基于桩-土界面剪切特性的单桩沉降和承载问题研究

近年来,西北地区出现了许多高填方场地,为减小建筑物基础的不均匀沉降,基础类型广泛使用桩基础。与一般场地不同,黄土填方场地中的单桩桩周土受力后仍会产生较大的变形,该类场地单桩沉降机制复杂。桩顶总沉降计算是桩基设计的重要依据,为此,建立了高填方黄土场地单桩桩顶总沉降计算模型。基于传统的荷载传递法和剪切位移法,分别考虑桩-土界面的桩-土相互作用和桩-土界面外剪切带土体的剪切变形。依据桩端边界,将单桩类型分为摩擦桩和端承摩擦桩,分别建立桩周土弹性阶段和塑性阶段的桩身位移控制微分方程,结合边界条件进行求解,得到桩身位移、轴力、侧摩阻力,并通过弹塑性理论求解了桩周土剪切带土体剪切变形,进而通过叠加原理求得桩顶总沉降。用桩长与桩周土塑性发展深度的比值,定义了桩基承载力安全系数K。通过算例分析与现场试验数据对比分析,研究结果表明:使用新的模型计算得到的桩顶总沉降与现场试验结果相近;当桩顶荷载较小、桩周土处于弹性阶段时,桩端边界对桩身轴力、位移和侧摩阻力影响很小,但桩周土进入塑性滑移阶段后,桩端边界的影响开始变大,考虑桩端土的承载能力会极大提高单桩极限承载力;建立了将荷载传递法和剪切位移法综合起来的计算模型,不仅可以考虑桩-土界面的相对滑移,还可以计算桩-土界面外土体剪切带的剪切变形,使得桩顶总沉降计算更加精确,可为类似场地中单桩沉降的分析与控制提供一定的参考。

含聚合物防水膜的隧道衬砌界面剪切-滑移力学特性试验研究

为研究隧道衬砌结构中密贴型防水层界面的力学特性,根据隧道喷膜防水衬砌结构的特点,采用粘结强度试验和压剪试验探讨聚合物防水膜复合试件的界面剪切-滑移力学行为和特性。通过粘结强度试验绘制3种类型防水膜的拉伸应力-位移曲线,通过压剪试验绘制界面剪切应力-位移曲线,基于试验结果曲线计算得到防水层的界面参数,包括剪切强度、残余剪切强度、剪切模量、剪切滑移能量和剪切失效位移,并讨论防水材料性能和法向压应力对这些参数的影响。结果表明,防水层界面的剪切-滑移特性主要受防水材料特性和法向压应力的影响,防水材料特性对界面剪切强度和剪切模量的影响较大,而残余剪切强度、剪切滑移能量和剪切失效位移则受到法向压应力的影响更多。

节理剪切应力–位移本构模型及剪胀现象分析

在法向与切向荷载的共同作用下,节理剪切应力–位移曲线宏观表现为峰前呈剪切硬化、峰后呈剪切软化现象:当微凸体爬坡效应占主导地位时,宏观表现为剪切硬化;当微凸体在剪切过程中磨损累积到一定程度时,宏观表现为剪切软化。剪胀硬化、磨损软化共同控制节理的剪切力学行为。在详细分析已有的剪切应力–位移本构模型的局限性的基础上,提出硬化–软化全剪切本构模型,采用单个函数反映节理剪切位移曲线的变化特征,其优点为:(1)避免分段讨论剪切位移曲线特征、分段求取拟合参数的麻烦;(2)在整个讨论区域内存在一个峰值且峰值处斜率为0;(3)当剪切位移足够大时,强度趋于残余值,体现出节理面材料的力学特征。对不同类型的剪切位移曲线进行分析,该模型均表现出较强的适应性。同时分析现有的剪胀模型,其主要缺陷是不能反映初始剪缩现象与体现真正的剪胀起始点。在分析典型剪胀曲线基本特征的基础上,采用分段函数考虑剪胀特征,能较好地拟合剪胀曲线。

受拉全长黏结式锚杆剪切应力弹性解析解及其应用

面对锚杆-围岩锚固界面剪切应力分布研究不够精确,制约锚杆设计施工水平提高的现状,基于半无限弹性空间体的Mindlin位移解,导出了拉拔荷载作用下全长黏结式锚杆锚固界面剪切应力沿杆长分布的近似弹性解析解,并求得了最大剪切应力的数值和分布位置,给出锚杆杆长的建议值和增强局部剪切力的建议。结论适用于较硬围岩中较长锚杆在较小荷载作用下的剪切应力分析,可为岩体锚固设计提供借鉴,提高锚杆设计施工的安全性和经济性。

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。

酸性环境及干湿循环耦合作用下沥青-集料界面的剪切行为

为了探究酸性环境及干湿循环耦合作用下沥青-集料界面的剪切力学行为,设置了4类酸性环境及8种干湿循环周期耦合条件,采用直接剪切试验得到应力-位移曲线,并从抗剪强度、界面滑移量、剪切断裂能等角度分析沥青-集料界面在剪切过程中的力学变化过程。结果表明:中性环境下,界面抗剪强度在干湿循环周期下可分为缓慢降低、快速衰退、衰退平衡这3个过程;中酸环境下,第21次干湿循环试验下的界面相对滑移量仍高于0.3 mm;中性环境下,黏附性断裂能主导沥青-集料界面的剪切断裂能,而酸性环境下,黏附性失效消耗的能量与沥青膜内部黏聚性失效消耗的能量相近,黏附性断裂能和黏聚性断裂能共同主导干湿循环作用下的沥青-集料界面的剪切断裂能;随着循环周期的和酸性强度的增加,临界断裂能与相对滑移量不具备良好的相关性。

粒径与纹理深度对钢-砂界面剪切性状的影响研究

颗粒粒径和结构物表面粗糙度是影响结构物-砂土界面力学特性的重要因素,利用自行改进的直剪仪,开展了不同纹理深度与粒组影响下的钢-砂界面单调直剪试验,分析了界面剪切应力与剪切位移的关系、界面峰值剪切应力变化机理及界面抗剪强度指标变化规律。结果表明:粒组0.075~0.25 mm和0.25~0.5 mm的界面峰值剪切应力随纹理深度的增大呈现先增加后减小的变化规律,粒组0.5~2 mm的界面峰值剪切应力随纹理深度的增大而增加;利用多元非线性模型预测了不同试验条件下的界面抗剪强度,不同纹理深度下抗剪强度的不同与纹理内参与界面剪切的颗粒数量、纹理能否与颗粒形成嵌锁作用有关,因纹理深度与粒径的不同,分布于纹理内的颗粒分为参与界面剪切的主要颗粒、次要颗粒和未受剪切影响的颗粒;不同粒组的界面摩擦角随纹理深度的变化规律与界面峰值剪切应力保持一致。

桩-土界面扭剪剪切与直剪剪切的差异性研究

直剪试验在剪切过程中桩-土的剪切面积逐渐减小,导致垂直应力发生偏心,剪应力不能保持均匀分布,并不能反映土体的实际软弱剪切面,而扭转剪切能够保持剪切过程中桩-土的接触面积始终不变,避免了垂直应力发生偏心。针对新出现的界面扭剪试验和常规直剪试验在桩-土界面研究中的差异,探讨了两种剪切方式下的桩-土界面的摩擦特性,设计了桩-土界面摩擦单元,并基于相同剪切速率和桩-土界面接触条件,进行不同含水率和法向应力下的扭剪试验和直剪试验。试验结果表明扭剪和直剪试验的不同之处为:(1)扭转剪切的桩-土界面剪切强度为直剪剪切强度的1.5~2.1倍,扭剪剪切的剪应力达到最大值后会呈现出不同程度的软化或保持基本不变,而直剪剪切的剪应力表现为硬化趋势;(2)同一法向应力下,随着含水率的增加,扭剪试验的极限剪切位移逐渐增加而直剪试验的极限剪切位移呈现出微弱的降低;(3)直剪剪切界面摩擦角明显低于同条件下扭剪剪切的界面摩擦角。试验结果可以为桩-土界面研究中扭剪试验和直剪试验剪切强度的转换提供参考。

由仪器化冲击试验结果计算SA508 Gr.3-Cl.2钢的剪切断面率

采用仪器化冲击试验方法对核电材料用钢SA508Gr.3-Cl.2进行夏比冲击试验,记录其冲击过程的力-位移曲线,然后按GB/T 19748-2005中附录C提供的方法计算该钢的剪切断面率,并与传统测量方法所得的数据进行比较。结果表明:采用GB/T 19748-2005附录C中的公式(C.3)计算得到的剪切断面率数值与实际测量值之间具有较好的吻合性;相同条件下,高韧性试样的实测值与计算值的吻合性要高于低韧性试样的;当公式(C.3)中的系数K=0.43时,该公式为计算SA508Gr.3-Cl.2钢剪切断面率的最优化公式。

压实昔格达土料及其与既有填土界面剪切特性研究

鉴于新增压实昔格达填土及其与既有填土界面抗剪强度直接影响高填方区域稳定性,通过改进直剪试验制样方式,设定2类因素4种应力水平共32组试样,并采用固结快剪探究压实昔格达土料与既有填土界面剪切特性。结果表明,在不同法向应力下含界面试样剪应力-位移变化曲线呈剪切硬化状态,干密度对其应力-位移曲线的影响分为应变软化与应变硬化两个阶段;与新增压实昔格达土体抗剪强度相比,相同干密度下含界面试样的粘聚力大幅降低,最大降幅为32.50%,内摩擦角微弱增大,最大增幅为7.78%;消弱昔格达填土界面效应的适宜干密度为1.285g/cm3,即为界面填土填筑干密度建议值。

花岗岩单节理剪切-渗流耦合特性试验研究

在介绍JAW-1000型岩石单节理剪切-渗流耦合试验系统的结构和各项功能的基础上,应用该系统对4组花岗岩节理试件进行了常法向荷载和常法向刚度2种条件下的剪切-渗流耦合试验,分析花岗岩节理剪切过程中的剪切应力、法向位移及水力开度的变化规律。结果表明,花岗岩节理的剪切应力、法向位移及水力开度均呈现2个阶段的变化规律;随着剪切次数的增加,节理面的峰值剪切应力及残余值降低,剪胀点延迟,节理面的初始水力开度显著提高,法向位移和水力开度变化曲线逐渐趋于平缓。

垃圾填埋场复合衬垫剪切特性单剪试验研究

针对垃圾填埋工程中复合衬垫的界面抗剪特性,利用改进的叠环式单剪仪,对由砂土-无纺型土工布-土工网格-土工膜-夯实粘土组成复合衬垫进行了整体剪切试验研究。重点讨论了复合衬垫整体单剪试验的应力-位移曲线、相同剪切应力下各个界面的位移大小与变化特征和强度特性。研究结果表明:复合衬垫整体单剪试验的应力-位移曲线在低法向应力试验中没有呈现明显的软化特征,在高法向应力试验中有硬化现象;随法向应力增加剪切破坏面会发生转移;目前常用的把复合衬垫拆分为单个界面进行研究来确定最危险界面的方法不能够正确地反映填埋场中的复合衬垫在加载过程中的衬垫单元的实际受压变形情况和在剪切变形过程中最危险破坏面转移的情况;复合衬垫界面的抗剪强度包线呈现双曲线性质。

节理面剪切应力–切向位移曲线峰值后区特性的初步研究

在节理面剪切试验中,许多剪切应力–位移过程曲线呈现出明显的峰值后区形态。针对这种结构面强度弱化特性,对一组结构面剪切应力–位移过程曲线进行分析,从曲线中获取节理面峰值强度与残余强度。采用一系列应力跌落与塑性流动过程模拟节理面强度弱化过程,通过数值方法再现剪切应力–位移全过程曲线;并进一步研究峰值后区应力–位移曲线与强度弱化的内在关系以及剪胀角演化规律对节理面法向变形的影响,研究成果有助于深化结构面强度与变形特性认识。

基于均匀设计坡积土含水量与干密度对锚-土界面性能影响试验研究

为深入了解坡积土中锚杆锚-土界面剪切变形特性随土体含水量和干密度的变化规律,本文采用自主研制的基于微元法锚-土界面摩阻性能测试方法和装置,引入均匀试验设计原理设计试验方案,测得不同含水量和干密度下锚-土界面的剪应力-剪切变形全过程曲线,其形状符合三折线模型。基于试验结果,回归得到了锚-土界面峰值抗剪强度随土体含水量和干密度变化的经验关系式。同时,试验结果表明:(1)锚-土界面峰值抗剪强度随土体含水量增加而降低,且土体干密度越大其降低幅度越大;(2)峰值抗剪强度随土体干密度的减小而降低,且土体含水量越小,其降低的幅度越大。

混凝土中黏结型锚栓剪切试验方法

针对单独锚栓剪切试验方法(SSTM)存在的缺陷,提出2套在加载板尾部配置辅助锚栓的双锚栓剪切试验方法(DSTM).总计6个直径规格、90个锚栓的比对剪切试验表明,单独锚栓剪切试验获得的承载力低于双锚栓剪切试验获得的承载力,但均能达到以0.6倍锚栓杆体抗拉强度表示的理论剪切承载力的水平;单独锚栓试验加载板的转动导致剪力-位移实测曲线存在明显的离散性;在双锚栓试验中,对辅助锚栓施加约2.0 kN的预紧力,就能在加载板转动约束体系中建立有效的连接,借助辅助锚栓的拉伸刚度有效限制加载板的转动,显著降低剪力-位移试验曲线的离散性.2套双锚栓剪切试验方法获得的试验结果具有一致性,作为辅助锚栓使用时承担拉力的历史不会影响其剪切性能.

某工程岩体结构面剪切力学特性试验研究

岩体结构面的抗剪强度是表征岩体强度的一项重要参数,本文主要利用自行研制的携带式剪切仪研究不规则岩石结构的剪切力学特性,根据工程的剪应力-位移关系曲线,选取屈服值,确定抗剪强度指标。

不同含石量下土石混合体的剪切特性研究

土石混合体作为一种优良的填料被广泛应用于路基填筑。为研究含石量对土石混合体抗剪强度的影响,利用大型直剪试验,分析不同含石量下土石混合体剪应力-剪切位移曲线及抗剪强度的变化规律。结果表明:当含石量≤20%,试样为密实悬浮结构时,剪切过程呈应变硬化,抗剪强度随含石量增加变化不明显;当20%<含石量≤50%,试样为密实骨架结构时,剪切过程呈应变硬化-应变软化,粗粒土之间的咬合逐渐增强,内摩擦角和黏聚力增加较大,含石量在50%左右,抗剪强度达到最大;当含石量>50%,试样为骨架空隙结构时,剪切过程呈应变硬化-应变软化-应变硬化,内摩擦角和黏聚力均出现下降。

碳纤维-钢复合结构不同粘结界面对ΔKⅡ影响的仿真研究

为研究不同粘结界面对应力强度因子幅ΔKⅡ的影响,利用Abaqus有限元软件,基于粘聚区模型(CZM),建立碳纤维布(CFRP)-H型钢复合结构的有限元模型,采用四点弯加载,模拟了Ⅱ型断裂模式下三种粘结界面(刻槽/Kevlar、刻槽/Kevlar/多壁碳纳米管(MWCNT)和喷砂/MWCNT)的损伤情况,得到复合结构ΔKⅡ与Y向位移载荷的曲线。结果表明:仿真结果与理论结果一致,不同粘结界面的增强效果不同,界面粘结强度越高,ΔKⅡ值减小越明显,刻槽/Kevlar/MWCNT界面增强效果最佳,仿真结果为后续试验研究提供参考。

基于剪应力模型的履带车辆转向力矩分析与试验

为了研究在打滑条件下的履带车辆转向性能,提高履带车辆转向模型的模拟精度,建立了考虑履带滑转、滑移及转向离心力影响的高速履带车辆稳态转向模型。根据剪切应力-剪切位移关系模型推导了两侧履带牵引力、制动力及转向阻力矩的计算公式。在此基础上,根据力平衡关系构建了履带车辆转向运动学方程,并采用迭代计算方法进行求解。以某型装备综合传动装置的高速履带车辆为对象,通过试验测试结果与计算结果的对比分析,对履带车辆转向模型的准确性进行了验证。基于履带车辆稳态转向模型,研究了履带车辆转向运动学及动力学特性随转向半径及车速的变化规律,结果表明:当履带车辆转向速度越高,转向半径越小时,离心力对转向性能的影响越显著。

土工合成材料界面应变软化特性的一种本构新模型

在土工合成材料工程的数值研究中,根据土工合成材料界面的力学特性,构建合理有效的本构模型是提高数值计算可靠性的关键.针对部分土工合成材料界面存在的应变软化特性,提出了一种新的本构模型.以剪应力峰值为分界点,将剪应力剪切位移曲线前后两部分分别进行模拟.剪应力峰值前,采用Clough和Duncan双曲线模型进行模拟;剪应力峰值后的应变软化阶段,以剪应力峰值为原点,用另外一条倒置的双曲线进行模拟.通过系统的公式推导描述了模型的构建过程,给出了应变软化阶段界面剪切刚度计算表达式.通过对界面直剪试验结果的模拟初步验证了模型的拟合能力.