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。     

土工格栅与土界面作用特性试验研究

土工格栅与土的界面摩擦特性指标是加筋土工程设计的关键。通过分析土工格栅与土的界面摩擦作用和进行了直剪摩擦试验和拉拔摩擦试验,测试了两种试验条件的界面摩擦特性。在两种试验条件下,土工格栅加筋土复合体的抗剪强度均有界面摩擦角φsq和界面凝聚力csq,且土工格栅与土相对位移量的不同,其复合体的强度机理有区别。在拉拔摩擦试验中,剪应力峰值强度对应的剪切变形值高于直剪摩擦试验中剪应力峰值强度的剪切变形值5～10倍以上。两种试验均有其适用性,而土与土工格栅的相对位移较小时直剪摩擦试验较能反映实际;土与土工格栅相对位移较大时土与格栅双面均发生相对位移,拉拔摩擦试验更为合适。随法向应力的增大,直剪摩擦和拉拔摩擦试验的剪应力峰值以及剪应力峰值对应的位移均提高。直剪摩擦的剪切速度小,剪应力峰值强度高,且达到峰值强度的剪切位移大;增加剪切速度,剪应力峰值强度降低,且对应的位移也减少,其原因是界面上的孔隙水压力消散和筋材的应力松弛。应根据具体工程的需要选择直剪摩擦试验和拉拔摩擦试验确定设计参数。     

重塑上海淤泥质粘土直剪试验

直剪试验是测定土体抗剪强度常用的方法。通过对重塑上海第4层淤泥质粘土分别进行固结快剪和慢剪试验,对慢剪和快剪的剪应力和剪切位移曲线以及慢剪和快剪的抗剪强度曲线进行分析,并对其剪应力与剪切位移关系曲线进行归一化分析,拟合得到各竖向压力下τ·S-S的归一化方程,进而统一了各竖向压力下τ/P.S-S的归一化方程,并通过抗剪强度曲线图可得到抗剪强度参数粘聚力(c)和内摩擦角(φ);抗剪强度和剪切破坏时与剪切面上的含水率有较好的线性关系。      

非规则砂岩节理剪切变形本构关系试验研究

岩石节理剪切变形对岩体工程的安全性和稳定性具有重要影响。为研究常法向应力下岩石节理剪切变形本构关系,采用RDS-200型岩石直剪仪对非规则砂岩节理进行了不同法向应力下的直剪试验。根据岩石节理剪切应力?位移全程曲线形状特征,将其依次划分为峰前压密阶段、线性阶段、屈服阶段和峰后软化阶段;根据剪切应力在峰后软化阶段降低幅度和速率大小,将岩石节理剪切应力?位移曲线划分为3种类型：峰后平台型、峰后缓降型和峰后跌落型。基于岩石节理剪切应力?位移曲线各阶段剪切变形特征,采用分段函数建立了岩石节理剪切变形本构模型。与其他模型相比,新提出的岩石节理剪切变形本构模型对试验数据拟合精度更高,更好地描述了岩石节理剪切应力?位移全程曲线。另外,在通过岩石节理直剪试验由经验公式确定模型参数之后,所提出本构模型可在不同法向应力下实现对不同粗糙度岩石节理剪切应力?位移曲线的预测。研究结果对岩石节理剪切变形的数值模拟和工程估计具有一定的实用价值。     

不同环剪方式下滑带土残余强度试验研究

以三峡库区黄土坡滑坡滑带土为研究对象,利用环剪仪研究了黄土坡滑坡滑带土在单级剪、预剪以及多级剪3种环剪方式下的残余强度特征。试验结果表明：不同环剪试验下剪切带的形成与剪切位移相关;残余强度随有效法向应力的增大而增大,对于已经存在剪切带的滑带土,环剪时能很快达到残余强度状态;滑带土环剪轴向压缩分初始剪胀、颗粒运移压密和稳定压密3个阶段,且每个阶段剪应力变化趋势不同;预剪试验和多级剪切试验得到的残余强度偏大,应该首选单级剪切试验测试滑带土残余强度指标。     

上海重塑粘性土的直剪特性研究

上海地区浅层广泛分布的淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土和粘土具孔隙比大、含水量高、压缩性大、强度低等特点,容易对工程造成严重不良影响。对这三种土重塑样的直剪特性进行了系统研究,试验方法包括固结快剪和固结慢剪,剪切过程中量测剪切位移和竖向压缩量,剪切结束后量测了破坏面上的土样含水率。结果显示,固结慢剪试验中土样均硬化,剪切位移达6mm时仍未破坏;而固结快剪试验中,除粉质粘土外另两类土在0.2mm的位移下就达到剪切强度。通过试验得到了剪切应力与剪切位移关系、剪缩变形量和抗剪强度参数等。结合试验结果,对粉质粘土与粘土的不同结构导致直剪特性的差异进行了分析讨论。可为上海重塑土的结构及力学特性研究提供依据和借鉴。     

土工膜-土工布界面动力剪切特性试验研究

糙面土工膜（GMX）和无纺土工布（GT）是垃圾填埋场中周边衬垫系统的重要组成部分,其界面特性对于整体填埋场的稳定性尤为重要。但是,目前对GMX-GT界面的动力剪切特性研究较少。为此,利用大型直剪仪,开展了一系列全饱和条件及干燥条件下GMX-GT界面的循环剪切试验,主要研究了竖向应力、位移幅值和循环次数等对GMX-GT界面动力剪切特性的影响,并对比分析了全饱和及干燥两种条件下GMX-GT界面动力剪切特性的差异。研究结果表明,随着位移幅值的增加,GMX-GT界面呈现出由剪切硬化向剪切软化转变的特性。循环剪切作用使得界面的内摩擦角随着位移幅值的增加而增大。GMX-GT界面主要表现为剪缩特性,且总剪缩量随竖向应力、位移幅值和循环次数的增加而增加。剪切刚度随竖向应力和循环次数的增大而增大,随位移幅值的增大而减小。阻尼比随位移幅值的增大而增大,随循环次数的增加而减小,说明位移幅值会增加GMX-GT界面的能量的耗散。GMX-GT界面在干燥条件下的破坏模式与饱和条件下的存在明显差异,干燥条件下GT内部的破坏更加显著,全饱和条件下GMX表面的破坏更加明显。     

筋-土界面循环剪切刚度和阻尼比的试验研究

为了研究筋-土界面在遭受动力作用时的表现,利用大型直剪仪对土工格栅、土工编织布、土工无纺布和砂土界面进行了一系列循环剪切试验,得到了不同工况下界面的剪切刚度和阻尼比,并探究了循环次数与剪切刚度和阻尼比之间的规律。研究结果表明,同一循环次数时格栅-土界面的循环剪切刚度最大,土工编织布-土界面的阻尼比最大;剪切位移幅值为3 mm时3种竖向应力下界面都呈现出循环剪切硬化的特征,随着循环次数的增加,各竖向应力下的界面阻尼比有趋于某一值的趋势;砂土密实度越大,同一循环次数对应的剪切刚度越大,阻尼比越小,且随着循环次数的增加3种砂土密实度的界面阻尼比有趋于同一值的趋势;循环剪切位移幅值为5 mm的界面发生循环剪切软化现象,剪切位移幅值越大,界面同一循环次数的阻尼比也越大。     

可视大模型加筋土直剪数采仪的研发与应用

研制了一台适用于多种工况下的大尺寸可视直剪试验仪器,可开展不同土工合成材料与土体作用的直剪试验。该仪器改进了加载方式与反力系统,实现了直剪试验正面可视及自动化采集试验数据,并可测量土工物在土中的应变,为探索筋土界面特性与筋土受力机制以及筋土位移分析提供了新的可能。使用新研制的试验装置开展了以砾类粗粒土为填料的土工格栅直剪试验,试验结果表明:加筋土较素土的界面内聚力增加,内摩擦角降低;格栅应变总体随着剪切位移的增加而增大,格栅横肋与土体的嵌阻力快速增大造成格栅应变增长较快,但直剪作用使格栅产生的最大应变值远小于格栅的屈服应变值。素粗粒土直剪界面厚度小于格栅加筋土的界面厚度,在筋土直剪界面处粗粒土主要以平移运动为主,同时部分中小颗粒存在平转位移模式。     

土与结构界面位移特性静动力单剪试验研究

土与结构接触面是工程中经常遇到的,剪切试验是研究界面特性的主要方法之一。单剪试验既可以研究界面的特性,又可以考虑土体受力变形的实际特征,土体变形和界面错动位移的关系是尚未被注意的问题。通过淤泥质粉质黏土的静、动力单剪试验和进行不同法向应力、不同剪切应力幅值的对比试验,得到界面位移与循环周数、土体应变的试验曲线。结果表明,静力单剪试验的初期剪应力迅速增大,其后增长速率逐渐减小,没有出现软化现象;在剪切初期,主要是土体发生剪切位移,达到一定位移量后,土体和钢板之间开始出现较为明显的滑移;在一定的土体应变范围内静力单剪界面错动位移和土体应变有近似线性关系;动力单剪的界面错动位移和土体应变有很好的线性关系;静动力试验界面位移与土体应变关系线的斜率总体上静力试验结果高于动力试验值,线性关系的斜率变化范围不大     

Design and application of a kind of direct shear model test apparatus

A kind of direct shear model test apparatus is introduced, which can be used for laboratory model tests of anti-sliding structures for slopes (landslides). The model test apparatus consists of shearing system, loading system and data collecting system. The shearing system is composed of an upper direct shear box, a lower direct shear box and two straight steel rails. The upper and the lower direct shear boxes are connected by the straight steel rails. The loading system is composed of load transducer, hydraulic jack and reaction rack. The shearing system and the loading system are connected by steel base. The apparatus has been successfully used in anti-sliding model test of single row grouting micro-piles based on detailed analysis of its structure design and characteristics. Application results of the apparatus indicate that this kind of direct shear model test apparatus possesses great practicability; and it can be used further in other similar model tests.     

一种直剪式模型试验设备的设计及应用

介绍了一种直剪式模型试验设备,该设备可用于边坡（滑坡）抗滑结构的室内模型试验研究。该模型试验设备包括剪切系统、加载系统和量测系统。其中剪切系统包括上剪切盒、下剪切盒及钢质直线导轨,上下剪切盒通过钢质直线导轨连接在一起;加载系统包括荷载传感器、液压千斤顶及反力架,剪切系统和加载系统通过钢板底座连接为一个有机整体。在详细分析该模型试验设备的设计制作及其优缺点的基础上,将其用于单排注浆微型桩抗滑结构的模型试验研究中。试验结果分析表明,该直剪式模型试验设备具有较好的实用性,可进一步应用于类似的模型试验研究中。     

垃圾填埋场复合衬垫剪切特性单剪试验研究

针对垃圾填埋工程中复合衬垫的界面抗剪特性,利用改进的叠环式单剪仪,对由砂土-无纺型土工布-土工网格-土工膜-夯实粘土组成复合衬垫进行了整体剪切试验研究。重点讨论了复合衬垫整体单剪试验的应力-位移曲线、相同剪切应力下各个界面的位移大小与变化特征和强度特性。研究结果表明：复合衬垫整体单剪试验的应力-位移曲线在低法向应力试验中没有呈现明显的软化特征,在高法向应力试验中有硬化现象;随法向应力增加剪切破坏面会发生转移;目前常用的把复合衬垫拆分为单个界面进行研究来确定最危险界面的方法不能够正确地反映填埋场中的复合衬垫在加载过程中的衬垫单元的实际受压变形情况和在剪切变形过程中最危险破坏面转移的情况;复合衬垫界面的抗剪强度包线呈现双曲线性质。     

堆石料等应力比路径四模量增量非线性模型

已有研究表明,土石坝内堆石料在施工填筑期的应力路径可近似为主应力比为常数的路径。根据大型三轴仪上进行的两种应力路径排水试验,即等向压缩的固结试验和等应力比值的剪切试验,提出了一个四模量增量非线性模型。模型除给出了堆石料体积模量K和剪切模量G的表达式外,对剪应力产生的体积应变和平均主应力产生的剪切应变也分别采用了交叉模量J1、J2表达。通过与试验数据的对比表明,四模量增量非线性模型能够较好地预测堆石料在等应力比路径下的应力-应变关系。     

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。     

桂北硅质岩结构面抗剪强度研究

在广西壮族自治区桂林市天门村进行了硅质岩结构面强度的原位试验,结合现场调查,基于Barton模型,估算了硅质岩结构面抗剪强度。结果表明,硅质岩结构面的剪应力-位移曲线呈现出塑性变形的特征,剪切过程具有爬坡、空化、剪胀的特点。剪切曲线分为剪胀、剪断凸台和完全接触三个过程。结构面受剪力初期,剪应力上升较快,剪切位移随剪应力的增大而几乎呈线性增大,处于弹性状态;随着剪应力的不断增大,在剪切面处发生爬坡作用和啃断作用这两种力学效果;当将结构面上的凸台被啃断后,剪应力上升的梯度变小,直至峰值强度,处于完全接触状态。原位试验得到的抗剪强度参数与Barton模型计算的结果具有较好的一致性,但Barton模型参数的确定带有很强的主观性而造成的误差较大,导致其计算结果偏小,因此在没有经验值和相关工程参考的地区进行现场大剪试验是十分必要的,既保证了工程的可靠性,又避免过于保守,本次实验的结果为类似工程的取值提供了参考。     

桐柏造山带中剪切带的位移量及年代学研究

桐柏造山带在形成和演化过程中产生了多条韧性剪切带, 本文选取其中大河-固县剪切带和殷店-马垅剪切带作为研究对象, 分析其构造变形特征, 并利用数学法和图解法, 分别计算出两条韧性剪切带的位移量; 对殷店-马垅剪切带尝试用同构造变形石英脉的ESR测年来确定剪切带的活动年龄, 其结果与前人在该地区所获得的年龄十分吻合。大河-固县剪切带具右旋剪切的运动学特征, 运动学涡度W_k明显大于0.75, 指示以简单剪切为主, 位移量为857~867 m。殷店-马垅剪切带同样为右行剪切, 其位移量为1 081~1 113 m, 石英ESR测年结果140.6~131.5 Ma, 表明桐柏造山带碰撞后的构造变形以剪切活动为主, 活动年龄在早白垩世时期。     

新型数控岩石节理剪切渗流试验台的设计与应用

岩石节理的应力渗流耦合性质对工程结构稳定性的影响普遍存在于各种岩体工程中,而进行岩石节理的室内剪切-渗流耦合试验,是一种有效的研究手段。采用新型数控岩体节理剪切渗流耦合试验台,应用全数字伺服控制系统,实现了对试验进程的平稳控制以及试验数据的多路同步实时采集和处理;通过剪切盒的精细设计,提高了剪切盒可承受的渗透压力值,并保证试验过程密封性能良好的同时实现了柔性边界条件。在恒定渗透压力作用下,分别进行了不同边界条件下的剪切渗流耦合试验,试验结果验证了该试验装置的可靠性和实用性,将能为岩体工程的合理设计提供有效数据依据。该试验台可以应用于地下核废料储存、水利水电地下洞室、水下隧道、采矿等工程有关问题的研究中。