现场室内两用大型直剪仪研制(I):结构设计

直剪仪是测定岩土体抗剪强度参数应用最为普遍的一种试验仪器。从直剪仪的结构和大型直剪仪的研制两个方面对直剪仪的研究现状做了介绍,在此基础上,对新近研制的现场室内两用大型直剪仪的结构组成、工作机理及其特点进行了详细分析。该大型直剪仪与常规直剪仪相比,具有较大的优越性,其测试结果更加准确。适用范围广,测试精度高,可应用于现场和室内试验。     

大型现场室内两用直剪仪研制（Ⅱ）：试验测试

利用新近研制的大型现场室内两用直剪仪，对两种不同性质的砂样进行了剪切试验。在对干砂的直接剪切试验特性进行综述的基础上，从多方面对该大型直剪仪得出的干砂剪切试验数据进行了分析验证，结果表明该大型直剪仪得出的试验数据一致性好、可靠性较高，说明该大型直剪仪的基本剪切性能稳定，可进一步应用于相关岩土材料的试验研究。     

大型现场室内两用直剪仪研制(II):试验测试

利用新近研制的大型现场室内两用直剪仪,对两种不同性质的砂样进行了剪切试验。在对干砂的直接剪切试验特性进行综述的基础上,从多方面对该大型直剪仪得出的干砂剪切试验数据进行了分析验证,结果表明该大型直剪仪得出的试验数据一致性好、可靠性较高,说明该大型直剪仪的基本剪切性能稳定,可进一步应用于相关岩土材料的试验研究。     

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。     

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。     

组装式变尺寸直剪仪的研制

由于粗粒土的直剪试验存在显著的尺寸效应,且室内常规直剪仪无法调整试样尺寸,所以难以准确获得粗粒土的抗剪强度参数。基于此问题,介绍了一种可以改变试样尺寸的组装式直剪仪。该直剪仪由出力装置、位移量测装置、反力框架、剪切盒等部分组成。通过改变每一层剪切盒的钢环嵌套个数来改变试样的直径,直径有6.18、10、15、20 cm 4个取值;改变剪切盒的叠置层数来改变试样的高度,高度有5、10、15、20 cm 4个取值,试样直径和高度共有16种组合。在此基础上,选取薛城水电站引水隧洞开挖弃渣为试样,进行5组平行直剪试验,验证了该直剪仪的可重复性以及试验结果的可靠性。改变试样直径D与高度H的组合,进行一系列直剪试验研究了该试样直剪试验的尺寸效应,得出该试样的合理试样尺寸。     

冻土动荷载直剪仪的研制

冻土的动力学参数是工程设计的重要依据之一,也是数值模拟时不可或缺的因素,动力学参数的正确与否直接影响了工程设计和数值模拟的正确性。通过分析其他学者做过的冻土动荷载三轴试验,以及参考普通直剪仪器的构造,北京交通大学冻土室研制了一种新型的冻土动荷载直剪仪,该仪器将传统直剪仪的水平静载部分改造为能够提供动荷载作动器,可以提供一个0.1~6 Hz、20kN以内的动荷载,用于测定冻土的动力学参数。介绍了动荷载直剪仪的结构组成、动力系统、测控系统等,并详细分析了仪器框架、直剪盒、动荷载作动器等的参数选取方法。最后使用该仪器进行了一组验证试验,试验结果表明,动荷载直剪仪能够完成其设计目的,可以测量出冻土在动荷载下的应力-应变曲线,从而求出动弹性模量、动阻尼比等,为冻土的动力学参数测定开辟了一条新的道路。     

新疆某水利枢纽工程软弱结构面抗剪强度参数的试验研究

某水利枢纽工程位于伊犁地区,影响工程的主要问题为坝基岩体软弱结构面和断层的抗滑稳定问题。根据工程实际条件和软弱夹层特性,采取现场断层软弱结构面试验和室内模拟试验相结合,获得软弱夹层的抗剪参数。实践证明,把两种方法结合起来的试验成果可靠,尤其对一些不具备进行现场大型岩体软弱夹层抗剪试验的工程,采用室内中型直剪仪进 行剪切试验具有实用意义。     

冻土-混凝土接触面动剪强度研究

为了研究冻土-混凝土接触面的力学特性,开发了一种低温动荷载直剪仪,它是在普通直剪仪框架的基础上,安装了动力加载系统和温度控制系统。该装置能够保证在负温条件下对冻土进行动荷载直剪试验,从而测定冻土的动力学参数。为了研究寒区冻土与混凝土构筑物的相互作用,使用该仪器进行了一系列的多因素接触面动直剪试验,试验结果表明了冻土-混凝土接触面在动荷载作用下的行为特征,多因素对比试验则揭示了接触面动剪强度的影响因素和变化规律。     

小荷载岩石结构面应力效应直剪仪研制及试验对比分析

常规岩石结构面直剪仪为了达到较大的加载力大多采用液压加载,但由于液压加载力较大以及液压在试验中难以保持较小法向应力的恒定,导致仪器对小荷载岩石结构面直剪试验的精度降低,从而对研究岩石结构面应力效应变化规律有一定不利的影响。基于仪器原理一致性和测试结果可靠性等主要因素,采用机械式杠杆加压原理研制了小荷载岩石结构面直剪仪,新研制直剪仪主要由平台、加载系统、变形测量系统及图像实时显示系统等主要部件组成,不但体积小、经济性好、操作方便、绿色环保、而且周期短及试验精确度高。从仪器设计原理、剪切性能和试验周期等方面对新研制直剪仪和常规直剪仪进行对比分析,并将试验结果与颗粒流数值模拟作比较进行可靠性评价。研究结果表明:新研制直剪仪对小荷载岩石结构面直剪试验有更高的精度;法向应力采用机械式杠杆加压原理,能动态维持法向压力恒定,保证结构面直剪试验数据的可靠性和稳定性;新研制直剪仪较常规直剪仪可缩短试验周期85%左右。     

基于数字图像相关法的砂土细观直剪试验及其颗粒流数值模拟

砂土等天然颗粒材料具有的剪胀性、压硬性、各向异性等特殊力学性质受控于其内部的微细结构及其演化,如何利用试验与数值模拟等手段对砂土细观组构进行量化,对深入研究砂土变形机制尤为重要。基于数字图像相关方法的光学测量技术与土工试验相结合的新手段,通过对直剪仪的可视化改造,开发了能初步实现土体宏细观力学性状联合测量的“砂土变形细观瞬时光学测量系统”,并利用该系统对福建标准砂进行了室内细观直剪试验。随后进行了基于颗粒流软件PFC2D直剪数值试验,提取室内试验还难以获得的细观信息,作为对室内试验的补充。通过对宏观力学性质和位移场、应变场、颗粒定向、速度场、颗粒配位数和接触力链等细观的室内与数值试验结果进行剖析,探讨了砂土力学性质的细观机制。     

土工合成材料界面摩擦特性的室内剪切试验研究

采用自行研制的直剪仪和斜板仪研究了3种粗糙程度的HDPE（高密度聚乙烯）膜分别与砂土、土工布及土工复合材料之间的界面摩擦特性,进行了高垂直应力的直剪试验和低垂直应力下的斜板试验。通过对试验数据进行分析比较,认识了一些HDPE膜界面摩擦特性的变化规律及其影响因素,并对直剪试验结果与斜板试验结果之间的差异进行了初步的研究。     

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。     

千枚岩残坡积土大型直剪试验研究

土体抗剪强度是边坡稳定性分析的重要力学参数,而大型直剪试验是确定粗粒土抗剪强度指标较为有效的方法,但获取所需原状土样较为困难。通过现场挖取边坡残坡积原状土样,开展原状土样和击实土样的室内常规小型直剪对比试验,证明在有效控制密度、干密度和含水率条件下采用击实土样获取的直剪强度指标可替代原状土样试验结果。击实土样的大型直剪与原状土样的常规直剪试验结果对比分析表明,由常规小型直剪试验获得残坡积土的抗剪强度略高于大型直剪试验结果。由于室内常规小型直剪试验获取的抗剪强度指标往往比边坡实际发生滑动时的抗剪强度指标稍大,建议在边坡稳定性分析中对抗剪强度指标选取时,采用以大型直剪试验获得的有效控制密度、干密度和含水率条件下击实土样的峰值强度和残余强度,由此进行的边坡稳定性计算将更为科学合理     

自重应力状态下与超固结条件下直剪试验结果探讨

在土工室内试验中,直剪试验的C、φ值是估算地基承载力等得重要指标,而自重应力状态下的直剪与超固结条件下的直剪试验结果存在很大的差异性,通过工程实例,对自重应力状态下与超固结条件下的直剪试验结果进行探讨。     

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。     

基于大型直剪试验的强风化粗粒料剪胀特性试验研究

剪胀性是岩土材料的重要特性之一,为研究不同工况条件下粗粒料室内大型直剪试验中的剪胀特性,采用新型室内大型直剪仪对3组不同含水率、4组不同剪切速率、5组不同含砾率等3种不同影响因素的试样进行了室内大型直剪试验,分析了剪切时试样的垂直位移与水平剪切位移及垂直应力的关系。试验结果表明：在保持其他影响因素相同条件下,垂直应力的增加导致相同水平剪切位移对应的剪缩量增加;试样的最大剪缩量随着含水率的增加有一定程度的增大,而随着剪切速率的增加而减小;含砾率低于30%试样的最大剪缩量较含砾超过于30%试样的剪缩量大很多,最大剪缩量差别为3倍。当试样含砾率小于50%时,由于试样中富含细颗粒的影响,使得应力-应变曲线具有应变软化属性以及剪胀性趋于一固定值。峰值强度前的应力比-位移增量关系采用非线性的二次项拟合比线性关系的拟合度更好,认为Matsuoka提出的二维剪胀公式不适用于粗粒料,将其修正成二次多项式并给出试验中的经验参数μ的取值区间。     

三峡库区侏罗系不同类型结构面抗剪强度对比

三峡库区侏罗系是典型的软硬相间地层,其软弱层具有亲水性强、透水性弱等特殊的工程地质特性,是库区常见的易滑地层。选取三峡库区秭归县马家沟滑坡所处地层岩体结构面为研究对象,采用室内岩体结构面直剪试验,对4种不同类型结构面的力学特性进行了研究。通过对试验数据的统计分析,绘制了各种结构面的剪应力–正应力关系曲线图及剪应力–剪切位移关系曲线图,从而获得了形成于同一地层中的4种不同结构面的抗剪强度参数,并对其剪切特性进行对比分析与研究。以结构面直剪试验结果为依据,初步分析了该地区某一典型边坡的稳定性及潜在滑动层面,为后期边坡的稳定性评价提供可靠性基础参数。      

基于应力集中系数的抗剪强度取值方法及其应用研究

通过对直剪试件剪切面内应力集中系数分布规律的研究,结合剪应力–剪切位移变化曲线的分析,提出一种采用应力集中系数进行土体抗剪强度取值的方法。以武汉地铁六号线某区间段角砾黏土地层为研究对象,进行室内大型直剪试验,得出角砾黏土的抗剪强度参数随含石量的变化规律,与规程方法进行对比分析,探讨文中方法的可行性。结果表明,应力集中系数K0一定程度上能够反映直剪时土体剪切承载力的强弱;角砾黏土的黏聚力随着含石量的增加呈近似线性关系,与现有研究成果一致;试验结果位于规程规定合理范围内,说明基于应力集中系数的抗剪强度取值方法可作为研究土体强度特性的有效途径。     

土工格室加筋土的大尺寸直剪试验研究

采用自行研制的500 mm?500 mm?400 mm（长?宽?高）大尺寸直剪仪,对土工格室加筋土以及土工格室加筋水泥稳定土的剪切性能进行了试验研究。通过大尺寸直剪试验模拟土工格室加筋土的剪切作用过程,得出加筋土剪切应力与剪切应变关系为非线性确定了土工格室加筋土的抗剪强度指标以及土工格室对土的抗剪强度增强机理,土工格室加筋土的黏聚力提高较大,内摩擦角变化相对较小。通过对素土和掺入量为5 %的水泥稳定土进行常规直剪试验、大尺寸直剪试验和三轴压缩试验对比分析,探讨不同试验方法对抗剪强度指标的影响,得出3种试验方法对应的抗剪强度指标及其相对大小;即素土的摩擦角大小依次为：三轴试验小于大尺寸直剪试验小于常规直剪试验,素土的黏聚力大小依次为：大尺寸直剪试验小于三轴试验小于常规直剪试验;水泥稳定土的摩擦角大小为：三轴试验小于大尺寸直剪试验,黏聚力结果比较大小依次为：三轴试验小于大尺寸直剪试验。