考虑主应力轴旋转效应的交通荷载下饱和软黏土变形特性试验研究

 采用空心圆柱扭剪仪对原状饱和软黏土开展交通荷载诱发主应力幅值与主应力轴旋转耦合加载路径下的不排水试验研究。通过与循环三轴压缩试验对比,探讨主应力轴旋转对孔压、变形和应力–应变的影响。分析广义剪应力对循环刚度和非共轴性的影响。试验结果表明,相比较循环三轴试验,交通荷载应力路径下所诱发的主应力轴旋转使孔压和应变显著变大,应力–应变滞回圈刚度显著弱化。循环耦合加载路径下,存在剪切应力–应变和正偏应力–应变2种响应,应力–应变刚度呈现各向异性弱(强)化,应变增量矢量有显著的非共轴性,非共轴性有显著分段特征。较低剪应力水平下,应变路径轨迹趋于稳定,循环刚度表现为强化,非共轴性趋于增大;而较高剪应力水平下,应变路径轨迹趋于破坏,随循环弱化,非共轴性减小。     

不同波形下饱和黏土耦合循环剪切特性的对比研究

海洋波浪荷载在海床内土体中引起的动应力的特点是动应力幅恒定,动主应力方向连续旋转。利用土工静力–动力液压三轴–扭剪多功能扭剪仪模拟海洋波浪的加载形式,针对饱和黏土进行了竖向和扭转耦合循环剪切试验,着重对比研究了在正弦波和三角波两种不同波形条件下饱和黏土的动强度、变形特性、广义临界循环应力比与应力洛德参数。研究表明:在相同破坏振次条件下,正弦波耦合试验比三角波的动强度小,且动剪应力越小,两者动强度的相对降低也越少;在相同动剪应力幅值下正弦波耦合循环剪切的变形大于三角波的变形;耦合循环剪切试验中的广义临界循环应力比受波形的影响,正弦波的广义临界循环应力比小于三角波的;应力洛德参数的变化曲线在不同波形下也有所不同。     

深埋大理岩强度参数变化规律的综合试验研究

 深部岩体强度参数的研究相当复杂,与研究尺度、应力状态、应力路径都有关系。以锦屏二级水电站深埋引水隧洞T2b大理岩为研究对象,开展室内标准尺寸岩块岩样、中等尺寸岩石岩样和大尺寸岩体岩样在低–中、中–高、高–极高应力水平下的三轴加、卸载试验,探讨深部岩体强度参数的应力水平效应、应力路径效应和尺寸效应。取得以下成果：(1) 获得室内标准尺寸、中等尺寸和大尺寸大理岩岩样在加、卸载应力路径下低–中、中–高、高–极高应力水平下的10组强度参数;(2) 大理岩抗剪强度参数随应力水平的变化规律基本相同：随着应力水平的提高, 值逐渐减小、c值逐渐增大,但是,不同尺寸和不同应力路径下, 值和c值随围压应力水平的变化幅度并不相同;(3) 相对加载条件,卸载路径下岩体强度参数 值增加,c值减小;(4) 在 50 mm×100 mm至500 mm×500 mm×1 000 mm尺度范围内,大理岩强度参数 值的尺寸效应不明显,而c值的尺寸效应显著。     

渗透压–应力耦合作用下砂岩渗透率与变形关联性三轴试验研究

 为了探讨渗透压–应力耦合作用下岩石渗透率与变形的关联性,采用岩石伺服三轴试验系统,在不同围压和渗透压条件下,利用稳态法对砂岩全应力–应变过程进行渗透率试验研究。根据试样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析全应力–应变过程中试样渗透率随其脆性、延性变化的特点及渗透率–轴向应变和渗透率–体积应变之间的关联性。试验结果表明：(1) 在渗透压–应力耦合作用下,试样初始渗透率、峰值强度随着围压与渗透压的改变而改变。(2) 在渗流场–应力场耦合作用下连续加载的全应力–应变过程中,渗透率先随着轴向应变的增大而逐渐减小,进入弹塑性阶段后,渗透率变化曲线随围压变化呈现增大、持平及减小3个不同趋势。其中,渗透率曲线持平的现象为三轴渗透试验研究中的新现象。(3) 围压较高时,若形成局部压缩带,则试样进入弹塑性阶段后,渗透率的变化趋势是由岩石微裂隙的萌生、扩展与岩石骨架颗粒压碎这2个主要因素共同决定的。(4) 岩石微裂隙的萌生、扩展对渗透率增大起积极作用,岩石骨架颗粒压碎形成的压缩带对渗透率增大起抑制作用。(5) 岩石进入塑性阶段后,随围压增大,渗透率由上升趋势转变为下降趋势的现象先于脆–延转换的临界状态发生。(6) 岩石的体积应变对渗透率有一定影响,在脆–延转换阶段存在体积应变增大而渗透率减小的现象,这需要其他能够更精确地测量体积应变变化的试验进一步验证。     

不同应力路径下灰砂岩力学特性与强度参数研究

基于常规岩石力学试验设备与自行研制的岩石空心圆柱扭剪试验系统,开展灰砂岩直剪试验、常规三轴压缩试验与空心圆柱三轴压缩(内外压相等与内外压不等)试验,研究不同应力路径下岩石的力学特性和强度参数。通过比较常规三轴压缩试验与空心圆柱三轴压缩(内外压相等)试验结果,验证了岩石空心圆柱扭剪试验系统以及采用空心圆柱试样进行试验的可行性,内外压不等的空心圆柱三轴压缩试验可以反映中间主应力对强度参数的影响。通过比较不同类型试验获取的灰砂岩强度参数,认为按D-P准则整理的岩石空心圆柱三轴压缩(内外压不等)试验数据,获取的强度参数能合理地反映应力状态和应力路径的影响。     

应力主轴循环旋转对砂土变形特性的影响(英文)

采用香港科技大学的空心圆柱扭剪仪进行了应力主轴固定单调剪切和应力主轴循环旋转两种不同路径的排水试验。通过应力主轴固定单调剪切试验分析了所制作砂样的初始各向异性特性。在应力主轴循环旋转试验中,控制施加在试样上的3个有效主应力的大小不变,仅应力主轴在0°～180°循环旋转。着重分析了4个应变分量及体应变随应力主轴循环旋转周数的变化关系、剪应力剪应变关系以及所施加的剪应力水平和有效球应力在应力主轴循环旋转过程中对砂土变形特性的影响。     

气动式四向控制空心圆柱扭剪仪的研制与应用

上海交通大学既有的空心圆柱扭剪仪只有扭矩可以进行动态控制,可进行动剪应力扭剪试验。为了研究应力主轴旋转对土体力学特性的影响规律,在仪器采用应力控制模式和考虑经济性的前提下,对既有空心圆柱扭剪仪进行气动化改造,使之具备轴力、扭矩和内外围压都可以独立自动控制的四向振动能力。首先介绍改造后仪器(SJTU-HCA)的组成和技术参数,梳理了气动控制相比于液压控制的优点,推导了进行主轴固定单调剪切试验和纯应力主轴循环旋转试验的基本公式,并且设计了仪器控制程序和自动控制算法。通过对砂土任意主应力角的主轴固定单调剪切试验,初步验证了仪器的静态加载能力。通过保持偏应力q、平均主应力p和中主应力参数b这3个控制参数下的纯应力主轴循环旋转试验,验证了仪器的动态加载能力,说明了改造后仪器具备各种复杂应力路径的工作能力。气动式改造经验可为今后研发土工仪器设备提供参考。     

低剪应力水平主应力轴循环旋转对原状黏土性状影响研究

 为研究低剪应力水平主应力轴循环路径可能对黏土性状产生的影响,以杭州地区典型原状软黏土为对象开展试验研究。结果表明,试样在安全极限剪应力水平下进行剪应力恒定的多振次主应力轴循环旋转后(含单幅和双幅旋转),应变及孔隙水压力发展进入动态平衡,瞬时等效刚度和孔隙水压力值主要取决于剪应力中的扭剪应力分量,而轴向应力分量对两值亦有促进作用。进入主应力轴循环旋转动态平衡的试样在卸载后进行后续静态剪切时,应力–应变关系将表现出明显的刚度硬化特征,其中尤以三轴压缩过程中强度发挥程度提前的现象最为显著。同时,由于主应力轴循环旋转导致试样残余应变的积累及结构上的变化,使得试样在后续三轴压缩试验初期产生的主应变增量与主应力增量方向不共轴特性较为明显。但低于安全极限剪应力水平的主应力轴循环旋转未对试样的静态抗剪强度以及临界孔隙水压力产生显著影响。     

复杂应力下两种胶结颗粒微观力学模型的试验研究

将胶结颗粒理想化为两铝棒在指定位置处形成胶结,根据铝棒间胶结物厚度的不同,分别定义为有厚度胶结颗粒和无厚度胶结颗粒,对上述两种胶结颗粒进行一系列力学试验（包括：拉伸、压缩、压剪、压扭和复杂应力试验）,从而对理想胶结颗粒的微观力学特性进行试验研究。试验结果表明：胶结厚度和法向压力对胶结颗粒的力学性能影响显著,随着胶结厚度的增大,试样的抗拉强度和延性均增大,其抗压特性由塑性硬化向塑性软化转变。无厚度试样抗剪和抗扭强度始终随法向压力的增大而增大,而有厚度试样则先随法向压力的增大而增大,当法向压力超过某一数值后,其强度又随着法向压力的增大而减小。在三维应力空间中（法向压力–扭矩–剪力）无厚度胶结颗粒的强度包线呈椭圆抛物面状,而有厚度胶结颗粒强度包线呈水滴状。     

等向应力下原状黄土的压缩及增湿变形特性研究

 用非饱和土三轴剪切渗透仪,在等向应力条件下对原状黄土进行增湿–加载,加载–增湿及加载–增湿–加载3个系列加载增湿路径试验,分析吸力对压缩变形和加载屈服特性的影响,探讨增湿时应力对变形及屈服特性的影响,通过对单线法及双线法的试验结果对比,确认原状黄土的增湿体积变形与加载增湿路径有关,加载及增湿屈服线不具有唯一性,进而提出等向应力条件下原状黄土的弹塑性体变模型。研究结果表明：吸力及应力分别对屈服前压缩及增湿变形特性指标几乎没有影响,而对屈服后的指标皆有明显的影响;单线法与双线法确定的增湿体积变形皆随应力的增大而先增大后减小,峰值点处应力与吸力丧失程度及加载增湿路径无关,且近似等于天然状态土样的初始屈服应力;增湿变形与加载增湿路径有关,单线法的值比双线法确定的值小,差值随增湿程度增大而减小,增湿至饱和时2种方法确定的湿陷变形近似相等。对于相同的塑性体应变,吸力减小屈服线位于加载屈服线之下方,二者随塑性体应变的增大而耦合联动扩大。提出的弹塑性体变模型可以较好地预测不同吸力下的压缩变形,比采用唯一加载湿陷屈服线的模型更好地预测不同应力下增湿变形。     

主应力方向循环变化对饱和松砂不排水动力特性的影响

利用新研制的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪进行了主应力轴循环变化的多种模式竖向和扭转双向耦合循环剪切及普通循环扭剪试验。针对福建标准砂, 在均等固结条件下着重研究了振动过程中主应力方向的不同变化模式对饱和松砂不排水循环特性的影响。试验研究结果表明: 振动过程中主应力方向的变化方式对饱和砂土不排水动强度具有显著的影响, 在所采用的五种类型循环剪切应力路径中, 主应力方向连续旋转条件下的动强度最低。进一步的研究发现: 对于初始均等固结条件,分别采用初始平均有效固结压力和循环破坏次数归一化的循环孔隙水压力比与循环次数比之间的关系与振动过程中主应力方向变化方式无关, 这种归一化循环孔隙水压力比随广义剪应变的变化规律及累积广义剪应变与循环次数比之间关系均与振动过程中主应力方向变化方式无关。     

主应力方向变化对松砂不排水动强度特性的影响

针对相对密度为Dr=30%的福建标准砂,利用新研制的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪进行了扭转和竖向循环耦合剪切试验和循环扭剪试验。通过对比三向非均等固结条件下的两类试验结果,着重研究了初始主应力方向变化和振动过程中主应力方向连续变化对松砂的动强度特性的影响。     

交通荷载应力路径下K_0固结软黏土变形特性试验研究

交通荷载作用下,软黏土路基土单元体上所受主应力的大小和方向是同时变化的,即在剪应力幅值改变的同时主应力轴连续旋转。针对该问题,利用GDS空心圆柱系统对K_0固结天然温州软黏土进行不排水大数目(10000次)循环扭剪试验,分析了K_0固结软黏土在考虑主应力轴旋转时不同动应力水平下的应变特性。试验结果表明:主应力轴旋转的存在将使土体内产生更高的孔压,并在轴向上产生额外变形,且随着扭剪应力的等幅增加,竖向应变和孔压的增加量将越来越大。考虑主应力轴旋转时不同动应力水平下K_0固结软黏土的变形发展模式有所不同,可由安定理论进行解释。确定了考虑主应力轴旋转下K_0固结温州软黏土的临界动应力水平——即门槛循环应力比、容许循环应力比和临界循环应力比的范围。提出可将容许循环应力比作为道路工程沉降控制的准则。与三轴试验结果相比,考虑主应力轴旋转时,道路设计中对动应力的控制应更为严格。     

复杂应力条件下饱和松砂振动孔隙水压力增长的能量模式

利用新研制的土工静力–动力液压三轴–扭转多功能剪切仪,针对相对密度为30%的饱和福建标准砂,进行了均等固结条件下的不排水循环单向剪切以及轴向和扭转双向耦合循环剪切等多种复杂循环剪切试验,并在控制不同的初始固结参数的三向非均等固结状态下,进行了循环扭剪试验。分别研究了循环剪切应力路径、初始主应力方向、初始偏应力比、初始中主应力系数等因素对孔压与累积耗散能关系的影响。初步建立了复杂应力条件下饱和松砂的孔隙水压力增长的能量模式。     

砂土非共轴特性的本构模拟

传统的本构理论隐含了应力和塑性应变率的共轴条件,无法客观描述主应力轴旋转试验中的非共轴现象。因此,在已有的本构模型中引入非共轴塑性流动理论来描述这种非共轴现象,并对形状函数进行了修正。通过对真三轴试验、单剪试验和空心圆柱试验进行数值模拟,表明修正后的形状函数能够更好地描述砂土在真三维状态下的变形特性,更重要的是非共轴理论的引入使得模型能够合理预测主应力轴旋转过程中主应力和主应变率的方向变化规律。     

主应力轴旋转下(b=0.5)原状软黏土孔压特性

采用浙江大学空心圆柱扭剪仪(ZJU-HCA),对杭州原状软黏土进行固结不排水主应力轴旋转试验,探讨剪应力变化、初始剪应力水平高低及主应力轴正向和逆向旋转对黏土孔隙水压力(简称孔压)发展的影响。试验中保持平均主应力不变,中主应力系数b=0.5。试验结果表明:定向剪切产生的孔压主要受剪应力控制;用双重屈服面理论得到孔压系数,结合孔压线性拟合结果发现,若初始剪应力低于峰值剪应力,体积屈服面函数不受主应力轴旋转影响;若初始剪应力接近峰值剪应力,主应力轴开始旋转时的孔压上升速率相对较高,但后期孔压反而会下降;纯主应力轴旋转过程中的孔压上升速率主要受初始剪应力大小控制。主应力轴正向旋转较逆向旋转产生的孔压小;主应力轴逆向旋转相对正向旋转对整个剪切过程的孔压发展有较大影响。     

基坑土体卸荷剪切模量真三轴试验研究

通过对基坑土体真三轴卸荷不排水试验结果的分析,研究了由广义虎克定律推导出的土体广义剪应力与广义剪应变的关系,并根据土体实际应力路径定义了中主应力系数,推导了基坑土体卸荷切线剪切模量计算公式。研究表明:土体广义剪应力与广义剪应变关系曲线呈明显的非线性,中主应力对土体强度的影响存在区间效应。在中主应力σ2的数值由σ3逐步增加到σ1的过程中,土体的强度逐步提高到一定峰值后,再逐步减小。     

静力与动力组合应力条件下饱和松砂变形特性的试验研究

利用大连理工大学新引进与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,在相对密度为Dr=3 0 %的松散状态下,在不同的三向非均等固结应力状态下进行了应力控制式循环扭剪试验和竖向-扭转耦合剪切试验,通过对比试验结果着重探讨了初始固结主应力方向与循环应力变化模式对饱和松砂动应力-应变关系特性的影响,并采用相对有效应力比峰值与广义剪应变作为参变量对应力-应变模式进行了探讨。试验结果表明,相对有效应力比峰值与广义剪应变之间符合良好的双曲线关系,初始固结主应力方向对砂土的应力-应变关系特性具有不容忽视的影响。