Investigation on reinforcement-sand-clay layer system using direct-shear test

The property of the contact surface between geosynthetics and soil directly affects the whole structure＇s stability. The interface property is one of the most important indices for the reinforced structure. Systematic direct-shear tests with large direct-shear apparatus are carded out for geobelt reinforced clay under different normal stresses and water content. A reinforcement-sand-clay layer system improving the interface behavior greatly is designed. The stress-strain relationship is investigated on the basis of the experimental results. The results show that with the increase of the normal stress, the shear strength between the clay and the reinforcement increases nonlinearly, and with the increase of the water content, the friction coefficient between the clay and the reinforcement decreases dramatically and the cohesion between the clay and the polypropylene geobelt increases initially, then decreases. There is an optimal value for the water content between the clay and the polypropylene geobelt, which is 2% lower than the optimal water content of clay compaction. This reinforcement-sand-clay layer system improves the shear strength of the interface remarkably. Therefore, the clay-sand-reinforcement layer system is a rather good design for practical use in reinforcement engineering.

Characteristics of root-permeated soil under simple-shear and direct-shear conditions

The simple-shear condition is closer to reality than the direct-shear condition for simulating the mechanical behavior of vegetated soil slope under shallow failure.However,study on simple-shear characteristics for vegetated slope is still insufficient,and there lacks intuitive comparison of characteristics between these two shear conditions.In this study,large-scale simple-shear and direct-shear experiments were conducted on soil permeated by roots of Amorpha fruticosa to investigate the shear strength and stiffness.The stress-displacement relationship of each sample was obtained and further normalized to unify the influence of root content.The results reveal that the direct-shear condition overestimates the shear strength of root-permeated soils(by 41%)and thus the estimation of slope stability based on the parameters of direct-shear condition is not conservative.Furthermore,the initial stiffness of root-permeated soil under simple-shear condition is 34%lower than that under direct-shear condition.The higher strength and stiffness under direct-shear condition are caused by the following reasons:the shear plane does not have the lowest strength,the shear area is decreasing,and the shear zone is thinner.The significant deformation(lower stiffness)revealed by the simple-shear condition facilitates the application of early warning for vegetated shallow landslides.

砂土-混凝土接触面剪切带细观变形特征的试验研究

接触面剪切带的细观变形特征是研究结构物与土体相互作用的核心问题。为探明砂土-混凝土接触面剪切带变形特征,利用大型直剪仪开展砂土-混凝土接触面直剪试验,采用灌砂变形标记法实测砂土变形,依据标记线剪应变沿竖向的变化特征对砂土变形区域进行划分。在此基础上,研究粗糙度、法向应力和密实度对砂土-混凝土接触面剪切带细观变形特征的影响规律。研究结果表明:1)砂土可分为非剪切区、过渡区和应变集中区,应变集中区仅存在剪切面之上。2)规则型接触面的上剪切带厚度均值为33D_(50),远大于下剪切带9D_(50)和“光滑”接触面剪切带厚度20.4D_(50)。3)密实度对剪切带及其过渡区厚度的影响微弱,而粗糙度对其影响显著;法向应力、密实度对应变集中区厚度影响有限,应变集中区厚度随粗糙度的增大近似线性增大;应变集中区长度随粗糙度的增大先增大后减小,随密实度的增大近似线性增大,随法向应力增大而减小。4)随剪切位移增大,上剪切带厚度不断增大而下剪切带厚度先增大后保持基本不变,应变集中区的长度增大,但剪切位移对应变集中区厚度的影响有限。5)获得归一化剪切带厚度取值h_(t)/D_(50)与D_(50)的关系,在有限元模拟规则型结构与砂土的相互作用时,建议砂土体细化网格单元的范围不小于最大剪切带厚度37D_(50)。研究成果深化了砂土-规则型接触面剪切带变形特征的认识,可为大粗糙度、带肋桩的承载变形特性的精细化有限元模拟分析提供重要参考和依据。

冻融作用下冰碛体剪切特性与围岩压力研究

冰碛体是由冰川作用搬运大量碎屑物质堆积形成的特殊岩土体。受赋存的地理及气候条件影响,冻融作用会对穿越该类围岩的隧道尤其是洞口段的工程建设带来挑战。笔者调研了中国西藏地区冰碛体围岩地质条件,设置冻融循环直剪试验研究了冻融循环次数与含水率对冻结冰碛体的力学特性和力学指标影响,引入冻融次数与含水率综合参数K,拟合得出黏聚力c公式。结果表明:冻融循环和含水率对冰碛体黏聚力c有较大影响。改进了太沙基理论,提出了适用于冰碛体围岩隧道洞口段的围岩压力计算公式。以昌林铁路某隧道为例,计算不同条件下的围岩压力,验证了公式的合理性。研究发现:冻融循环和含水率是影响冰碛体力学性能变化的重要因素,冻融作用对洞口段隧道围岩压力有不同程度的影响,在工程建设中应充分考虑。

高摩阻超静定土工格栅在粗粒土夹层中的剪胀作用研究

在加筋土工程中,采用异型格栅和设置粗粒土夹层可以有效增强筋土相互作用。然而粗粒土夹层厚度的确定方法仍有待进一步研究。基于一种带有凸起节点结构的高摩阻超静定土工格栅(high resistance hyperstatic geogrids,简称HRHG)与砾石的直剪试验结果,建立了剪切硬化筋土界面的剪胀本构模型,并进一步研究了筋土剪胀应力在土体内引起附加应力的分布规律。通过开展不同法向压力(30、50、80 kPa)下的直剪试验,研究了不同粗粒土夹层厚度(60、100、140、180 mm)对筋土相互作用的影响,并与筋土界面剪胀应力的分布规律进行了对比分析。结果表明,筋土界面剪胀本构模型可以有效计算剪缩位移和剪胀位移,且最终剪胀位移随法向压力增加而减小。由界面剪胀应力引起的粗粒土中附加应力随着与筋土界面距离的增加而降低,但是剪胀范围逐步增大。粗粒土夹层厚度的增加可以有效提高界面剪切强度,但存在最优夹层厚度使界面剪切强度的增幅迅速降低。最优夹层厚度随着法向压力的增加而减小。通过对比分析最优夹层厚度与剪胀应力比之间的关系,提出了基于筋土界面剪胀本构模型的确定最优夹层厚度的半经验公式,可为HRHG在工程中的设计或应用提供参考。

珊瑚砂与土工格栅界面的剪切特性及本构模型

采用南海原位级配珊瑚砂和聚丙烯双向土工格栅,开展了不同法向应力下珊瑚砂和筋土界面大型直剪试验。试验结果表明,珊瑚砂和筋土界面剪应力—剪切位移曲线呈现明显的应变软化特征,峰值抗剪强度线呈现双折线形态,残余抗剪强度线则呈现较好的线性关系;各级法向应力下珊瑚砂与土工格栅界面摩擦比均值达到1.37左右,远高于石英砂与土工格栅界面摩擦比,说明在珊瑚砂中加筋能充分发挥加筋效果;珊瑚砂和筋土界面在剪切过程中总体上经历了相对剪缩—相对剪胀—相对剪缩的过程,对珊瑚砂加筋可显著减小其剪缩变形;珊瑚砂和筋土界面直剪试验试样的相对破碎率接近,均随法向应力的增大而增大,但增幅逐渐趋缓。采用邓肯—张模型和剪切软化模型分别描述南海原位级配珊瑚砂与聚丙烯双向土工格栅界面峰前和峰后剪应力—剪切位移曲线,所建立的筋土界面本构模型能够很好地反映其剪切特性。

贯通型标准JRC双节理剪切力学及声发射特性研究

节理岩体的抗剪性能是影响工程岩体强度及稳定性的关键因素。基于3D打印技术制作标准JRC节理面模具和固定夹板,采取一体化浇筑方式制备不同节理面间距和不同粗糙度的双节理试样,结合声发射(acousticemission,AE)技术探究不同法向应力条件下粗糙双节理岩体剪切力学特性和破坏演化特征。结果表明:剪切应力-剪切位移曲线形态受节理粗糙度和法向应力共同影响。随JRC和法向应力的增加,剪切应力软化程度加重;法向应力较大时,峰后阶段剪切应力存在多次突降现象,突降值随法向应力的增加而增大。峰值剪切强度出现在双节理间岩石夹层断裂时刻,随JRC和法向应力的增加呈增大趋势,随节理面间距增加呈减小趋势。AE结果表明:岩石夹层断裂时刻AE能量大幅突增,AE能量峰值稍滞后于剪切应力峰值,随法向应力的增加,AE能量峰值和累积AE能量值增大;AE定位点空间上集中于岩石夹层部分,时间上频发于200~600 s内,随节理面间距的增加,AE定位点的集中范围扩大。

剪切速率对深部黏土直接剪切强度影响的数值模拟研究

日益增多的深部地层开发,要求掌握所遇到的深部黏土工程强度性质。然而由于黏土高压三轴试验存在过于耗时、容易失败等困难,直接剪切试验仍是确定深部黏土工程强度指标的首选方法之一。现行规范推荐的直接剪切试验慢剪剪切速率上限以及固结快剪剪切速率范围,是否适合渗透性极低的深部黏土值得研究。本文采用考虑土体各向异性影响的本构模型,建立了渗流-应力耦合的直接剪切数值模型,并经过了华东重塑深部黏土的试验结果验证。对不同剪切速率下3个固结应力等级下的黏土直接剪切模拟表明,直接剪切破坏剪切应力随剪切速率增大而非线性减小,且减小的幅度随固结压力的增加而明显增大,其原因在于剪切带上随剪切速率和固结压力非线性变化的超孔隙水压;对于渗透系数为10^(-12)m·s^(-1)量级的深部黏土,即使采用0.5倍的推荐慢剪剪切速率上限值,所得内摩擦角与三轴固结不排水内摩擦角接近,而若采用规范推荐的固结快剪剪切速率,会得到明显偏小的内摩擦角。

基于力链变化的直剪试验数值分析

构造宏观力学与细观力学的联结,一直是岩土力学领域研究课题的热点。从宏、细观两个角度出发,利用颗粒流软件PFC 2D模拟直剪试验,对直剪试验各阶段进行分析,利用风玫瑰图描述力链的方向,综合试验、离散元颗粒流模拟和细观理论对直剪试验的力链分布变化及演化规律进行研究。结果表明,室内试验、数值模拟试验二者结果基本一致;剪切应力达到峰值前内部力链结构有规律地重构,强力链逐渐靠向角平分线;剪切应力达到峰值与水平方向呈接近45°夹角,在卸荷失稳阶段,弱力链重新分布,部分强力链转化而消散,绝大多数保留在剪切带周边。该研究可以更好地理解土体的细观力学机理,为相关数值模拟试验提供参考依据。

基于BP神经网络的UHPC直剪承载力预测模型

为提供准确的UHPC直剪承载力,以指导UHPC结构设计,建立一种基于BP神经网络的UHPC直剪承载力预测模型。该方法基于机器学习中的反向传播人工神经网络(BP-ANN),搜集现有相关试验数据并建立数据库,将混凝土抗压强度、受剪面积、纤维特征参数、钢筋参数和侧向约束应力指定为输入特征参数,将直剪承载力指定为输出量,利用数据库对BP-ANN模型进行训练。将模型预测值与试验实测值和现有计算模型的结果进行对比,并采用SHAP算法对各参数重要性进行分析。结果表明:BP-ANN模型具有更好的预测效果,其相关系数R2达到0.953,平均绝对误差MAE为1.015,模型训练结果理想,可应用于实际的数据处理分析;侧向约束应力对直剪承载力的影响最大,钢筋参数影响最小。

隧道穿越岩堆体围岩剪切特性及分级

为解决隧道穿越岩堆体围岩分级不准确的问题,通过相似材料直剪试验分析岩堆体的直剪特性,将含水率和填充土含量两个因素带入熵权可拓物元法,并结合地质指标进行分级研究。结果表明岩堆体的抗剪强度随着含水率、填充土含量的增大,先增大后减小,最终趋于平稳,过高或过低的含水率和填充土都会“弱化”岩堆体的抗剪强度。根据岩堆体的特点,选取岩石单轴饱和抗压强度、节理裂隙密度、岩体完整性系数、含水率和填充土含量作为分级指标,结合熵权可拓物元法,将所选指标和熵权可拓物元法结合并在工程实例进行验证,分级结果比原方法准确性更好,证明研究提出的围岩分级方法是合理可行的。研究结果能够为岩堆体隧道的围岩分级提供指导,为施工设计和支护方式提供依据。

裂隙面起伏形态对注浆固结体剪切力学特性的影响

为研究裂隙面起伏形态对裂隙岩体注浆加固后剪切力学特性的影响,首先,通过3D打印技术生成不同起伏形态的裂隙模型,并采用类岩石材料浇筑成型,然后,对裂隙岩体进行注浆加固,最后,对含不同类型裂隙的注浆固结体进行常法向荷载直剪试验。结果表明:锯齿形固结体的剪切强度最大,波浪形次之,平直形最小;随着法向荷载的增加,平直形固结体的剪切强度增幅最大,波浪形次之,锯齿形最小。剪切过程中,平直形固结体仅发生沿浆-岩界面的剪切破坏;波浪形固结体的浆-岩界面在加载初期发生剪切破坏,随着浆脉与岩壁的啮合程度降低,剪切破坏面逐渐向浆脉和岩体的内部发展,而锯齿形固结体的剪切破坏面出现在浆脉和岩石内部。

浆砌片石挡墙的水泥浆性能和注浆加固试验研究

注浆后的浆砌片石挡墙在受到墙身剪切破坏时,内部主要为块石间水泥浆破坏。为了更好地给注浆方法提供依据以及为挡墙稳定性分析和加固材料的确定提供参数,开展粘度试验和直剪试验,并基于试验结果和库仑理论获得界面的抗剪强度指标,再结合砌石体强度规范要求和流动性要求,明确合理的掺砂率。试验结果表明,粘度随着掺砂率和水灰比的增加而增大,在抗剪强度指标中,粘聚力整体上随着掺砂率和水灰比的增加而增大,且内摩擦角基本不变。由此结合水泥浆流动性能和直剪试验结果,得出最佳配合比;然后再通过挡墙模型试验,证明其方法的可行性以及在极限承载力荷载下挡墙的受力极限和破坏形态,该结果可为实际工程提供参考依据。

粮食温控直剪仪改造及其在大豆力学特性研究性试验中的应用

为获得温度影响下的粮食力学参数,为粮仓相关设计提供参考,对现有粮食静动直剪仪进行改进,增设了保温剪切盒及智能温控系统,并利用该设备在大豆含水率8.99%~15.12%、孔隙率36%、温度25~45℃、竖向应力50~200 kPa、剪切速率2.4 mm/min、剪切位移幅值20 mm条件下开展了一系列大豆籽粒群的温控单调剪切试验,测定不同温度条件下大豆籽粒群的抗剪强度及体积剪切变形参数。结果表明:大豆籽粒群内摩擦角范围为37.1°~44.6°,咬合应力范围为9.6~21.2 kPa;温度升高会显著降低大豆籽粒群的剪胀性,亦会改变大豆籽粒群的强度特性。改进后的粮食温控直剪仪温度控制稳定,试验结果满足测试需求,可为研究性试验开展、科技创新和工程应用等提供有力的支撑。

基于三维裂隙网络的岩体剪切特性尺寸效应分析

为研究复杂裂隙岩体剪切特性的尺寸效应,以西藏怒江松塔水电站PDC3平硐为例,在现场采集裂隙信息的基础上,基于颗粒流PFC3D软件通过统计学方法及蒙特卡洛原理生成三维裂隙网络,构建等效岩体,进行大尺度直剪模拟试验得到裂隙岩体的抗剪强度、内摩擦系数及内聚力,分别研究其尺寸效应并确定不同参数下的REV尺寸,继而对相关参数和试样尺寸分别进行非线性回归拟合,探究其函数关系。结果表明:抗剪强度、内聚力及内摩擦系数随着试样尺寸的变化而趋于稳定,且不同参数得到的REV大小不同;综合分析不同参数的REV尺寸,得出研究区裂隙岩体的剪切特性REV尺寸为11 m×11 m×11 m;通过函数关系拟合,抗剪强度、内聚力和内摩擦系数与试样尺寸之间均存在指数函数关系。该成果为研究复杂裂隙岩体的力学REV以及合理确定力学参数提供了依据。

重塑黄土直剪试验误差分析及对边坡可靠性影响评价

为通过室内快剪试验误差来源分析强度参数的随机特性,比较了击实法和压样法对抗剪强度离散性的影响,并在两种制样方式的基础上,进行再现性试验,通过对抗剪强度及正应力修正,采用Grubbs准则检验可疑值,求得了能反映强度参数随机特性的概率分布,并使用K-L级数展开法离散强度参数正态随机场,分析了两种制样方式对边坡可靠性的影响.研究表明:压样法制样比击实法获得数据离散性更小,使用再现性法能够体现强度参数的随机特性;两种制样方法在边坡稳定性分析时安全系数接近,由于击实法统计数据的离散性更大,可靠性分析时比压样法产生更大的失效概率.

岩性特征对混凝土坝体-基岩原位直剪试验力学特性影响分析

以广西巴马县坡月水库工程为研究对象,采用平推法开展不同法向应力(0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 MPa)下混凝土坝体-基岩原位直剪试验,探究岩性特征对混凝土坝体-基岩力学特性的影响。结果表明,不同法向应力下试样的剪切应力-位移曲线均表现出试样内部初始缺陷受力微裂纹扩展的稳定扩展阶段、微裂缝逐渐扩展形成宏观裂缝的不稳定扩展阶段及混凝土与岩体分离的开裂阶段3个阶段;法向应力、岩体岩性对试样的断裂能均有显著影响。不同法向应力下,试样断裂能的范围为16.65~177.28 N/m,断裂能随着法向应力或灰色砂岩含量增大而增大,随泥质粉砂岩含量或风化程度增大而减小;混凝土坝体-基岩的抗剪强度随基岩中灰色砂岩含量增大而增大,随泥质粉砂岩含量或基岩风化程度增大而减小。研究结果可为类似研究提供试验参考。

新旧混凝土界面双面直剪性能尺寸效应试验研究

以界面处理方式、横向约束形式、混凝土强度、界面尺寸为变量,开展了8组50个新旧混凝土界面试件双面直剪试验研究,得到界面受剪破坏形态和抗剪强度-滑移曲线,分析界面抗剪强度的尺寸效应规律,拟合得到新旧混凝土双面直剪试件极限应力尺寸效应的换算系数,建立受剪承载力计算表达式。结果表明:在剪力作用方向上,新旧混凝土界面受剪极限应力存在明显的随界面高度增加而降低的尺寸效应现象;开裂应力、裂通应力以及滑移的尺寸效应不明显;施加横向约束可提升界面裂通应力和极限应力;施加预压应力可显著提升试件的裂通应力,并有效限制试件的极限滑移。无横向约束条件下,凿毛形式对极限应力影响显著,相比整浇混凝土试件,机械凿毛的同强度新旧混凝土双面直剪极限应力减少至整浇试件的0.22以下,而人工凿毛试件的折减系数在0.34~0.37之间。有横向约束条件下,同凿毛粗糙界面相比,规则齿槽试件的开裂应力、裂通应力以及滑移表现优势突出;约束下强度折减系数提高到无约束同等条件试件的2~2.5倍以上,最大可达到整浇试件强度的0.97倍。新旧混凝土强度提高可增加试件裂通应力和极限应力,但提升幅度有限。

提升杂环芳纶复合性能的研究进展

杂环芳纶是指主链中含有芳杂环(通常为苯并咪唑)的一类对位芳纶,其具有轻质、高强高模、高耐热、耐溶剂等优异性能。相比典型的芳纶Ⅱ纤维,杂环芳纶具有更加优异的力学性能,目前在我国的航空航天和防弹防护等领域得到了实际的应用。然而,与其他有机纤维类似,杂环芳纶由于表面惰性,其与树脂的复合性能相对较低,限制了其在先进复合材料领域的应用。本文从杂环芳纶表面改性和结构设计两方面出发,总结近年来提高杂环芳纶复合性能的设计思路、技术手段和研究成果,展望其在先进复合材料应用领域的发展趋势,为有机纤维的界面设计及改善界面粘接性提供帮助和参考。

养护龄期和固化剂浓度对稀土矿山堆场土体固化效果的影响

为了探究复合土壤固化剂浓度和养护龄期对废弃稀土矿山堆场土体固化效果的影响,通过21组直剪实验,定量分析固化剂浓度(αw=2%、3%、4%、5%、6%)和养护龄期(t=3、7、14、28 d)对重塑土样抗剪强度以及剪切应力的影响规律。结果表明,随着固化剂浓度增大和养护龄期延长,土体黏聚力和内摩擦角均明显增大。当竖向压力为100 kPa、固化剂浓度为2%、3%、4%、5%、6%时,土样对应的峰值剪切应力分别为97.69、122.46、139.46、186.49、220.97 kPa。当固化剂浓度为6%、养护龄期为3、7、14、28 d时,土体的剪切应力峰值分别为158.24、189.29、210.61、220.97 kPa。当固化剂浓度为2%时,土样在剪切过程中剪切应力随着剪切位移增加而增大;当固化剂浓度为6%时,土样的剪切应力随剪切位移增加呈先增大再减小最后保持稳定的趋势。