现场室内两用大型直剪仪研制(I):结构设计

直剪仪是测定岩土体抗剪强度参数应用最为普遍的一种试验仪器。从直剪仪的结构和大型直剪仪的研制两个方面对直剪仪的研究现状做了介绍,在此基础上,对新近研制的现场室内两用大型直剪仪的结构组成、工作机理及其特点进行了详细分析。该大型直剪仪与常规直剪仪相比,具有较大的优越性,其测试结果更加准确。适用范围广,测试精度高,可应用于现场和室内试验。

组装式两用大型直剪仪的研制

随着岩土工程的发展,能快速、准确地确定抗剪强度指标显得越来越重要,而大型直剪仪因能满足这些需求被广泛应用。从直剪仪的发展和研究现状对大型直剪仪进行详细论述,在此基础上,结合室内大型直剪仪的稳压和局限性的问题,对组装式两用大型直剪仪的结构组成、工作机理与特点做了分析。并用该大型直剪仪与常规直剪仪对同一干砂样进行试验,对数据进行全面比较。研究结果表明:使用该大型直剪仪所测得的土体抗剪强度,数据精确性和可靠性高,更具两用的优越性。

大型现场室内两用直剪仪研制(II):试验测试

利用新近研制的大型现场室内两用直剪仪,对两种不同性质的砂样进行了剪切试验。在对干砂的直接剪切试验特性进行综述的基础上,从多方面对该大型直剪仪得出的干砂剪切试验数据进行了分析验证,结果表明该大型直剪仪得出的试验数据一致性好、可靠性较高,说明该大型直剪仪的基本剪切性能稳定,可进一步应用于相关岩土材料的试验研究。

宜巴高速岩堆不同密实度大型直剪强度特性

岩堆是指陡峻山坡上,岩体崩坍物质经重力搬运,在山坡坡脚或平缓山坡上堆积的松散堆积体。拟建的宜巴高速公路线路方案穿越多处大型岩堆体,且地质条件复杂,各处岩堆体的密实程度各不相同。不同密实程度的岩堆体的强度和稳定性差异很大,对项目建设造成极大不利。为此进行了相同含水量不同密实度的岩堆体大型直剪强度特性实验,结果表明:岩堆体含水量、密度均存在很大的不均匀性,岩堆充填和胶结物含水量5%～7%,平均含水量为6.5%,干密度最大值2.246g.cm-3,平均天然密度为2.112g.cm-3,平均干密度1.982g.cm-3;除干密度2.10g.cm-3试样在低垂直压力(50,100,200kPa)下分别出现剪切力峰值116.04,154.7,210.82kPa以外,其余各垂直压力下剪切力随水平剪切位移增大而增加,没有明显峰值,表现出明显的应变硬化特征;岩堆体直剪强度指标c和φ随着其干密度的增加而增加,相同含水量下一般岩堆体越密实,其抗剪强度越高;原始级配不同干密度下,随着岩堆体密实度增加,其抗剪强度对密实度的敏感性大幅度下降。

蒋家沟砾石土不同粗粒含量直剪强度特征

蒋家沟流域内大量泥石流由滑坡引发,滑坡转化为泥石流的3个过程中,首先是在斜坡体内大范围剪切破坏。在其物源区与沉积区内分布大量砾石土,其强度特征对于蒋家沟泥石流的起动机制具有重要意义。由于砾石土颗粒粗大,粗细粒配比和试验尺寸对强度特征有一定的影响。为此在室内现场两用大型直剪仪下进行蒋家沟砾石土不同粗粒含量下的直剪强度试验,结果表明:在干密度为2.0g/cm3、含水率为7%时,砾石土除在粗粒含量为74.31%的低垂直压力(50,100 kPa)时剪应力-水平位移关系有峰值外,其余土样没有明显峰值;同一粗粒含量试样在水平剪切应变值为0.02时的剪切模量G0.02随垂直压力增加而增大;在相同垂直压力下,G0.02随粗粒含量增加而增大,且在较低垂直压力下的G0.02随粗粒含量增长更为显著。内摩擦角值随粗粒含量增加而增大;黏聚力在粗粒含量为48.7%时最小。粗粒含量小于48.7%时,试样黏聚力值随粗粒含量增大而减小;当粗粒含量大于48.7%时,黏聚力随粗粒含量增加而显著增大。

蒋家沟砾石土不同含水率直剪强度特征

蒋家沟流域内大量泥石流由滑坡引发,在滑坡转化为泥石流的3个过程中,首先是在斜坡体内大范围剪切破坏。在其物源区与沉积区内分布大量砾石土,其强度特征对于蒋家沟泥石流的起动机理以及流域内土壤侵蚀具有重要意义。由于降雨过程中,坡体内砾石土含水率逐渐增大,影响其力学性质特征,加之砾石土颗粒粗大,粗细粒配比和试验尺寸对强度特征有一定的影响。为此,在室内和现场两用大型直剪仪下进行蒋家沟砾石土不同含水率下的直剪强度试验,结果表明,试样在ρd=1.9 g/cm3不同含水率下,剪应力-水平位移关系没有明显峰值,应力-应变曲线为应力硬化型;同一含水率试样在γ=0.02时的剪切模量G0.02随垂直压力增加而增大;含水率7.07%试样各级压力下G0.02最大;φ值与含水率w符合二次函数关系式:φ=-0.471w2+6.7462w+3.9262;试样C值与含水率w符合二次函数关系式:C=-0.7307w2+8.4784w+1.462。

多层复合衬里界面剪切特性试验研究

为研究复合衬里界面的剪切特性,取得具有代表性的界面抗剪强度参数,利用自行研制的大型直剪仪进行了复合衬里界面剪切试验,结果表明,法向应力相同的条件下,土工布/土工膜界面的抗剪强度最低,土工膜/GCL界面次之;土工膜/GCL界面内摩擦角最小,土工布/土工膜界面次之。饱水状态下,各界面的内摩擦角均有不同程度降低,其中土工膜/GCL界面降幅最大,降低了30.98%,土工布/土工膜界面次之,降低了29.66%。浸水饱和会导致土工布/土工膜界面、土工膜/GCL界面粘聚力降低,土工布/土工膜界面的粘聚力降低了44.51%,土工膜/GCL界面降低了6.89%;其余界面的粘聚力均有不同程度的增加。在工程实际中,应尽可能避免土工布/土工膜界面、土工膜/GCL界面处于饱水状态,以保证土工布/土工膜界面、土工膜/GCL界面强度满足垃圾填埋场稳定要求。

基于大型直剪试验的粗粒料颗粒破碎对比研究

采用大型直剪仪对钦寸水库洞渣料与盂溪水库卵砾石料这两种粗粒料进行颗粒破碎试验,将裂离参量引入直剪试验结果的处理分析中,从粒组与粗粒料整体2个层面对比研究了2种土料的颗粒破碎发展规律。结果表明:对于2种粗粒料,在所研究的法向应力变化范围内,不同粒组颗粒的裂离比随法向应力的变化均呈现出线性化的递变规律,且2种粗粒料颗粒破碎水平的差异主要体现于较大粒径的粒组颗粒中。随着粒组粒径的减小,2种粗粒料的颗粒破碎水平趋于接近。对于粗粒料整体,当法向应力为0~300 k Pa时,2种粗粒料的颗粒破碎水平较接近,当法向应力为300~1 200 k Pa时,钦寸水库洞渣料的颗粒破碎水平比盂溪水库卵砾石料显著,且2种粗粒料的颗粒破碎水平均有随法向应力增大而继续提高的明显趋势。

基于并联机器人技术的新型直剪仪设计与分析

以并联机器人技术为切入点,提出了一种可实现空间三维移动的大型直剪仪设计与分析方法。通过分析现行土工合成材料直剪试验存在的问题,给出了面向应用的直剪仪设计原则,并综合了一种并联机器人驱动机构,以此为基础设计了一种可实现空间各向移动的大型直剪仪设备;基于并联机构影响系数法分析了直剪试验过程,建立了驱动机构输入运动与土样剪切运动之间的映射,获得了表征这种映射关系的运动学、动力学模型。结合相关规范制定了各结构参数,通过数值算例考察了直剪试验过程中位移、速度、力的变化规律,并分析了土工合成材料各向异性力学特性。该研究成果可用于新型直剪仪生产与控制,同时也为并联机器人技术在交通运输行业中的进一步研究和应用奠定了基础。

粗粒含量对散体岩土颗粒破碎及强度特性试验研究

明显的粒径分级和深部土的颗粒破碎是超高排土场的两个主要特征。基于改装后的大型两用直剪仪对不同粗粒含量的颗粒破碎和抗剪强度进行试验研究。颗粒破碎试验结果表明:垂直压力小于400kPa的情况下破碎率极小,在垂直压力大于400kPa时,随垂直压力的增大破碎率增加明显;粗粒含量小于46.0%时,相对破碎率较小,粗粒含量大于46%时,颗粒破碎率随粗粒含量的增加而明显增大;相对破碎率与垂直压力可用双曲线关系表示;长期浸泡于水中的土样颗粒破碎相当明显。剪切强度试验结果表明:在粗粒含量等于24%时,低垂直压力下的剪应力-应变曲线呈微软化或微硬化型,较高垂直压力下呈轻微软化型;在粗粒含量等于78%时,低垂直压力下其剪应力-应变曲线呈软化型,较高垂直压力下表现为轻微硬化型。较高垂直压力下的抗剪强度包线呈明显的非线性。当颗粒破碎率较小时,分别在垂直压力小于400kPa和大于400kPa时拟合的内摩擦角值变化不大;当颗粒破碎率明显增大时,垂直压力大于400kPa时的内摩擦角值明显低于垂直压力小于400kPa时拟合的内摩擦角值。