密实度对格栅-再生混凝土骨料界面剪切特性的影响

为探究相对密实度、颗粒级配及法向应力等因素对格栅-再生混凝土骨料界面剪切特性的影响,通过大型直剪仪对不同相对密实度的再生混凝土骨料进行单调直剪试验。结果表明:在不同相对密实度、颗粒级配、法向应力影响因素下,界面均呈现出峰值后剪切软化现象;相对密实度对界面剪切特性有显著影响,随着相对密实度的增大,界面抗剪强度、剪切模量、似黏聚力、内摩擦角及整体剪胀量均呈现增大趋势;随着不均匀系数的增大,界面峰值抗剪强度与残余抗剪强度均增大,剪胀现象明显;界面峰值抗剪强度随法向应力的增加近似线性增长,增加幅值、剪胀量随法向应力的增大呈现减小趋势。

颗粒级配和表面纹理对饱和砂-钢界面剪切强度的影响

钢桩和钢制吸力基础广泛应用于海洋工程,土体与基础结构界面力学特性决定着其承载能力。通过饱和砂-钢界面排水剪切试验,揭示了颗粒级配、表面纹理和法向边界条件对界面剪切特性的影响规律。研究表明:由于颗粒剪切方式和孔隙水压力消散方式的不同,常法向应力(CNL)下剪应力-位移曲线出现明显的应变软化现象。变法向应力(VNL)下,界面剪切强度随法向应力的增大不断提高。对于光滑和凸起构造,界面摩擦角随不均匀系数C_(u)的增加基本呈线性增长。对于凹槽构造,界面摩擦角随C_(u)的增加而减小。饱和砂-粗糙度钢板界面剪切效能的发挥受水的影响显著,砂与钢板之间水膜的存在减弱了砂颗粒和钢界面的摩擦,使得界面摩擦性能不能完全发挥。

膨胀土-混凝土界面剪切特性研究及界面系数修正

为对不同含水率下与不同法向应力下的膨胀性土的界面抗剪强度-界面剪切位移曲线进行分析,通过设计室内膨胀土-混凝土界面直剪试验,研究各含水率对膨胀土-混凝土界面各力学性质的影响。结果表明:不同含水率条件下的应力应变曲线均无应变软化现象,基本符合应变硬化模型;含水率的增长,对界面抗剪强度有较为明显的劣化影响,应力应变曲线的峰值也随之愈发滞后;同一含水率的界面抗剪强度与法向应力较好地符合摩尔-库伦强度准则,随着含水率的逐渐增长,界面抗剪强度也呈现递减态势;界面黏聚力先呈增长态势,后呈逐渐减小态势;界面等效剪切模量呈现下降趋势,同时通过微观角度对界面黏聚力和界面内摩擦角引起的界面强度变化规律进行了机理性的分析。界面内摩擦角则随着含水率增加逐渐地呈现反比例函数降低态势,引入界面摩擦系数,进一步细致分析界面摩擦力学性质,同时修正了界面黏聚力和法向应力对界面摩擦带来的较大影响,针对于浅层边坡土体与桩基础的摩擦估算,考虑到法向荷载对于界面摩擦系数影响较为合理。

基于分子动力学方法的石墨烯/聚乙烯复合材料界面剪切力学性能的研究

采用分子动力学模拟的方法进行石墨烯/聚乙烯复合材料界面剪切力学性能的研究。首先建立石墨烯/聚乙烯复合材料分子动力学模拟计算的模型,然后在300 K温度下对石墨烯进行了拉拔模拟实验,探讨石墨烯倾斜角度和层数对复合材料界面剪切力学性能的影响。模拟计算结果表明,在拔出速率为0.001 nm/fs的情况下,石墨烯25°倾斜角模型的界面剪切强度最大,比0°倾斜角模型界面剪切强度增加了39.8%,可见石墨烯倾斜角对界面剪切强度有较大的影响。在拔出速率为0.001 nm/fs和石墨烯0°倾斜角的情况下,单层、双层和三层石墨烯的聚乙烯复合材料模型的界面剪应力最大值分别为89.20、114.21和129.28 MPa,显然增加石墨烯层数能显著提高复合材料的界面剪切性能。当拔出速率为0.0005 nm/fs时,单层、双层和三层石墨烯的聚乙烯复合材料模型的剪切强度值比较接近,随着速率增加到0.001 nm/fs,三层模型剪切强度增强最大,双层模型次之,单层模型最小,然而速率超过0.001 nm/fs之后,单层模型剪切强度几乎线性增强,双层和三层模型剪切强度增强的幅度均比单层模型小,这说明拔出速率的增加使得复合材料的界面剪切强度呈现较大的提高。

基于Kelvin-Helmholtz不稳定性和界面剪切作用的扰动波高预测模型

环雾状流广泛存在于天然气等工业环境中,深入探究扰动波特性对了解环雾状流的演化规律有着重要意义。本文在内径为15mm的垂直管路中进行了不同工况条件下的环雾状流实验,分别利用电导环传感器和液膜收集系统测量了液膜厚度和夹带率,并通过双阈值方法从液膜时序信号中提取了扰动波高数据。探究了扰动波高和夹带率随气、液相流量和工况压力的变化规律,发现两者均随着液相流量的增大而增大,而随着气相流量和工况压力的增大,扰动波高呈下降趋势,夹带率呈上升趋势,验证了两者之间存在密切关联。然后分析了影响扰动波高的尺度参数,建立了基于Kelvin-Helmholtz不稳定性和界面剪切作用的扰动波高预测模型,相对均方根误差rRMSE为4.05%,且98.7%的数据点都在±10.0%的误差以内,预测效果良好。最后,将新模型与现有的扰动波高关系式进行比较,预测精度和可扩展性都有了较大提高。

冻融循环作用对粘钢胶界面剪切性能的影响

通过钢板-混凝土的双面剪切试验,研究了冻融循环作用对粘钢混凝土双面剪切性能的影响规律及破坏特征,并分析了冻融环境下界面承载力和峰值应变的变化。结果表明:钢板-混凝土双面剪切试件在经历0次、15次、25次、40次、50次、75次、100次冻融循环后进行双面剪切试验,试件的破坏均为脆性破坏,主要破坏形式为胶体与钢板剥离、胶体与混凝土剥离两种形式。

粉砂-钢界面剪切特性试验研究

目前已大量开展桩身与砂土、黏土地层剪切作用的相关研究,但对于粉砂层与钢桩的界面特性研究亟待开展。为探究粉砂-钢界面摩擦角的影响及打桩过程对界面摩擦角的影响,通过大型界面环剪仪开展了一系列单向及双向非等幅循环剪切试验,并将试验结果与典型砂-钢界面剪切结果进行了对比。单向试验结果表明:界面摩擦角与初始法向应力呈负相关,但影响不显著,与密实度呈正相关并且影响稍显著,上述影响效果与砂-钢界面剪切试验一致;摩擦角峰值与粉砂中砂粒含量呈负相关,并且影响更为敏感;在考虑打桩路径的非等幅循环剪切试验中,发现双向剪切时界面摩擦角较单向剪切显著增大,并且当正反方向剪切幅值比固定时,改变剪切幅值将对界面摩擦角产生较大影响。本文研究厘清了相关因素对粉砂-钢界面摩擦角的影响特性,可为含粉砂层的桩基施工及设计提供必要参考。

碳化复合桩内外芯界面剪切特性试验研究

为了探究碳化复合桩内外芯界面的剪切特性,采用直剪试验研究不同法向应力条件下碳化黏土-透水混凝土界面的摩擦特性,得到不同参数对界面剪切特性的影响规律,并建立了基于无侧限抗压强度的界面剪切强度预测模型.结果表明:界面剪切强度、黏聚力、内摩擦角和界面摩擦角等指标先随碳化时间、氧化镁掺量和初始含水率的增加而增大,随后减小或趋于平稳;碳化黏土-透水混凝土界面剪切强度最高达399 kPa;界面剪切应力-剪切位移曲线有双曲线型和软化型2种类型,同时界面剪切强度与无侧限抗压强度呈线性关系,界面剪切强度约为碳化黏土无侧抗压强度的0.17~0.30倍.

FRP开孔板连接件界面剪切性能研究

为研究纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)开孔板连接件与混凝土的界面剪切性能,对3组不同开孔个数的FRP开孔板与混凝土连接件进行了拔出试验,基于试验数据建立了有限元模型,进一步研究了开孔直径对界面剪切性能的影响。对比分析了试验结果和数值模拟结果,提出并验证了FRP开孔板界面抗剪极限承载力计算公式。结果表明:增大开孔个数和开孔直径可有效提高界面的抗剪能力;简化公式的计算结果与试验和模拟结果吻合较好。

RPC-NC界面剪切力学性能分析

采用玄武岩纤维在活性粉末混凝土基体中随机投放的方法,将活性混凝土看作由玄武岩纤维和素混凝土组成的两相非均质复合材料。基于二次开发将玄武岩纤维实体模型导入有限元软件中,建立可分析活性粉末混凝土-普通混凝土界面抗剪性能的有限元模型探索不同侧向应力和不同玄武岩纤维掺量下的活性混凝土-普通混凝土界面剪切力学性能,并观察其破坏特征。研究结果表明:在玄武岩纤维掺量为0.2%,侧向应力为0~5 MPa时,RPC-NC的抗剪强度为5.32~9.11 MPa;在侧向应力为2 MPa,玄武岩纤维掺量为0~0.2%时,RPC-NC的抗剪强度为5.25~7.65 MPa。玄武岩纤维可有效阻断RPC键槽根部裂纹的扩展,且纤维掺量的增加可以提高活性粉末混凝土-普通混凝土界面抗剪强度。相对于玄武岩纤维掺量的影响,侧向应力的大小对RPC-NC界面剪切力学性能有更加显著的影响。

加筋土挡墙墙趾界面剪切刚度计算模型研究

在硬质墙面加筋土挡墙数值模拟中,墙趾界面参数的选取对模拟结果的正确性至关重要。然而,墙趾界面剪切刚度仅能通过混凝土界面剪切试验获取,其过程繁琐、周期长。开展大型剪切试验研究混凝土界面剪切刚度与界面摩擦角、正应力的关系,在此基础上提出墙趾界面剪切刚度计算模型,该计算模型的输入参数为墙高和墙趾界面摩擦角,其中墙趾界面摩擦角可通过简单的混凝土斜板试验获得。采用该计算模型为3组不同墙趾约束条件的加筋土挡墙数值模型选取了墙趾界面剪切刚度值。3组挡墙数值计算得出的筋材应变均与实测值相吻合,筋材拉力分布随墙趾约束条件的变化规律与已有的模型试验结果一致,证明了墙趾界面剪切刚度计算模型的可行性。

相对密实度对钢-砂界面循环剪切弱化影响研究

砂土的相对密实度对界面循环弱化具有重要影响。通过自主研发的大型界面环剪仪,开展了3种不同相对密实度砂土与钢板界面的循环剪切试验,研究相对密实度对循环弱化的影响。结果表明:相对密实度越大,相同循环下剪应力极值越大,法向应力越大,法向位移越小,最终剪缩量越小,砂土剪胀越明显,循环剪切的弱化作用越小,弱化到稳定状态需要的循环次数越多。

粉质黏土-混凝土界面剪切特性研究

文中通过开展混凝土与粉质黏土接触面的直剪试验和数值模拟,分析了干密度和法向应力对粉质黏土-混凝土界面剪切特性的影响。试验结果表明,粉质黏土-混凝土接触面的黏聚力、内摩擦角和抗剪强度均受土体初始干密度的影响;接触面的抗剪强度与法向应力存在较强的线性关系且接触面的剪切破坏形势符合Mohr-Coulomb破坏准则;通过对试验的数值模拟发现Clough-Duncan接触面模型能够较好的模拟接触面的剪切应力-位移关系。为工程中进一步研究结构物与土体界面的力学特性提供了参考。

超高性能混凝土-石材界面黏结性能试验研究

超高性能混凝土(UHPC)加固修复既有石结构中,UHPC与石材之间优异的黏结性能是保证加固效果的关键。因此,为探究UHPC-石材界面的黏结性能,通过劈裂抗拉试验和双L型剪切试验,考察不同界面处理方式对UHPC-石材界面黏结性能的影响。结果表明,UHPC-石材界面破坏模式主要分为三种,其中发生模式C破坏(石材UHPC破坏)时界面黏结强度最大。界面键槽处理方式能显著提高UHPC-石材界面黏结强度、界面剪切刚度,且在改变破坏形态的同时有效提升试件的延性,当键槽深度为20 mm时,试件表现出较好的界面黏结性能。另外,试件剪切荷载-位移曲线包含滑移前阶段和滑移后阶段,凿毛试件在滑移后阶段没有经历塑性变形。相同界面处理方式下,UHPC-石材的界面抗剪强度与界面劈裂抗拉强度呈正相关关系。

考虑率效应的低应力下黏土-钢界面剪切试验研究

管-土界面的摩擦特性对海底管道在位稳定性影响极大。软黏土在我国海域分布广泛,为探究管-黏土在低应力时的界面剪切特性,自主研发了一套可以考虑低应力、率效应的界面剪切设备,并开展了一系列黏土-钢界面剪切试验,着重分析了法向应力和剪切速率对黏土-钢界面剪切行为的影响。试验结果表明,界面峰值剪应力和残余剪应力均随着法向应力的增大而增大;界面峰值剪应力和残余剪应力均随着剪切速率的增大而降低;剪切速率最大时的界面峰值摩擦角和残余摩擦角均小于试验土体内摩擦角,剪切破坏发生在界面上而非土体内部。本文探明了低应力下法向应力和剪切速率对黏土-钢界面强度的影响规律,可为海底管道设计提供参考。

水泥掺入量对劲性复合桩界面剪切特性的影响

劲性复合桩是将刚性桩与柔性桩或散体桩经复合施工形成的具有互补增强作用的桩,但其水泥土水泥掺入量与界面剪切位移等指标的相互关系尚不够明晰。对此,开展劲性复合桩内界面(混凝土水泥土)、外界面(水泥土桩周土)的界面剪切试验,研究水泥掺入量对劲性复合桩界面剪切特性的影响,得到不同水泥掺入量下的界面性能参数。结果表明:内界面和外界面的剪切强度与法向应力关系符合库仑定律,两个界面因为水泥的黏结效应,都拥有一定黏聚力,提高水泥土水泥掺入量可以提高界面的剪切强度与黏聚力,两个界面的极限剪切位移随水泥掺入量与法向应力的提高近似线性增大,且外界面处极限剪切应力相较内界面受施加的法向应力影响更甚。

国产三代2.5D SiC_(f)/SiC复合材料的界面力学性能

连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_(f)/SiC)是下一代航空发动机的关键结构材料,其界面性能是决定材料力学性能的重要因素之一。为此,本研究表征了国产三代2.5D SiC_(f)/SiC的界面性能,并探究其与材料拉伸性能的关系。利用拉伸加/卸载过程中的迟滞特性定量分析了2.5D SiC_(f)/SiC中各组元残余应力和界面滑动应力(IFSS),根据断口拔出纤维的断裂镜面半径得到了纤维就位强度(σ_(fu))的统计分布,通过纤维推入法得到界面剪切强度(ISS)和界面脱黏能(G_(i))。结果表明:利用宏观结合细观的方法能够较全面地描述SiC_(f)/SiC从初始裂纹萌生到最终脱黏不同阶段的界面力学性能,2.5D SiC_(f)/SiC的IFSS、ISS和Gi分别为56 MPa、(28±5)MPa和(2.7±0.6)J/m2。ISS和Gi较低,表明界面结合较弱,在剪应力作用下易产生裂纹,而IFSS较大,表明界面脱黏后纤维与基体间相对滑动较为困难,阻碍了纤维拔出,不利于发挥纤维的增强作用。根据获得的界面性能和经典ACK模型,较好地预测出比例极限应力,并结合σ_(fu)预测了2.5D SiC_(f)/SiC的拉伸强度。拉伸强度预测值高于实验值,这与界面处径向残余压应力以及纤维承受的残余拉应力有关。

超长灌注桩桩-土界面剪切试验研究

为研究超长灌注桩桩侧与土体接触界面的剪切力学行为,采用大型界面剪切仪,开展混凝土与粉质黏土、粉细砂土接触界面剪切试验。针对钻孔灌注桩泥浆护壁施工特点及后注浆工艺的应用,在混凝土与粉细砂土界面设置膨润土泥皮或膨润土泥皮与水泥浆,以研究泥皮及存在泥皮时注浆对界面剪切性状的影响。试验结果表明:界面剪切应力随剪切位移增加逐步达到极限值,之后,剪切应力保持基本不变或出现软化现象;土体类型及法向应力大小对界面剪切力学行为具有较大的影响;粉细砂土-混凝土界面摩擦角与土体有效内摩擦角相近,存在泥皮时,界面摩擦角降低达40%,泥皮的润滑作用较大地削弱了界面的剪切性能;存在泥皮情况下,注浆后界面摩擦角较泥皮界面提高近1倍,水泥浆的注入不仅消除了泥皮产生的不利影响,也有利于进一步改善界面剪切性能,提高其抗剪强度;泥皮及注浆对界面剪切应力与剪切位移关系亦有较大的影响;界面剪切作用对土体具有一定的影响范围,并在接触界面附近土体中逐渐形成剪切破坏带,剪切过程中界面呈现出由剪切位移阶段逐步过渡至剪切滑移阶段;此外,在剪切过程中,不同界面类型的土体变形存在较大差异。

陶瓷基复合材料界面微区力学行为的研究进展

作为热结构材料,陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC)在航空航天领域应用潜力巨大。连续纤维的引入解决了陶瓷脆性大的问题,而纤维与基体间微小区域——界面层的设计是保证CMC具有高韧性的关键。一直以来相关研究主要集中于界面层与CMC宏观力学性能之间的关系,受限于表征难以深入研究界面层微区力学行为的困难。随着微纳力学测试与聚焦离子束(focused ion beam,FIB)技术的发展,近些年来对于CMC界面层结合强度以及其失效行为的表征逐渐增多。在此基础上,本文综述CMC中界面层的作用以及界面剪切强度的影响因素与调控机制,同时汇总当下通过直接或间接手段测试界面剪切强度的方法,重点总结微纳力学手段下纤维push-out/push-in以及微柱压缩等方法的适用条件以及差异,报道这些方法在界面区失效机制研究方面的进展,并指明尚存在的一些问题。其中,纤维pushout/push-in可以反映基体应力作用对界面剪切强度的影响,但测试结果可能受到外部因素的影响;而微柱压缩测试则更多地反映界面层本征特性,无法反映基体应力对界面剪切强度的影响,也无法反映纤维拔出过程。最后展望未来的研究方向:进一步拓展界面微区力学行为的表征方法,同时确定微区力学与宏观力学性能间的影响机制并建立模型,最终实现CMC的界面层优化。

沉井-砂土界面特性及侧摩阻力分布特性试验研究

沉井侧摩阻力是桥梁工程中的重点关注问题。为研究沉井-砂土界面特性,使用大型直剪仪对不同法向应力及含水率条件下的砂土进行界面剪切试验,并开展模型试验,研究不同类型的砂土、有无台阶以及不同施工工艺条件下沉井下沉过程中的侧摩阻力分布特性。结果表明:剪切位移较小时,沉井-砂土界面剪应力随剪切位移的增加而增加,当剪切位移达到某一临界值后,剪应力趋于稳定;界面抗剪强度随含水率的增加而小幅减小,界面抗剪强度参数以内摩擦角为主,黏聚力较小,界面水敏性较低;沉井下沉过程中,侧壁土压力-入土深度曲线在沉井刃脚位置发生“内拐”,即侧壁土压力在刃脚发生应力松弛,应力松弛的程度与下沉深度正相关,且随砂土粒径的增加有所降低;与无台阶沉井相比,台阶型沉井的侧壁土压力明显降低,在沉井上增设台阶可有效降低沉井的下沉难度;台阶型沉井与侧壁土体之间灌砂会导致沉井侧壁土压力小幅增加,对沉井的下沉难度影响不大。