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。     

冻土中几类力学试验方法的探讨

获取寒区工程设计中冻土的物理力学指标及冻土本构模型中的模型参数都离不开冻土的力学试验.随着对冻土力学性质研究的深入,需要考察更多加载路径下冻土的力学行为,这也是检验已有冻土本构模型的有效途径.因此,精确的冻土力学试验是认识冻土力学性质的基本手段.为进一步考察冻土的力学性质,提高冻土力学试验的精度,应用MTS-810低温...     

湿干循环作用对冻土-复合土工布界面常法向应力剪切特性的影响试验研究

土工合成材料广泛应用于寒区工程建设,但土体与材料界面的剪切强度是其薄弱环节。受降雨、灌溉等因素影响,土体在一定深度范围内经历湿干循环作用。为研究湿干循环作用对冻土与土工合成材料界面剪切强度的影响,本文基于控温直剪仪对粉质黏土-复合土工布在常法向应力条件下界面剪切特性开展试验研究,试验因素包括湿干循环次数、温度和法向应力。结果表明,常温条件下湿干循环对界面剪切强度有劣化作用,负温条件下界面剪切强度随湿干循环次数增大整体呈现增大趋势,经过一定循环次数后趋于稳定。湿干循环作用下界面黏聚力和内摩擦角的变化规律与界面剪切强度变化规律相对应,而界面黏聚力的变化是引起剪切强度变化的主要因素。通过对剪切强度的影响变量及其交互作用进行显著性分析,发现法向应力、冻结温度和湿干循环次数均对剪切强度有强显著影响,法向应力和温度的交互作用以及温度和湿干循环次数的交互作用也对剪切强度有显著影响。本文研究成果可为复合土工布在冻土工程中的应用提供参考。     

加载过程中结构-冻土界面红外辐射温度场研究

为获取加载过程中结构-冻土界面温度场的时空分布规律,采用红外热辐射成像技术对模型桩-冻土界面上红外辐射温度场的产生、发展及其演变过程进行了试验研究。结果表明：模型桩在加载直至滑移过程中,桩-冻土界面处存在红外辐射温升现象;桩-冻土界面发生滑移前,红外热图上低温区域在密度和范围上均逐渐减小,距离冻土试样表面不同深度D处温升幅度?T和影响宽度W随时间而逐渐增加,但相同时刻?T和W随深度D的增加而减小;桩-冻土界面发生滑移后,红外热图上的高温区成带状分布,并趋于贯通,最大温升幅度?Tmax和温升影响的最大宽度Wmax随深度D的增加呈线性减小规律。研究结果可为红外热辐射成像技术应用于冻土地区结构-冻土界面温度场测试提供参考。     

筋土界面特性宏细观分析试验仪器研制与应用

为了更全面地分析筋土界面相互作用特性,改制了一台可视加筋土界面特性宏细观分析的试验仪器,可开展不同土工合成材料与填料的直剪和拉拔试验;该仪器改进了试验箱的尺寸,可方便两种试验的对比分析,增加了图像摄录系统,可进行试验过程的细观分析。使用新研制仪器分别进行了土工合成材料（土工格栅和土工布）加筋尾矿砂的直剪和拉拔试验,试验结果表明:两种试验条件下,土工格栅与尾矿的界面参数（似黏聚力和似摩擦角）及似摩擦系数均比土工布与尾矿的界面参数和似摩擦系数大;直剪试验下筋材网孔的有无对筋-尾矿界面参数均有较大影响,拉拔试验下筋材网孔有无对筋-尾矿界面参数似黏聚力的影响较为显著,对似摩擦角的影响较小。随着宏观变量法向应力的增加,细观参数孔隙率减小,平均接触数增加,反映在宏观上的现象就是填料颗粒被压密,筋材需要克服的阻力增大。该试验仪器能够较好地分析筋土界面宏细观特性,获得关键技术指标以用于加筋结构的设计。      

季节性冻土区路基置换层参数确定试验研究

以辽宁西部冻土为研究对象,模拟现场地下水位,对10种重塑土进行了大试件防冻害置换层参数确定试验研究。试验结果表明：对于辽宁西部季节性冻土,当置换层位于地下水位以上30 cm、最大冻深的62 %,且厚度为冻深的30 %时,有明显的防冻害效果。     

土层锚固体复合界面单元形式及力学效应研究

土层锚固技术在岩土工程中已得到越来越广泛应用。简单介绍了已有土层锚固界面单元形式的研究现状,分析了土层锚固界面层的特点,提出一种新的复合界面单元,该复合界面单元由接触单元和实体单元构成,其中接触单元作为锚固体与土体之间的滑动摩擦单元,实体单元体现锚杆拉拔时对周围土体的体胀特性。利用ANSYS数值模拟软件,将新的复合单元应用于锚固体与土体之间的界面层,模拟并分析锚杆拉拔时界面层的破坏特征,得到随荷载增大时界面层剪应力分布的变化过程,并将界面层的破坏分为3个阶段,即线性阶段、滑移扩展阶段、滑移阶段。通过土层锚杆原位拉拔试验,得到土层锚杆拉拔的荷载-位移曲线,分析曲线变化特征,并对数值模拟结果进行了验证。     

冻土三轴剪切过程中细观损伤演化CT动态试验

对冻结粉质粘土在三轴剪切过程中的结构损伤进行了CT技术动态测试。通过对CT图像及CT数的分析发现：在受载之前冻土结构已经存在孔隙、管状孔隙和低密度区等初始缺陷;变形过程中冻土结构的弹性损伤只占总损伤的比例很小,而结构粘塑性损伤的比例则很大;在三轴剪切过程中和蠕变过程一样存在结构损伤的弱化和强化现象,孔洞几何特征的改变和孔洞的长大、联合,颗粒之间的相互错动及滑移是冻土结构粘塑性损伤发展的重要特征。冻土的结构损伤主要发生在冻土屈服之后,这部分损伤不能用CT数的变化来定量计算。     

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。     

盐渍化冻土-混凝土衬砌接触面直剪试验研究

土与结构接触面的研究一直以来是岩土工程研究的热点之一。为研究位山灌区渠系工程冻害破坏问题,开展了不同盐类型、不同含盐量、不同含水率条件下渠道下卧盐渍土-混凝土衬砌冻结接触面直剪试验研究。结果表明：冻结状态下接触面的应力-位移破坏性状呈脆性破坏,存在明显的峰值应力;剪切变形包括线性变形和非线性变形,线性变形随含水率和含盐量的增大而减小,非线性变形随含盐量的增大而增加;剪切模量随含水率的增加而提高;随含盐量的增加而降低;抗剪强度随含水率的增加而增大,随NaCl含盐量增加而降低,随Na₂SO₄含盐量增加先降低后升高;通过对变形能的分析发现,含水率w=14.7%和w=16.7%时具有相似特征,即NaCl含量为0.5%时,曲线存在极（最）小值。     

冻土与结构接触面冻结强度研究现状与展望

全面掌握冻土与结构接触面冻结强度研究进展,是进一步深入开展冻土与结构接触面冻结强度研究的前提。首先,从接触面冻结强度定义、接触面冻结强度剪切试验仪器研发、动静荷载作用下接触面冻结强度试验、接触面冻结强度数值模拟等多个角度系统归纳接触面冻结强度方面的最新研究成果。其次,通过对比不同接触面冻结强度剪切仪,指出现有试验仪器的不足,提出接触面冻结强度成因及破坏机理缺乏深入揭示的原因,讨论现有冻土与结构接触面单元模型、接触面冻结强度预测方法等方面存在的问题。最后,提出研发改进冻土接触面冻结强度试验仪器以更好模拟实际工况的展望,指出应当运用冻土微观结构研究手段深入揭示接触面冻结强度成因及破坏机理,建议结合试验和理论推导构建更为合理的冻土与结构接触面单元模型,阐述以多影响因素试验为基础探寻更为完善的接触面冻结强度预测方法。通过国内外研究现状、存在问题及其发展趋势分析,为冻土与结构接触面冻结强度研究以及冻土区地下工程设计和隧道工程人工冻结加固等方面提供参考和指导。     

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。     

青藏冻结粉土与混凝土基础接触面本构关系研究

土冻结过程中,冰胶结作用使周围土体颗粒与建（构）筑物基础联成一体,这种胶结力称为土与基础间的冻结强度,通常采用冻土沿物体（例如基础材料）表面的剪切强度来度量。因而,冻土与基础接触面的应力-应变关系及其强度特征是确定冻土区基础工程承载力、抗拔性能和分析构筑物与冻土相互作用的基础和关键。为了更好地服务于工程实际,通过大量的冻结粉土与混凝土基础接触面剪切试验,总结了冻土接触面的基本力学特征和受力变形规律。根据获取的剪应力-位移曲线和冻结粉土接触面强度变化规律,利用标准本构模型建模方法,建立了冻结粉土接触面应力-位移-温度本构方程。该模型可以较好地描述不同温度冻结粉土接触面应力-位移变化规律,并为冻土区构筑物受力和变形数值计算提供基础。     

初始静剪应力对粗粒土与结构接触面循环力学特性的影响

运用80 t大型三维接触面试验机,对初始静剪应力存在时粗粒土与结构接触面循环力学特性及初始静剪应力大小的影响进行了研究。循环剪切时,接触面沿初始静剪应力方向产生了明显的切向位移,且该位移与正交切向的剪切路程基本呈直线关系,该直线与初始静剪应力的夹角和初始静剪应力水平关系可用二次多项式描述。初始静剪应力大小对接触面抗剪强度、正交切向应力-应变关系形式影响较小,主要影响正交切向应力峰值、接触面剪切体变数值及剪切体变与切向位移关系等。初始静剪应力越大,该方向产生的切向位移越大,其正交切向应力峰值越小,该应力峰值对应的切向位移亦越小,接触面剪切硬化程度越高;初始剪切时接触面剪胀量越大,而后期循环剪切时剪缩量和剪胀量则越小。     

冻土与结构接触面循环剪切损伤模型

抗剪强度和压缩体应变是冻土与结构接触面的力学特性指标中最重要的两个参数,对冻土与结构接触面的力学分析至关重要。采用自行研制的大型多功能冻土-结构接触面循环直剪系统,开展了冻土与结构接触面力学性能及变形规律的试验研究,采用损伤力学理论,基于等应变分布假设、零弹性域假设、弹性应变无耦合假设,选择不可逆性体应变与最大不可逆性体应变的比值作为损伤因子,建立了用于描述冻土与结构接触面剪切行为的抗剪强度与压缩体应变损伤模型。通过相关试验对建立的损伤模型进行验证,结果表明,所建模型是准确、合理的。     

冻土与结构接触面次峰值冻结强度试验研究

为探究冻土与结构接触面次峰值冻结强度影响因素、影响规律及其预估方法,选取南京河西地铁施工区域典型粉细砂为试验土样,利用改进后的大型多功能冻土直剪仪,开展多影响因素条件下的冻结强度直剪试验研究。在对次峰值冻结强度定义和量化标准约定的基础上,研究发现极限峰值后剪应力陡降、峰后剪应力周期性变化、软化衰变等典型变化规律。将次峰值冻结强度与接触面温度、粗糙度、法向应力拟合后发现其分别呈反比例线性、二次抛物线、正比例线性关系。通过关系数据库管理软件数据挖掘,得出次峰值冻结强度关键影响因素及大小依次为接触面法向应力、粗糙度,而接触面温度为非关键影响因素。经多元非线性回归,构建了耦合接触面温度、法向应力及粗糙度三因素的次峰值冻结强度预估模型,可为人工冻土区或天然冻土区冻结加固设计、盾构法施工、地下结构物设计等提供冻结强度参数选取依据。     

模拟季节冻土层影响的冻土墙模型试验

在季节冻土环境中使用人工冻结法时,由于季节冻土层与人工冻土共同存在,在前者影响下人工冻土墙的水平位移和制冷能量消耗与无季节冻土层时有显著不同。在改装的试验台上,通过使用水平冻结管形成季节冻土,用竖向冻结管形成冻土墙,施加水平荷载,模拟了6种季节冻土层温度条件下冻土墙的形成与开挖过程,以研究季节冻土层对冻土墙耗能、受力和变形性能的影响。结果显示,与无季节冻土层的情况相比,季节冻土层温度为-12 ℃时可减小冻土墙水平位移达8.79 mm,约占墙体总位移的52%,耗能量可减小40.4%。试验结果证明季节冻土层对冻土墙的影响不容忽视,在工程中应充分考虑季节冻土层的节能效应和变形约束能力。     

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。     

季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程及水分变化

利用黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心综合实验观测场2011年11月-2012年4月整个冻结融化期的实测野外黑土耕层土壤温度和水分数据, 对中-深季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程中冻结和融化特征分阴、阳坡进行了分析, 研究了冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 并探讨了降水对不同深度耕层土壤含水量变化的影响. 结果表明:黑土耕层土壤冻结融化过程分为5个阶段, 历时164 d, 约5.5个月. 阶段I, 秋末冬初黑土耕层土壤开始步入冻结期; 阶段II, 黑土耕层土壤整日处于冻结状态, 阴坡比同样深度的阳坡土壤温度低; 阶段III为黑土耕层土壤稳定冻结期; 阶段IV, 黑土耕层土壤步入昼融夜冻的日循环交替状态, 冻融循环的土层逐渐向深部发展, 阳坡比阴坡融化得更深、更早, 阴坡比阳坡经历冻融循环次数更多; 阶段V为稳定融化期, 在融化过程不存在冻融交替的现象, 直到整个冻层内的土壤全部消融. 各深度位置阴坡土壤温度的最高值出现时间比阳坡晚约0.5 h. 经过整个冻结融化期后, 阴、阳坡各层土壤含水量均大于冻结前, 阴坡土壤含水量比阳坡整体偏低. 在整个冻结融化期, 阳坡地下1 cm、5 cm、10 cm 及15 cm处含水量最大值出现在地下5 cm; 阴坡的含水量整体趋于平稳且在融化期受降水影响明显.