岩石结构面峰值摩擦角应力效应试验研究

工程上常采用不随应力变化的岩石结构面抗剪强度参数,不能反映结构面摩擦角应力效应的变化规律。为研究结构面摩擦角与法向应力的相关度,首先对中砂、水泥、硅粉、非引气型萘系减水剂等原材料的配比进行研究,获得与天然钙质板岩物理力学特性相类似的岩石模型材料,然后采用研发的结构面制作模具及其制备工艺制作10组具有不同表面起伏度和粗糙度的结构面,并利用自制的高精度岩石结构面直剪仪对系列法向应力下的结构面摩擦角进行直剪试验研究和数据统计分析,结果表明:结构面峰值摩擦角及其变化率均随法向应力的增加而降低,而不是通常认为的峰值摩擦角为定值;结构面残余摩擦角随法向应力的变化并不是很明显;具有不同起伏程度和粗糙度系数的模型结构面在相同法向应力下的峰值摩擦角也有差异;结构面峰值摩擦角应力效应和JRC-JCS(JRC为粗糙度系数,JCS为壁岩强度)准则中所确定的峰值摩擦角变化规律相一致,而且粗糙度系数越大结构面峰值摩擦角的应力效应越明显。

基于初始状态参数的砂土峰值摩擦角和极限强度

砂土的排水极限强度和峰值摩擦角具有显著的状态相关特性和各向异性。为构建砂土极限强度和峰值摩擦角与砂土初始状态参数和主应力轴旋转角的联系,首先通过对排水三轴试验和排水空心圆柱扭剪试验的模拟验证了采用的砂土状态相关各向异性本构模型的合理性。然后基于状态相关本构模型的模拟结果,得到三轴排水条件下峰值摩擦角和初始状态参数的关系式,结合三轴排水加载路径,建立基于初始状态参数的三轴排水极限强度简化计算公式。进一步通过内外压一致的排水空心圆柱扭剪试验本构模拟,获得峰值摩擦角与主应力轴旋转角的关系式,再基于主应力轴旋转时的排水加载路径,建立能考虑主应力轴旋转的排水极限强度简化计算方法。最后通过比较排水极限强度的简化方法值与试验值和本构模拟值的差异验证了简化方法的有效性。

混凝土桩-泥皮-砂土接触面力学特性试验研究

为研究泥皮、粗糙度对桩-土接触面力学特性的影响规律,根据灌注桩成孔后的孔径-深度曲线,应用统计分析法获得了桩侧凸出尺寸和粗糙度的分布频率规律,以此构建了表面光滑和梯形凹槽混凝土板来模拟实际桩侧表面粗糙度。在此基础上,开展了不同泥皮厚度、粗糙度条件下的混凝土-砂土接触面大型直剪试验。其研究结果表明:无泥皮条件下粗糙接触面,其剪切应力-切向位移关系曲线呈软化型;泥皮厚度为5、10 mm条件下,呈硬化型。剪切模量G0.02随泥皮厚度增加而衰减。对光滑混凝土板,其接触面峰值剪切强度和峰值摩擦角随泥皮厚度的增加呈指数关系衰减;对粗糙混凝土板,峰值剪切强度和峰值摩擦角随泥皮厚度的增加近似呈线性衰减。初始泥皮越厚,试验后的泥皮土和泥皮越厚,接触面剪切强度越低。无泥皮条件下粗糙度对接触面峰值剪切强度的影响规律:存在一个临界粗糙度I_(cr)=10 mm,当混凝土板的粗糙度I<I_(cr)时,接触面峰值剪切强度和峰值摩擦角随粗糙度的增大而增大;当I≥I_(cr)时,二者随着接触面粗糙度的增大而减小,泥皮存在会影响改变这一规律。

基于PFC数值试验的单锯齿节理抗剪强度应力效应研究

自然界中岩石节理所处的应力环境往往存在差异,因此法向应力对岩石节理抗剪强度的影响不容忽略。然而,针对岩石节理应力效应的研究不够深入,且获得的应力效应变化规律亦存在较大差异。为研究岩石节理剪切特性随法向应力的变化规律,采用PFC较为完善地实现了平直节理和单锯齿节理的数值直剪试验,并对其在不同法向应力下的峰值抗剪强度和峰值摩擦角变化规律进行了分析。结果表明:随着恒定法向荷载的增大,岩石节理峰值抗剪强度及其所对应的剪切位移也在逐渐增大;平直节理峰值抗剪强度与峰值摩擦角均无明显的应力效应特征,且其抗剪强度随剪位移的增加增大到峰值后,不再发生明显变化;单锯齿节理峰值抗剪强度及峰值摩擦角均存在明显的应力效应,且整个剪切过程呈现出峰前剪切硬化–峰后剪切软化特征。

液限对南阳原状膨胀土抗剪强度影响的研究

为探讨膨胀土液限与黏粒含量的关系,以及液限对膨胀土峰值强度摩擦角和残余强度摩擦角的影响,利用电动应变控制式剪切仪和ShearTracⅡ反复直剪仪对26种原状膨胀土进行快剪试验(快剪、饱和快剪、饱和固结快剪)和反复剪试验。结果表明:膨胀土液限与黏粒含量呈良好的线性正相关关系;不同状态下试样的峰值强度大小顺序为饱和固结快剪强度>快剪强度>饱和快剪强度;随着液限增加,峰值强度的摩擦角逐渐减小,且液限对饱和快剪摩擦角的削弱作用强于对其他两者的削弱作用,当液限超过57%后,饱和快剪摩擦角略微增大,但不明显,三者摩擦角大小排序与峰值强度排序相同;低法向应力下,饱和样残余强度应力位移曲线的应变软化特性相较天然样有所减弱,峰态也逐渐减弱或消失;随着液限增加,试样残余强度摩擦角呈多项式逐渐减小趋势。

颗粒形状和中主应力对砂土力学特性耦合影响的真三轴试验研究

天然状态下,砂土地基处于三维受力状态。经过复杂的沉积和搬运作用,砂颗粒形态各异,进一步影响其在受力状态下的接触形式。砂土的宏观力学响应同样会受到微观颗粒形状的影响。研究针对不同比例石英砂和玻璃圆(碎)珠的混合颗粒试样开展真三轴剪切试验,研究三维应力状态下颗粒形状对砂土力学特性的影响。结合动态颗粒图像分析技术定量识别颗粒形状参数,获得颗粒形状参数伴随玻璃珠掺量增加的变化趋势。查明中主应力与颗粒形状对砂土宏观力学响应的耦合影响机制。试验结果表明:具有规则颗粒形状的玻璃珠-石英砂混合物能有效抑制试样剪胀特性。对于给定的中主应力系数,玻璃珠-石英砂混合颗粒材料的峰值摩擦角随着颗粒形状不规则度的增加而增大,峰值强度对应的大主应变随着颗粒形状不规则度的增加而减小。玻璃珠-石英砂混合物的峰值强度伴随中主应力系数的变化趋势可以较好地通过岩土材料经典的三维强度理论进行预测。