模拟月壤抗剪强度试验研究及离散元分析

模拟月壤作为探月工程模型试验的基床材料,其力学特性将直接影响到月球探测器、着陆器等机构的设计,而抗剪强度是其主要力学特性之一。针对软着陆模型试验所用的TJ-1模拟月壤,采用标准应力路径三轴仪对其进行静三轴试验,得到了不同相对密度、剪切速率和围压条件下模拟月壤的应力-应变关系曲线、弹性模量和抗剪强度指标值等,试验结果表明:模拟月壤具有应变软化特征并存在一定大小的表观黏聚力,峰值内摩擦角的值介于43°~51°之间;相对密度越大,应变软化特征越明显,黏聚力和内摩擦角的值都越大:在密实状态时,剪切速率越大,模拟月壤的抗剪强度指标值呈整体下降的趋势。利用PFC~(3D)软件建立三轴试验数值模型,研究了颗粒间摩擦系数、初始孔隙率以及颗粒刚度这3个细观参数对模拟月壤抗剪强度的影响,模拟结果表明:颗粒间摩擦系数是影响抗剪强度指标内摩擦角的主要因素,而初始孔隙率及颗粒刚度的影响则相对不明显;在一定数值范围内,颗粒间摩擦系数越大,内摩擦角的值越大,两者近似呈线性关系。     

钙质砂抗剪强度特性的环剪试验

珊瑚礁沉积的钙质砂与石英砂的物理力学性质有较大差别。对取自南海岛礁的钙质砂进行了单次往返环剪试验以分析钙质砂的抗剪强度特性,试验中考虑了相对密实度和竖向应力对结果的影响,并与相同级配和试验条件下的石英砂进行对比分析。结果表明：钙质砂正向剪切时应力-位移曲线为软化型,具有明显的残余强度特性,而反向剪切时则表现为硬化型,正向和反向剪切强度基本一致;石英砂正向剪切和反向剪切均表现为软化型。钙质砂正向剪切和反向剪切残余强度与峰值强度的比值在0.75～0.93之间;石英砂正向剪切和反向剪切残余强度与对应峰值强度的比值在0.89～0.96之间。相同级配和试验条件下,钙质砂残余强度均大于石英砂,且强度比值基本保持在1.05～1.3之间。在100、200 kPa竖向荷载作用下,钙质砂0.5～2.0 mm的颗粒发生了破碎,破碎率分别为4%和6%。     

分散性土的抗剪强度特性试验研究

分散性土是一种具有特殊工程性质的土,其典型的性质为抗渗性能差,耐冲蚀能力低,在纯水中具有很高的分散性。目前,人们对于分散性土的研究主要集中在鉴定、抗渗和改良等方面,而对其抗剪强度特性的研究很少。采用三轴CU试验研究不同初始条件下分散性土的抗剪强度特性。结果表明:分散性土的应力-应变曲线在小围压、低含水率和高干密度的状态下呈应变软化型,在围压较大、含水率较高的情况下呈弱硬化型或硬化型;黏聚力和内摩擦角均随含水率的增大而减小,并且干密度越大受水分影响越强烈;黏聚力随干密度的增大而增大,在低含水条件下,黏聚力的增幅较大,而在高含水条件下,黏聚力的增幅则较小;内摩擦角随干密度的增大有少量增大。     

安哥拉Quelo砂抗剪强度特性试验研究

基于安哥拉Quelo（Muceque）砂原状土和重塑土的直剪试验,探讨了结构性、含水率、干密度对Quelo砂抗剪强度的影响。试验结果表明,结构性对Quelo砂的抗剪强度影响较为复杂,原状土与重塑土的抗剪力学指标具有明显差异;Quelo砂遇水软化特性显著,原状土和重塑土的黏聚力和内摩擦角随含水率的增大近似呈对数衰减;Quelo砂级配良好,压实后抗剪强度高,适宜用作回填材料,重塑土的黏聚力随干密度的增大近似呈线性增大,内摩擦角随干密度的增大分为稳定段和增大段,呈分段函数的特征。     

残积土抗剪强度的环剪试验研究

残积土风化剧烈,研究其大变形下的工程特性很有必要。利用环剪仪的试验特点,可以研究土体在较大剪切位移下抗剪强度的变化规律。通过对残积土残余和峰值强度的环剪试验测定和对试验数据的整理与对比分析,得到了含水率与残余强度指标之间的关系,证明大变形下残积土具有浸水软化的特性;从应变阈值角度分析了残积土应变软化的性质,不同剪切位移下的残积土具有不同的抗剪强度,所研究的残积土达到峰值强度对应的应变介于0.02～0.06之间,而到达基本稳定的残余强度所需要的应变介于0.06～0.20区域内。研究还发现,矿物成分不同直接影响到残积土的残余强度,是残积土不均匀性的内部因素     

重塑硅藻土抗剪强度的环剪试验研究

硅藻土是一种强结构性土,具有密度小、孔隙大、干燥土块吸水率高等特点。天然硅藻土的抗剪强度大,但在外界扰动或风化后,结构性强度丧失,易发生滑坡等斜坡变形破坏现象,因此,研究其在大变形下的力学性质很有必要。利用环剪仪可以研究土体在较大剪切位移条件下抗剪强度变化规律,对重塑硅藻土进行环剪试验研究,得到了不同竖向压力下的应力-位移曲线,认为重塑硅藻土为典型的应变软化型土;根据测试结果得到了重塑硅藻土的抗剪强度和残余强度,并从物质组成和微观结构特征方面对重塑硅藻土的力学性质进行了分析,为硅藻土滑坡的成因分析和灾害防治提供了依据。     

非饱和粉煤灰抗剪强度试验研究

为避免基质吸力量测所带来的困难,通过寻找总应力抗剪强度指标与含水率w之间的关系,建立类似于饱和土的抗剪强度公式,对实际工程具有较强的应用价值。在制件过程中采取相应措施消除压实度和龄期等因素的干扰,确保试验结果能够真实反映含水率对抗剪强度的影响。在普通三轴仪上进行非饱和粉煤灰的抗剪强度试验,得到其总应力强度指标随含水率的变化规律。其中,非饱和粉煤灰的粘聚力c值随含水率的增加呈先增大后减小的二次抛物线变化,内摩擦角φ值随含水率的增加呈线性衰减。通过引入含水率,建立了非饱和粉煤灰总应力强度公式,公式中的含水率易于确定,抗剪强度计算简单,便于实际工程应用。     

冻融循环作用下细粒土抗剪强度特性试验研究

细粒土在季节变化条件下的冻融循环造成了其物理力学性质的改变,给实际工程施工带来危害.通过室内均匀正交试验设计,对不同含水量、密实度、易溶盐含量和粘粒含量的细粒土进行冻融循环试验,研究了不同状态下细粒土在冻融循环作用下抗剪强度的变化规律;运用PPR对试验结果进行分析,得出试验各因素对细粒土抗剪强度指标C、Φ值影响变化的重要性排序.     

对软土抗剪强度试验的探讨

对沿海一带新建公路、铁路所作的软土试验中，经过分析研究，提出了试验方法的选择，强度指标的确定，影响强度的因素等，进行了客观论述。     

TJ-1模拟月壤承载特性室内试验研究

本研究自行设计加工了一套可以实现位移速率控制的加载装置,采用TJ-1模拟月壤为地基材料,把着陆器足垫作为基础进行了位移速率控制条件下的载荷模型试验,并采用了3种不同方法计算足垫基底的平均应力。通过对试验结果的分析对比得出以下主要结论：足垫的地基承载力和变形模量随加载速率大致呈线性增加,按足垫与地基的实际接触面积计算的极限承载力稍大于按足垫最大上口面积计算得到的地基承载力。考虑到安全储备建议采用按最大上口面积计算所得地基承载力。足垫基础下按实际接触面积计算得到的变形模量介于按足垫最小底面和最大上口面面积计算的结果之间。     

非饱和橡胶粉土抗剪强度特性研究

为研究非饱和橡胶粉土的抗剪强度特性,对具有不同橡胶颗粒掺量、含水率的橡胶粉土开展了一系列直剪试验。基于颗粒接触状态理论,构建了橡胶粉土的细观接触模式,建立了基于不同橡胶掺量的橡胶粉土骨架孔隙比计算方法。试验结果表明：在低含水率下,橡胶粉土的抗剪强度随骨架孔隙比增大而减小,在高含水率下,橡胶粉土抗剪强度随骨架孔隙比增大而增大;基于橡胶粉土的土-水特征曲线,得到了基质吸力与含水率的对应关系,在低骨架孔隙比下,橡胶粉土的抗剪强度随着基质吸力的增大而增大,在高骨架孔隙比下,橡胶粉土的抗剪强度随着基质吸力的增大先降低后增大;基于骨架孔隙比及含水率对内摩擦角、黏聚力的影响提出了非饱和橡胶粉土的抗剪强度发展机制,并建立了抗剪强度预测公式。研究结果可为橡胶粉土的实际设计施工提供理论支撑。     

TJ-1模拟月壤承载特性的现场试验研究

采用TJ-1模拟月壤作为试验材料,通过静力触探、静载荷试验的对比分析,探讨适合月壤承载力计算的经验公式,以期为未来载人登月时宇航员和着陆器登陆可能涉及到有关月面承载能力的问题提供必要的参考。首先,使用近255 t TJ-1模拟月壤人工制备出13 m×12 m×1.2 m试验用地基,后在试验地基均匀布置6个静力触探测点和2个静载荷试验测点进行测试。针对太沙基承载力计算半经验公式以及规范和国内外学者提出的12个适合中密实砂土静力触探承载力计算的经验公式,对试验结果进行探讨。发现直接运用太沙基提出的半经验公式计算月壤承载力结果明显偏小,而由联合试验小组提出的经验公式 能够用来近似计算月壤地基承载力。计算结果表明,该经验公式在计算承载力时能够与静载荷试验值较好的吻合。     

顺层岩质边坡结构面抗剪强度特性试验研究

针对云南省普-宣（普立至宣威）高速公路某顺层岩质边坡现场工程地质特性,按形成将结构面划分为4种类型。通过自制的加载装置,对自然状态下的一类结构面进行压剪试验,利用最小二乘法线性拟合得到结构面抗剪强度指标值,同时与基于JRC-JCS等效摩尔-库仑抗剪强度法分析结果的对比,数据结果基本吻合,验证了该装置的可行性。根据边坡结构面不同类型分别考虑填充厚度、填充物含水率等因素进行了多次剪切试验研究获取抗剪强度参数,结果表明,结构面强度参数在饱和状态下比自然状态偏小,随填充厚度增加c逐渐增大, 减少。试验结果对正确评价结构面特性及在后阶段对顺层岩质边坡稳定性计算提供参考数据,研究成果为现场结构面强度参数取值提供了简便试验方法。     

增湿时黄土的抗剪强度特性分析

采用固结不排水剪切方法,对非饱和原状Q3黄土进行了增湿情况下的三轴剪切试验,得到了湿陷性黄土的极限强度与初始含水量及围压的关系曲线,分析了增湿过程中黄土抗剪强度的变化规律。结果表明,原始含水量下非饱和原状黄土的强度包线是由两条直线组成的折线,高含水量时的强度包线仍符合莫尔-库仑理论准则。非饱和黄土的黏聚力随初始含水量的增大而迅速降低,而内摩擦角受初始含水量变化的影响较小。随初始含水量的增大,总应力指标始终小于相应的有效应力指标;并发现非饱和黄土的有效黏聚力 与初始含水量w之间的关系能较好地拟合为指数函数。最后简要分析了初始含水量和围压对抗剪强度指标的影响。     

纤维加筋黄土的抗剪强度特性研究

通过直接剪切试验研究了不同含水率、不同纤维量、不同压实度纤维加筋黄土的黏聚力、内摩擦角和抗剪强度的变化规律。研究结果表明:含水率由14%增加到18%时,黄土的黏聚力逐渐减小,当其大于20%时,黏聚力c急剧减小;当黄土的含水率为18%时,内摩擦角φ最大,黄土的抗剪强度达到最大值;纤维材料在黄土中呈面状、网状和团状分布,内摩擦角和黏聚力均随纤维量的增大先增大后减小,纤维量0.5%为最优纤维量;纤维含量小于最优纤维量时,内摩擦角随压实度的增大变化较小,当纤维含量大于最优纤维量时,内摩擦角变化较大;同时,在实际应用方面,该试验给出了含水率、纤维量和压实度与内摩擦角和黏聚力的函数关系,对黄土地区施工具有指导意义。     

采用环剪仪对超固结黏土抗剪强度特性的研究

利用大型高速环剪仪,对不同超固结比、法向应力和剪切速率下的超固结饱和黏土的峰值强度和残余强度特性进行了研究,并对循环荷载作用前后残余强度的变化进行了初步探讨。试验结果表明,（1）超固结比对超固结黏土的峰值强度和残余强度有着明显的影响;（2）在剪切速率相同的条件下,土体达到残余强度时的位移取决于现存的应力状态,而与应力历史无关;（3）剪切速率越大,峰值强度随之增大,达到稳定残余强度时的剪切位移也随之增加,但剪切速率的变化对残余强度值几乎没有影响;（4）在循环荷载作用下残余强度不同程度的降低,最大降低幅度达12.2 %;当土体剪切面为不规则剪切带时,施加循环荷载后出现残余强度上升的现象。     

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。     

黄土结构性与抗剪强度的试验研究

目前还没有对黄土结构性和抗剪强度之间的规律进行深入的研究。 针对晋南地区某边坡黄土进行固结排水三轴试验,分析结构性参数与抗剪强度的相关规律。结果表明：黄土在力与水的共同作用下,当压力较小含水量较低时,结构性较强, 结构性随压力及含水量的提高而变弱,结构性较大的黄土,抗剪强度相应也较大。     

节理抗剪强度综合评价的试验研究

选取不同吻合度自然节理试样,进行干燥状态和饱和状态的JRC-JCS模型和JRC-JMS模型试验研究。结果表明,在节理粗糙度系数的定向统计测量和尺寸效应分析,以及剪切过程衰减折减的基础上,运用JRC-JCS模型综合评价节理抗剪强度可靠性较好,考虑吻合度系数的JRC-JMC模型比JRC-JCS模型具更好的预测能力。     

模拟月壤表层采样试验研究

月球取样方式可以分为两大类:表层月壤采样和深层月壤采样。表层月壤采样一般使用挖、铲、夹、耙、吸等方式,而深层月壤采样一般使用钻取方式。通过采用和真实月壤特性类似的模拟月壤进行地面表层采样试验,主要针对挖取和铲取的方式,检测采样过程中模拟月壤和机具的相互作用力学参数,研究模拟月壤特性和采样方式对采样过程的影响,为后期进行月球环境下的模拟试验或计算机仿真提供重要的参考。