混凝土桩-泥皮-砂土接触面力学特性试验研究

为研究泥皮、粗糙度对桩-土接触面力学特性的影响规律,根据灌注桩成孔后的孔径-深度曲线,应用统计分析法获得了桩侧凸出尺寸和粗糙度的分布频率规律,以此构建了表面光滑和梯形凹槽混凝土板来模拟实际桩侧表面粗糙度。在此基础上,开展了不同泥皮厚度、粗糙度条件下的混凝土-砂土接触面大型直剪试验。其研究结果表明：无泥皮条件下粗糙接触面,其剪切应力-切向位移关系曲线呈软化型;泥皮厚度为5、10 mm条件下,呈硬化型。剪切模量G0.02随泥皮厚度增加而衰减。对光滑混凝土板,其接触面峰值剪切强度和峰值摩擦角随泥皮厚度的增加呈指数关系衰减;对粗糙混凝土板,峰值剪切强度和峰值摩擦角随泥皮厚度的增加近似呈线性衰减。初始泥皮越厚,试验后的泥皮土和泥皮越厚,接触面剪切强度越低。无泥皮条件下粗糙度对接触面峰值剪切强度的影响规律：存在一个临界粗糙度Icr =10 mm,当混凝土板的粗糙度I< Icr时,接触面峰值剪切强度和峰值摩擦角随粗糙度的增大而增大;当I≥Icr时,二者随着接触面粗糙度的增大而减小,泥皮存在会影响改变这一规律。     

泥皮厚度对结构接触面力学特性影响的试验研究

针对实际工程中砂砾石与结构物所形成接触面,采用联合研制的大型叠环单剪仪对砂砾石与夹不同厚度泥皮混凝土接触面力学特性进行了相关试验研究。结果表明,泥皮厚度对结构接触面的强度影响显著,且存在两临界厚度值（记为H1和H2,且H1 < H2）。当泥皮厚度小于临界厚度值H1时,接触面表现为砂砾石与混凝土板接触面特征,其剪应力与相对剪切位移关系曲线呈现明显的双曲线关系,可用双曲线模型进行描述;当泥皮厚度介于两临界厚度值之间时,接触面表现为泥皮与混凝土板接触面,达到破坏阶段后切向变形呈现明显的刚塑性的变形特征,可用刚塑性模型进行描述;当泥皮厚度大于临界厚度值H2时,剪切破坏并不发生在接触面处,而是发生在泥皮层内部,此时接触面特性即为泥皮剪切特性。     

现浇混凝土-冻土接触面冻结强度直剪试验研究

关于混凝土-冻土接触面的力学强度研究多集中于预制成型混凝土样（块）与冻土接触面的力学试验研究,而与工程实际更为接近的冻土中现浇混凝土、冻结稳定后混凝土-冻土接触面的力学强度研究则少有涉及。基于冻土中现浇混凝土的试验方式,开展了不同水灰比、含冰量及冻土温度条件下,混凝土-冻土复杂接触面冻结强度的直剪试验研究。结果表明：试验条件下,由于混凝土中粗、细骨料导热系数及水化热侵蚀强度不同,冻土中现浇混凝土会导致混凝土-冻土接触面发生起伏变化。受该因素影响,粗糙接触面较光滑接触面的冻结强度增大71.9%。粗糙接触面引起的应力集中,使得剪应力在剪切破坏过程中出现间歇性增大、跳跃。在冻结强度构成中,随接触面粗糙程度的增大, φ值对冻结强度增长的贡献要大于c值。水灰比由0.4增至0.6,混凝土导热系数降低,生成接触面趋于光滑,冻结强度减小;土体含水量由15%增大至30%时,冻结强度增大,含水量继续增大至40%时,冻结强度减小;在不同温度条件下,整体呈现冻土温度降低冻结强度相应增大的趋势。基于上述结果,多年冻土区灌注桩设计时,建议混凝土采用0.4~0.5水灰比。     

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。     

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。     

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。     

重力坝岩体混凝土接触面原位剪切试验

在原位条件下,采用自行研制的大型剪切设备,分别对混凝土与砂岩体和粉砂岩体两种接触面进行剪切试验,研究接触面的剪切变形和剪切强度特征。结果揭示出剪应力变化与剪位移的关系,以及接触面破坏模式与抗剪强度的关系。     

土与结构接触面力学特性环剪试验研究

利用环剪仪对不同的土与混凝土接触面的力学特性进行了研究。分别对有泥皮及没有泥皮的接触面情况进行试验,并对剪切面位于黏土内的情况进行了试验。结果表明,不同接触面的应力-应变特性差异很大,泥皮的存在明显改变了接触面的性状;对没有泥皮的情况,剪切破坏面可能发生在土体内部,也可能发生在土-混凝土接触界面;而有泥皮时,破坏面始终发生在泥皮内部。试验的各种接触界面中,破坏时平均剪应力与法向应力具有较好的线性关系, 接触面强度可用摩尔-库仑准则较好地描述;当有泥皮存在时,摩擦角为没有泥皮时的63.4 %。     

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。     

软着陆足垫与模拟月壤界面特性研究

软着陆机构与模拟月壤滑移性能是影响月球探测器月面软着陆稳定性的重要因素。针对缓冲机构所用足垫材料-硬铝,通过直剪仪开展界面直剪试验,研究不同法向应力和剪切速率下不同相对密度模拟月壤和光滑铝板间的接触面变形、强度特性。试验结果表明,稍密时接触面无明显剪应力峰值,近理想弹塑性变形;密实条件下接触面破坏时呈现应变软化现象;法向压力增加接触面强度增加,接触面强度随剪切速率增加而降低,接触面摩擦角取26.8°～31.4°之间。     

超长灌注桩桩-土界面剪切试验研究

为研究超长灌注桩桩侧与土体接触界面的剪切力学行为,采用大型界面剪切仪,开展混凝土与粉质黏土、粉细砂土接触界面剪切试验。针对钻孔灌注桩泥浆护壁施工特点及后注浆工艺的应用,在混凝土与粉细砂土界面设置膨润土泥皮或膨润土泥皮与水泥浆,以研究泥皮及存在泥皮时注浆对界面剪切性状的影响。试验结果表明：界面剪切应力随剪切位移增加逐步达到极限值,之后,剪切应力保持基本不变或出现软化现象;土体类型及法向应力大小对界面剪切力学行为具有较大的影响;粉细砂土-混凝土界面摩擦角与土体有效内摩擦角相近,存在泥皮时,界面摩擦角降低达40%,泥皮的润滑作用较大地削弱了界面的剪切性能;存在泥皮情况下,注浆后界面摩擦角较泥皮界面提高近1倍,水泥浆的注入不仅消除了泥皮产生的不利影响,也有利于进一步改善界面剪切性能,提高其抗剪强度;泥皮及注浆对界面剪切应力与剪切位移关系亦有较大的影响;界面剪切作用对土体具有一定的影响范围,并在接触界面附近土体中逐渐形成剪切破坏带,剪切过程中界面呈现出由剪切位移阶段逐步过渡至剪切滑移阶段;此外,在剪切过程中,不同界面类型的土体变形存在较大差异。     

采用挤压边墙技术的高面板坝裂缝成因分析

为加快施工进度,国内很多高面板堆石坝都采用了挤压边墙技术,用上游坡面的挤压边墙代替传统的垫层。挤压边墙的施工特点决定了其与上覆面板之间的结构关系将与传统的面板-垫层有很大差别。虽然目前面板坝的施工技术和施工水平较以前有较大的提高,但少数工程仍然出现了比较严重的面板裂缝,而采用挤压边墙技术的面板坝施工期出现的裂缝分布规律与采用面板-垫层施工方法有明显的不同。面板裂缝的产生与面板施工期的应力变形状态密切相关,目前面板堆石坝计算中采用的整体模型方法对面板的概化较多,得到的面板应力精度较差。根据挤压边墙实际的施工特点,提出采用子模型法分析面板的应力变形,对某面板坝工程裂缝成因的分析结果表明,温降和上游坡面局部高程不平整引起的面板与挤压边墙之间的局部约束过大是导致面板裂缝的主要原因。     

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。     

改进的非线性徐变模型及其在混凝土坝施工期温度应力仿真分析中的应用

在目前的混凝土坝温度应力仿真计算分析中,一般采用弹性徐变模型考虑施工期混凝土徐变对温度应力的影响。当坝体内的温度应力比较小时,采用弹性徐变模型计算温度应力是可行的,但当坝体的温度应力超过相应龄期的抗拉强度一半时,混凝土的徐变变形不再与坝体的应力呈线性关系,而是呈现出剧烈的非线性变化趋势。温度应力与抗拉强度越接近,相应的非线性徐变变形越大。根据已有的混凝土徐变试验成果,提出了一个用于混凝土坝施工期温度应力仿真计算的混凝土非线性徐变模型,给出了相应的计算方法。算例表明,采用传统的弹性徐变模型与提出的非线性徐变模型计算的温度应力存在一定的差别,采用传统弹性徐变模型计算的温度应力偏大。     

不均匀收缩方式对膨胀土工程性状影响试验研究

通过控制恒温恒湿箱的温湿度工作参数,改变膨胀土试样的蒸发路径,实现饱和膨胀土在不同脱湿速率下的不均匀收缩,结合有荷膨胀率试验和直接剪切试验,研究膨胀土不均匀收缩方式下胀缩特性和强度特性。试验结果表明,脱湿速率越小,膨胀土的胀缩性越大,剪切强度越高;对比不同收缩方式,均匀收缩下膨胀土的收缩与膨胀变形和剪切强度均大于不均匀收缩下的收缩与膨胀变形和剪切强度。造成这些差异的主要原因是不均匀收缩试验中水分蒸发的路径不同,沿深度方向的含水率不同,基质吸力不同,引起的应变也不同,这种不均匀性改变了原有膨胀土的均一性,限制了膨胀土胀缩特性和强度特性的发挥。     

挤压边墙对混凝土面板影响的三维有限元分析

挤压式边墙技术是近年混凝土面板堆石坝发展最具有代表性的新技术之一。本课题以使用挤压式边墙的面板堆石坝为主要研究对象,具体结合一个工程实例进行分析。运用ANSYS参数化设计语言（APDL）实现了用点面接触单元模拟面板与边墙的接触;创新性地采用非线性连接单元模拟面板垂直缝和周边缝。在此基础上,计算了有挤压式边墙和无边墙两种情况下坝体及面板分别在竣工期和蓄水期的应力、变形;最终确定两者面板应力应变之间的差异,明确挤压边墙对面板的影响。     

锦屏二级水电站大理岩复杂加卸载应力路径力学特性研究

地下洞室开挖围岩经历典型径向卸载、环向加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站高地应力赋存环境,对施工排水洞大理岩开展常规单轴全应变、三轴压缩、卸围压、卸围压-加载轴压等4种不同应力路径力学试验,得到应力-应变全过程曲线、变形破坏特征和极限储能变化规律。试验研究结果表明, （1）锦屏二级水电站大理岩破坏时轴向应变一般较小,为硬脆性材料,卸荷应力路径下该脆性特征更为明显;（2）卸围压同时加载轴压试验峰值强度对应轴向应变、环向应变及体积应变值一般高于单纯的卸围压值,而对应峰值强度则一般低于卸围压值;（3）卸荷速率较大时,变形模量越大,大理岩峰值强度越低。加载速率越大,变形模量越小,峰值强度越高。初始围压越高,变形模量值越低,峰值强度越高;（4）无侧限作用时试件主要为张拉破坏,低侧限作用时为剪切破坏为主,局部存在张拉破坏,较高侧限时,剪切面为典型X或Y型;（5）岩石试件具有极限储能值,该值受多种因素的影响。一般情况下试件破坏对应围压越高,极限储能值越高,卸载速率越大,极限储能值越小。研究结果对于岩爆孕育发生机制解释以及工程实际问题的解决均有参考价值。     

降雨作用下碎石土滑坡解体变形破坏机制研究

为了揭示碎石土滑坡的变形解体破坏机制,结合工程实例,通过资料搜集整理和分析、现场工程地质调查与勘探和室内外的物理力学试验,采用不平衡推力法、数理统计分析方法和三维弹塑性接触有限元算法,以及运用碎石土边坡地下水管网状排泄系统理论,分析降雨作用下碎石土滑坡的变形解体破坏过程,揭示了降雨作用下中深层碎石土滑坡变形解体破坏的主要机制和一般的力学机制。结果表明,一定强度的长时间连续降雨或强降雨是中深层碎石土滑坡发生失稳的主要触发因素;采用考虑降雨作用的弹塑性接触有限元算法,可以更好地反映该类型滑坡在降雨作用下所处的实际状态及滑坡的滑动过程,可以为该类型滑坡稳定性的准确评价和预测预报提供可资借鉴的方法。     

加筋膨胀土不同布筋型式三轴试验研究

基于三轴试验方法,对不同布筋方式的加筋膨胀土试样的强度特性和变形过程进行研究。室内三轴试验表明,非均匀加筋型式较适合低围压、变形小的加筋土体工程;高围压、大变形的加筋土体工程采用均匀布筋型式将会取得较好的效果。试样变形过程表明,加筋试样随着轴压的增加,将会形成多鼓状变形,并且中间土体最终变形将超过端部土体变形;该变形过程可较好地解释加筋挡土墙随着时间和外部荷载的作用出现中间部分突出的现象。试验结果对加筋土体施工将会起到一定的指导意义。     

花岗岩全风化土湿化变形及强度的试验研究

基于某高速公路路基花岗岩全风化土浸水湿化的情况,采用GDS非饱和三轴仪进行了接近实际应力路径下三轴“单线法”湿化变形试验,研究了试样在不同围压、不同湿化应力水平下的湿化情况,得到了试样在湿化前后应力-应变曲线,轴变与体变间的变化规律,经成果分析表明,试样在湿化过程中均产生了轴变与体变,并且经湿化变形后产生了各向异性。当初始有效围压相同时,各湿化应力水平下的抗剪强度指标c、? 值近似相等,与干样相比,湿样的黏聚力c值减少明显,内摩擦角? 值变化不大。在初始有效围压较低情况下,试样约在轴向应变达10%左右时体积变形由剪缩变为剪胀,而在初始有效围压较高的情况下则没发生类似的现象。