高心墙堆石坝接触黏土与岸坡接触特性的离心模型研究

为了提高砾石土心墙与岸坡之间的变形协调性,高心墙堆石坝通常在心墙与岸坡之间设置高塑性黏土,统称为接触黏土,接触黏土的变形特性对高心墙的应力变形性状和心墙的安全性有重大影响。开展了4组接触黏土与岸坡接触面的局部离心模型试验,通过调整施加的上覆荷载大小来探讨原型坝体不同高程处的接触面剪切位移发展规律。基于理论分析,提出了一个计算接触黏土与岸坡接触面离心模型试验中边界效应影响范围的解析表达式,以确定接触面离心试验中试验模型的相似比尺。试验结果表明:在原型坝体的不同高程处,接触黏土与岸坡之间均会产生一定的剪切位移,但不会出现分离现象;接触黏土和砾质心墙土变形主要以竖向下沉为主,并且接触黏土与砾质心墙土之间的沉降等值线变化较为连续,未出现陡变情况,这说明接触黏土起到了很好地协调变形的作用,因此在进行高心墙堆石坝的结构安全性分析过程中应考虑接触黏土与岸坡的接触效应。

循环荷载作用下钢桩-软黏土接触面剪切特性研究

目前,中国海上风电工程的建设已进入快速发展阶段。海上风电机常采用大直径钢管桩作为基础,然而现在的桩基承载力设计预测方法往往基于小直径柔性桩,不适用于大直径刚性桩。因此需要研究海上桩基桩-土界面的相互作用,来对海上大直径刚性桩基的设计预测方法进行优化。使用循环荷载作用下钢桩-软黏土大型接触面剪切试验数据,建立法向循环荷载作用下钢与黏性土接触面剪切试验的离散元模型,对各个细观参数进行标定,分别研究动荷载频率和幅值对剪切特性的影响,并进行了细观机理分析。数值模拟结果表明动荷载频率和幅值越大,钢与黏性土接触面强度越小,其中动荷载幅值的影响较为明显。通过细观机理分析可以发现:动荷载频率和幅值越大,接触面处黏性土的颗粒位移越小;静荷载下黏性土的颗粒间作用力大于动荷载下的颗粒间作用力;动荷载会导致颗粒间的扰动,从而使接触面强度减小。研究结果可以为海上风电桩基承载力的准确预测提供理论基础。

峰前等剪应力幅值下黏土-混凝土接触面小变形特性分析

为了研究黏土-混凝土接触面在峰前切向循环剪切应力控制条件下的变形特性,运用研制的土-结构接触面循环剪切仪,开展了50、100、150、200k Pa共4个法向压力下的黏土-混凝土接触面直接剪切试验,确定了各法向压力下接触面的峰值剪切强度;在每个法向压力下设置了低于峰值强度的2个低剪切应力幅值和3个高剪切应力幅值,开展了黏土-混凝土接触面循环剪切试验。根据试验结果,设置了累积位移、割线刚度、切向塑性功3个指标,分析了各指标随循环圈数的发展规律;对比了同一剪切应力幅值下,法向压力对循环剪切曲线的影响。试验结果表明,低剪切应力幅值下,黏土-混凝土接触面剪切位移-剪切应力曲线表现为弹性;高剪切应力幅值下,黏土-混凝土接触面剪切位移-剪切应力曲线表现为弹塑性,接触面累积位移存在极限值,割线加载刚度和割线卸载刚度逐渐增大并趋于一致,切向塑性功逐渐减小并趋于0;法向压力对接触面循环剪切曲线的影响主要体现在第1圈循环时。相关研究成果可服务于土-敏感结构接触面峰前阶段循环剪切的变形分析,亦可为低剪切应力下土-结构接触面循环剪切本构的建立提供试验依据。

黏土-结构接触面大剪切变形后渗流特性试验研究

黏土-结构接触面易产生大的剪切变形,且由于场地、施工等原因,接触面部位可能存在填筑缺陷、杂质等情况,这些因素均可能对其渗流安全产生不利影响。本文采用一种接触面剪切渗流试验装置,对黏土-结构接触面大剪切变形后的渗流特性进行了试验研究,重点模拟了接触面存在填筑缺陷及含有杂质两种工况下的渗流特性,并与均质黏土接触面渗流特性进行了对比,同时对接触面正应力、剪切变形、水力坡降的影响进行了分析。结果表明:含有填筑缺陷的接触面在大剪切变形过程中渗透性降低;而含有粉土杂质的混合黏土接触面,其渗透性起初随剪切变形的增加而减小,剪切至某一程度后反向增加;存在填筑缺陷和杂质的接触面渗透性强于均质黏土接触面。

根系影响下粗糙土-岩接触面剪切损伤模型研究

合理描述根系和岩面粗糙度影响下土-岩接触面的剪切行为是开展土岩混合边坡稳定评价的关键。基于Weibull分布并考虑含根率、粗糙度的影响建立了土-岩接触面剪切统计损伤模型。根据试验结果,确定了含根率、粗糙度对接触面剪切刚度的影响函数及模型参数,并验证了模型的可行性;进一步,探讨了含根率、粗糙度和模型参数m、w 0对接触面剪切变形和损伤演化的影响。研究表明:根系与粗糙度均能抑制接触面损伤发展从而提高接触面强度;提出的损伤模型能较好地描述根系和粗糙度影响下土-岩接触面剪切损伤演化和剪切力学特性。研究成果可为土-岩接触面剪切性能分析及土岩混合边坡稳定评价提供理论参考。

黄土-泥岩接触面滑坡的两种雨型模型试验

黄土边坡变形失稳机理研究对于黄土滑坡灾害防治具有重要意义。黄土-泥岩接触面滑坡作为黄土滑坡类型之一,研究人员已对其失稳基本过程与形成机理有较为清晰的认识。但对于其在不同降雨类型下,特别是强降雨条件下的变形破坏过程则有待进一步探讨。因此,本文对黄土-泥岩接触面边坡开展室内降雨模型试验,研究其在强降雨条件下斜坡变形破坏模式。试验设计连续强降雨和间断强降雨两种降雨条件,对比分析两种降雨条件下边坡雨水入渗规律及变形破坏模式。结果表明:在两种典型降雨模式下,雨水入渗速率由边坡前缘至后缘逐渐降低;在坡体表层,随着降雨由间断至连续过渡,入渗速率逐渐增加;在坡体深部,入渗速率受边坡结构影响;间断降雨下边坡呈现滑移-拉裂失稳;在连续降雨条件坡体则表现为蠕滑-拉裂破坏。

黏性土-结构接触面剪切变形时的渗透机理分析

高心墙堆石坝在心墙和岸坡混凝土垫层间常设有一层接触黏土。这层接触黏土在缓解心墙与混凝土之间较大的不协调变形的同时还应具有较强的抗渗能力。接触面附近土体在高水头作用下产生大剪切变形,处于复杂的应力、变形和渗流状态。工程界普遍对此处是否更容易发生渗透破坏抱有疑问。接触面剪切-渗流试验的结果显示,在土体与结构之间发生较大剪切错动的情况下,渗透性呈现减小的趋势,但对其机理尚不清楚。本文在Biot固结理论的基础上,结合剪切渗透系数模型反映物理状态和变形对渗流场的影响,利用接触面单元反映试验中不同部件之间的接触关系,建立多体-多场耦合分析方法,对接触面剪切-渗流试验进行了数值模拟。通过分析计算结果,揭示了在接触面剪切-渗流的过程中,土体内部的应力-变形和孔隙比的演化过程以及渗透特性的内在机理。

考虑黏土-结构接触变形的剪切-渗流耦合试验

针对高黏土心墙坝岸坡部位接触黏土与混凝土基座接触面的剪切渗流问题,研制了一整套可用于开展黏土与结构接触剪切力学特性和渗流特性研究的剪切–渗流耦合试验系统。该系统可实现接触面的大剪切变形,控制剪切变形与渗流方向正交,自动获取接触面力学特性与渗透特性的演化过程。通过开展接触黏土渗透试验及接触黏土–结构接触面力学特性试验,验证了该试验系统的可靠性。对某高心墙土石坝接触黏土料开展剪切–渗流耦合试验,结果表明:在低正应力下,试样整体渗透系数随剪切变形的增大先减小后增大,最后趋于稳定;在高正应力下,整体渗透系数随剪切变形的增大而不断减小并快速趋于稳定;探讨了不同正应力下土体剪胀性对接触黏土–结构接触面渗透性的影响机制。提出了结构粗糙度对接触面的渗透特性的影响有待进一步研究。

心墙坝与陡峻岸坡的连接设计与应力变形分析

前坪水库大坝右岸存在高陡边坡,大坝与陡峻岸坡的连接方式直接关系大坝的变形和渗透安全。文章通过开展接触面试验、不同岸坡开挖形态应力变形分析,对剪应变和应力水平进行了分析。结果表明:直线和下凹岸坡最大剪应变较小。工程右岸岸坡采用单一坡比连接,自坡顶向下开挖梯形深槽,黏土心墙和反滤料嵌入槽中,通过增大接触面积和延长渗径,确保工程的安全,可为类似土石坝坝肩连接设计提供参考。

地震作用下岩体边坡锚固界面剪切作用数值模拟分析

为研究地震作用下锚固岩体边坡中锚杆-砂浆界面和砂浆-岩体界面的剪切相互作用,揭示锚固界面上相互作用机理,同时获得地震作用下锚固岩体边坡两锚固界面的剪应力分布规律,采用有限差分软件FLAC3D建立锚固岩体边坡数值分析模型,并用interface接触面单元模拟锚杆-砂浆界面和砂浆-岩体界面的剪切相互作用,对简谐地震波作用下锚固边坡中全长黏结锚杆锚固界面剪应力的分布规律进行了研究,研究发现:在地震作用下,砂浆-岩体界面剪应力首先达到其极限黏结强度并出现脱黏现象,剪应力峰值从破坏面向锚杆两端发展;与此同时,锚杆-砂浆界面上的剪应力没有达到其极限黏结强度,但是该界面剪应力峰值会随着砂浆-岩体界面的脱黏而进行相应的调整;砂浆-岩体界面脱黏后,锚杆轴力呈两翼外凸的人字形曲线分布,轴力曲线拐点与界面剪应力曲线峰值点相对应,脱黏区域锚固体均匀拉伸,轴力分布均匀.该研究可为相关模型试验、现场监测、设计施工研究提供参考.

地震作用下含软弱层锚固岩质边坡界面剪切作用

针对地震作用下全长黏结锚杆锚固岩质边坡锚杆-砂浆界面上和砂浆-岩体界面上,即两锚固界面上的剪切作用,利用FLAC3D软件分别采用实体单元和接触面单元建立含软弱层锚固顺层岩质边坡数值模型,探究了水平向简谐波作用下两锚固界面上的剪切作用和锚杆轴力分布以及它们的演化规律。结果表明:采用实体单元和接触面单元相结合的建模方式可行,锚固界面剪切作用和脱黏破坏均可得到很好的体现和反映,两锚固界面上的剪应力和锚杆轴力的分布不均匀,软弱层处剪应力为零而轴力最大;随地震动持续输入,两锚固界面剪应力和锚杆轴力呈递增之势,锚固界面发生脱黏破坏并向锚杆两端发展,远离中性点的锚固界面得以调用,峰值剪应力向锚杆两端转移。揭示了地震作用下含软弱层锚固顺层岩质边坡破坏机理,对岩土锚固的研究和设计施工均具有重要意义。