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。

Application of in situ direct shear device to shear strength measurement of rockfill materials

A simplified in situ direct shear test （DST） was developed for measuring the shear strength of soils in fields. In this test, a latticed sheafing frame replaces the upper half of the shear box used in the conventional direct shear box test. The latticed shearing frame is directly embedded in the ground to be tested after a construction process and is pulled with a flexible chain while a constant dead load is applied to the sample in the sheafing frame. This simplified in situ DST has been validated by comparing its results with those of triaxial tests on samples with parallel gradations under normal stresses less than 100 kPa. In this study, the DST was further validated by carrying out tests on samples with the same gradations, rather than on samples with parallel gradations, under normal stresses up to 880 kPa. In addition, the DST was performed inside fills in two applications.

现浇混凝土-冻土接触面冻结强度直剪试验研究

关于混凝土-冻土接触面的力学强度研究多集中于预制成型混凝土样(块)与冻土接触面的力学试验研究,而与工程实际更为接近的冻土中现浇混凝土、冻结稳定后混凝土-冻土接触面的力学强度研究则少有涉及。基于冻土中现浇混凝土的试验方式,开展了不同水灰比、含冰量及冻土温度条件下,混凝土-冻土复杂接触面冻结强度的直剪试验研究。结果表明:试验条件下,由于混凝土中粗、细骨料导热系数及水化热侵蚀强度不同,冻土中现浇混凝土会导致混凝土-冻土接触面发生起伏变化。受该因素影响,粗糙接触面较光滑接触面的冻结强度增大71.9%。粗糙接触面引起的应力集中,使得剪应力在剪切破坏过程中出现间歇性增大、跳跃。在冻结强度构成中,随接触面粗糙程度的增大,φ值对冻结强度增长的贡献要大于c值。水灰比由0.4增至0.6,混凝土导热系数降低,生成接触面趋于光滑,冻结强度减小;土体含水量由15%增大至30%时,冻结强度增大,含水量继续增大至40%时,冻结强度减小;在不同温度条件下,整体呈现冻土温度降低冻结强度相应增大的趋势。基于上述结果,多年冻土区灌注桩设计时,建议混凝土采用0.4~0.5水灰比。

两种方法测定根-土复合体抗剪强度试验对比研究

为了便捷、有效且减少地表破坏面积地原位测定根—土复合体抗剪强度,采用改制后的十字剪切仪在青海大学校内原生植被生长的试验区,分别进行了三种植被覆盖度和三种含水量条件下根—土复合体原位十字剪切试验和室内直接剪切试验。试验结果显示：当土体含水量相同时,室内直剪试验测得的根—土复合体平均粘聚力为20.39～36.49kPa,原位十字剪切试验测得的根—土复合体抗剪强度为35.92～102.36kPa;当植被覆盖度相同时,室内直剪试验测得的根—土复合体平均粘聚力为32.46～23.32kPa,原位十字剪切试验测得的根—土复合体抗剪强度为109.7～68.12kPa。两种试验结果均表现为：根—土复合体的抗剪强度随植被覆盖度的增大而增大,随含水量的增大而减小。原位十字剪切试验测得的根—土复合体抗剪强度值大于直接剪切试验所测得的剪切强度值,平均增幅达到94.23%。两种试验结果产生差异的主要原因是由于剪切过程中剪切方式、破坏面积、受剪根系的数量及破坏程度不同而造成。其中,原位十字剪切试验是在原位不破坏土体结构和根系分布的基础上,将根—土复合体完全剪破,相对更能准确、直观地反映边坡滑坡过程中的变化规律。

复合土工膜-垫层材料界面摩擦特性试验研究

复合土工膜防渗结构界面摩擦特性对工程的安全稳定性至关重要。为探寻复合土工膜-垫层界面摩擦特性,进行了室内直剪摩擦试验、斜板试验、室内拖板试验及现场原位试验,并统计分析一布一膜、二布一膜与砂浆垫层及砂砾石垫层的界面摩擦性能。结果表明:对于不同垫层材料,砂砾石垫层界面摩擦特性较优,比砂浆界面的摩擦角和凝聚力分别大5.0°和4.2 kPa;对不同类型的复合土工膜,二布一膜比一布一膜的界面摩擦角和凝聚力分别大3.4°和1.2 kPa;在不同试验中,直剪摩擦试验与斜板试验结果相近,与拖板试验相比摩擦角偏小约30%,凝聚力偏低约4~6 kPa;拖板试验结果与原位试验相近。因此,在防渗结构的设计中,垫层宜采用散粒体材料,复合土工膜宜选用二布一膜,并以拖板试验结果进行评定。

北京东部地区非饱和粉砂层原位直剪试验成果分析

对北京东部地区典型非饱和粉砂层进行原位直接剪切试验,采用最小二乘法拟合得到黏聚力和内摩擦角指标,其内摩擦角指标相比于传统地区经验值和室内直接快剪试验值分别提高了11.11%~24.4%、3.01%~17.40%;室内直接快剪试验测得粉砂层的黏聚力为4.8~7.5 kPa,而原位直剪试验测得该值最高达9.5 kPa。研究成果为该地区非饱和砂土层的剪切指标参数优化提供了试验支撑,节约了基坑支护造价,为实现工程建设全过程绿色建造提供了可能。

镶嵌-碎裂结构建基接触面抗剪强度试验研究

金沙江某水电站第23、24坝段,在开挖至建基面时,仍存在一定深度、一定范围质量较差的Ⅲ-Ⅳ类镶嵌-碎裂结构岩体,由于此类岩体影响着大坝的抗滑稳定性,因此,在现场通过原位大剪试验,对原位镶嵌-碎裂结构岩体与混凝土接触面抗剪(断)强度进行了试验,并运用优定斜率法确定了接触面的抗剪(断)强度的标准值。试验表明:镶嵌-碎裂结构岩体在原位状态下仍具有一定的力学性能;原位镶嵌-碎裂结构岩体与混凝土接触面具有较高的凝聚力C和摩擦阻力f,且都达到了Ⅲ类岩体的标准;接触面的抗剪断强度仍然是大坝抗滑稳定的控制边界。

强风化云母石英片岩原位直剪试验研究

强风化片岩难以采取原状试样开展室内试验获取岩体力学强度参数,原位直剪试验是获取强风化片岩抗剪强度参数的可靠途径。原位直剪试验研究表明,强风化片岩整体呈弹塑性破坏特征,在抗剪断强度达到峰值后,剪切位移急剧增大,剪应力未出现陡降,即残余强度效应不明显。同时,强风化片岩抗剪断内摩擦角呈显著的各向异性,随预设剪切面与层理面夹角的增大而增大,当夹角为零即沿层理面剪切时内摩擦角值最小;强风化片岩的黏聚力与剪切方向相关性不明显,主要受岩体内石英、云母等矿物成分含量的高低影响。基于原位直剪试验成果,开展强风化片岩高边坡防护工程优化设计的成功实践表明,加大勘察成本投入,通过原位试验获取可靠的抗剪强度参数,可保证高边坡支护设计方案的安全性和经济性。

名山组泥岩顺层边坡原位直剪试验及开挖模拟

为研究川西名山组泥岩顺层边坡在坡脚开挖后的卸荷特征,通过原位直剪试验获取了名山组泥岩的岩体破坏及强度特征,并进一步采用有限元模拟分析了坡脚开挖后顺层边坡的卸荷松动特征。结果表明:名山组泥岩的剪切破坏可分为弹性受荷阶段、裂缝发展阶段和剪切面贯通后阶段;岩体结构面强度显著低于岩石,且强度曲线特征受上覆荷载影响较大;岩石的应变软化特征较结构面更为显著,剪切面贯通后强度急剧衰减,且降幅远高于结构面;坡脚开挖卸荷后,顺层边坡的卸荷松动区主要分布于基覆界面、风化界面和临空面附近的岩层层面处,卸荷深度与切层厚度线性正相关;设计采用的边坡防护方案能有效控制位移及应力,桩前土体开挖时需注意信息化施工。

岩体原位直剪试验声发射特征及破坏机理研究

声发射技术目前主要应用于小尺度岩石(≤10 cm)的破坏特征研究,但对大尺度岩石(≥70 cm)的破坏特征研究较少,大尺度岩石更接近工程实际,更能反映工程岩体的宏观特征。为探究大尺度岩石(≥70 cm)的裂隙分布、破坏过程和破裂机制的演化规律,在对软弱碳质黑云母片岩进行原位直剪试验时声监测声发射参数,并采用声发射参数分析、声发射波形分析、时频分析技术对声发射信号解析。分析发现:岩体的剪切破坏过程可分为3个阶段:(1)裂纹萌生(弹性变形)阶段,岩体中不存在或存在非常微弱的声发射事件。(2)裂纹扩展阶段,在岩体中观察到少量微裂纹并不断扩展,声发射事件累积,但总体数量较少。(3)破坏阶段,声发射事件显著增加,微裂纹继续扩展和贯通,直至形成宏观断裂。同时将基于振幅的统计指标b和基于r值的统计指标变异系数CV(r)值对比分析,表明CV(r)可以作为岩石断裂破坏强度的判据。本文研究结论如下:岩体受剪切荷载处首先出现声发射事件,随剪切荷载的增大新增的声发射事件逐渐前移,表明微破裂首先围绕在直剪试验岩体的受力部位附近。在岩体破坏阶段,微裂隙集中在局部区域,岩体产生应力集中现象。岩体声发射试验与直剪试验结合可应用于监测及预报工程岩体结构面动力剪切破坏行为特征,预测岩石破裂前兆并可作为现场直剪试验结果的相互验证的有利手段。

层间错动带水力耦合抗剪强度特性演化规律研究

层间错动带具有延伸规模大、物理力学性质较差等特点。水库蓄水后,水位抬升使层间错动带受到较大的水压力。在高水压力作用下,层间错动带的抗剪强度及其演化规律,尚待开展试验研究。采用新研发的HMSS-300型现场结构面水力耦合直剪试验系统,针对溪洛渡水电站的层间错动带进行了不同水压力-应力耦合作用下的直剪试验,探讨了层间错动带水力耦合作用下的抗剪强度特征及其变化规律。研究结果表明:水力耦合作用下,层间错动带抗剪断过程的剪应力-剪切位移曲线具有明显的峰值,法向位移随剪切位移的增加大多表现出先剪胀后剪缩的特征。层间错动带的有效内摩擦角随水压力的升高而降低,二者呈负指数关系;有效黏聚力也随水压力的升高而降低,二者同样呈负指数关系。在0~2.0MPa水压力条件下,层间错动带有效内摩擦角劣化程度为7%~22%,有效黏聚力的劣化程度为32%~93%,表明水压力的增加对层间错动带的有效黏聚力影响更加明显。在不同法向荷载-水压力耦合作用下层间错动带呈现出剪切滑移破坏模式与中、细角砾岩颗粒的剪断-滑移混合破坏模式。在水力耦合条件下,黏土矿物的软化、膨胀与水侵入层间错动的颗粒之间以及黏土矿物的结构单位层之间形成水分子层是导致层间错动带抗剪强度劣化的主要因素。

桥基岸坡土体剪切强度特性试验研究

为研究对某桥基岸坡稳定性起重要影响的粉质黏土的剪切强度特性和力学参数,对原状土进行了不同含水状态下的大型原位直剪试验。试验结果表明:原状土的变形破坏模式呈蠕塑性破坏。饱和和天然状态下原状土的抗剪断峰值强度参数分别为φ=17.1°,c=22.1 kPa和φ=20.6°,c=29.3 kPa;饱和状态下土的剪切强度参数比天然状态下降低20%左右;试验结果为该桥基岸坡稳定性分析计算提供取值依据。

基于微风化安山岩岩体抗剪切性能研究

岩体抗剪强度参数是分析抽水蓄能电站坝基安全和稳定的关键参数之一,其参数的确定是岩土工程勘察的重点。本文以垣曲抽水蓄能电站微风化安山岩为研究对象,在坝体平洞内开展岩体原位直剪试验,得到相应岩性的抗剪强度参数建议值。试验表明,各组剪切破坏规律性较好,试验成果可为后续坝基稳定性分析提供计算参数,为类似工程建设提供参考。

混凝土板与水泥土搅拌桩的抗滑试验研究

为了测定水闸混凝土底板与水泥土搅拌桩体之间的抗剪强度,设计了现场大型原位直接剪切试验方法,用以模拟工程实际。通过对4个加固处理后的水泥土搅拌桩体施加不同的垂直应力,变形达到相对稳定后进行水平剪切试验。针对不同垂直应力下的抗剪强度结果,采用最小二乘法,求解得到抗剪强度参数凝聚力为21.2 kPa,内摩擦角为26.7°。现场试验结果表明,在设计荷载作用下的综合摩擦系数达到设计要求,水泥土搅拌桩具有较好的抵抗闸室底板滑动破坏的特性。

原位直剪试验在抽水蓄能电站重力坝设计中的应用研究

岩体抗剪强度是大坝设计最基本的参数。笔者结合某抽水蓄能电站下水库碾压混凝土重力坝设计中采用的抗剪强度获取,详细介绍坝基混凝土与岩体接触面抗剪(断)试验方法和流程,总结出试验中的注意事项。结果表明,只要试验操作规范,尽量减少人为因素造成的数据不可靠情况,就可获得更加准确可靠的岩体抗剪强度,为抽水蓄能电站大坝设计稳定分析提供合理的岩体抗剪强度参数,既提高大坝的安全性,也合理控制工程造价。

宜兴抽水蓄能电站上库堆石料的新型现场直剪试验

介绍了一种适用于大颗粒堆石材料的新型现场直剪试验法。该试验法用链条张拉剪切框使试样受剪,克服了剪切框内壁摩擦对剪切面上正应力的影响,从而能精确地测定出试样的抗剪强度。该试验法在日本应用于多个工程,江苏宜兴抽水蓄能电站上库工程中属于国内首次应用,取得了满意的结果。

大型原位直剪试验设备改进研制与应用

大型原位直剪试验的试样尺寸大,对土体扰动小,是获取岩土体强度参数的有效方法。中国科学院武汉岩土力学研究所在参考室内、现场两用大型直剪仪后,又改进研制了一套大型原位剪切设备。与传统原位直剪设备不同,该设备采用上、下两个刚性剪切盒,可完成尺寸为50 cm×50 cm×41 cm,最大粒径为5 cm的原位土体试样的剪切试验。该直剪设备组装方便,采用高精度传感器可自动采集数据,更适合于复杂的现场试验环境。介绍了该设备的结构组成、工作原理、技术优点。结合实例详细介绍了大型原位直剪试验的试验方法及注意事项。将此大型原位直剪设备应用于向家坝库区两个滑坡现场试验,得到了滑坡滑带、滑体的原位抗剪强度参数,分析了不同试样大型原位直剪试验剪切曲线的特点,进一步论证了该直剪设备的优良工作性能。

昔格达组黏土岩和粉砂岩现场直剪试验研究

通过昔格达组黏土岩和粉砂岩自然状态与饱水状态下的现场直接剪切试验,获得不同法向应力及含水率下的剪应力-剪切变形曲线,对这几组曲线特征进行对比分析和总结,采用最小二乘法对自然状态与饱水状态下的抗剪强度参数进行求解。最后,从亲水性矿物化学腐蚀反应的角度出发,分析了水对昔格达组黏土岩和粉砂岩的损伤机理。试验结果表明:昔格达组地层的剪切变形过程可大致分为3个阶段。昔格达组黏土岩和粉砂岩的剪切强度随着法向应力的增大而增大,随着含水率的增大而减小;水对黏聚力的弱化程度比内摩擦角更显著,粉砂岩强度参数衰减幅度比黏土岩大。现场直剪试验测得的强度参数大于室内测试结果,边坡稳定性评价中黏聚力和内摩擦角取值应充分考虑现场试验结果,减少设计的保守性。

桩侧注浆抗拔桩离心模型试验与原位测试分析

通过离心机模型试验研究了注浆对接触面特性、抗拔桩荷载-位移曲线及桩侧摩阻力的影响,揭示了注浆提高桩身侧摩阻力发展规律和抗拔承载机制,并进一步将离心机模型试验的结果与原位试验结果进行了对比分析。研究表明,注浆桩侧摩阻力的发挥呈现一个渐进过程,桩身上部极限摩阻力率先发挥,并逐渐向中下部发展;注浆后桩侧极限桩侧摩阻力得到提高,而发挥极限状态所需的桩-土相对位移减小,上拔加载过程中,桩侧上部和下部极限摩阻力增幅较大,中部增幅较小。离心与现场试验一致表明,桩侧注浆显著提高了桩的抗拔刚度及极限承载能力。

虎跳峡工程区松散堆积体原位直剪试验研究

松散堆积体型斜坡在虎跳峡工程区河段两岸普遍发育,研究其剪切强度对于此类库岸斜坡的稳定性评价具有重要意义。作者设计了堆载式加荷直剪试验方法,并经野外大面积现场试验,获得了堆积体直剪时的剪应力-应变关系曲线,对堆积体的剪切强度性质进行了相应的理论分析,同时为工程区堆积体稳定性评价提供了可参考的c、φ值。