砂土与钢材接触面剪切特性试验对比研究

为了研究砂土与钢材接触界面剪切特性,对原有的及改装后的DSJ-2型电动四联等应变直剪仪上分别进行了砂土同钢材界面的单剪试验和直剪试验,并做了对比分析。研究结果表明：1）单剪试验下在法向应力50kPa、100kPa时,砂土与钢材界面的剪应力-剪切位移关系曲线呈非线性弹性理想塑性关系,在法向应力200kPa、400kPa时呈刚塑性关系。直剪试验下在法向应力50kPa、100kPa时,砂土与钢材界面的剪应力-剪切位移关系曲线呈非线性关系,在法向应力200kPa、400kPa时呈双曲线关系;2）提出了界面抗剪强度指标的经验换算公式（直剪试验下得到的界面抗剪强度指标乘以一个小于1的系数）,以修正应用于设计的直剪试验结果。     

黏结强度对异质土界面强度与变形特性影响试验研究

我国黄土高原地区黄土沉积覆盖于新近系三趾马红土之上,形成具有胶结的异质土界面。为研究黏结强度对黄土–三趾马红土界面抗剪强度与变形特性影响,开展其剪切力学试验研究,探讨界面间黏结强度对界面破坏模式、界面变形与抗剪强度特性影响规律。结果表明:(1) 有无界面黏结导致异质土界面试样破坏模式不同,界面黏结增大了试样沿界面间的滑动阻力,试样剪切破坏更趋于剪断模式,剪断面损伤程度也越高;(2) 异质土界面剪应力–剪应变曲线均呈应变软化型,有无界面黏结导致界面试样剪切变形特征不同,有界面黏结试样剪切破坏位移大,峰值强度后剪应力降低幅值大,试样脆性剪断破坏特征越显著;(3) 剪切过程中异质土界面产生明显的竖向剪胀变形,有界面黏结试样竖向剪切位移小,且其随界面粗糙度、法向应力变化幅值小;(4) 异质土界面抗剪强度呈非线性变化,界面黏结存在显著提升了界面试样抗剪强度。当异质土界面间粗糙度较低时,黏结强度对界面试样抗剪强度提升幅度大;当异质土界面间粗糙度高时,黏结强度对界面试样抗剪强度的提升幅度下降,此时界面抗剪强度主要受控于界面两侧土体抗剪强度。      

锁定方式对锚固节理剪切特性影响的试验研究

锚杆广泛运用于节理岩体的加固,为了探究锚固节理的剪切力学行为,在开展室内直剪试验的基础上研究了两端锁定和无锁定两种锁定方式对锚固节理剪切特性的影响,分析了法向应力、预应力对锚固节理抗剪强度的增强作用。试验过程中通过应变片记录了锚杆各个监测点轴力的变化规律,研究了不同锁定方式下锚杆轴向受力机制。观测剪切试验完成后锚杆的变形特征,分析了法向应力对锚杆弯曲变形的影响。试验结果表明,两端锁定方式的应力-位移曲线呈现弹性阶段、弹塑性阶段、塑性硬化阶段3个阶段,无锁定方式的应力-位移曲线呈现弹性阶段、弹塑性阶段、塑性软化阶段3个阶段;锁定方式对锚固节理的抗剪强度及锚杆轴向变形有重大影响,两端锁定相较于无锁定更有利于发挥锚杆的抗剪作用。分析锚杆剪切试验后塑性铰位置可知,法向应力对锚杆塑性铰位置有重要影响,塑性铰点间的距离随法向应力的增加而减小。根据试验结果,提出了一种预测锚杆塑性铰位置的分析模型,新模型考虑了法向应力的影响,与试验结果吻合较好。     

法向应力对接触面循环单剪力学特性的影响研究

法向应力对土与结构接触面循环单剪力学特性的影响研究具有重要意义。运用80 t大型三维接触面试验机,进行了不同法向应力下粗粒土与结构接触面单剪试验,分析了法向应力对接触面循环单剪力学特性的影响规律。试验结果表明,法向应力对接触面变形位移、滑动位移、切向应力、可逆性剪切体变和不可逆性剪切体变以及抗剪强度等接触面性能参量的数值有显著影响,但对参量间关系形式影响较小。法向应力越大,接触面变形位移在初始几个循环内越大,随循环剪切的进行,其减小速率越快,最终稳定值越小;切向刚度越大,切向应力稳定值也越大,初始几个循环内切向刚度系数越小;不可逆性剪切体变越大,可逆性剪切体变峰值和稳定值越小,相变位移和相变应力比越小;抗剪强度越大,其异向程度则先增大后减小。不同法向应力下,接触面循环抗剪强度与法向应力符合摩尔-库仑准则;切向应力比-切向位移关系、不可逆性剪切体变和剪切功密度关系均具有良好一致性,基本不受法向应力影响,可用双曲线模型描述,这将大大简化接触面本构描述。     

土工格栅与土界面作用特性试验研究

土工格栅与土的界面摩擦特性指标是加筋土工程设计的关键。通过分析土工格栅与土的界面摩擦作用和进行了直剪摩擦试验和拉拔摩擦试验,测试了两种试验条件的界面摩擦特性。在两种试验条件下,土工格栅加筋土复合体的抗剪强度均有界面摩擦角φsq和界面凝聚力csq,且土工格栅与土相对位移量的不同,其复合体的强度机理有区别。在拉拔摩擦试验中,剪应力峰值强度对应的剪切变形值高于直剪摩擦试验中剪应力峰值强度的剪切变形值5～10倍以上。两种试验均有其适用性,而土与土工格栅的相对位移较小时直剪摩擦试验较能反映实际;土与土工格栅相对位移较大时土与格栅双面均发生相对位移,拉拔摩擦试验更为合适。随法向应力的增大,直剪摩擦和拉拔摩擦试验的剪应力峰值以及剪应力峰值对应的位移均提高。直剪摩擦的剪切速度小,剪应力峰值强度高,且达到峰值强度的剪切位移大;增加剪切速度,剪应力峰值强度降低,且对应的位移也减少,其原因是界面上的孔隙水压力消散和筋材的应力松弛。应根据具体工程的需要选择直剪摩擦试验和拉拔摩擦试验确定设计参数。     

地下工程衬砌与减震层接触面力学特性直剪试验及数值仿真

泡沫混凝土作为隧道减震材料在抵抗地震压剪荷载方面具有重要作用,为了研究减震层-衬砌接触面在地震压剪荷载作用下的破坏特征与剪应力演化规律,利用RMT-150C电液伺服试验机开展了二者接触面在不同法向应力下的直剪试验,获得了剪应力-剪切位移、峰值强度、残余强度、剪切刚度的变化规律及接触面的破坏特征和物态变化。根据有限元模拟结果,探究接触面上剪应力的分布及演化规律。研究表明：泡沫混凝土-衬砌接触面的破坏特征受法向应力与泡沫混凝土密度共同影响,其剪应力-剪切位移曲线形态可归结为3种类型,且随泡沫混凝土密度和法向应力的变化可以相互转化;泡沫混凝土密度及法向应力对接触面峰值强度、残余强度及剪切刚度的影响是相互的,且法向应力的影响权重较大。根据剪应力-剪切位移曲线的变化规律,提出了复合指数模型来反映泡沫混凝土-衬砌接触面在压剪作用下损伤演化及摩擦滑移过程,研究结果可以为更加有效的抗减震设计提供一定参考。     

颗粒粒径对格栅-土界面静、动力直剪特性的影响

为研究颗粒粒径对格栅-粗粒土界面单调直剪和循环剪切特性的影响,利用大型直剪仪进行了一系列室内大型单调直剪试验、循环直剪试验和循环后单调直剪试验,并将单调直剪试验与循环后单调直剪试验的结果进行了对比分析,研究了循环剪切应力历史对界面直剪强度特性的影响。结果表明:单调直剪试验中,随着粗粒土粒径的增加,界面似黏聚力和内摩擦角增加;循环剪切中界面抗剪强度发生硬化,同一循环位移幅值下颗粒粒径越小,界面在循环剪切过程中的硬化速度越快;遭受循环剪切后界面残余应力比降低,峰值似黏聚力显著增长。     

边坡岩体软弱夹层力学特性试验研究

采用自制试验装置,进行边坡岩体中的软弱夹层的力学特性试验。分析实测的剪应力-变形曲线发现,该曲线有明显的比例极限、屈服点和峰值点,表明在试件受力变形初期,剪切力-变形近似呈线性关系,剪切刚度为常量;随法向应力的增大,峰值剪应力呈线性增长,达到峰值强度之后,随剪切变形增大,抗剪强度变化不大,残余强度近似等于峰值强度,表明试样发生剪切破坏,其破坏类型呈“塑性”破坏型。软弱夹层的剪切变形可分为3个阶段,各个阶段的强度参数不同,对边坡工程来说,为保证其有足够的安全系数,建议软弱夹层强度参数取低值。根据试验结果得到的法向应力-压缩位移关系曲线近似呈双曲线型,当法向相对位移小于3.4 mm时与理论结果更为接近。     

砂土颗粒级配对格栅-土界面静、动力直剪特性的影响

为了研究不同颗粒级配砂土与格栅界面的剪切特性,采用3种不同颗粒级配的砂土与土工格栅进行了一系列大型室内单调直剪试验、循环直剪试验和循环后单调直剪试验,并且通过对比单调直剪以及循环后单调直剪下界面剪切特性的变化,研究了循环剪切应力历史对界面抗剪强度的影响。结果表明:单调直剪试验中,三种界面均发生峰值后剪切软化现象,且高应力下软化现象更明显;三种界面在循环直剪试验中均呈现剪切硬化特点,同一循环次数下颗粒级配良好砂土与格栅界面剪切强度最大;经历过循环剪切后,三种界面的峰值黏聚力与残余黏聚力均减小,而峰值摩擦角与残余摩擦角增大;遭受循环剪切后,三种颗粒级配砂土与格栅界面抗剪强度都得到了提高。     

土与结构界面位移特性静动力单剪试验研究

土与结构接触面是工程中经常遇到的,剪切试验是研究界面特性的主要方法之一。单剪试验既可以研究界面的特性,又可以考虑土体受力变形的实际特征,土体变形和界面错动位移的关系是尚未被注意的问题。通过淤泥质粉质黏土的静、动力单剪试验和进行不同法向应力、不同剪切应力幅值的对比试验,得到界面位移与循环周数、土体应变的试验曲线。结果表明,静力单剪试验的初期剪应力迅速增大,其后增长速率逐渐减小,没有出现软化现象;在剪切初期,主要是土体发生剪切位移,达到一定位移量后,土体和钢板之间开始出现较为明显的滑移;在一定的土体应变范围内静力单剪界面错动位移和土体应变有近似线性关系;动力单剪的界面错动位移和土体应变有很好的线性关系;静动力试验界面位移与土体应变关系线的斜率总体上静力试验结果高于动力试验值,线性关系的斜率变化范围不大     

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。     

不同排水条件下饱和砂土快速大剪切力学特性

为探索滑坡灾害中土在复杂条件下的剪切力学特性,本文利用大型环剪试验机,通过进行各种排水条件下的连续大位移剪切试验,对不同法向应力、剪切速率和孔隙水压力等复杂条件下饱和砂土的力学特性及其变化机理进行了研究。结果表明：1）在连续快速剪切条件下,砂土剪切力学特性在干燥、不排水和排水等条件下呈现不同的变化形式。其中在不排水条件下,饱和砂出现一定的应变软化现象。2）在相同正应力和剪切速率的环剪试验中,饱和砂在不同排水条件下（上排水、下排水、上下排水）的抗剪强度出现显著差异。3）在排水环剪试验条件下,砂土剪切应力与强度的差异性变化不仅与土体内细土颗粒运移和结构变化有关,并且受到剪切过程中不同排水条件下孔隙水压力变化的影响和控制。4）排水环剪条件下,饱和砂孔隙水压力的消散变化不仅与不同排水方式下土体内所形成的排水通道顺畅程度有关,并且受到不同剪切速率和法向应力的影响作用。     

褶皱土工膜+针刺钠基膨润土防水毯复合衬里的剪切试验研究

防渗工程中土工膜的褶皱现象普遍存在,然而目前关于土工膜界面剪切特性的研究大都忽略了褶皱的影响。以糙面土工膜（GM）和针刺钠基膨润土防水毯（GCL）组成的复合衬里为研究对象,利用水化变形试验证实两步水化法能有效地加速含褶皱GM+GCL复合衬里的水化步骤,使用大尺寸温控水浴直剪仪对含褶皱GM+GCL复合衬里的剪切特性进行了试验研究。通过将含褶皱GM+GCL复合衬里的剪切特性与无褶皱复合衬里进行对比分析,揭露了GM褶皱对复合衬里剪切特性的影响机制。GM褶皱的存在使得GM+GCL复合衬里的剪切应力-位移曲线产生较大差异,并使得低压下复合衬里的抗剪强度明显降低。GM褶皱使复合衬里产生明显的渐进破坏效应,复合衬里内部能出现多种破坏模式共存的现象。     

土与钢材料接触面性能的试验研究

利用应变控制式直剪仪,对上海土与钢材料接触面进行直剪试验,研究了土与钢材料接触面内的变形特性,分析了法向应力对接触面剪切破坏特性的影响。分析结果表明,土与钢材料接触面内剪应力与剪切位移呈双曲线关系,并且法向应力影响剪切应力的发挥。     

基于三维数字图像相关技术钙质砂颗粒运动行为试验研究

桩基附近土颗粒的运动行为与宏观力学表现密切相关,对揭示界面剪切机制具有重要意义。利用自主研制的大型直剪仪,结合三维数字图像相关技术（3D-DIC）全场位移测量分析系统,开展了钢−钙质砂界面循环剪切试验,研究了界面附近砂颗粒的运动行为演化规律。结果表明：界面峰值剪切应力和发挥的界面摩擦角随循环次数的增大而增加,体变特性以剪缩为主;钙质砂颗粒左右移动的幅度与距界面的垂直距离成反比,钙质砂颗粒的位置随循环次数的增大逐渐向正剪切方向移动,试验结束时上剪切盒左侧区域的钙质砂颗粒向正剪切方向移动的距离最大;钙质砂颗粒在单个循环内出现有规律的上下移动,向下移动的幅值更大,位于上层的钙质砂颗粒向下移动的位移值大于下层;钙质砂颗粒的运动速度在沿单方向剪切时,呈现出慢−快−慢的变化规律,位于上剪切盒右侧区域的钙质砂的体变特性较左侧区域更显著;网格位移值和缺失数量随循环次数的增大而增加,在试验后期趋于稳定,试验结束时的破碎带厚度为 6.21 mm。     

温控桩-土接触面三轴试验系统研制与验证

为探讨温度对桩?土接触面力学性质的影响,自主研制了一套温控桩?土接触面三轴试验仪。基于常规土工三轴仪压力腔,搭建桩?土接触面构件,分别增设桩体和土体温度控制系统,实现非等温条件下桩?土接触面热力耦合特性测试。开展了不同类型、温度荷载等级下桩?砂土接触面热?力耦合特性三轴试验,实测了桩体与土体温度控制精度、桩?土接触面剪切应力、不排水条件下的孔隙水压力以及排水条件下的体积变化等规律,初步验证了试验系统的可靠性和准确性。该试验系统结构简单、拆装方便,可实现温控桩?土接触面三轴试验与常规/温控三轴试验的自由切换。相关研究成果将为桩?土接触面热?力耦合机制与本构模型的建立提供技术支撑。     

法向刚度对土与结构接触面三维特性影响的试验研究

运用80 t大型三维接触面试验机,对不同法向刚度下粗粒土与结构接触面三维静动力学特性进行了试验研究,重点分析了法向刚度对接触面力学特性的影响规律。法向常刚度条件下,接触面在单调剪切时均先剪缩再剪胀、法向应力先减小后增大;循环剪切时接触面不可逆性剪切体变呈单调增长、可逆性剪切体变峰值逐渐减小后趋于稳定,切向应力峰值不断减小,抗剪强度逐渐减小,主应力比峰值则基本保持不变。法向刚度主要影响剪切体变、可逆性剪切体变、切向应力、主剪应力等接触面力学性能参数的大小;法向刚度越大,单调剪切时法向应力变化越大、切向应力峰值越大、剪缩和剪胀量越小;循环剪切时不可逆性剪切体变增长越慢、最终值越小,抗剪强度减小越快、达到0时对应的循环周次越少。法向刚度对剪切体变、可逆性剪切体变、主剪应力、主应力比等性能参数与切向位移的关系形式及接触面摩擦角基本没有影响。     

冻土与结构接触界面层力学试验系统研制及应用

在天然冻土区或人工冻土工程中存在着大量冻土与结构物接触界面层问题,目前有关此类接触界面层力学变形性能的试验研究手段缺乏。为此,在已研制大型多功能冻土-结构接触面循环直剪系统DDJ-1基础上,改制冻土剪切盒,凸出冻土试样界面层,研发微变形测量系统,组成冻土与结构接触界面层力学试验系统。该系统不仅能实现不同边界条件下接触界面的力学特性试验,而且能测量和分析接触界面层不同位置的冻土体位移,分析研究不同冻土温度、不同结构粗糙度、不同法向荷载作用下界面层冻土体变形特性。试验结果表明,该系统能准确再现冻土与结构接触界面层的力学变形行为,可为系统开展冻土-结构接触界面层的研究提供试验基础。     

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。