3D打印弯曲根系拉拔力学特性试验研究

天然根系具有不同弯曲形态,对根土相互作用特性影响极大。以往研究多将根系视为顺直,未充分考虑弯曲根系拉拔受力变形特征、破坏模式。利用3D打印技术制作弯曲根系,开展3种根径(2.0,3.5,5.0 mm)、5种弯曲度(1.00,1.05,1.10,1.15,1.20)的根系拉伸、拉拔试验,探索弯曲根系的拉拔力学特性。结果表明:根系拉伸特性受到弯曲结构和自身材料性质共同影响,根系最大拉伸力、拉伸变形刚度随弯曲度增加而减小,随直径增加而增大;根系峰值拉拔力随弯曲度增加呈先增大后减小,弯曲度1.15时最大,峰值拉拔位移呈类似变化趋势;弯曲根系齿肋挤压土体形成啮合作用,有助于增强根土相互作用;弯曲细根系的拉伸力和拉伸刚度低,更容易与土体协同变形承担拉拔荷载。弯曲根系受力变形与直根系差异极大,研究结果可为弯曲形态根系固土评价提供理论参考。

加筋土结构筋-土界面特性和筋材位移变化规律试验研究

基于拉拔试验研究加筋土结构筋-土界面正应力、填土压实度与含水率、拉拔速率等对筋-土相互作用特性和筋材位移变化的影响,分析筋材位移的演变规律。研究结果表明:土中筋材各点位移均不同程度滞后于加载端位移,且随与加载端的距离增加而增加,筋材位移呈非线性递减趋势;增加界面正应力、压实度或含水率,相同拉拔力下同一位置处筋材位移呈减小趋势,且距加载端越远,筋材位移受影响越小;筋材拉拔以整体拔出和拉断破坏模式为主,筋材拔出破坏时拉拔力峰值与加载端位移呈近似线性关系,且格栅拉拔力峰值与界面正应力、压实度、含水率或拉拔速率呈正相关关系;增加压实度或含水率,筋-土界面相互作用增强,筋-土界面摩擦角略有增加,但筋-土界面似黏聚力增加明显,且接近填土最佳含水率时界面似黏聚力较大。拉拔特性试验表明,加筋土工程中应严格控制填土含水率,适当的筋-土界面变形有利于发挥筋材作用。

不同围岩刚度条件下锚杆的锚固性能与失效机制研究

为探究不同围岩刚度条件下锚杆的锚固性能和失效机制,采用不同规格套筒模拟硬岩、中硬岩和软岩刚度环境,开展了不同围岩刚度条件下锚杆拉拔测试,借助声发射(AE)、应变仪和数字图像相关技术(DIC)进行同步监测,分析了围岩刚度对锚杆的锚固强度、刚度和锚固失效模式的影响规律,揭示了拉拔过程中锚固界面声发射和剪应力分布特征以及套筒周向和轴向应变演化规律。结果表明:随着围岩刚度降低,锚杆的锚固强度和刚度逐渐减小,低围岩刚度下锚杆锚固强度和刚度仅为高围岩刚度条件下的65%和44%,在高刚度和中等刚度围岩条件下,锚固失效模式主要表现为锚杆-锚固剂界面滑移失效;而在低刚度围岩条件下,则主要表现为锚固剂-围岩界面滑移失效。拉拔荷载作用下,试样经历弹性、峰前屈服、峰后软化以及摩擦滑移4个阶段,围岩刚度越低,峰前屈服阶段越明显。锚固界面脱粘始于峰值剪应力附近,位于锚杆中部偏下位置,且围岩刚度越小初始脱粘位置离锚杆中部越近。随着拉拔位移的增大,套筒周向应变呈先增大再减小最后趋于平缓的趋势。套筒轴向应变呈现为下部受压上部受拉,峰值应变位于套筒两端,上部受拉区域随拉拔位移的增大逐渐向下延伸,且轴向应变量随围岩刚度降低而增大。研究结果可为不同围岩刚度条件下锚杆的支护设计提供参考。

中空GFRP筋土钉抗拔性能研究

中空GFRP筋土钉是一种空心厚壁土钉,具有质量轻、易切割、耐腐蚀等优点。目前,对中空GFRP筋土钉的研究相对较少,对其抗拔性能和抗拔机理尚不清楚。依托北京地铁12号线北岗子站基坑工程,对中空GFRP筋土钉进行了现场抗拔试验,并采用FLAC3D数值模拟探究了不同拉拔力下中空GFRP筋土钉应力和位移沿钉长的分布规律,分析了不同内径和长度对应力分布和抗拔力的影响,对中空GFRP筋土钉的抗拔机理进行了分析。研究结果表明,拉拔过程中土钉的位移和轴力沿钉长呈指数衰减,剪应力在距钉头1.5 m处达到峰值,在距离钉头3.5 m处降至零;增大内径使土钉轴力沿钉长衰减更快,同时可提高其抗拔承载力,建议外径为32 mm的中空GFRP土钉内径取为15 mm;增加土钉长度不仅可以在一定范围内提高其抗拔力,还可使土钉轴力分布更均匀;中空GFRP筋土钉的破坏过程可分为弹性、塑性和破坏三个阶段,其破坏形式表现为拔出。

拉拔过程中全长灌浆锚固系统能量演化规律

锚固系统的拔出破坏实质上是能量驱动的失稳破坏,能量演化规律能充分反映锚固系统的承载性状和失效破坏过程。为了揭示循环荷载作用下全长灌浆锚固系统变形破坏过程中的能量转化机制及损伤劣化过程,文章基于热力学第一定律,给出了锚固系统在拉拔过程中的输入能、弹性能、耗散能、阻尼能以及损伤能等能量计算公式,并结合某项目全长灌浆锚索的现场拉拔试验,系统地研究了拉拔过程中全长灌浆锚固系统内部的能量演化规律。研究结果表明:1)随着循环次数和拉拔荷载的增加,输入能、弹性能、阻尼能以及损伤能均在逐渐增加,当拉拔荷载接近于极限抗拔力时,损伤能会呈现出急速增加的现象;2)在拉拔过程中,弹性能的变化幅度较小,其占比始终维持在50%左右;3)阻尼能和损伤能的演化是一个“此消彼长”的过程,阻尼能的占比曲线呈倒“U”型,其占比总体来说维持在20%以下,而损伤能的占比曲线大体呈“U”型,且其随着荷载比的变化幅度相对较为明显;4)全长灌浆锚固系统在拉拔过程中会产生较大的塑性损伤能,该过程实际上是不断损伤、刚度逐渐劣化的过程。本文成果对全长灌浆锚固系统的设计、施工、检验及监测预警具有一定借鉴意义。

基于PFC的全长灌浆锚固系统渐进失效过程模拟

随着岩土锚固技术的飞速发展,锚固系统的变形破坏机理仍是当前的热点问题。鉴于PFC软件在模拟岩土体裂隙发育、扩展、失稳等非连续现象方面具有较明显的优越性,文章基于PFC5.0软件建立了全长灌浆锚固系统颗粒流计算分析模型,并根据室内试验和现场拉拔试验结果对模型细观参数进行了标定,从位移场演化规律、应力场演化规律、裂隙扩展规律、组构变化规律以及能量变化等5个方面,系统地总结了全长灌浆锚固系统在拉拔荷载作用下的渐进失效特征。研究表明:PFC能够很好地应用于全长灌浆锚固系统等离散介质的模拟分析中,锚固系统内的位移场、应力场、裂隙、组构及能量等的变化规律均能反映其承载性能状况。

承插式混凝土管道接头力学特性研究

为了系统性研究承插式混凝土管道接头的力学性能,使用原型试验和数值模拟的方法对CDN400、CDN500、CDN6003种管径的混凝土管道进行了轴向拉拔和弯曲试验,得到了承插式混凝土管道接头的轴向拉力-位移曲线和弯矩-转角曲线;在此基础上分析了管径大小、接头类型以及管道安装间隙对管道接头力学性能的影响。试验结果表明,管径的大小对管道的极限拉力、破坏前的极限弯矩和相对转角影响较大,而对管道轴向相对位移影响不大,3种管径的极限相对位移均接近33 mm。不同类型的承插接口,管道接头的力学性质差异较大;增大管道接头的安装间隙可以明显提高管道的弯曲能力,对管道轴向极限拉力影响较小但会减小管道的轴向相对位移,安装间隙增大5 mm,轴向相对位移减少约5 mm;通过试验数据得出了管道极限转角-安装间隙曲线,并拟合出了其幂函数关系式。

全长灌浆锚固系统在不同加载历程下的抗拔性能响应特征分析

依托“深坪锚索综合试验项目”的23根全长灌浆锚索的49次拉拔试验数据及结果,对试验锚索在不同拉拔试验方法下的试验结果进行横向和纵向对比分析,探讨了锚固长度、蠕变率以及加载历程参数与全长灌浆锚固系统抗拔性能间的关系,分析了拉拔过程中抗拔刚度的变化规律,并基于锚固界面剪切刚度不断劣化的推论,对全长灌浆锚固系统的循环加、卸载过程进行了模拟。结果表明,锚固系统的抗拔性能主要受拔出力和锚头位移两个指标控制,一味地增加锚固长度并不能有效地增加其抗拔性能;按蠕变率大于2.0mm的蠕变稳定指标来判定锚固系统是否达到破坏状态是更为稳妥和有效的方法;随着试验次数、试验总用时、所经历循环次数的增加,锚固系统在较低的荷载水平下抗拔性能会相应的提高,而在较高的荷载水平下其抗拔性能却在降低;全长灌浆锚固系统在拔出过程中会产生较大的塑性损伤,其抗拔刚度会逐渐劣化;在循环拉拔荷载作用下的锚固系统的模拟计算中,采用不断劣化的锚固界面剪切刚度进行计算,能够较好的刻画出循环加、卸载过程及塑性滑移过程。

软土地层扩体锚索极限抗拔承载力特性及其改进措施研究

为解决软弱土层中预应力锚索抗拔承载力不足的问题,依托实际工程,通过现场拉拔试验,对比分析扩体锚索和普通锚索的极限抗拔承载力,并研究影响扩体锚索抗拔力的因素,提出相应改进措施,为同类工程提供理论依据与改进思路。结果表明:扩体锚索相比普通锚索的极限抗拔承载力可提高20%~40%,在软土地层具有更好的适用性;提出的改进措施可有效控制软弱土层中锚索抗拔力不足的各种因素,使扩体锚索的极限抗拔承载力提高40%以上;工程应用数据证明,扩体锚索能有效控制基坑位移,具有较好的工程应用效果。

螺旋桩室内模型试验设计及结果分析

曲线螺旋桩是一种施工速度快、环境污染低、成桩质量高的新型抗拔桩,在公路、建筑等各类地基工程中应用广泛。具有增大桩土间接触面、提高桩侧摩阻力、增强桩身抗拔承载力的作用。为进一步了解螺旋桩的抗拔承载机理,该文采取室内模型试验方法,对不同螺旋宽度及厚度的曲线螺旋桩展开模拟试验,分别监测不同抗拔荷载作用下各组模型的上拔位移量、桩身轴力、侧摩阻力及桩周土压力变化,进而分析出上拔荷载作用下螺旋宽度、螺旋厚度对桩身承载力发挥机理所产生的影响,总结出螺旋宽度是抗拔承载机理主要影响因素的结论,旨在为地基工程中曲线螺旋桩的科学应用提供参考。

玻璃纤维筋抗浮锚杆在某工程中的抗拔试验研究与应用

抗浮锚杆是建筑工程地下结构抗浮措施的一种,在地下工程中广泛应用,常用杆体材料为钢筋,但玻璃纤维筋(GFRP)抗浮锚杆的研究与应用较少。通过在某工程的应用,并对玻璃纤维筋与传统材料抗浮锚杆进行抗拔对比试验,采用极限抗拔试验验证了玻璃纤维筋作为抗浮锚杆的可行性,为玻璃纤维筋(GFRP)在地下工程应用提供设计、施工依据。

长细比对全长灌浆锚固系统抗拔性能的影响分析

随着我国经济的飞速发展,国家对节能减排、低碳环保提出了更高的要求。工程经验表明,长细比对细长受力构件的承载性能有较为明显的影响。本文基于经济、节能的目的,提出了单位体积极限抗拔力和最优长细比等概念,采用PFC软件建立了全长灌浆锚固系统计算分析模型,从锚固长度和锚固宽度两个维度的变化,系统地研究了长细比对全长灌浆锚固系统抗拔性能的影响。研究表明:(1)长细比直接影响着全长灌浆锚固系统的抗拔性能;(2)对于特定条件下的全长灌浆锚固系统来说,存在一个最优长细比,能够达到使用最少的材料来发挥最大承载力的目的;(3)二维模型下有关长细比对全长灌浆锚固系统抗拔性能的影响研究结论,同样适用于三维模型或真实工况下。

冷却方式对钢筋混凝土黏结性能影响的试验研究

论文针对钢筋混凝土的黏结性能进行了试验研究,探究了不同冷却方式对黏结性能的影响。通过对钢筋混凝土试件进行高温试验以模拟火灾对试件黏结性能的退化影响,采用拉拔试验分析不同冷却方式下钢筋混凝土之间的黏结应力、极限滑移变化规律。拉拔试验表明:温度大于400℃时,不同冷却方式的黏结性能折减规律相近;温度小于400℃时喷水冷却对黏结界面的损伤程度更大,自然冷却试件的黏结强度比喷水冷却试件黏结强度大20.5%。

黏性海床中固结桩式沉箱的垂向抗拔能力

随着海洋工程的日益大型化、深水化,巫需发展新型的水下基础建设方法。本文介绍了一种结合了吸力式沉箱与海工固结锚技术的固结桩式沉箱,描述了其结构与工作原理,并在试验室内开展了一系列的垂向上拔试验,观测分析了灌浆量及桩管长度对抗拔力的影响。试验表明,固结材料与桩管底部四周土体结合所形成的次生固结体大大增加了抗剪面积,固结桩式沉箱的抗拔能力较吸力式沉箱有显著提升;沉箱的灌浆量宜取1/20M_(s)(M_(s)为沉箱内能容纳的土体质量);短粗沉箱的最大抗拔力在桩管长度为1.5H(H为沉箱的高度)时出现拐点,细长沉箱的最大抗拔力拐点出现在桩管长度1.5H~2H区间。固结桩式沉箱的抓重比较传统沉箱更高,施工便捷,具有良好的工程应用前景。

深圳地区挤扩支盘桩抗压抗拔同步静载荷试验

针对传统的挤扩支盘桩静荷载试验程序复杂、试验成本高等问题,该文开展挤扩支盘桩抗压抗拔同步静载荷试验,介绍挤扩支盘桩中桩与支、盘的布设方案,给出挤扩支盘桩抗压抗拔同步试验的实施步骤,结合现场静载试验获得抗压抗拔试验的荷载与变形关系,分析挤扩支盘桩在深圳地区的承载力特性,阐明挤扩支盘桩抗压抗拔同步静载荷试验在深圳地区的适用性,对其他地区的挤扩支盘桩静载荷试验具有一定的借鉴意义。

充气锚杆在砂土中的模型试验研究

为探讨充气锚杆的承载特性,通过建立室内试验模型,改变锚杆充气压力大小、埋设深度、土体密度、橡胶膜长度、厚度等条件,进行了一系列的抗拔试验,得到相应的荷载-位移曲线。研究结果表明:在影响充气锚杆抗拔承载力的诸多因素中,充气压力及土体密实度与承载力成一定倍数增长关系,是最显著的影响因素;其次是橡胶膜长度,成显著线性增长关系;充气锚杆的极限位移主要来自橡胶膜的弹塑性变形,反映了充气锚杆在抗拔过程中橡胶膜的力学行为;通过与常用锚杆的对比分析,得出充气锚杆的极限抗拔承载能力约是单锚片螺旋锚的4.3倍,是双锚片螺旋锚的1.9倍,其极限侧阻力约为一般注浆扩大头锚杆的2～4倍。

土工格栅界面摩擦特性试验研究

土工格栅与土的界面作用特性直接影响着加筋土挡墙的安全与稳定性。因此,土工格栅与填料的界面技术指标在加筋土挡墙的设计中至关重要。本文在从试验方法、加载方式、试验箱侧壁边界效应和尺寸效应、填料厚度、压实度以及筋材夹持状况等几方面分析土工格栅界面摩擦特性影响因素基础上,进行了土工格栅在砂砾料和粘性土中的拉拔试验和直剪试验。试验结果表明:土工格栅与砂砾料接触面抗剪强度较高,而与粘土接触面抗剪强度很低;对于加筋土挡墙拉拔力较大的层位,应选用刚度大的土工格栅和砂砾料为填料。直剪摩擦试验不适合确定土工格栅接触面的抗剪强度。该试验结果对土工格栅加筋土挡土墙的设计具有重要的参考价值。

充气锚杆在软土中的力学特性试验研究

充气锚杆是一种新型扩大头锚杆,模型试验有利于了解充气锚杆的变形与承载特性。根据充气压力与膨胀体积关系,分别采用清水与水泥浆作为膨胀介质,分析橡胶膜膨胀体在软土中的变形特性,得到充气锚杆膨胀体近似呈圆柱状。在此基础上通过改变膨胀体径向应变的大小进行一系列抗拔试验,得出充气锚杆极限承载力随膨胀体径向应变的增加而增大,但极限位移也增大。针对充气锚杆单以橡胶膜承担荷载时橡胶膜抗拉强度较小及位移过大的不足,分别设计钢丝加强及灌浆固结两种改进方法,并进行了抗拔试验对比分析,研究结果表明:钢丝加强型充气锚杆将承担在橡胶膜上的荷载转移到钢丝上,提高了充气锚杆极限承载力;灌浆固结型充气锚杆结合了充气锚杆与普通注浆锚杆的优点,显著减小了极限位移。该两种改进方法为充气锚杆的实际应用作了有益的探讨。

聚丙烯纤维与水泥砂浆粘结性能试验

提出了利用聚丙烯纤维拔出试验,分别测定水灰质量比、纤维埋入长度、纤维埋入角度和水泥砂浆龄期不同的情况下纤维拔出力-拔出位移曲线,利用扫描电镜对纤维砂浆试件断面形貌进行了分析,研究了纤维与水泥砂浆的粘结性能.研究结果表明:聚丙烯纤维-水泥砂浆具有较好的粘结性,聚丙烯纤维粘结破坏形式为拔出破坏,因此聚丙烯纤维具有较好的耗能阻裂作用;水灰质量比、纤维埋入长度、纤维埋入角度、水泥砂浆龄期直接影响着聚丙烯纤维-水泥砂浆的粘结强度,其中水灰质量比因素影响最大;当水灰质量比小于0.5时,聚丙烯纤维-水泥砂浆粘结强度和粘结功都随着水灰质量比的减小而增大,随着纤维埋入长度和纤维埋入角度的增大而增大.

基于单根纤维拉拔试验的波形纤维加筋土界面强度研究

纤维/土界面间的力学作用特性是决定纤维加筋土工程性质的关键因素。为了改善纤维/土界面作用力,开发了一种新型的波形纤维作为加筋材料,并自主设计了一套拉拔试验装置,对单根纤维加筋土开展了多组拉拔试验,定量获得了波形纤维加筋土的拉拔特性及界面剪切强度,通过与传统直线形纤维对比,分析了波形纤维/土界面的力学作用机理,并从理论上探讨了波形纤维的最大临界加筋长度。结果表明:提出的单根纤维拉拔试验方法及设计的试验装置为研究纤维/土界面力学作用提供了有效的途径,试验结果具有较好的可重复性;直线形纤维的拉拔曲线呈典型的单峰特征,拉力达到峰值后迅速减小到残余值并逐渐趋于稳定,而波形纤维的拉拔曲线呈显著的多峰特征,曲线波长与纤维的波长基本一致;通过对比,波形纤维/土界面剪切强度明显高于直线形纤维,强度值提高了178%,极大改善了纤维的加筋效果,此外,波形纤维拉拔曲线各峰值对应的界面剪切强度及残余剪切强度随拉拔位移呈指数递减趋势;利用测得的纤维/土界面剪切强度,结合纤维自身的抗拉强度和一些假设条件,能确定纤维的最大临界加筋长度,对实际工程设计有一定参考意义。