黏土-水泥土接触面剪切特性试验研究

掌握黏土–水泥土接触面的剪切特性及土体运移规律是研究水泥土桩、墙等结构物承载和变形机理的关键。本文基于系列直剪试验研究黏土与不同粗糙度水泥土接触面的力学特性,以探究黏土–水泥土接触面抗剪强度、破坏规律及变形特性。结果表明：黏土–水泥土接触面的剪切破坏强度服从摩尔–库伦强度准则,接触面摩擦角随粗糙度的增加而增大,但增长速率逐渐减缓,而接触面粘聚力与黏土粘聚力大小相当;黏土–水泥土接触面的法向应变与剪切位移曲线整体表现为剪缩型,且剪缩量随法向应力和粗糙度的增加而增大。归一化的接触面强度有效系数Es随粗糙度的增加而增大,且当粗糙度R超过1.0 mm后,Es大于1.0,说明由于“被动阻力”的存在使得黏土–水泥土接触面的抗剪强度得到提升,从而出现大于黏土自身抗剪强度的情况。不同法向应力作用下,各接触面剪应力–剪切位移关系曲线均服从指数分布,据此建立了描述接触面粗糙度、剪应力、剪切位移、法向应力、摩擦角和粘聚力关系的复合指数模型,该模型对接触面剪应力–剪切位移关系曲线具有良好的拟合效果。此外,随着剪切过程的持续进行,剪切破坏区逐步由剪切前方扩展至剪切后方。研究结果对揭示黏土–水泥土接触面的力学特性及水泥土桩、墙等的设计具有参考和指导意义。     

考虑粗糙度影响的不同土与混凝土界面大型直剪试验研究

土与结构接触界面的力学特性对于土体与结构相互作用系统的研究具有重要意义,结构周围土体性质与结构表面粗糙度是影响接触面力学性质的重要因素。为研究结构表面粗糙度对不同土体与结构接触面的剪切力学特性的影响,采用大型直剪试验仪进行了3种土体（红黏土、砂土与碎石土）与混凝土接触面剪切试验。通过在混凝土表面预制不同数量的规则半圆型凹槽来改变表面粗糙度,并采用灌砂法对混凝土表面粗糙度进行定量评价,研究粗糙度对不同类型接触面的剪切应力与剪切位移曲线以及强度参数的影响。结果表明：土体类型对接触面的剪切应力与剪切位移曲线形态具有较大的影响,红黏土与混凝土接触面剪切曲线表现为剪切软化型,砂土与混凝土接触面剪切曲线表现出理想弹塑性特征,碎石土与混凝土接触面剪切曲线主要表现为应变硬化型。粗糙度对接触面的剪切强度有着显著的影响,不同土体与混凝土接触面的剪切强度随粗糙度的增大均有明显提高,但法向应力的增大会弱化粗糙度对接触面剪切强度的影响。不同粗糙度条件下接触面的剪切强度与法向应力之间均存在着良好的线性关系,表明接触面的剪切破坏符合摩尔-库伦准则。粗糙度的增大能显著提高接触面的表观黏聚力,但对接触面内摩擦角的影响较小。     

考虑粗糙度影响的黏土-混凝土接触面峰值剪切强度模型研究

结构面粗糙度是影响土-结构接触面力学特性的重要因素。为深入研究结构面粗糙度对接触面强度特性的影响,采用大型直剪仪进行不同粗糙度条件下黏土-混凝土接触面剪切试验,分析粗糙度对接触面峰值剪切强度的影响规律,揭示粗糙度对接触面剪切强度的影响机理。研究结果表明：粗糙度的增大能明显提高接触面的峰值剪切强度,且粗糙度的影响存在临界值;接触面的剪切强度主要由土体与光滑接触部分的界面剪切强度以及粗糙接触部分土体自身剪切强度组成,随着粗糙度的增大,接触面逐渐由剪切滑移破坏向土体内部破坏发展;通过在Jewell界面强度模型中引入与粗糙度相关的粗糙效应系数,建立了考虑粗糙度的接触面峰值剪切强度模型;将不同粗糙度条件下的模型计算值与试验值进行对比分析,验证了本文模型的合理性。     

有机复合客土基材接触面剪切力学特性试验

为研究高分子材料和接触面粗糙度对土-岩接触面剪切力学性能的影响，设计预制混凝土模块作为岩面相似材料，开展一系列改进型直剪试验，分析高分子材料和接触面粗糙度的影响规律，并结合扫描电镜试验深入揭示高分子材料的改良机制。结果表明，高分子材料主要通过提高黏聚力极大地改善基材土和接触面的剪切力学性能，掺量2%的基材试样黏聚力达41.76 kPa,提高了约3倍。掺量2%的不同接触面试样黏聚力提高了2～7倍；增大接触面粗糙度主要通过提高黏聚力增强接触面剪切力学性能，粗糙度为6.5 mm的不同接触面间黏聚力提升幅度为12.27～23.77 kPa,提高了0.4～3.9倍；对于平坦接触面和粗糙接触面，高分子材料对剪切性能的强化表现为两种不同模式；高分子材料与接触面粗糙度对接触面的剪切性能具有协同强化效应。     

黏土–水泥土接触面剪切特性试验研究

黏土–水泥土接触面的剪切特性及土体运移规律是研究水泥土桩、墙等结构物承载和变形机理的关键。对黏土与不同粗糙度水泥土接触面的力学特性进行直剪试验研究,探讨黏土–水泥土接触面抗剪强度、破坏规律及变形特性。结果表明:黏土–水泥土接触面的剪切破坏强度服从摩尔–库伦强度准则,接触面摩擦角随粗糙度的增加而增大,但增长速率逐渐减缓,而接触面黏聚力与黏土黏聚力大小相当;黏土–水泥土接触面的法向应变–剪切位移曲线整体表现为剪缩型,且剪缩量随法向应力和粗糙度的增加而增大。归一化的接触面强度有效系数Es随粗糙度的增加而增大,且当粗糙度R超过1.0 mm后,Es大于1.0,说明由于"被动阻力"的存在使得黏土–水泥土接触面的抗剪强度得到提升,从而出现大于黏土自身抗剪强度的情况。不同法向应力下,各接触面的剪应力–剪切位移关系曲线均服从指数分布,据此建立了描述接触面粗糙度、剪应力、剪切位移、法向应力、摩擦角和黏聚力关系的复合指数模型,该模型对接触面剪应力–剪切位移关系曲线具有良好的拟合效果。此外,随剪切过程的持续进行,剪切破坏区逐步由剪切前方扩展至剪切后方。研究结果对揭示黏土–水泥土接触面的力学特性及水泥土桩、墙等的设计具有参考和指导意义。     

考虑粗糙度影响的黏土–混凝土接触面峰值剪切强度模型研究

结构物表面粗糙度是影响土体与结构接触面剪切力学特性的重要因素。为研究结构面粗糙度对接触面强度特性的影响,采用大型直剪仪进行不同粗糙条件下黏土–混凝土接触面剪切试验,分析粗糙度对接触面峰值剪切强度的影响规律,并揭示粗糙度对接触面剪切强度的影响机理。研究结果表明:不同粗糙度条件下黏土–混凝土接触面剪切应力位移曲线均表现为剪切软化型,且粗糙度越大,曲线的峰值点越明显。粗糙度的增大能显著提高接触面的峰值剪切强度,且粗糙度的影响存在临界值;不同粗糙接触面的剪切破坏面形态特征分析结果表明,剪切过程中光滑接触面主要发生界面剪切滑移破坏,随着粗糙度的增大,土体与结构面间的摩擦、咬合作用得到增强,导致接触面剪切破坏逐渐向土体内部剪切破坏发展。接触面的剪切强度主要由土体与光滑接触部分的界面剪切强度以及粗糙接触部分土体自身剪切强度组成,通过在Jewell界面强度模型中引入与粗糙度相关的粗糙效应系数,并提出了粗糙效应系数与粗糙度间的函数关系式,最终建立了考虑粗糙度的接触面峰值剪切强度模型;最后将不同粗糙度条件下的模型计算值与试验值进行对比分析,模型计算最大相对误差为11.01%,平均相对误差为4.74%,验证了本文模型的准确性与合理性。     

弃渣混合料与混凝土接触面剪切力学特性

为理清粗糙度、含石量、法向应力对灰质岩弃渣混合料与混凝土接触面剪切力学特性的影响,采用新型大型直剪仪对4种含石量的灰质岩弃渣混合料和5种粗糙度的混凝土面板分别在不同法向应力条件下进行系列接触面剪切试验,探究粗糙度、含石量、法向应力变化对接触面剪切强度的影响,揭示三者与接触面剪切力学特性的内在关联及接触面抗剪强度机制。结果表明：相同法向应力条件下,随粗糙度的增加,接触面抗剪强度呈现先增加后减小的趋势,且粗糙接触面能显著提高接触面的剪胀程度,但随法向应力的增加,粗糙度对接触面抗剪强度和法向变形的影响均减弱;相同法向应力条件下,随含石量的增加,接触面抗剪强度的变化规律与法向应力的大小密切相关。同时,试验数据分析表明接触面抗剪强度与Mohr-Coulomb强度准则高度吻合,且粗糙度和含石量对接触面表观黏聚力的影响相比对接触面内摩擦角的影响更为显著。合理的粗糙度和含石量能较大程度地提高弃渣混合料与混凝土接触面的抗剪强度。     

碱渣土与结构接触面剪切力学特性试验研究

碱渣土可以作为大面积回填材料,但其理论研究相对落后于实践,利用改进的直剪仪,进行了碱渣土与三种不同粗糙程度结构界面的直剪试验。试验结果表明:作用在接触面上的法向应力和粗糙程度对接触面的剪切应力和力学响应影响很大;可以采用莫尔-库伦强度准则作为碱渣土与结构接触面的抗剪强度准则,粗糙度对接触面的内摩擦角影响较小,而对黏聚力影响较大。     

砂-结构接触面直接剪切的物理试验与数值模拟

利用DRS-1型超高压直残剪试验系统以及颗粒流软件PFC2D,对砂与地下结构的接触面分别进行了直接剪切物理试验与数值模拟,获得了砂与地下结构接触面力学特性的宏观表象及内在机理.结果表明:砂与地下结构接触面的剪切应力-剪切位移曲线随法向应力的增加,其应变软化特性逐渐减弱而硬化特性逐渐增强.在一定法向应力条件下,随着结构面粗糙程度的增加,应变软化特性增强,且达到峰值剪应力所需要的剪切位移逐渐减小;随着法向应力的增加,结构面粗糙度对接触面力学特性的影响程度降低.在一定的法向应力条件下,对同一结构面,接触面的剪切强度符合摩尔-库伦强度准则;不考虑颗粒破碎时,颗粒的"剪胀"是引起砂-结构接触面剪切强度变化的主要原因之一;当相对粗糙度R较小时,结构面的存在所引起的剪胀量较小,接触面的峰值剪应力较小;随着R增大,颗粒受结构面的约束,引起的剪胀量变大,峰值剪应力增加;当R增大到一定程度时,结构面对颗粒运动的约束作用所引起的试样剪胀量变小,峰值剪应力亦随之降低.     

土工合成材料与粘土接触面直剪试验研究

筋土之间的摩擦力是加筋土结构的一个重要设计参数．对三种不同粗糙度的土工合成材料与粘土在不同含水量、垂直压力下进行了直剪试验研究，得出了垂直压力、含水量及土工合成材料的粗糙度对筋土之间剪切性能的影响规律．     

土与结构接触界面改进直剪试验研究

目的 研究土与结构接触界面力学行为随接触材料类型及含水率变化规律．方法 通过改进的直剪仪进行黏土自身、黏土与混凝土、黏土与石、黏土与砖4个含水率共64个试样的剪切试验．结果 得到了不同含水率不同正应力下土与不同结构接触界面的剪切应力应变曲线，当土体含水率增大时，黏土内部摩擦角缓慢减小，而黏土与混凝土和黏土与砖接触界面的摩擦角急剧降低；土体内部的黏聚力逐渐减小。而土与结构接触界面的黏聚力均先增大后减小，各接触类型接触界面的抗剪强度随土体含水率的增大均呈下降趋势．只在含水率为13％、法向应力为50kPa的黏土内部剪切时才出现剪胀现象．结论 土与结构接触界面的抗剪强度、摩擦角、黏聚力等力学参数与接触材料类型及土体含水率密切相关，研究结果为工程设计的计算参数取值提供了试验依据。     

基于Weibull分布的土-结构接触面统计损伤软化本构模型

以法向应力为0.8-1.0 MPa条件下的土-结构接触面剪切力学特性及变形性态为依据,从土-结构接触面抗剪强度的随机性出发,将接触面上的整体剪切破坏视为有限个微元的剪切破坏的组合,提出了基于平面应变条件下Mohr-Coulomb屈服准则的土-结构接触面微元强度表达式,在假定微元强度或微元破坏服从双参数Weibull分布的基础上,建立了土-结构接触面统计损伤软化本构模型.结果表明,模型能够较好地反映土-结构接触面变形破坏的全过程,尤其是剪切过程中所表现出的应变软化特性,其模拟与试验结果曲线的相关系数达0.99以上.     

Nonlinear Elastic Constitutive Model of Soil-Structure Interfaces Under Relatively High Normal Stress

The shear characteristics of soil-structure interfaces with different roughness are studied systematically by using the DRS-1 high normal stress and residual shear apparatus. The experimental results indicate that, under a relatively high normal stress, normal stress and the coefficient of structural roughness are the most important factors affecting the mechanical interface characteristics. The relationship between shear stress and shear displacement of the soil-structure interface is a hyperbolic curve with high regression accuracy. Based on our experimental results, a nonlinear elastic constitutive model of the soil-structure interface under relatively high normal stress is established with a definite physical meaning for its parameters. The model can predict the strain hardening behavior of the soil during the shearing process. The results show an encouraging agreement with experimental data from direct shear tests.     

接触面等应力增量比路径单剪试验及模型研究

为研究等应力增量比路径下土与结构接触面力学特性,进行高塑性粘土与混凝土接触面等应力增量比路径单剪试验,获得不同应力路径下应力应变关系曲线。试验结果表明,高塑性粘土能够较好地适应大变形,接触面剪应力与切向应变关系呈剪切硬化型曲线,法向剪胀不明显;接触面剪切强度与应力路径无关,应力应变关系与应力路径密切相关;初始法向应力一定,应力增量比越小,剪应力增长越快,对应的破坏剪应力也越高;无剪胀发生情况下,法向应变与法向应力关系曲线与单向压缩试验具有一致性;应力比与切向应变呈良好的双曲线关系。在试验研究的基础上,基于广义位势理论,将土与结构接触面问题看着应力空间上的二维数学问题,采用塑性状态方程代替传统的屈服面,建立了双重势面接触面弹塑性模型。模型能够反映应力路径、初始法向应力对接触面力学特性的影响,具有一般性,参数能够通过试验完全确定,可以方便地应用于有限元分析,具有一定的应用推广价值。     

高压力下界面抗剪强度的试验研究

在 DRS- 1型微机高压直残剪试验系统上进行了建筑砂、标准砂、粉砂和粘土与混凝土界面、金属光滑界面、金属粗糙界面的正交直接剪切试验 .研究结果表明 :在高压力作用下 ,由于颗粒破碎的原因 ,界面的剪切应力 -剪切位移曲线呈现出应变硬化特征 ,与低压力作用下土与不同结构界面的软化剪切特性存在明显差别 .试验数据的正交误差分析和直观分析揭示 ,界面的剪切峰值强度、残余强度与法向压力均呈现线性关系 ,峰值强度、残余强度受法向压力的影响最大 ,其次为土体性质 ,剪切速率和基底粗糙度的影响较小     

GFRP—自密实RPC组合试件力学性能试验研究

一般纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer,FRP）—混凝土组合结构的破坏模式为FRP与混凝土的界面剥离以及自身截面的抗剪承载力不足导致的受剪破坏。为提高FRP—混凝土组合结构的抗剪承载力,开展5根带T型肋玻璃纤维增强复合材料（Glass Fiber Reinforced Polymer, GFRP）板—自密实活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete, RPC）配箍组合试件的试验研究,探讨界面处理、箍筋配置和剪跨比等因素对组合试件受力性能的影响,分别对挠度、应变进行测试,观测裂缝形成与开展过程及其破坏状态等。结果表明,GFRP板的界面粘砂处理和横向贯穿钢筋的配置可以增强GFRP板与混凝土之间的界面抗剪强度,并明显改善两者协同工作性能,提升组合试件的极限变形能力;界面粘砂和配置箍筋能在一定程度上提升组合试件的抗剪承载能力,改善破坏形态;组合试件截面高度越大,承载能力越高,但GFRP材料的利用率会有所降低。     

高应力下粗砂与混凝土接触面剪切特性影响因素试验研究

利用改装自RMT-150B的直剪试验仪在不同法向应力下进行了含水量为0%、8%、16%、24%的粗砂与具有4种不同粗糙度、强度混凝土基底的接触面直剪试验。试验结果表明：当法向应力等于2 MPa时,随接触面粗糙度的增加,达到极限抗剪强度的剪切位移先增加后减小;当法向应力大于2 MPa时,达到极限剪切强度的剪切位移基本不再随接触面粗糙度而变化;在法向应力相同的情况下,干砂初始抗剪刚度较湿砂大。依据试验数据回归分析可知：高应力直剪条件下,粗砂与混凝土接触面的剪应力剪切位移关系可用双曲线模型描述。直观分析结果表明：极限抗剪强度受法向应力影响最大,且与应力呈线性相关,其次为接触面粗糙度,含水量的影响略高于混凝土界面强度;初始抗剪刚度随法向应力、接触面粗糙度、基底硬度的增大而增大,接触面初始剪切刚度所受因素影响从大到小依次为法向应力、含水量、接触面粗糙度、基底硬度;颗粒相对破碎受法向应力影响最大,其次为含水量,再次为基底硬度,接触面粗糙度影响最小,并且颗粒相对破碎随法向应力增达而增大,随混凝土粗糙度与基底硬度的增大而减小,随含水量增加存在破碎的破碎峰值。     

橡胶颗粒-砂混合物三轴CD剪切试验研究

对6种围压7种不同质量配比的干燥橡胶颗粒-砂混合物(橡胶砂)进行三轴CD试验,研究不同配比不同围压对橡胶砂的强度特性、偏应力-轴向应变曲线和体应变-轴向应变曲线特性的影响。试验结果表明:橡胶颗粒质量分数为0%~30%时,有利于改善砂颗粒的剪切强度特性;在10%附近时,内摩擦角出现最大值;在20%附近时,其粘聚力出现最大值。橡胶砂的偏应力-轴向应变曲线特性在橡胶颗粒质量分数低于50%时,与纯砂类似,表现出双曲线特性;不低于50%时,与纯橡胶类似,表现出近似线弹性,且由双曲线模型拟合得到的橡胶砂模型参数(如峰值偏应力、初始切线模量以及破坏比)随围压的增加而增加,随橡胶颗粒含量的增加而减少。橡胶砂的体应变-轴向应变曲线特性在橡胶颗粒质量分数不高于20%时,与纯砂类似,有先剪缩后剪胀的特点;高于20%时,表现出单调剪缩的特性,橡胶颗粒含量越大,剪缩越明显。