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。     

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。     

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。     

考虑粗糙度的黏性土-结构接触面力学特性试验

目前土与结构接触面的粗糙度定义未达成统一认识,不利于量化分析粗糙度对结构接触面力学性质的影响。同时,粗糙度对粘性土与结构接触面相互作用影响的研究也有待深入。为此,基于对灌砂法的修正,提出了一种测定土-结构接触面粗糙度的方法。针对试验自制的混凝土试块的半圆凹槽状粗糙表面和其他学者设计的齿形粗糙表面,使用修正后的灌砂法、常规灌砂法和试验常用的峰谷距测定法测定它们的粗糙度,并进行对比。利用大型直剪试验仪对红粘土-混凝土试块接触面进行了直剪试验,定量分析了粗糙度对接触面剪切破坏、变形等的影响,并探讨了粗糙度的影响机理。研究成果表明：针对接触面粗糙度的测定,修正后的灌砂法比常规灌砂法或峰谷距测定法都有效。接触面剪切破坏满足摩尔-库伦剪切破坏准则。粗糙度对接触面摩擦角影响不大。接触面抗剪强度和粘聚力的增长速率随粗糙度的增大而降低。随着粗糙度的增大,接触面粘聚力增大且逐渐趋近红粘土的粘聚力,此时剪切破坏可能发生在接触面上或接触面附近土体内。随着法向应力的增大,临界粗糙度减小且粗糙度对接触面抗剪强度的影响降低。粗糙度较小时,接触面剪切破坏后出现较为明显的应力跌落现象。     

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。     

剪切速率对岩石节理强度特性的影响

不同剪切速率下岩体结构面的力学特性研究是进行岩质边坡动力反应分析的重要前提。基于Barton峰值抗剪强度理论和均方根一阶导数值法的节理粗糙度系数计算方法,对前人研究中关于定法向应力条件下不同剪切速率的岩石节理峰值抗剪强度的室内直剪试验结果进行整理与计算,探究剪切速率对岩石节理总摩擦角的影响规律,提出与速率相关的岩石节理峰值抗剪强度经验公式。结果表明:当剪切速率在0~0.8 mm·s^-1范围内时,岩石节理试样的总摩擦角随剪切速率的变化呈现负对数变化规律;对于均质性和各向同性较强的岩石节理随剪切速率的增大,总摩擦角呈现减小趋势,对于非均质性和各向异性较强的岩石节理随剪切速率的增大,总摩擦角呈现增大趋势,且后者总摩擦角增大幅度小于前者的减小幅度;岩石节理的物性和微观几何形态对总摩擦角随剪切速率的增加而变化的影响较大,节理面的物性主要影响总摩擦角随剪切速率增加呈现增大或减小的变化趋势,节理面的微观几何形态主要影响总摩擦角随剪切速率的变化幅值。     

水溶性聚合物强化砂土剪切强度及机理研究

针对加大砂土强度的问题,采用水溶性聚合物对其进行改良,对不同砂土干密度、固化剂含量及养护时间的改良砂土进行了直接剪切试验,并对其黏聚力及内摩擦角进行分析.结果表明:水溶性聚合物改良的砂土剪切强度得到一定程度地提高,这是由于水溶性聚合物加固砂土试样,形成包裹颗粒并相互联系的弹性黏膜,从而增加了土体强度;当养护时间一定时,...     

砼直剪过程峰值强度释放规律及对可靠度的影响

对混凝土试块进行了直剪破坏试验,从混凝土内部微观变形不协调性出发,对砼直剪过程峰值强度释放规律及其对可靠度的影响进行了探讨。     

基于次加载面摩擦模型的接触面剪切特性研究

为了反映土与结构接触面的应变软化特性以及剪切速率对土与结构接触面力学特性的影响,基于ABAQUS软件提供的FRIC子程序,采用显式积分算法,对能够表现接触面上应变软化的次加载面摩擦模型进行二次开发. 利用该模型模拟土与结构接触面的直剪试验,研究直剪试验过程中次加载面摩擦模型接触面上的应力演变过程. 研究结果表明,利用次加载面摩擦本构模型,能够较好地模拟土-结构接触面直剪试验中的应变软化和密实状态的类砂土残余切应力随剪切速率的增大而下降的现象. 在剪切位移的发展过程中,次加载面摩擦模型接触面上的切应力先增加后减小,接触面远离加载端一侧到另一侧的应力发挥水平先后达到最大值. 该研究表明,次加载面摩擦模型可以用于土与结构接触面的应变软化特性和速率相关性的模拟.     

非饱和重塑黄土-混凝土接触面修正双曲线模型

为解决非饱和土与结构物接触计算中的力水耦合问题,进行了不同含水率重塑黄土与混凝土接触面的直剪试验,首先根据试验规律分别简化了双曲线模型中初始剪切劲度系数、极限抗剪强度与法向应力间的关系表达式,然后引入含水率这一变量,建立了适用于非饱和土的接触面修正双曲线模型,该模型具有6个参数,通过不同含水率的接触面直剪试验即可获得。计算结果与试验结果的对比证明了该模型的可行性。该修正双曲线模型可以同时考虑法向应力与含水率两变量,可以较好地实现非饱和黄土与结构物的接触计算。     

剪切速率对黏性土混凝土界面抗剪强度影响的试验研究

通过自行研制的大型恒刚度桩土界面直剪仪,进行6种剪切速率的黏性土混凝土界面剪切试验,探讨剪切速率对黏性土混凝土界面抗剪强度的影响规律。结果表明：在黏性土混凝土界面,超孔隙水压力随着剪切速率的提高而增大;法向应力和剪切速率通过影响超孔隙水压力大小,决定黏性土混凝土界面剪切峰值强度和剪切破坏位移的大小;剪应力剪切位移关系曲线由基本一致变化到一定范围内产生偏离,且法向应力和剪切速率越大偏离越显著,并出现明显的应变软化现象;剪切速率从0.4 mm/min增加至5.0 mm/min,黏性土混凝土界面抗剪强度减小幅度增大,摩擦系数减小0.1,有效黏着力的变化介于0.81~5.93 kPa之间。     

型钢混凝土梁剪切强度研究

作者通过17个型钢混凝土梁(SRC)的试验,对型钢混凝土梁的破坏模式、传力机理及剪切强度进行了探讨。最后提出了型钢混凝土构件剪切强度的实用计算方法。     

石墨烯改性粘土的剪切强度特性研究

为了研究石墨烯改性粘土的强度特性,将石墨烯均匀地掺入土中,在控制干密度条件下,进行直剪试验,并用扫描电镜(SEM)对样品的剪切面结构进行了观察。将石墨烯按干土质量百分比分别为0%、1%、2%、3%和4%的掺量分别掺入到含水率为14%、16%、18%的素土中进行试验,结果表明,石墨烯能有效提高粘土的破坏强度,且在本试验中未发现最佳掺量。粘聚力随着掺量的增加而增大,随含水率的增长而减小,但内摩擦角基本不变。借助SEM从微观上对石墨烯改性作用机理进行分析,石墨烯的掺入可以填充土中孔隙,提升土颗粒间的摩擦力,从而增强土体的抗剪强度。     

粒状土与结构接触面多重剪切边界面模型

针对工程中存在大量的土与结构物相互作用,使接触面的力学特性对土体和结构物的受力变形及其相互作用产生重要影响的问题,利用塑性滑移理论,将粗粒土与结构接触面的宏观变形分解为一个宏观法向变形和剪切面内一系列不同方向分布的相互独立虚拟微观剪切变形;通过虚功原理,在粒状土的状态相关和边界面弹塑性理论框架内建立一个粗粒土与结构接触面的多重剪切边界面模型.每个微观剪切变形包含一个微观剪应力-应变关系和一个微观应力-剪胀关系.引入一个与接触面土体密度和法向应力相关的状态参数,用以描述不同状态下土与结构接触面的变形和强度特性.对不同粗粒土与结构接触面在二维或三维应力条件下的单调和循环剪切试验进行模拟计算,模型预测与试验结果吻合良好,说明模型能够合理地描述粗粒土与结构接触面的非线性力学行为.     

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．     

剪切效应下矿料接触面粘附及粘结强度测试

为了分析矿料接触面的细观强度特性,研究剪切效应下沥青与矿料表面粘附强度及沥青结合料自身粘结强度的定量测试技术．根据矿料接触面破坏方式及沥青与矿料表面剪切粘附强度、粘附失效区面积、沥青剪切粘结强度、粘结失效区面积与剪切破坏荷载的对应关系,确定沥青剪切粘结强度和沥青与矿料表面的剪切粘附强度,实现矿料接触面上粘附与粘结强度的定量测试．测试结果表明:沥青与矿料表面剪切粘附强度受试验温度及矿料接触面上油膜厚度影响较大,同时沥青品质也对其大小产生影响;沥青结合料剪切粘结强度与试验温度及沥青品质有较大相关性．     

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。     

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。     

正融土-混凝土接触面力学性质分析

为研究正融土-混凝土接触面力学性质,采用应变式直剪仪分别开展了3种含水率条件下冻结和常温环境粉质黏土-混凝土接触面直剪试验。分析了不同含水率、常温和冻结环境、不同法向荷载作用下粉质黏土-混凝土界面力学性质。结果表明:剪应力-位移曲线呈现明显的四阶段分布;影响其界面性质的因素为冻结情况、土壤含水率、法向压力;常温土-混凝土的剪切曲线呈弹塑性变形,没有明显峰值,正融土-混凝土接触面的剪切过程存在明显峰值。正融土-混凝土界面剪切强度始终小于正融土剪切强度;剪切过程的平稳阶段黏聚力和内摩擦角相比其他阶段偏小。