土工环剪仪的开发及其应用研究现状

在回顾国内外有关土工环剪仪研发及其应用研究工作的基础上,介绍了环剪试验设备的开发历程以及当今国际上对环剪试验系统研制方面的最新进展。总结了环剪仪在土工研究工作中的应用情况以及新的试验方法和测试技术等。着重阐述了利用环剪试验在对土峰后应变软化现象与残余强度分析、土的剪切带形成机制试验研究、地质灾害成因机制分析以及土工合成材料界面抗剪强度测定等方面研究中的主要内容、方法和成果。

土工格栅拉拔试验及筋材摩擦受力特性研究

土工格栅与土的相互作用特性是影响土工格栅加筋结构稳定性的重要因素。通过室内拉拔试验,针对不同的上覆荷载,对土工格栅受拉时表面摩擦力分布特征进行了研究。试验结果表明,格栅表面摩擦力沿着格栅纵向逐渐向后传递,并在拉拔的前期增长明显,后期趋于一个稳定值;利用S型曲线模拟了土工格栅的应变与拉拔时间的相关关系。通过不同埋设位置的检测点所得到的格栅即时应变数据,拟合出格栅的三维应变曲面ε(x,t);对格栅表面上的摩擦力进行全段积分,得到格栅拉拔力的时程函数T(t)。该试验结果对土工格栅加筋结构设计具有一定的参考价值。

采用环剪仪对超固结黏土抗剪强度特性的研究

利用大型高速环剪仪,对不同超固结比、法向应力和剪切速率下的超固结饱和黏土的峰值强度和残余强度特性进行了研究,并对循环荷载作用前后残余强度的变化进行了初步探讨。试验结果表明,(1)超固结比对超固结黏土的峰值强度和残余强度有着明显的影响;(2)在剪切速率相同的条件下,土体达到残余强度时的位移取决于现存的应力状态,而与应力历史无关;(3)剪切速率越大,峰值强度随之增大,达到稳定残余强度时的剪切位移也随之增加,但剪切速率的变化对残余强度值几乎没有影响;(4)在循环荷载作用下残余强度不同程度的降低,最大降低幅度达12.2%;当土体剪切面为不规则剪切带时,施加循环荷载后出现残余强度上升的现象。

初始应力条件对松砂动力变形特性影响的试验研究

实际建筑物地基或土坡中土体在地震或波浪等复杂动力荷载作用前往往处于复杂的初始应力状态,而常规的土工动力试验通常无法再现这种复杂固结应力条件下土的动力特性。利用最新研制开发的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,针对福建标准砂(Dr=30%),进行了循环扭剪试验,探讨了初始主应力方向角α0和初始偏应力比η0等初始固结条件对松砂动剪切模量G和阻尼比ξ等动力变形特性的影响。

重塑非饱和黏土的土-水特征曲线及其影响因素研究

采用常规压力板仪和GDS非饱和土三轴仪,详细研究了击实功、击实含水率、干密度、应力历史和试样应力状态5种因素对非饱和重塑黏土土-水特征曲线的影响。并采用Van Genuchten模型、Fredlund 3参数模型和Fredlund 4参数模型,通过最小二乘法对所测土-水特征曲线进行拟合。结果表明,这3种模型均可对土-水特征曲线进行较好的拟合。通过对这个5种不同影响因素的分析,发现不仅试样本身物理状态而且试样外部应力状态都对土-水特征曲线有重要的影响,即击实功越大、击实含水率越高、干密度越大、试样的应力历史越大、所受净平均应力越高,则试样的进气值越高,水越难从试样中排出。在较高的基质吸力范围内,各种因素对土-水特征曲线的影响作用有减小的趋势。通过Fredlund3参数模型和Fredlund 4参数模型的残余含水率对比分析可知,残余含水率对模型的参数值影响不大,即假定残余含水率θr为0是合理的。

非饱和粉土静、动强度对比试验研究

针对非饱和重塑粉土,利用改进的可控制吸力式非饱和土静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,进行了多组固结排水非饱和土静、动三轴试验,探讨了非饱和粉土静、动强度特性,分析了粉土静三轴强度随固结压力、吸力变化的规律,以及动强度随固结压力、吸力以及破坏振动次数变化的规律,研究表明粉土静、动强度之间具有很强的相关性。最后,通过归一化处理提出了利用粉土的静三轴强度推求相应的动力强度曲线的公式,从而达到在非饱和土地基稳定性分析中减少工作量的目的。

倾斜荷载作用下桶形基础承载力特性研究

针对吸力式桶形基础结构,借助大型通用有限元软件ABAQUS平台,建立了均质软黏土地基上倾斜荷载作用的三维弹塑性有限元计算模型。通过系统地计算分析,得到了单个倾斜荷载分量作用下桶形基础的承载力特性及其破坏机制。进一步研究了水平倾斜荷载与竖向倾斜荷载共同作用下的桶形基础承载性能,得到了该倾斜荷载加载方式作用下桶形基础在V-H平面内的破坏包络面,依此建立了倾斜荷载与偏心距e之间的三维破坏包络曲面。计算结果表明,偏心距e对竖向倾斜承载力的影响相对水平倾斜承载力较大;桶形基础承载性能随着偏心距e的增大而减小。

初始中主应力系数对中密粉煤灰动模量阻尼比影响的试验研究

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,开展了在三向非均等固结状态下的饱和中密粉煤灰循环扭剪试验。着重探讨了初始中主应力系数对饱和中密粉煤灰的动模量和阻尼比特性的影响。试验结果表明:初始中主应力系数对粉煤灰动剪切模量有一定的影响,对阻尼比没有影响。根据仪器量测系统的特点,采用了大小位移计联合测量角位移的方法,不仅能够提高测试精度,而且能够获得完整的动模量和阻尼比随动剪应变幅值的变化过程。

黄河三角洲粉土循环剪切特性的试验研究

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,对黄河三角洲埕北海域原状粉土试样进行了循环三轴和循环扭剪试验,以此探讨了原状海底粉土的动力变形与强度特性,确定了最大动剪切模量及动力变形参数随剪应变的变化规律。基于循环三轴试验结果,建立了残余孔隙水压力发展变化规律的双曲线经验模式,对动强度关于循环次数的依赖性提出了经验关系,确定了有关试验参数及其关于固结应力比的依赖性。与循环三轴试验结果相对比,认为在土工抗震设计中采用循环三轴试验结果稍偏于保守。

落锥法确定粉土液限和塑限的试验研究

针对部分细粒土进行了室内落锥法确定液限和塑限的试验研究,试验结果表明:对于一些细粒土在双对数坐标上圆锥下沉深度与含水率之间的关系并非线性关系,无法依据线性关系确定液、塑限;采用规程建议的3个含水率范围有时根本无法获得有效试验数据,采用规程建议的3个含水率范围确定得到粉土的液、塑限试验结果的可靠性有待商榷;采用直线段试验数据确定的液、塑限进行分类可能出现相互矛盾甚至错误的结果。进一步试验结果表明:对于黏粒含量高于13%的粉土,由于其抗剪强度以凝聚分量为主,落锥法适用,所测塑性指数能够反映其可塑性;对于部分黏粒含量低于13%的粉土及外观接近粉土的粉砂,由于其抗剪强度以颗粒间摩擦分量为主,落锥法不再适用,所测塑性指数不能反映其可塑性。

超固结黏土单调和耦合循环的剪切特性研究

针对超固结黏土空心试样,利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在均等固结条件下进行了单调扭剪和三轴-扭转耦合循环剪切试验。试验结果表明:不同超固结比黏土的单调扭剪强度也可由正常固结黏土的单调扭剪强度得到,得到了不同超固结比下饱和黏土的强度及模量的退化规律;随着超固结比的增大,相同破坏循环次数的动应力比和临界循环应力比均线性增大;超固结比对耦合循环剪切的孔隙水压力的发展模式影响显著。参考Yasuhara的测量方法,采用荷载停止后继续采集孔压的方法可以更好地反映黏土在耦合循环荷载下产生的真实孔压和孔压的增长情况。提出的综合应变式同时考虑了剪切变化和正向偏差变形的共同效应,适合作为主应力连续旋转的耦合循环剪切试验的破坏标准。

应力历史对饱和砂土力学性状影响的试验研究

三向应力历史条件的影响是准确预测地基变形的重要参考因素之一。针对相对密度为30%的福建标准砂,利用土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪,进行了复杂条件下应力路径变化的应力控制式单调排水剪切试验。通过控制试验过程的平均主应力保持不变,改变应力历史条件,着重探讨应力历史对饱和砂土剪切强度和应力-应变关系的影响。试验结果表明:当平均主应力一定时,在排水条件下应力历史的改变,对砂土的剪切强度几乎没有影响,但会影响应力-应变特性。弹性轨迹随着中主应力系数和主应力方向角历史的不同而发生变化。引入考虑应力历史同剪切过程之间条件变化的参数,结合试验数据,给出了三维空间中砂土受到应力历史作用后形成的弹性边界的关系表达式。

加筋陡坡临界高度的影响因素敏感性研究

基于塑性极限分析的上限定理,利用自编程序,分别计算了不同坡脚、顶面倾角、内摩擦角、黏聚力、筋带抗拉强度、加筋间距、格栅布置方式、填土重度、地震烈度、顶部荷载共10种影响因素作用下加筋陡坡的临界极限高度。根据正交分析方法给出了各个因素的敏感性顺序。结果显示,土的内摩擦角和地震作用对陡坡临界高度的影响最为显著,黏聚力敏感性则较缓坡有所下降。因此,对陡坡应重视对土的内摩擦角的选取,并在设计中对地震作用予以重视。

复合加载情况下双层地基极限承载力研究

在复合加载情况下精确求解层状非均质地基的极限承载力,具有很强的工程实用与理论参考价值。基于土体极限平衡理论与通用有限元软件ABAQUS,针对复合加载情况下上硬下软的双层不排水饱和软黏土地基的极限承载力,进行了大量的数值计算,得出了上层土临界深度Hcr的计算公式、竖向极限承载力Pv的计算公式以及复合加载情况下地基破坏时的破坏包络面方程。研究结果表明:上层土临界深度Hcr取决于土层间强度比Su1/Su2;竖向极限承载力Pv与破坏包络面取决于土层间强度比Su1/Su2、上层土深度H1与基础型式。

全长注浆岩石锚杆中性点影响因素分析研究

中性点理论是地下工程锚固理论中的重要理论,但目前对于中性点位置的确定计算公式存在不合理之处。在前人工作的基础上,对中性点理论进行了完善和改进。在建立的锚杆解析本构模型的基础上,结合中性点理论中锚杆中性点位置处的摩阻力为0的思想,对影响中性点位置的因素进行了较详细的分析,得出了影响锚杆中性点位置的相关因素。通过分析研究得到,静水垂直主应力、锚杆长度、锚杆行间距等3个因素对锚杆中性点的位置没有影响,而洞室半径、岩体弹性模量、锚杆弹性模量、锚杆直径等4个因素对其有显著的影响。其中,洞室半径、锚杆直径与中性点位置基本呈线性函数关系,而岩体弹性模量、锚杆弹性模量与中性点位置呈指数函数关系,岩体弹性模量与中性点位置呈递减指数函数关系,锚杆弹性模量与中性点位置呈递增指数函数关系。通过对这些因素的分析,得出了锚杆中性点位置与相关参数之间的统一函数关系,为进一步研究中性点理论提供了一定的参考意义。

挡土墙土压力非线性分布的计算方法研究

基于数学方法对斜单元体进行力和力矩的平衡分析,得到了墙背粗糙且填土坡面倾斜情况下的土压力解析解,并进一步分析了填土坡面倾角对土压力的影响。对比分析表明:经典朗肯土压力理论可看作是解析解在墙背光滑、填土坡面水平情况下的特例;在填土内摩擦角一定时,挡土墙墙后滑动楔体的极限破裂角随着填土坡面倾角或墙土之间摩擦角的增大而减小。基于解析解得到的土压力分布呈现明显的非线性特征,且在填土面水平情况下挡土墙墙脚处的土压力为0,这与实测数据取得了很好的一致。分析还表明,随着填土坡面倾角的增大,墙脚处的土压力不再接近0反而越来越大。文中的求解方法还可进一步拓展至探求填土为粘性土情况下挡土墙上土压力的解析解。

非饱和黏土动力特性及等价黏弹性模型的试验研究

针对非饱和重塑黏土,利用改进的非饱和土静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在固结排水(CD)条件下进行了应力控制式分级加载的循环三轴试验,通过对试验结果的对比分析,探讨了初始固结压力和基质吸力(孔隙气压力Ua与孔隙水压力Uw之差)对非饱和土动应力-动应变关系特性的影响。以此为基础,将Hardin-Drnerich等价黏弹性模型和Masing加卸载准则进行了改进,并得到了可以考虑基质吸力的非饱和黏土的等价黏弹性模型。进而对试验数据与模型预测结果进行比较,结果表明这种改进的非饱和土等价黏弹性模型能较好预测各种基质吸力下非饱和土的动应力-动应变关系。

复杂应力条件下饱和砂土单调剪切特性的试验研究

利用土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪,针对相对密度为30%的福建标准砂,进行了复杂初始固结条件下应力路径变化的应力控制式单调排水与不排水剪切试验。控制试验过程的平均主应力保持不变,变化中主应力系数和主应力方向,分别探讨在不同排水条件下中主应力系数和主应力方向对饱和砂土剪切特性的影响。通过对比表明:与排水条件无关,中主应力系数对归一化的应力-应变关系具有影响,但对体变或孔压的影响并不明显。初始条件相同,偏应力比随中主应力系数的增大而降低。主应力方向的影响同样显著,排水试验的主应力方向角不同时应力-应变关系所表现出的变化规律取决于水平面与竖直面上受到的剪应力作用。不排水试验的峰值有效偏应力比随着主应力方向角的增大而减小。

复杂应力条件下饱和砂土排水剪切强度的试验研究

针对相对密度为30%的福建标准砂,利用土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪,在不同初始固结条件下控制试验过程的平均主应力保持不变,改变中主应力系数和主应力方向,进行了应力控制式单调排水剪切试验,着重探讨中主应力系数和主应力方向对砂土剪切强度的耦合影响。试验结果表明:在相同的试验条件下,中主应力系数对饱和标准砂的应力-应变关系具有影响,但对体变特性的影响并不明显。上述现象同初始固结应力比的大小无关。平均主应力一定,广义剪应力随中主应力系数增大而降低的趋势同时依赖于主应力方向的作用。中主应力系数对内摩擦角的放大效应同样受到主应力方向的影响。基于广义双剪应力准则,引入考虑主应力方向影响程度的权重系数,结合试验结果给出了考虑中主应力系数和主应力方向耦合影响的强度指标表达式。

复合加载情况下非均质地基上条形基础的极限承载力研究

复合加载情况下精确求解非均质地基上条形基础的极限承载力以及评价影响极限承载力的相关因素,具有很强的工程实用与理论参考价值。基于极限平衡原理,在Mohr-Coulomb破坏准则的基础上,将非均质地基上条形基础极限承载力问题等价为一个边界待定的泛函极值问题。利用变分原理得到与平衡方程相等价的积分约束条件以及相应的欧拉方程与横截条件。引入问题边界条件,利用VC++6.0编制了数值计算程序,求得了复合加载情况下非均质地基破坏时的滑裂面函数与破坏包络曲线。从理论上研究了土体内摩擦角、土体黏聚力、土层强度比与地下水位变化等因素对地基破坏包络曲线的影响。研究结果表明,其解答是地基极限承载力真实解的某一最小上限。