筑坝堆石料三轴剪切特性及变形破坏试验研究

为研究不同围压下筑坝堆石料强度及变形特性,利用室内大型三轴压缩试验机进行试验,分析不同围压下筑坝堆石料应力-应变特性、非线性抗剪强度指标及剪胀性的变化规律,探讨Rowe剪胀方程对筑坝堆石料剪胀变形特性的适用性,并揭示其变形破坏机理。试验结果表明：中低围压下,筑坝堆石料应力-应变曲线呈软化趋势,而高围压下则呈硬化特征。非线性抗剪强度指标随围压的增大而逐渐降低。筑坝堆石料在低围压下先发生剪缩后发生剪胀,中高围压下则发生剪缩,且围压越大,剪缩特征越明显。Rowe剪胀方程可适用于表征筑坝堆石料的剪胀变形特性。高围压下引起的颗粒破碎现象是影响筑坝堆石料变形破坏的重要因素,颗粒破碎率越大,剪胀率越小。     

粗粒土体变规律大型三轴试验研究

采用粗粒土大型三轴剪切仪,对饱和粗粒土进行固结排水剪切试验,提出了拟合三轴剪切试验中轴向应变与侧向应变的函数方程,利用此关系式对三轴试验中试样的体积应变进行了预测。预测结果表明：改进模型能合理地描述粗粒土的体积应变规律,尤其是高围压下剪缩、低围压下剪胀的特性。由体积应变方程导出以轴向应变为自变量的切线泊松比表达式,通过与邓肯张模型及由数值方法求得的切线泊松比对比,讨论了该表达式的合理性。     

含石量对砂卵石土的颗粒破碎及强度与变形的影响研究

为探究含石量对不同围压下砂卵石土的颗粒破碎及抗剪强度与变形特性的影响,利用室内大型三轴试验仪开展了固结排水剪切试验。试验设计了0~100%之间5级含石量,在0.5 MPa、1.5 MPa、2.5 MPa三种不同围压条件下进行固结排水三轴剪切试验。基于试验结果,分析了含石量及围压对砂卵石土抗剪强度和剪胀、剪缩特性的影响,并分析了相应的颗粒破碎情况。试验结果表明,在相同含石量下,砂卵石土抗剪强度随着围压的升高不断增加,体变初期表现为明显剪缩,之后剪胀性随围压升高而降低,颗粒破碎率随围压升高而增加;在相同围压下,含石量在50%~75%时,颗粒破碎率最大,并出现最大抗剪强度,而围压越高,试样剪胀越不明显。     

密实度对砂卵砾石料强度及变形特性的影响

为研究试样相对密度对砂卵砾石料强度及变形特性的影响,对4组不同相对密度的砂卵砾石料进行不同围压下的中型三轴固结排水剪切试验。试验结果表明:在试验的相对密度范围内,随着围压增大,相对密度小的试样应力应变曲线硬化特征逐渐明显,而相对密度大的试样无论围压大小,应力应变曲线都呈应变软化型;试样在剪切过程中均表现出不同程度的剪胀性;试样抗剪强度指标φ和φ0随着试样相对密度Dr增大而增大,c和Δφ随Dr增大而减小,并建立了试样抗剪强度与相对密度的函数关系式;割线模量、切线体积模量都随Dr增大而增大,可近似用线性关系表示。     

粗粒料工程力学性质的细观模拟

以三维离散元颗粒流理论为基础,PFC3D_EV为工具,改进内置程序代码,对比粗粒料室内三轴固结排水试验结果,生成颗粒接触点数均匀、各向同性应力相同的三轴试验数值模型。引入clump颗粒提高了数值试样内部颗粒形状的复杂度,对比了不同围压下数值试验应力-应变曲线、变形曲线与室内试验的差异,并探讨了剪切带发展规律及颗粒形状对粗粒料强度、变形特性的影响。结果表明:颗粒形状是影响粗粒料工程力学特性的主要因素,提高试样内部颗粒形状的复杂性可获得与物理试验拟合较好的应力-应变曲线;数值模型暂无法实现颗粒破碎状态,造成大应变时剪胀偏大;位移场发展变化过程显示应变软化加速了剪切带的形成;高围压下剪切带明显,且围压越高厚度越薄。     

湿陷性黄土的结构性参数本构模型

本文通过黄土的三轴剪切试验，基于综合结构势的概念，建立了一个能够反映湿陷性黄土含水状态、应力状态和应变状态影响的结构性参数数学表达式。将结构性参数引入剪应力剪应变关系分析中，得到了考虑黄土结构性的应力应变关系。试验揭示了湿陷性黄土具有剪缩剪胀性，表明应力比与剪缩剪胀应变比之间具有良好的线性关系；固结围压越大，剪缩剪胀临界点的应力比越大，含水率越大，剪缩剪胀临界点的应力比越小。最终，建立了反映黄土结构性变化、应力应变软化与硬化、剪缩剪胀变形特性的本构模型。通过本构关系描述湿陷性黄土的应力应变发展过程，得到了与试验结果一致的变化曲线。     

三维应力下密度对粗粒料力学特性的影响

通过4种不同初始干密度的粗粒料大型真三轴等小主应力、等比例加载固结排水剪切试验,研究了密度对三维应力状态下粗粒料力学特性的影响。试验结果表明:小主应力一定时,随着初始干密度的增大,应力曲线逐渐升高变陡,软化性增强,体缩变形减小,剪胀性增强。体变增量与大主应力方向应变增量之比即体变增量比随初始干密度的增大而减小,体变增量比从一正值逐渐减小趋向于0但>0时为应变硬化型;若体变增量比从正值减小到负值,体变从压缩变为膨胀,为应变软化型;到最小值时,体胀变形发展最快,应力达到峰值,对应于破坏状态。孔隙比随平均正应力的增大而单调减小,为硬化型曲线;若孔隙比先减小后增大,为软化型曲线;随着初始干密度的增大,孔隙比降低幅度减小,体缩变形减小,硬化性减弱。强度随初始干密度或小主应力的增大基本呈线性增大。研究成果对充分认识粗粒料的力学性能并科学进行应力变形分析、合理开展设计施工提供参考。     

粗粒土三轴压缩试验的颗粒流模拟

基于粗粒土室内三轴压缩试验结果和离散元的基本理论,利用颗粒流程序PFC3D建立三轴压缩试验的数值模型。对比不同围压下数值试验与室内三轴试验的应力~应变曲线、变形曲线的差异,并对产生差异的原因进行了分析。结果表明,数值试验的应力~应变曲线、体积应变~轴向应变关系曲线的变化趋势与室内试验基本一致,但是相较于室内试验,数值试验的峰值强度略低,且剪切后期剪胀偏大。产生差异的原因主要是,数值试样未考虑颗粒形状的影响,且在试验过程中颗粒不会发生破碎。     

堆石料在不同应力路径下的颗粒破碎特性

采用大三轴试验设备,对直径为300 mm、高为600 mm的圆柱体堆石料试样进行了三种不同应力路径的固结排水试验,包括常规三轴压缩试验、等平均应力试验及等向压缩试验,探讨不同应力路径下堆石料的颗粒破碎特性,常规三轴压缩试验围压为200、400、800、1 200 k Pa,等平均应力试验平均应力为200、400、600、800 k Pa。试验结果表明,应力路径对堆石料的颗粒破碎特性有很大的影响。常规三轴压缩试验的应力—应变关系近于双曲线,低围压时试样先剪缩后剪胀、高围压时剪缩;等平均应力试验的应力—应变曲线呈应变软化型,体变表现为先体缩后剪胀。计算得到的颗粒破碎指数表明,等平均应力试验的颗粒破碎最为严重,等向压缩试验的颗粒破碎轻微。     

非饱和路基粘土强度与变形特性的三轴试验研究

压实的路基填土一般处于非饱和状态。然而目前路基设计方法一般是基于经典的饱和土理论,没有反映出路基土的本质。为了模拟路基边坡的慢速失稳破坏,进行了不同围压下控制吸力的固结排水三轴试验,研究了非饱和路基粘土的强度与变形特性。结果表明:非饱和路基粘土的应力~应变曲线均有明显的峰值,变形模量和偏应力峰值均随吸力的增加而增大,峰值过后呈现出明显的应变软化现象;相同吸力下,围压越大,偏应力峰值越高;不同吸力下,随着吸力的增加,表观粘聚力逐渐增大,但是这种增大关系是非线性的,而有效内摩擦角有所减小,但变化不大;非饱和路基粘土试样在剪切过程中一般表现为剪缩。     

围压和密度对粗粒料临界状态力学特性的影响

粗粒料的力学特性不仅取决于有效围压,还与密实程度密切相关。通过4组不同初始干密度粗粒料的大型三轴固结排水剪切试验,研究了围压和密度对粗粒料临界状态力学特性的影响。试验结果表明:软化型应力应变曲线破坏状态偏应力大于相变状态偏应力,而相变状态偏应力与临界状态偏应力较为接近;不同围压、不同密度的试验,随着剪切的进行,偏应力与平均正应力的应力比逐渐趋向于临界应力比,软化型试验应力比曲线呈单驼峰型形态,硬化型试验应力比曲线呈爬升型形态;临界孔隙比随临界平均正应力的增大而减小,随初始孔隙比的增大基本呈线性增大。研究成果可为特征状态参数研究和临界状态本构模型的建立提供依据。     

非饱和花岗岩残积土动力变形特性试验研究

为了探究某高速公路工程中非饱和花岗岩残积土动力荷载作用下的变形特性,以衡阳非饱和花岗岩残积土为研究对象,采用美国GCTS公司的USTX-2000非饱和土/饱和土动静三轴试验系统进行了非饱和动三轴试验,并利用Janbu公式进行了拟合。分析了吸力、净围压等对非饱和花岗岩残积土的变形特性的影响,并对其相应的本构关系及模型参数进行了探讨。结果表明:在吸力一定情况下,动应力应变骨干曲线呈双曲线型,骨干曲线随着净围压增大向上移动,不同净围压情况下,其与吸力未呈明显的相关关系;净围压相同时,非饱和花岗岩残积土的最大动弹性模量随动应变增大而减小;吸力一定条件下,最大动弹性模量随着净围压的增大近似线性增加;相同净围压下,阻尼比随动应变的增大而增大。研究成果为工程地质问题治理提供理论依据。     

非饱和重塑与结构性黄土平面应变试验三维离散元模拟

黄土的宏观力学行为受其微观结构影响显著,为探究非饱和重塑与结构性黄土在平面应变条件下的宏微观力学性质,采用考虑粒间吸引力与化学胶结的非饱和结构性黄土胶结接触模型,开展了非饱和重塑与结构性黄土常含水率条件下的平面应变三维离散元模拟。分析了平面应变条件下不同有效围压对黄土宏观力学行为的影响,并探究其微观机理。模拟结果表明:有效围压对非饱和重塑黄土与结构性黄土应力应变响应影响存在较大差异。非饱和重塑黄土在较小有效围压时呈应变硬化,随有效围压的增大逐步过渡为应变软化,而结构性黄土在不同有效围压下均表现为应变软化,且围压越小,应变软化越显著。在微观尺度上,胶结达到轴向应变2％时开始持续破坏,对于结构性土的峰值应力影响显著;胶结同时会阻碍结构性土各向异性发展。     

考虑黏聚力损失的岩石残余强度模型与数值验证

岩石的峰后力学性质对于维持岩土工程结构的稳定性至关重要,为研究岩石峰后残余强度的确定方法,利用岩石进入残余强度阶段后摩擦力强度增强、黏聚力强度减小的特点,通过假定岩石进入残余变形阶段后黏聚力强度为0,基于HOEK-BROWN破坏准则,建立了一种考虑岩石进入残余强度阶段时黏聚力损失的岩石残余强度模型。用该模型拟合完整粗晶大理岩的室内三轴试验结果,并与已有M-C模型和Joseph模型等方法对比分析,讨论了模型的优势。将该模型嵌入到FLAC3D软件中进行数值模拟验证,结果表明:该岩石残余强度模型能正确反映不同围压条件下岩石力学响应的基本规律,得到的残余强度值与试验结果吻合良好,其随围压变化的拟合曲线符合试验数据拟合结果的特点,即经过原点及高围压条件下未出现应变硬化现象。研究成果对分析岩石残余强度的确定方法具有较强的参考价值或指导意义。     

干湿循环条件下不同初始干密度土体的力学特性

利用应力-应变控制式三轴剪切渗透试验仪,测试了大连地区典型粉质黏土试样干湿循环前后的力学特性。通过对干湿循环前后试样固结不排水剪切试验的应力-应变关系、孔隙水压力和有效应力路径等试验结果的对比分析,探讨了干湿循环对不同初始干密度土体力学特性的影响,结果表明：土体对干湿循环的响应与土体的初始干密度有关。干湿循环使得初始干密度为1.61g/cm3的试样的应力-应变关系曲线由应变硬化转变为应变软化,孔隙水压力的发展由先增加后减小转变为孔压持续增长,循环前后有效应力路径的发展趋势发生了明显变化。初始干密度1.71g/cm3和1.76g/cm3试样干湿循环前后的应力-应变关系曲线形式未发生明显改变,干湿循环致使孔隙水压力的峰值所有增加,剪切初始阶段的有效应力路径位于未循环试样的左侧。干湿循环前后土体的电镜扫描（SEM）试验发现,干湿循环导致土骨架的结构性转变。干湿循环过程中试样内部结构调整和基质吸力的压密作用使得土体的力学特性发生了不可逆转的变化。     

粗粒料湿化变形三轴试验研究

对小浪底斜心墙堆石坝的砂岩粗粒料采用单线法进行中型三轴湿化变形试验,研究了该种土料的湿化变形特性。通过对试验结果和湿化变形规律的分析,总结了湿化轴向应变、湿化体积应变与湿化应力水平、围压之间的关系。试验结果表明,湿化轴向应变与湿化应力水平呈双曲线关系,湿化轴向应变与围压呈线性关系;湿化体积应变与湿化应力水平和围压均为线性关系。根据对试验结果的分析以及计算湿化变形的单线法,提出了一个适用于计算粗粒料湿化变形的数学模型。该湿化变形模型参数共6个,并给出了通过室内常规试验确定参数的方法。对模型进行了验证,结果表明该湿化模型计算曲线与试验结果吻合较好,表明该模型能较好地反映粗粒料湿化变形的特征。     

含水率对青海地区原状黄土力学性能的影响

为了研究青海地区原状黄土在不同含水率下的力学特性,利用英国GDS标准应力路径试验系统对原状黄土进行了不排水三轴试验,并且对偏应力-应变关系进行了归一化分析。建立了考虑含水率和围压影响的归一化偏应力-应变关系,通过计算结果和试验结果对比得出归一化的偏应力-应变关系,预测原状黄土的偏应力-应变关系。结果表明:试样偏应力-应变曲线呈应变硬化型。而且,在相同的围压下,试样最大偏应力随着含水率的增加而减小;弹性模量随着围压的增大而增大,随着含水率的增大而减小;黏聚力随着含水率的增加降幅比较大,内摩擦角变化很小。通过拟合黏聚力与内摩擦角随含水率变化曲线得到以含水率为变量的库仑抗剪强度公式,对青海地区实际工程设计以及地基处理具有一定的参考意义。     

砂卵石土强度变形特性综合试验及力学模型参数研究

砂卵石土是一种特殊性质粗粒土,其强度变形特性是工程界重点关注的问题之一。针对某工程砂卵石土地基系统开展三轴剪切试验、界面剪切试验及流变试验等综合研究其强度变形特性,选取合适的力学模型描述砂卵石土的应力-应变关系并整理相应模型参数。试验结果表明:砂卵石土非饱和样的抗剪强度指标明显大于饱和样,在低围压下砂卵石土饱和样和非饱和样分别呈现出剪缩特性和剪胀特性,而在高围压下则均表现出明显的剪缩特性;砂卵石土与混凝土面板间的接触面剪应力与剪切位移基本呈双曲线关系,抗剪强度随法向应力的增大线性增大;在双对数坐标系下砂卵石土流变变形随着时间线性增长,基于试验规律提出了砂卵石土11参数流变模型,该模型可较好地反映砂卵石土的流变特性。研究成果为砂卵石土强度变形特性研究及地基沉降分析提供理论支撑。     

轴对称条件下水泥土强度特性试验研究

通过水泥土等p三轴剪切试验、常规三轴固结排水剪切试验(CD)与三轴固结不排水剪切试验(CU),对水泥土力学特性进行研究,讨论水泥土的应力～应变曲线变化特点和强度特性。试验结果表明:水泥土的应力～应变曲线为软化型,软化程度与围压有关;不同应力路径对水泥土强度有一定的影响,但影响程度较弱;小围压作用下水泥土具有剪胀性,类似强超固结土;高围压下,水泥土类似弱超固结土;残余强度均随围压的增加呈线性增大,CD试验残余强度高于CU试验,残余强度与峰值强度的比值随围压的增大而增大,增大速率逐渐减小;水泥土CU试验的有效强度包线与CD试样强度包线基本一致。     

西部弱胶结泥岩的三轴压缩试验分析

为解决西部弱胶结软岩巷道支护难题,在内蒙古鲁新煤矿对典型弱胶结泥岩取样,并对其进行不同状态(天然状态、饱和状态和烘干状态)和不同围压水平的室内三轴压缩试验,分析其强度特征和基本力学指标与围压的变化关系。试验数据表明①自然状态下弱胶结泥岩峰值强度和残余强度非常低,随着围压的增加,泥岩的峰值强度和残余强度均有较大提高,且峰值强度与围压呈对数变化关系;②泥岩对水非常敏感,随着含水率的增加峰值强度和残余强度均降低,峰值强度降低幅度更明显;③通过引入三轴软化系数进行分析,结果表明泥岩的软化系数随围压增加而下降,泥岩3种状态下的弹性模量与围压增加呈线性增大变化。最后通过泥岩三轴压缩四阶段应力-应变曲线的拟合分析,建立了泥岩三轴压缩全应力-应变关系。