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。     

非饱和土的抗剪强度与含水率关系的试验研究

研究非饱和土的抗剪强度及其随含水率的变化规律,对工程实践具有重要意义。在总结前人试验研究成果的基础上,以欠固结的第三系粉砂土为研究对象,对原状土和两种控制含水率方法的重塑土进行直剪试验,并与前人研究进行对比。研究结果表明,随着含水率的增加,土的抗剪强度降低,含水率对抗剪强度的影响主要是降低了土的黏聚力,对内摩擦角的影响较小。含水率与黏聚力之间的关系可以由两个直线段描述,第2直线段的斜率要大于第1直线段,当含水率增加到一定值时,土的黏聚力急剧下降。通过控制干密度,添加不同质量的水来改变土样含水率的重塑土方法,不仅改变了土样的含水率,还改变了土的压实度和颗粒结构,因此,土的抗剪强度的变化是含水率和压实度共同影响的结果,在分析试验结果时应该引起重视。     

利用常规直剪试验评价非饱和黄土抗剪强度

为了研究一种简化的方法评价非饱和黄土抗剪强度,本文利用常规直剪仪对非饱和重塑黄土进行固结快剪试验,Whatman s No.42型滤纸测试固结前和剪切后土样吸力,研究同一正应力下初始吸力和剪后吸力的变化趋势及机理,并用非饱和直剪测试结果对常规直剪和滤纸法测得的吸力与强度进行了效验。研究表明,土-水特征曲线的进气值和残余值对固结前和剪切后干密度和吸力的变化起控制作用,获得初始吸力与剪后吸力的变化关系。基于Vanapalli模型,提出了利用土样初始土-水特征曲线、有效黏聚力和有效内摩擦角预测非饱和黄土抗剪强度的公式,研究结果简化了非饱和土强度测试方法,节约了时间,为非饱和土抗剪强度理论在工程实践中推广应用提供新思路。     

虎跳峡工程区松散堆积体原位直剪试验研究

松散堆积体型斜坡在虎跳峡工程区河段两岸普遍发育,研究其剪切强度对于此类库岸斜坡的稳定性评价具有重要意义。作者设计了堆载式加荷直剪试验方法,并经野外大面积现场试验,获得了堆积体直剪时的剪应力-应变关系曲线,对堆积体的剪切强度性质进行了相应的理论分析,同时为工程区堆积体稳定性评价提供了可参考的c、φ值。     

强风化角岩力学-变形特性的直剪试验研究

对深圳岭澳三期核电工程选址区域内的强风化角岩的直剪试验研究表明,强风化角岩的剪切变形存在一定的延性且呈塑性破坏,其岩体剪切强度随含水率的增长呈负指数下降趋势,水对岩体强度指标c、?具有一定的弱化作用;强风化角岩在饱水条件下只发生剪缩现象,而天然条件下先剪缩后剪胀。引入剪切刚度研究直剪试验的变形特性并考虑水对这一变形指标的影响,研究认为,强风化角岩的剪切刚度随法向应力的增加而增加,且随含水率的增加而降低,低法向应力条件下对水的作用尤其敏感,同时分析了剪切刚度的变化对边坡岩体剪切位移的影响,其结果对边坡的稳定性分析及坡体位移变化的预测具有一定的指导作用。     

对土的抗剪强度指标（直剪试验）确定方法的研究

本文分析了图解法求Ｃ、Φ值的不科学性及非唯一性，（ＧＢ１７－８９）规范推荐方法求Ｃ、Φ值的进步（唯一性）及不足（机械性），并提出了采用最小相对误差绝对值来确定Ｃ、Φ值的新方法，提高了Ｃ、Φ值的可信度。     

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。     

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。     

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。     

宽饱和度范围非饱和土抗剪强度指标的演化模型

非饱和土的抗剪强度指标随饱和度变化的规律错综复杂,为了用数学模型描述这些规律,对现有文献中非饱和土的黏聚力、内摩擦角、剪胀角随饱和度变化的规律进行分析。分析结果表明：（1）当土体饱和度降低,土体从毛细作用主导逐步过渡到吸附作用主导时,土体内摩擦角会增大,其变化规律存在一个转折点,可以定义为临界饱和度Src。当饱和度Sr大于临界饱和度Src时,内摩擦角可视为常数;当饱和度Sr小于临界饱和度Src时,内摩擦角随着饱和度的减小线性增加,传统扩展摩尔-库仑准则等模型不再适用。（2）黏聚力随饱和度的变化过程存在山峰效应,即黏聚力先随饱和度Sr的降低呈指数函数关系增加,当饱和度Sr达到非饱和土强度极值对应的饱和度Srv时达到最大,随后有所降低,这也是导致非饱和土强度存在山峰效应的主要原因。（3）剪胀角随饱和度的降低和垂直压力的降低而增大,可采用线性模型描述。基于以上规律,提出了一个宽饱和度范围内的非饱和抗剪强度演化模型。通过与文献中的试验数据及现有强度模型拟合结果进行对比发现,新模型在描述宽饱和度范围内的土体强度时具有更好的适用性。     

高速公路顺向坡层面抗剪强度参数试验研究

对湖北省西部某高速公路宜昌-恩施段主要边坡岩体结构面(层面)的抗剪强度参数进行了较系统的试验研究,包括岩体结构面的野外地质调查、岩体结构面原位直剪试验、软弱结构面室内模拟剪切试验及岩体力学参数估值等.对各种试验数据进行整理、分析和对比,得到了层面抗剪强度参数.在岩体工程分类的基础上,利用Hoek-Brown经验方法对各类岩体强度参数进行了估算.综合以上多种数据,并考虑岩体结构面所处具体地质条件,提出了各类岩体结构面强度参数建议值.     

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。     

原位直剪试验中岩体弹性模量求取方法探讨

对利用原位直剪试验法向压缩变形曲线求取弹性模量的两种传统方法进行了分析和探讨,认为利用压缩曲线法和间接现场荷载试验法的经验公式计算出的结果均小于实际值。提出了一种新的利用原位直剪压缩曲线求取弹性模量的综合方法,同时采用3种方法求取了岭澳3期工程强风化角岩的弹性模量。分析表明,原位直剪试验压缩曲线综合法求得的弹性模量为压缩曲线法与间接现场荷载法取值之和,其计算原理与直剪试验法向加载时力学变形机制一致,计算值更接近于真实值,有效地解决了边坡岩体变形稳定性分析中弹性模量取值问题。     

非贯通节理岩体直剪试验研究进展

基于典型的直剪试验,国内外学者提出了非贯通节理岩体贯通破坏机理,并建立了相应的强度准则,如Jennings方法,即加权平均强度理论和强度准则、Lajtai岩桥破坏理论和强度准则、断裂力学的II型破坏理论和强度准则,拉剪复合破坏和强度准则。然而,非贯通节理岩体破坏机理目前还没有完全弄清楚,已建立的强度准则所包含的重要参数还需深入研究,如：如节理面的传压系数、传剪系数、弱化了的岩桥内摩擦力和内摩擦角等;非贯通节理岩体节理闭合和剪切的本构关系有待建立;不共面非贯通节理岩体全过程最大抗剪强度需进一步研究。伺服直剪试验机、静态应变测试仪、声发射仪、X射线测量等无损检测技术能够为进一步研究非贯通节理岩体的破坏机理,提出新的理论和建立新的强度准则提供强有力的技术支持。     

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。     

大型直剪与小型直剪对软弱夹层强度试验参数取值关系的研究

岩体中软弱夹层是控制岩体稳定的重要边界条件。准确、合理的选取其力学参数对大坝建基面的选取及未来坝基抗滑稳定性具有重大意义。对于深部难以取得大量试样的软弱夹层的工程地质性质的评价, 通过室内小型直剪获得的抗剪强度试验参数,然后再根据小剪和大剪之间的关系进行修正, 确定软弱夹层的抗剪强度参数,具有显著的经济价值和工程意义。     

非饱和土抗剪强度随含水量变化的试验研究

在土力学中,非饱和土的抗剪强度一直是研究人员所关注的重点。土体的抗剪强度随含水量的不同变化明显。试验以云南某重塑土为研究对象,采用常规直接剪切试验为手段,对不同含水量土样的抗剪强度参数进行测定。试验结果表明,土样的抗剪强度不是单调地随含水量的增加而降低,而是呈现出有起有伏的抛物线状,对进一步认识土体强度随含水量变化规律有积极意义。     

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。     

压实黄土非饱和抗剪强度的试验研究

黄土是一种典型的非饱和土,抗剪强度是黄土的一个重要力学性质。为探究压实黄土的非饱和抗剪强度特征,利用GDS非饱和三轴仪对延安L₆压实黄土进行了一系列控制不同吸力和围压的固结排水剪切试验（CD试验）。对试验过程中压实黄土试样的饱和度、体积及土样中进出水量的变化情况进行了分析,并探讨了吸力和净围压对压实黄土应力-应变特性的影响规律。通过研究发现：试验黄土剪切过程中应力-应变曲线均为硬化型,应变呈现先剪缩后剪胀的变化趋势。基质吸力和净围压均对压实黄土的变形特性和强度特性有较大影响,同一基质吸力条件下,净围压越大,压实黄土试样强度越高,剪缩体变峰值越大,最终发生的剪胀量越小。净围压一定时,基质吸力越大,强度越大,剪胀也更明显。