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。      

粗糙度对不同粒径砂-混凝土界面剪切特性影响

为探究土体与结构之间相互作用的机制,通过设计3种颗粒中值粒径d₅₀(1.21、4.56、8.91 mm)、3种结构表面粗糙度系数JRC(0.4、9.5、16.7)和3种剪切速率(1、5、10 mm/min)下的室内直剪试验,对剪切过程的应力变化、体变量进行监测,研究不同剪切速率下粗糙度对不同粒径砂-混凝土界面剪切特性影响。结果表明,d₅₀=1.21 mm时,砂与混凝土界面抗剪强度随JRC的增大而先增大后减小;d₅₀=8.91 mm时,界面抗剪强度随JRC的增大而增大。随着JRC增大,混凝土与砂土界面内摩擦角不断增大;随着颗粒粒径增大,混凝土与砂土界面内摩擦角先减小后增大。在不同剪切速率下,试样最终剪胀量均随颗粒粒径的增大而增大。剪切速率为5 min/mm时,砂-混凝土界面剪切试验最终剪胀量最小。存在某一临界粒径,当砂的颗粒粒径大于此临界粒径时,砂-混凝土界面剪切强度随JRC的增大而不断增大。     

高应力下剪切速率对砂土抗剪强度影响研究

应用DRS-1型高压直剪仪,进行了16组法向应力水平、5种剪切速率条件下福建标准砂的抗剪强度试验,试验结果表明,高应力下砂土的抗剪强度受法向应力和剪切速率的共同影响。法向应力和剪切速率通过影响颗粒破碎和颗粒重排列程度等试样的细观参数,决定了砂土宏观上抗剪强度的发挥。当法向应力较小时,砂土抗剪强度与剪切速率基本无关;但是当法向应力较大时,较快剪切速率条件下的砂土抗剪强度变小,且其摩尔强度包线出现了“下弯-上扬”循环波动,因此不可以忽略剪切速率对砂土抗剪强度的影响。     

平均粒径对砂土剪切特性的影响及细观机理

针对平均粒径对砂土剪切特性的影响作用,结合室内试验和离散元模拟方法对不同平均粒径砂土进行了细观研究。基于3种不同平均粒径砂土的直剪试验结果,通过建立反映砂土剪切试验特征的PFC（particle flow code）颗粒流模型,详细研究了不同粒径砂土在剪切过程中土样体积变化、力链网络、孔隙率和配位数等细观结构参数的变化特征和规律,并从细观角度分析了颗粒粒径对土样宏观剪切特性的影响机制。结果表明：具有不同平均粒径砂土的细观结构参数在剪切过程中存在显著差异,并且其细观参数差异主要集中体现在剪切带处;剪切力学特性的影响主要体现在抗剪强度和剪胀效应方面,砂土平均粒径越大,抗剪强度越高,剪胀效应越明显;具有不同平均粒径的砂土在剪切过程中土颗粒运动规律及剪切带形态变化特征存在一定的差异,平均粒径越大,剪切带内上跨式颗粒占比越大,剪切带厚度越大。     

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。     

钙质砂与钢界面循环剪切刚度与阻尼比的试验研究

钙质砂与钢界面的动力响应对岛礁地质条件下结构物基础的安全与稳定具有重要意义。基于界面环剪仪,开展了一系列钙质砂?钢界面循环剪切试验,探究了法向应力、剪切位移幅值和粒径大小对界面剪切刚度和阻尼比的影响,并与石英砂进行了对比。研究结果表明：法向应力和剪切位移幅值对界面剪切刚度和阻尼比起控制作用;法向应力的增大导致界面剪切刚度增大、阻尼比降低;剪切位移幅值的增大,则导致剪切刚度近似呈反比降低,而阻尼比近似呈对数增大;对于均一粒径的钙质砂,存在着分界粒径,使其剪切刚度和阻尼比的变化规律呈现显著区别;石英砂粒径较大时,其界面剪切刚度和阻尼比与钙质砂明显不同,而粒径较小时两类砂表现出类似的剪切刚度和阻尼比特性。     

杭州地铁储气砂土的抗剪强度特性试验研究与预测分析

从地质成因角度分析了杭州地铁原始储气砂层的饱和度和基质吸力的变化范围。利用GDS非饱和三轴试验系统对变化范围内的储气砂抗剪强度特性进行了测定,得到非饱和储气砂土的抗剪强度指标。试验结果表明, 砂土抗剪强度随吸力的增大而增加,当含水率大于残余含水率时,吸力对储气砂土的抗剪强度影响较为显著;小于残余含水率时,吸力对储气砂土的抗剪强度的贡献较小。将强度试验值与各抗剪强度预测公式的预测值进行了对比分析,认为公式 可合理地用于表述杭州地铁储气砂土的抗剪强度特性。     

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。     

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。     

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。     

大连滨海粉质黏土剪切力学特性环剪试验

以大连滨海地区典型粉质黏土为研究对象,利用大型高速环剪仪,针对不同法向应力和剪切速率条件下该粉质黏土大剪切力学性质的变化情况进行了试验。环剪试验结果显示：1）该滨海粉质黏土在正常固结状态下出现明显的应变软化现象,分析表明其应变软化特性主要与土中黏土矿物质量分数及其在剪切过程中的定向排列有关。2）在相同剪切速率下,峰值强度和残余强度随法向应力的增加而增大,峰值强度与法向应力之间表现出良好的线性关系。3）由于峰值强度产生过程中土体内部黏聚力的变化,峰值强度随剪切速率的增加而增大;残余强度变化与剪切速率具有一定的相关性,这与不同剪切速率下剪切带（面）处黏土颗粒定向排列程度不同有关。     

基于多尺度直剪试验的岩石模型结构面抗剪强度特征研究

开展岩石模型结构面抗剪强度特征的多尺度（尤其大尺寸）直剪试验研究对于理解岩石结构面力学特性具有重要的理论价值和实践意义。首先,基于多尺度直剪试验仪(MSJ-DST),对20 cm×20 cm、40 cm×40 cm、60 cm×60 cm、80 cm×80 cm和100 cm×100 cm的岩石模型结构面试样采用法向应力分别为200～1 000 kPa进行直接剪切试验;然后,研究不同尺寸岩石模型结构面抗剪强度的特征。结果表明：不同法向荷载作用下模型的受力变形特点相近,峰值剪切位移总体上随着某一数值附近上下浮动;在同一法向应力作用下,不同尺寸结构面试样的峰值抗剪强度表现出在某一数值附近上下浮动的特征,残余抗剪强度则表现出随尺寸的增加有小幅度增加;5级法向应力作用下,不同尺寸的峰值抗剪强度和残余抗剪强度随着法向应力的变化规律均近似相同,抗剪强度残余值与峰值的比值随着法向应力的增大逐渐增大并趋于稳定。     

黄土坡滑坡滑带土非饱和力学特性试验研究

以三峡库区黄土坡滑坡临江I号崩滑体的滑带土为研究对象,研究基质吸力对非饱和滑带土的强度与变形等力学性质的影响。利用GDS非饱和反压直剪仪对滑带土进行了不同净法向应力和基质吸力组合下的直剪试验。试验结果表明:相同的基质吸力作用下,滑带土抗剪强度随着净法向应力的增大而增大。当滑带土试样中基质吸力较小时(50kPa),试样剪切过程中的应力-应变曲线,随着净法向应力的增大表现为应变硬化型。之后随着基质吸力的增加,当吸力大于净法向应力时,剪切应力-应变曲线表现为较明显的达到峰值后软化。反之,应力-应变曲线表现为应变硬化型。相同净法向应力下,抗剪强度随着吸力的增大而增大,剪切应力-应变曲线由低法向应力下的达到峰值后软化向高法向应力下的应变硬化转变。剪切过程的轴向位移表现为:当吸力大于净法向应力时,表现为剪胀; 反之,表现为剪缩。滑带土固结排水剪切条件下得到的黏聚力随着基质吸力呈线性增长关系。得到了滑带土的吸力摩擦角b为13.7,有效内摩擦角有较小增长,平均有效内摩擦角15.9。     

基于数字图像分析的土工合成材料加筋砂土拉拔试验研究

由于加筋土界面作用的复杂性,加筋土工程建设中铺设土工格栅时往往采用经验的方法,很大程度上造成了土工格栅的浪费及工程安全隐患,理清不同填料筋土界面作用的影响范围,有助于确定加筋土结构的合理加筋间距。为了揭示不同填料筋土界面作用的影响范围,采用4种不同类型的砂土与格栅在不同法向应力下进行了一系列的拉拔试验,并结合数字图像量测技术,分析了不同类型砂土下界面剪切带厚度、颗粒位移矢量、格栅拉拔阻力峰值及应变等演变规律。研究表明：界面剪切带厚度H随法向应力σ_v与砂土平均粒径d₅₀的增加而增大,通过多变量拟合的方法,得到了H、σ_v与d₅₀三者之间的函数表达式;格栅在拉拔过程中,砂土颗粒位移矢量以土工格栅为界有着显著的差别,格栅上部的颗粒位移矢量明显大于下部颗粒,且在格栅上下一定范围内会形成颗粒位移矢量集中带;拉拔阻力峰值随σ_v及d₅₀的增加而增大;不同类型砂土各区段的格栅应变均表现出由前向后依次递减的趋势。     

考虑吸力变化的非饱和高液限黏土-土工织物界面剪切特性研究

以高液限土为填料的加筋挡墙广泛在南方地区应用,加筋挡墙土体吸力经常随气候变化而发生变化,直接影响筋土界面强度特性,考虑吸力变化的非饱和高液限黏土-土工织物界面强度特性亟待深入研究。利用ZFY-1A型非饱和土应变控制式直剪仪对非饱和高液限黏土-土工织物界面进行控制吸力的剪切试验,探讨吸力循环变化（干湿循环）对筋-土界面剪切特性的影响。研究表明,高液限黏土-土工织物界面的抗剪强度随着净法向应力的增加而增大;随着循环次数的增加,界面强度呈现先升高而后衰减的变化规律。经历3次干湿循环的界面强度低于未经历干湿循环的强度。随着循环次数的增加,界面强度总体上呈降低趋势。吸力增加的速率 随吸力循环次数的增加先增大后减小,有效界面摩擦角 、界面有效黏聚力 、界面综合摩擦系数 、综合摩擦系数比K与此类似。 含水率变化量的最大值随着净法向应力、循环次数的增加而增大。最大剪胀量 随循环次数的增加先增大后减小,随净法向应力的增大而减小。最后通过对数拟合,得出经历若干次基质吸力循环后的界面强度计算公式。     

砂类土力学强度试验研究

通过对砂土的抗剪强度试验结果进行统计,分析了砂土内摩擦角和粘聚力随不同颗粒粒组含量、密实度的变化趋势及规律。试验结果表明,随着砂粒组含量的增大,内摩擦角呈线性增大趋势;当粉粒和粘粒含量增加时,粘聚力亦呈线性增大趋势。同时,试样干密度的增大使内摩擦角和粘聚力呈线性增大。砂土中的粗粒和细粒含量变化存在一个对应的内摩擦角和粘聚力变化的区间。通过回归分析砂土抗剪强度与所含颗粒不同粒径、密实度关系,在特殊条件下,可以有效快速判定砂土剪切指标。     

含坡度均方根的节理峰值剪切强度经验公式

节理的剪切强度涉及到岩体工程的安全。通过CSS–342岩体剪切试验机对3组具有不同形貌特征的节理进行直剪试验,研究形貌对剪切强度的影响。试验结果表明：峰值剪切强度随法向应力和粗糙程度的增加而增加;但就相同的形貌而言,剪切应力与法向应力的比值减小,即由形貌产生的剪胀角随法向应力的增加而减小。通过分析剪胀角存在的边界条件,提出双曲线形式的剪胀角演化模型,并采用抗拉强度体现岩石的性质对节理剪切强度的影响。采用坡度均方根表征节理的三维形貌特征并提出相应的峰值剪切强度公式,与经典的Barton公式进行了比较,总体上新公式的计算值更为接近试验值。     

钙质砂砾剪切强度及变形的粒径效应试验研究

颗粒形态不规则、颗粒级配不均匀的钙质砂砾在施加荷载后具有明显的粒径效应。通过对不同粒径、干湿条件下的钙质砂砾进行剪切试验,分析不同剪切方式下钙质砂砾的剪切应力-位移关系特点,研究钙质砂的剪切强度及变形的粒径效应。结果表明：粒径从0.075 mm增至60 mm时,钙质砂砾的峰值强度呈现出先增后减再增的特点;粒径为0.25～0.5 mm是峰值强度变化的拐点,此粒径下钙质砂颗粒产生更多的破碎;由于拐点粒径的影响,内摩擦角随粒径增加呈现出先增再减的规律,似黏聚力则随粒径增加呈现出先增后减再增的规律;由于水膜效应的存在,一定含水条件下的钙质砂抗剪强度比风干条件下低;由于不同剪切方式下的有效应力路径及剪胀角存在差异,直剪试验获得的似黏聚力参数较单剪试验偏大,且随着粒径的增加,偏差越大。     

不同排水条件下饱和砂土快速大剪切力学特性

为探索滑坡灾害中土在复杂条件下的剪切力学特性,本文利用大型环剪试验机,通过进行各种排水条件下的连续大位移剪切试验,对不同法向应力、剪切速率和孔隙水压力等复杂条件下饱和砂土的力学特性及其变化机理进行了研究。结果表明：1）在连续快速剪切条件下,砂土剪切力学特性在干燥、不排水和排水等条件下呈现不同的变化形式。其中在不排水条件下,饱和砂出现一定的应变软化现象。2）在相同正应力和剪切速率的环剪试验中,饱和砂在不同排水条件下（上排水、下排水、上下排水）的抗剪强度出现显著差异。3）在排水环剪试验条件下,砂土剪切应力与强度的差异性变化不仅与土体内细土颗粒运移和结构变化有关,并且受到剪切过程中不同排水条件下孔隙水压力变化的影响和控制。4）排水环剪条件下,饱和砂孔隙水压力的消散变化不仅与不同排水方式下土体内所形成的排水通道顺畅程度有关,并且受到不同剪切速率和法向应力的影响作用。     

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。