环也基本重合,且形状较为相似,均呈椭圆形;(4)接触面静、动抗剪强度指标随法向边界条件变化不大,但动抗剪强度则差别很大。     

土-混凝土接触面特性环剪单剪试验比较研究

对可用于接触面应力变形及强度特性试验的直剪仪、单剪仪及环剪仪的优缺点进行了比较分析。对某土料与混凝土接触面的应力-变形及强度特性进行了单剪试验研究,试验包括土-混凝土接触面及土-泥皮-混凝土接触面两种。同时,将已有的环剪试验成果与单剪试验结果进行了比较分析。研究了环剪试验与单剪试验成果的差异。结果表明,单剪试验测得的抗剪强度比环剪试验测得的低30%～40％,环剪试验用于接触面强度特性研究较合适,而单剪试验用于较低应力水平下的应力-变形试验更好,泥皮的存在使得接触面强度降低30%左右。     

风化片岩残积土剪切特性研究

为考察片岩残积土的剪切特性,结合鄂西北山区某边坡工程,开展了风化岩残积土大型原位直剪试验,研究了风化岩残积土的结构组成、剪切面破损特性、剪切强度特性及其含石率、起伏度等相关关系。结果表明：该风化岩残积土应力-应变曲线多呈应变硬化特征,无明显峰值;束状孤石和束状石组多为翻滚和啃断破坏,起伏度随含石率的增大而增大,近似呈线性关系;爬坡效应会引起剪胀,造成剪应力和垂直应力的增大;随着垂直应力的增大,剪切破坏机制逐渐由滑移破坏变为啃断破坏,剪压应力比（剪应力与垂直应力的比值）逐渐减小。研究成果可为边坡工程变形及稳定性分析提供参考。     

青藏粉土-玻璃钢接触面力学特性直剪试验研究

青藏直流±400 kV输变电工程中采用表面光滑的玻璃钢覆盖基础表面,以减少切向冻胀力对基础的冻拔作用。过去的研究鲜有涉及土体特别是冻土与玻璃钢基础接触面的力学特性,为指导冻土区基础设计和安全评价,采用应变直剪仪开展了多种含水率和温度条件下青藏粉土-玻璃钢接触面直剪试验研究。结果表明,青藏粉土-玻璃钢接触面屈服时相应剪切位移很小,应变硬化阶段短暂或不显著;冻结状态下接触面应力-位移性状呈脆性破坏型,存在明显峰值;融化状态时接触面的剪应力-位移性状呈塑性破坏型,其应力-位移关系曲线为弱软化型和屈服型,没有明显峰值;融化状态时接触面抗剪强度值随含水率的增加而缓慢减小,冻结状态时其强度随负温绝对值和含水率的增加而增大,且随着土体含水率的增大,温度降低导致接触面抗剪强度增强效果更加显著,土体含水率大于19%后抗剪强度趋于稳定;温度对抗剪强度的影响主要体现于黏聚力的改变,且随着含水率的增加,温度影响增强。接触面内摩擦角随负温绝对值增加而减小,随含水率的增加而减小。     

灰岩层面拉剪力学特性及层面起伏效应研究

为了研究岩石不连续面的拉剪力学行为,采用自主研制的拉剪装置开展天然灰岩层面在法向拉应力作用下的直剪试验,分析了剪切应力-位移曲线、层面断裂形态及强度特征。拉剪应力作用下断裂面无摩擦粉碎区和局部崩裂。随法向拉应力的增加,剪切强度呈非线性减小。进一步,采用PFC模拟研究了锯齿状层面起伏特征对其拉剪破裂及强度特性的影响。随法向拉应力的增大,剪切裂纹减少而拉伸裂纹增多。当起伏角较小时,裂纹沿锯齿层面产生;当起伏角较大时,裂纹在锯齿面和锯齿内均有发生。可将锯齿状层面破坏分为沿锯齿面拉伸-剪切破裂、沿锯齿面拉伸-拉剪破裂和锯齿面-锯齿混合破裂3种模式,并具体分析了各模式的损伤演化。随起伏角增大,锯齿状层面的剪切强度先减小后增大,在起伏角为30°时达到最小值;随法向拉应力的增大,剪切强度近似线性减小,可采用Mohr-Coulomb准则进行描述,其摩擦角和黏聚力随起伏角的增加而减小。剪切强度、摩擦角和黏聚力随起伏角的变化规律主要受破裂模式的控制。随着层面黏结强度的增加,从锯齿面破裂逐渐转变为锯齿面-锯齿混合破裂。当层面黏结强度达到一定值以后,拉剪强度不再增加,主要受锯齿的岩石强度控制。     

两体接触面剪切力学行为的三维数值分析

研究岩石-岩石节理或混凝土-岩石接触面的力学行为,对于评价岩体的稳定性及工程体与岩基的稳定性有重要的意 义。采用ANSYS有限元软件构建了在宽度方向一致的三维粗糙表面,模拟计算了Bandis等在玄武岩试件上的直剪试验结 果,并将数值计算结果与试验结果对比,验证了ANSYS在分析两体剪切力学行为方面的可行性。此外对于有规则起伏的锯齿界面,同样进行了三维直剪试验的数值模拟,获到了不同界面和应力边界条件下的剪切强度,并与Patton剪胀公式理论值进行比较,从理论上再次验证了ANSYS模拟直剪试验的适用性。同时重点分析了直剪试验下的剪切位移曲线、接触面的剪应力分布、剪胀作用;并初步探讨了ANSYS软件自身设定凝聚力对接触面力学性能的影响。     

含水率对不同接触面抗剪强度影响直剪试验分析

接触面的抗剪强度参数是土与结构相互作用课题的基本问题,分别就土与砖、土与混凝土两种接触面进行了不同含水率的改进直剪试验。修正了对土体内部剪切时剪切面积变化对试验结果的影响。试验结果表明,土与两种结构接触面的摩擦角随含水率增加变化规律一致,但对应的凝聚力随含水率增大呈剪刀型交叉,最终导致抗剪强度数值随含水率增大呈剪刀型交叉。分析表明,接触面的抗剪强度参数与结构的亲水性密切相关。试验结果为相关工程设计提供了依据。     

断裂岩石蠕剪中的细观接触损伤试验研究

为深刻理解构成断裂岩体长期抗剪强度的细观机制,对岩石断裂面的细观接触和损伤演化进行了试验研究。采用压剪方式和巴西劈裂方式制作出两类断裂岩石,在恒定法向力作用下对破坏岩石试件进行分级施加剪切力的蠕变试验。在加载前、中、后对断裂岩石分别进行CT和激光扫描,观察到不同蠕变阶段断裂岩石的细观接触和损伤状态,获得不同性质的断裂岩石抗剪强度特征。试验研究表明：构成断裂岩石长期抗剪强度的机制主要有两个：一是细观凹凸啮合体的抗剪断能力;二是表观凹凸接触体的抗摩擦能力。拉破裂岩石表面局部粗糙度相对较大,抗剪强度以第1种破坏机制为主,剪切破坏岩石表面宏观起伏度较大,抗剪强度是以第2种破坏机制为主。在蠕变剪切过程中,两种机制交织在一起,并随时间或剪位移的增加而相互转换。