刚性桩复合地基支承路堤稳定破坏机理的离心模型试验

对上软下硬成层土地基中刚性桩复合地基支承路堤,进行了单排桩和群桩条件下路堤稳定破坏机理的离心模型试验,研究了不同桩体抗弯刚度和强度,不同桩体加固位置,不同桩间距和桩端嵌入硬土层深度条件下桩体的受力与变形性状,破坏模式以及路堤的失稳破坏机理.离心机试验结果表明,不论是在单排桩还是群桩条件下,桩身最大弯矩作用点均产生于软硬土层交界面附近;在群桩条件下,桩体越靠近路堤中心桩身弯矩越小;当桩身抗弯刚度与强度较高,桩距较大且桩下端嵌入较硬土层足够深度时,可产生桩间土体沿桩的绕流甚至因产生绕流而导致路堤失稳破坏;当桩身抗弯刚度与强度较低时,在单排桩条件下,桩体会首先在软硬土层交界面处发生弯曲破坏,并可在路堤失稳前在桩身上部发生第二次弯曲破坏,而在群桩条件下,坡脚附近部分桩体首先在软硬土层交界面附近发生弯曲破坏,并可能伴随桩体受拉破坏而使桩断为上下两段,最后由于部分桩体发生整体倾覆破坏或者再次发生弯曲破坏而导致路堤发生失稳破坏;针对路堤具体的破坏情况有针对性地增大桩身抗弯强度,减小桩间距或增加桩端嵌入硬土层深度均可提高路堤的稳定性.     

基于渐进破坏的路堤下刚性桩复合地基的稳定性分析及控制

传统的刚性桩复合地基支承路堤的稳定分析方法均是假定滑动区内桩体发生同时破坏。在已有研究基础上,采用有限差分方法开展了考虑桩体破坏后的不同性状(post-failure behavior)和不同桩体破坏顺序的路堤稳定性分析,结果表明无筋刚性桩复合地基首先在局部位置发生脆性弯曲破坏,应力释放后引发相邻桩体的弯矩大幅度增加并发生弯曲破坏,从而产生由局部桩体的弯曲破坏引发不同位置桩体的渐进破坏,并最终导致复合地基发生失稳破坏。假定桩体同时发生破坏的复合地基支承路堤的稳定分析方法将显著高估路堤稳定性,路堤下复合地基的稳定性分析应考虑局部位置首先破坏并引发其它位置桩体的渐进破坏。基于复合地基中桩体渐进破坏控制的理念,提出了路堤下复合地基关键桩的概念和分区不等强设计的稳定性控制方法,通过提高关键桩桩体抗弯强度及延性的方法,可有效提高路堤整体稳定性。     

预应力混凝土管桩抗弯及抗剪性能试验研究

通过一系列原型试验,对预应力混凝土管桩的抗弯及抗剪性能进行研究。抗弯试验结果显示,试验所采用的预应力混凝土管桩抗弯性能明显优于规范值,在弯矩作用下桩身裂缝分布于跨中约3m范围内。管桩弯曲断裂时呈脆性破坏性状,最大应力处位于跨中纯弯段内,裂缝出现前跨中界面应变基本符合平截面假定,裂缝出现后中性轴上移。桩身破坏后仍具有较高的抗弯承载力,但裂缝出现后桩身刚度明显降低。抗剪试验显示试验桩的抗剪性能优于规范值,断裂处为大致45°的剪切破碎带。抗剪试验中管桩的应力主要集中在剪弯段内,管桩破坏后仍具有较高的抗剪承载力。     

装配预制梁承载力试验研究

为研究企口现浇装配预制梁正截面抗弯及斜截面抗剪性能,制作4根装配预制梁与2根整浇对比梁进行抗弯、抗剪承载力试验。分析装配梁企口形式、位置的不同对其承载力、裂缝开展情况、破坏过程、挠度曲线、钢筋及混凝土应变规律的影响。试验表明:裂缝在装配梁企口处发展较快,企口截面刚度有所降低,装配梁的破坏过程和变形能力与整浇梁相似,开裂荷载和极限荷载与整浇梁基本相同。     

路堤荷载下CFG桩复合地基失稳破坏特性离心模型试验

掌握路基工程CFG桩复合地基失稳破坏特性是建立稳定分析方法的基础。针对路堤荷载作用下深厚软黏土地基,开展了3组CFG桩复合地基离心模型试验,采用自行研制的空中泄砂装置模拟路堤分层填筑过程,设计制作砂浆包裹石墨芯的模型桩监测桩体破坏时序,通过摄影测量技术获取地基土位移场云图,分析复合地基的承载与变形特性及失稳滑动形态。试验表明,随路堤荷载增加,位于坡脚附近的桩体首先发生破坏,并逐渐向路堤中心发展,呈现渐进破坏特点,复合地基发生整体失稳后滑面近似呈圆弧状;桩体破坏形态与桩周土体变形特性密切相关,地基发生隆起变形的坡脚附近桩体呈现拉弯破坏特征,承受路堤荷载较大的路肩附近桩体以压弯破坏为主;桩帽对桩土荷载分担影响显著,桩身轴力增大可提高桩体抗弯拉能力,有利于复合地基稳定性提高。     

刚性桩加固软弱地基上路堤稳定性问题（Ⅱ）——群桩条件下的分析

针对刚性桩支承路堤，笔者已进行的对单桩位于路堤下不同位置时路堤稳定性的研究表明，复合抗剪强度极限平衡法不能反映不同位置单桩的强度及刚度对路堤稳定性的影响以及桩的弯曲破坏机理，将显著高估路堤稳定性。通过对群桩条件下刚性桩加固路堤分别采用三维和二维数值分析方法，研究了路堤填筑及趋于失稳破坏过程中，桩、土的内力与变形规律、桩的破坏形式等。结果表明：群桩条件下，不同位置的刚性桩的破坏模式不同，对路堤稳定性的贡献机理也相应不同，弯曲破坏比剪切破坏更易于发生，剪切破坏并非是桩最危险的破坏方式；提出了考虑路堤趋于失稳破坏过程中桩弯曲破坏的cut-off退出方法，在进行数值分析时可反映路堤趋于失稳过程中桩的破坏形式，从而合理地评估路堤稳定性。对素混凝土桩加固路堤的稳定分析，提出了桩可使用抗剪强度概念，并提出了按桩体可使用抗剪强度采用极限平衡法进行路堤稳定分析的方法。     

基于简化修正压力场理论的钢筋混凝土柱荷载-变形分析

基于简化修正压力场理论对钢筋混凝土柱抗剪机理进行了分析,并考虑核心混凝土膨胀对箍筋抗剪承载力贡献的影响,计算了骨料咬合作用及受压区的抗剪承载力贡献,获得受拉区和受压区的抗剪强度,从而建立箍筋屈服后柱构件抗剪强度计算方法;结合传统截面纤维分析法,同时引入弯曲变形、剪切变形及滑移变形3种变形分量,在箍筋屈服前对柱构件进行抗弯分析,最终得出压弯剪作用下钢筋混凝土柱荷载-变形曲线,并与所收集的15个钢筋混凝土柱低周反复试验结果进行了对比。研究结果表明:采用该方法计算的荷载-变形曲线与试验骨架曲线吻合较好,对发生弯曲破坏、弯剪破坏及剪切破坏3种不同破坏类型的钢筋混凝土柱均有较好的分析效果,可用于压弯剪作用下钢筋混凝土柱的荷载-变形分析。     

锈蚀缓粘结预应力混凝土梁抗弯性能研究

本文开展了4个锈蚀缓粘结预应力混凝土梁和2个锈蚀普通混凝土梁的抗弯性能试验研究,总结锈蚀梁的抗弯性能变化特征。结果表明,随着荷载比的增大,锈蚀梁开裂荷载、屈服荷载呈减小,更早进入弹塑性阶段;梁的极限承载力逐渐减小,塑性性能降低;相同条件下锈蚀预应力梁抗弯承载力高于锈蚀无预应力梁。在抗弯性能强于抗剪性能且箍筋和纵筋的失重率较小情况下,锈蚀抗弯梁的主要破坏形式均为普通受拉钢筋屈服,混凝土压碎弯曲破坏,同时建立了适用于无损检测状态下的锈蚀预应力钢筋混凝土梁抗弯承载力计算公式。     

竹管抗弯性能试验研究

竹管做梁构件时,常在集中荷载作用下发生破坏。为探索竹管弯曲承载力,文中提出了抗弯分配梁试验装置,进行了长管的弯曲试验,用分配梁测出长管的抗弯承载力;将竹管抗弯试验装置简化为简支计算梁模型,结合抗弯计算模型与竹管荷载-位移曲线的弹性阶段斜率,计算出各竹管的纵向平均弹性模量值,并解释了该计算值偏小的原因。     

铁杉正交胶合木板弯曲及剪切性能

为了评估基于铁杉胶合、组坯而成的正交胶合木(cross-laminated timber,CLT)的力学性能,通过试验分别测试了五层层板构造的铁杉CLT在强弱轴方向的弯曲及剪切性能,并分析了该板材的破坏模式。基于试验获取的荷载-挠度关系曲线,采用剪切类比法(shear analogy method),获取了该铁杉CLT板在强、弱轴方向的弯曲及剪切力学参数,并基于标准正态概率分布模型以及相关材料性能分项系数,计算了该铁杉CLT板在强、弱轴方向的抗弯、抗剪强度标准值和设计值。试验和数据分析结果表明：该铁杉CLT板在弱轴方向受弯曲和剪切作用时,其底层横纹层板对板材截面的抗弯、抗剪刚度几乎没有贡献;尽管受弯、受剪时的破坏模式在强弱轴方向有所区别,但均以较为突然的脆性破坏为主,设计时应采用经材料性能分项系数折减的强度设计值,即强、弱轴方向的抗弯强度设计值分别为10.7MPa和2.2MPa,强、弱轴方向的抗剪强度设计值分别为0.5MPa和0.4MPa。     

刚性桩加固软弱地基上路堤的稳定性问题(Ⅰ)——存在问题及单桩条件下的分析

目前各类刚性桩在软土路基加固中已有较多应用。首先对复合抗剪强度极限平衡法存在的问题进行了分析。在此基础上,基于刚性桩的刚度及强度特征,采用三维有限差分方法和二维强度折减有限差分数值方法,针对刚性桩复合地基支承路堤的整体稳定分析,对单桩位于路堤下不同位置时的路堤稳定性进行了研究,并与传统复合抗剪强度极限平衡法稳定分析结果进行对比。结果表明,当路堤下单桩位于不同位置时,路堤填筑过程中桩土相互作用机理、桩的破坏形式及桩对路堤稳定的贡献机理不同,桩的刚度对路堤稳定存在显著影响。路堤趋于稳定破坏时,位于路堤下不同位置的刚性桩的弯曲破坏比剪切破坏更易于发生。对刚性桩加固路堤,复合抗剪强度极限平衡法不能反映不同位置单桩的破坏机理,将显著高估路堤稳定性。     

单轴压缩条件下锚杆影响脆性岩体破裂的细观机制

锚杆支护系统是控制深部脆性围岩动力灾害的重要措施,但锚固理论研究仍滞后,锚杆支护下的脆性岩体破坏问题困扰着深部岩体工程实践。根据实际工程中锚杆支护下脆性围岩的浅表局部破坏特点,通过室内相似模型试验研究单轴压缩条件下锚杆杆径影响完整脆性岩体的破坏特性,试验表明,锚杆杆径对脆性岩体弹性模量和强度的提升存在最优匹配的特点,一味强调增大锚杆直径并不能达到理想的围岩控制效果;锚杆改变了脆性岩体单轴压缩破坏模式,宏观上由劈裂破坏转为剪切破坏,杆径对试样剪切破坏的程度有所影响。从细观角度,建立了含两条固有主裂纹的裂纹扩展分析模型,加锚试样单轴压缩破裂模式的改变,可以归结为锚杆锚固止裂效应对试样内部裂纹扩展的抑制作用,使翼裂纹与主裂纹长度比η变小。根据最易开裂角度ζ的计算结果,翼裂纹较长时,翼裂纹朝外载作用方向扩展,产生劈裂破坏,翼裂纹较短时,翼裂纹偏离外载作用方向扩展,产生剪切破坏。从细观上很好地解释了锚杆改变脆性岩体破裂模式的作用机制。     

配置BFRP筋复合配筋PHC管桩受弯和受剪性能试验研究

为解决预应力混凝土(PHC)管桩水平承载力不足的技术难题,开展了配置玄武岩纤维(BFRP)筋复合配筋PHC管桩(PRC-B管桩)和配置普通钢筋的复合配筋PHC管桩(PRC管桩)受弯、受剪性能的对比试验。受弯试验结果表明：BFRP筋的配置改善了PHC管桩的承载性能;与PHC管桩相比,PRC-B管桩的开裂弯矩和极限弯矩均有显著提高,且弹性变形更小、中性轴高度更低、裂缝分布范围更短且数量更少;两种类型桩的跨中截面应变符合平截面假定,破坏时PRC-B管桩受拉区裂缝宽度超限同时受压区混凝土开裂,而PRC管桩仅受拉区裂缝宽度超限。受剪试验结果显示：配置BFRP筋较大幅度提高了PHC管桩的受剪性能,其抗裂剪力和极限剪力分别有不同程度的提高;两种类型桩破坏过程类似,均是在剪弯段先出现两条对称的斜裂缝,逐步发展至中性轴高度处,以平行于桩长方向继续发展贯通形成主贯通面,最后因主裂缝宽度超限而破坏。所提出的配置BFRP筋复合配筋预应力混凝土管桩的受弯承载力计算公式,其计算结果相对试验承载力具有合理的富余。对比试验结果表明,BFRP筋可以替代普通钢筋改善PHC管桩的承载性能。     

玻璃纤维筋与钢筋复合配筋预应力混凝土管桩承载性能试验研究

针对预应力钢筋混凝土管桩（普通管桩）水平承载力不足的问题,开发研制了采用玻璃纤维筋与钢筋复合配筋预应力混凝土管桩（复合配筋管桩）,进行了复合配筋管桩与普通管桩受弯和受剪性能的对比试验。受弯试验结果表明：GFRP筋的配置较大幅度改善了普通管桩的承载性能;与普通管桩相比,复合配筋管桩的开裂弯矩和极限弯矩均有显著的提高,且其裂缝分布范围小、数量少且长度略短于普通管桩;两种类型桩裂缝出现前跨中截面应变符合平截面假定,破坏时复合配筋管桩受压区混凝土破碎而管桩的预应力筋被拉断。受剪试验结果显示：配置GFRP筋较大幅地改善了普通管桩的受剪性能,其开裂剪力有显著的提高;两种类型桩破坏过程相似,均是支座处先出现裂缝,并沿与桩长方向大致30°夹角方向开展延伸,当延伸至加载点垂直面时,以平行于桩长方向继续扩展,最后形成贯通面。对比试验结果表明,采用玻璃纤维筋与钢筋复合配筋预应力混凝土管桩在受弯和受剪性能方面均有不同程度的提高,可有效解决普通管桩水平承载力不足的问题。     

Fracture coalescence in rock-type materials under uniaxial and biaxial compression

Fracture coalescence, which plays an important role in the behavior of brittle materials, is investigated by loading pre-fractured specimens of gypsum, used as a rock model material, in uniaxial and biaxial compression. Several new phenomena and their dependence on geometry and other conditions are observed. The specimens have two pre-existing fractures or flaws that are arranged in different geometries, and that can be either open or closed. Two different test series are performed with these flaw geometries, one under uniaxial loading and one with biaxial loading in which confining stresses of 2.5, 5.0, 7.5 and 10 MPa are applied. As the vertical (axial) load is increased, new cracks emanate from the flaws and eventually coalesce. Flaw slippage, wing crack initiation, secondary crack initiation, crack coalescence, and failure are observed. Two types of cracks occur: wing cracks, which are tensile cracks, and secondary cracks which initiate as shear cracks in a plane roughly co-planar with the flaw. The secondary cracks usually propagate as shear cracks in the same plane but, depending on the geometry, they also propagate out of plane as either tensile or shear cracks. The wing cracks initiate at the flaw tips for uniaxial or low confinement biaxial conditions but move to the middle of the flaw and disappear completely for higher confining stresses. Three types of coalescence, which depend on the geometry of the flaws and to some extent on stress conditions, occur; they can be distinguished by different combinations of wing cracks and secondary cracks. For closed flaw specimens, at least partial debonding and slippage of the flaws is required prior to initiation of a crack. In uniaxial compression coalescence and failure occur simultaneously, while failure in biaxial compression occurs after coalescence.     

Effect of multiple secondary cracks on FRP debonding from the substrate of reinforced concrete beams

For a FRP strengthened concrete beam, debonding is often initiated by the opening of a flexural or shear/flexural crack along the concrete beam. This debonding failure is often studied with the pull-off test. However, experimental results indicate that debonding on a concrete beam occurs at a significantly higher force than that in the pull-off tests, which can be ascribed to the presence of multiple cracks along the beam span. In the present investigation, an analytical model that accounts for the opening of shear/flexural cracks along the beam is developed. The proposed analytical model has also been verified with the experimental results.     

复合配筋预制混凝土管桩的抗弯抗剪性能试验研究

为进一步推广先张法预应力离心混凝土钢绞线桩(PSC桩)在高烈度抗震区的应用,在PSC桩中加入与钢绞线相同数量的螺纹钢筋,研发了先张法预应力离心混凝土复合配筋钢绞线桩(PSRC桩),并对3种规格共12根管桩试件进行了足尺抗弯及抗剪性能试验,对比分析了PSC桩和PSRC桩在抗裂性能、抗弯(剪)承载力、变形能力及裂缝分布等方面的异同。试验结果表明:非预应力钢筋的配置对管桩抗裂性能影响不大,但可以提高管桩的抗弯和抗剪性能;PSRC桩的开裂弯矩和开裂剪力与PSC桩相近,但极限弯矩和极限剪力则分别提高了约55%和20%;与PSC桩相比,PSRC桩破坏时桩身裂缝数量较多,分布范围较广,但最大裂缝宽度较小。     

抗滑桩静力与动力破坏离心模型试验对比分析

在探讨边坡中抗滑桩的加固效果时,应该重视混凝土抗滑桩不同条件下破坏规律的研究。采用研制的微混凝土抗滑模型桩,通过动力离心模型试验研究了两种情况下的破坏特点。一种情况是混凝土抗滑桩一侧静力开裂后受地震作用继续开裂至完全断桩,另一种情况是静力条件下稳定的边坡加固桩在地震作用下桩底发生开裂。根据试验观察以及试验结果对比分析了微混凝土抗滑桩在两种不同条件下开裂破坏过程中弯矩分布特点:静力开裂后在地震作用下桩底嵌固约束转化为活动铰约束,其弯矩始终呈抛物线形分布,只是其峰值随时间发生变化;静力条件下稳定的加固桩在地震作用下,其弯矩先有较大增加然后又由于桩底一侧开裂而下降较多,并且小于震前静态弯矩。