堆石料加载与流变过程中塑性应变方向研究

确定塑性应变增量方向是建立土体弹塑性本构模型的核心之一,弹塑性理论中通常假定塑性应变增量方向仅与应力状态有关,与应力增量无关。流变试验是一种应力状态恒定的特殊试验,应力增量为零,所有应变均为塑性变形。研究流变过程中塑性应变方向与应力状态的关系及其与加载过程中塑性应变方向的差异,对于建立土体弹塑性本构模型具有重要价值。通过对某抽水蓄能电站筑坝堆石料的大型三轴压缩试验和三轴流变试验,分别研究了加载和流变过程中剪胀比与应力比之间的关系。结果表明,三轴压缩和三轴流变过程中,堆石料的剪胀比均随着应力比的增加而减小,且相同三轴压缩应力状态下,堆石料的流变剪胀比明显大于加载剪胀比,即流变过程中堆石料剪缩性比三轴压缩过程中的剪缩性更为强烈。因此,采用相同的塑性势函数同时确定加载塑性应变方向和流变黏塑性应变方向是不恰当的,建立考虑堆石料流变的弹塑性模型时应该选用不同的应力剪胀方程或塑性势函数。     

堆石料的应力-应变特性及其三维破碎本构模型

综合已有的研究成果,从压缩、剪胀和强度三方面分析颗粒破碎对堆石料应力-应变特性的影响。基于堆石料的变形和强度特性,引入新的硬化参数H,并推导出相应的屈服函数表达式,进而提出一个能够考虑堆石料颗粒破碎影响的弹-塑性本构模型。利用基于空间滑动面准则（SMP准则）的变换应力方法将模型进行三维化,并参照某堆石料大三轴试验结果对...     

基于广义塑性理论的堆石料动力本构模型研究

分析了堆石料在等幅与不等幅应力循环荷载作用下的变形特性,以此为基础,确定了不同加载过程中堆石料的剪胀方程,加载方向,切线模量及塑性模量,建立了一个可以考虑堆石料循环加载特性的广义塑性本构模型.模型将所有的加卸载阶段都视为弹塑性过程,并在剪胀方程中引入老化函数来考虑体积应变积累对剪胀(缩)性的影响.模型共有12个参数,均可通过常规室内单调及循环加载试验确定.为验证模型的有效性,依据试验资料确定了两种不同堆石料的本构模型参数,并对等幅循环三轴压缩与不等幅循环三轴压缩试验进行了模拟.两种材料在不同围压下的模型预测结果与试验数据均吻合良好,表明模型可以有效地反映循环荷载作用下堆石料应力应变曲线的滞回特性与永久变形的积累.     

考虑堆石料破碎影响的黏弹塑性本构模型

通过对等向压缩条件下加载速率对堆石料应力-应变特性的影响规律的分析,提出与时间相关的应力-应变关系式。结合堆石料颗粒破碎的研究成果,将与时间相关的本构关系由等向压缩推广到剪切,从而建立能够考虑颗粒破碎和时间效应综合影响的本构模型。对试验数据的预测结果表明:新模型不仅能够合理地考虑加载过程中颗粒破碎及时间因素对变形的影响,而且还能较好地描述荷载稳定时变形随时间的发展规律。     

堆石料流变的黏弹塑性本构模型研究

堆石坝流变变形主要是堆石料在环境因素作用下的劣化和高接触应力下的颗粒破碎重排引起的。在等向压缩方程中引入反映堆石料颗粒强度的固相硬度参数,选用双曲线型式的固相硬度衰减模型,以反映堆石料颗粒强度随时间劣化的特性;在分析堆石料流变试验结果的基础上,建立了流变变形的双曲线型流动准则;推导了流变变形的计算公式,并构建了流变模量表达式,从而建立了一个可统一考虑加载与流变过程的堆石料黏弹塑性本构模型。通过模拟两种典型堆石料的流变试验资料验证了模型的有效性。     

循环荷载作用下堆石料颗粒破碎特性试验研究

利用大型动三轴试验设备,针对3种堆石料进行了考虑周围压力、固结比以及动应力幅值影响的排水动三轴压缩试验,探讨了动力荷载作用下筑坝堆石料的颗粒破碎特性。研究表明:在循环荷载作用下,堆石料颗粒破碎率随母岩强度的提高而降低,随围压、固结比及动应力幅值的增加而增加;根据动三轴试验过程,在进行颗粒破碎分析时应将堆石料颗粒破碎的产生分为4个阶段予以分别考虑;堆石料在动荷载施加前的已有颗粒破碎状态及应力水平对其后续的颗粒破碎特性具有一定的影响,动力加载过程中试样的体积收缩能够在一定程度上反映这一过程中颗粒破碎率的变化。     

复杂应力路径下堆石料的颗粒破碎特性研究

针对堆石料进行了一系列等向压缩、常规三轴和复杂应力路径试验,采用相对颗粒破碎率为度量研究了多种应力路径条件下堆石料的颗粒破碎特性。对不同应力路径下试验过程中的塑性功进行了对比,分析了颗粒破碎与平均应力p、广义剪应力q所做塑性功之间的关系,研究了不同应力路径下三轴试验颗粒破碎的差异和原因。结果表明:模拟心墙土石坝填筑和蓄水应力路径下的颗粒破碎远小于常规三轴试验。多种应力路径下塑性功与相对颗粒破碎率之间存在明显的相关性,并可用幂函数较好拟合。不同应力路径下塑性功分量之间差异明显。常规三轴试验中广义剪应力q所做功占总塑性功的主要部分,不同复杂应力路径试验p,q所做塑性功占比差异较大。     

筑坝土石料的统一广义塑性本构模型

室内三轴试验资料的分析表明：与砾石土心墙料不同,密实堆石料、砂砾料的破坏应力比,随围压的增长出现明显降低;而反映坝料剪胀特征的应力比,随着围压的增长基本不变。根据试验资料,建立了描述土石料剪胀状态和破坏状态的统一应力表达式;针对现有广义塑性模型不能合理反映土石料压缩性的问题,采用改进剪胀方程,利用室内压缩试验和三轴剪切试验成果,构造弹性和塑性模量,提出了一个可以考虑土石料复杂加载特性的实用的统一广义塑性本构模型;将上述模型编制程序,模拟土石料的试验加载,得到预测值与试验数据吻合良好,可较好反映筑坝土石料的应力变形特性。     

改进的V-W亚塑性模型用于堆石料应力应变研究

V-W亚塑性模型考虑了颗粒破损的影响,在求取无粘性砂土的应力应变关系时效果理想,但堆石料有着更加明显的减缩特征,在求取堆石料本构关系方面应用较少。通过对V-W亚塑性模型进行改进,改进原模型中参数α和β,从而建立与围压之间的变化关系。同时,增加体应变控制项λtr(D)T/tr(T),使模型更加适用于堆石料体应变特征。通过将改进的V-W亚塑性模型曲线与堆石料大型三轴试验曲线对比分析,验证了改进后的V-W亚塑性模型在应用于分析堆石料本构关系的可行性。     

珊瑚礁砂砾料力学行为与颗粒破碎的试验研究

珊瑚礁砂砾石是中国南海岛礁建设的主要填料,因为特殊的生物成因和多孔隙的颗粒结构,极易产生颗粒破碎。对取自南海某岛礁的珊瑚礁砂砾石填料开展了大型压缩试验、三轴排水剪切试验和三轴不排水剪切试验,研究了压缩指数、杨氏模量、剪胀和强度等基本工程力学指标与颗粒破碎的变化规律。在相同的压缩作用下,疏松试样比密实试样的颗粒破碎程度更大。颗粒破碎程度随着压力的增大而显著增大,导致珊瑚礁砂砾料的压缩模量和杨氏模量随压力的增大增幅不明显,峰值摩擦角和临界状态摩擦角随压力的增高而显著降低。颗粒破碎过程具有明显的应力路径和应力历史依赖性,有无预压作用的相同密度的试样表现出显著不同的压缩特性,相同密度和初始压力的试样在排水和不排水剪切下也表现出明显不同的剪胀和强度特性。峰值摩擦角依赖于应力路径和颗粒破碎的演化过程;临界状态摩擦角与最终的颗粒破碎指标值有较好的相关性,与颗粒破碎的产生过程无关。     

膨胀性泥岩的非线性强度变形特性试验研究

膨胀性泥岩在不同围压下的固结不排水三轴试验的结果表明泥岩的应力应变关系呈应变软化特性,峰值强度、残余强度及残余强度比均随围压的增大而增大.根据应力应变关系的试验结果,分析了膨胀性泥岩的割线模量和发挥内摩擦角,结果表明割线模量和发挥内摩擦角均随围压的变化而变化,且拟合了割线模量和发挥内摩擦角与应变的关系.     

层状各向异性无黏性土三维强度准则

忽略黏性项,采用椭圆型角隅函数对Mohr-Coulomb准则进行三维化,建立了适合于无黏性土的三维强度准则,该准则能合理反映峰值内摩擦角随中主应力比的变化特性。以垂直与平行于土体沉积面方向的强度之比引入层状各向异性系数,并根据主应力轴与土体沉积面方向关系修正角隅函数,提出了一个适用于层状各向异性无黏性土的三维强度准则。通过研究其偏平面形状及峰值内摩擦角与中主应力比关系随层状各向异性系数的变化特性,表明该准则描述层状各向异性无黏性土强度的适用性。通过预测两组砂土真三轴试验结果,进一步地证实所提出强度准则的合理性。     

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。     

基于大型真三轴试验的砂砾石料强度–剪胀特性研究

为了揭示中主应力系数和应力水平对苏洼龙水电站坝基覆盖层砂砾石料的强度与变形特性的影响规律,结合一种微摩阻加载技术,开展一系列大型真三轴试验。在广义应力框架内讨论该砂砾石料的应力、强度和剪胀问题。结果表明:首先,对于该砂砾石料,内摩擦角随中主应力系数增加而增大,随应力水平提高而减小。3个经典强度理论中,Lade-Duncan准则的预测结果与试验结果更为相符,但当b值较大时,预测结果仍偏低估计了实际的内摩擦角;其次,随着中主应力系数b值增加,应力路径的斜率变缓,同时所达到的峰值强度提高,但峰值强度对应的q/p(q,p分别为广义偏应力和平均主应力)应力比越小,表明在单位平均主应力水平下所能发挥的最大强度减小。总体而言,剪胀角随应力水平增加而减小,亦随b增加而减小。     

结构物标准砂界面剪切机理试验研究

桩基表面粗糙程度与砂粒径大小对砂土层桩侧摩阻力有显著影响。本文利用改装的室内直剪仪开展了不同粗糙界面的木板、钢板、混凝土板与北京标准砂间的直剪试验,研究界面剪切应力剪切位移关系、界面抗剪强度构成和界面摩擦角变化规律。结果表明:剪切应力位移关系可用对数幂函数模型拟合,硬化阶段采用对数模型,软化阶段采用幂函数模型,模型峰值剪切应力与试验峰值剪切应力的比值集中在0.92～1.02之间;峰值剪切应力与平均灌砂深度呈正相关关系,其从未刻纹路的界面Ⅰ到刻有纹路的界面Ⅱ增加值最大;刻有纹路的界面抗剪强度由未刻纹路区域、纹路棱角和纹路内的砂三部分提供,未刻纹路区域提供的抗剪强度最大,纹路棱角次之,纹路内的砂最小;木、钢和混凝土与标准砂的界面摩擦角分别集中在11°～23°、14°～23°和22°～27°范围内。研究成果可为砂土层桩侧摩阻力估计提供试验参考。     

土工模袋砂界面摩擦特性试验研究

土工模袋砂界面特性指标对于各类模袋砂工程的设计至关重要。笔者开展了砂与土工模袋、土工模袋之间界面摩擦特性直剪试验;通过自制试验装置进行了模袋砂间界面摩擦试验,探讨了充填度对模袋砂间界面特性的影响;把试验结果用于典型工程实例变形和稳定性分析,并通过数值计算验证。研究结果表明:模袋与砂界面剪应力-位移关系表现出明显的非线性特征,剪应力峰值及其对应的位移随竖向压力的增大而增大,界面关系服从摩尔-库伦强度理论;砂与模袋间的摩擦角为30.3°,摩擦系数为0.58,黏聚力是3.1 kPa。土工模袋间界面关系也服从摩尔-库伦强度理论,摩擦角为21.3°,摩擦系数是0.39,黏聚力为1.29 kPa。模袋砂之间的摩擦特性指标则因充填度而异,受充填度影响显著,表现为充填度增大,摩擦角变大而粘聚力减小,抗剪强度增大,且竖向压力越大影响越明显。基于试验结果明确了洲头咀沉管隧道模袋砂围堰位移突变的原因及其稳定性,提出了设计控制指标;通过数值计算表明,基于界面摩擦试验结果分析所得结论合理。     

Kaiser效应方向独立性的控制参数理论分析

基于Kaiser效应由裂纹扩展释放弹性波的认识,当远场应力为压应力时,从断裂力学角度对Kaiser 效应随加载方向变化规律进行了分析,建立了临界应力${{\sigma }_{\text{c}}}$与裂纹面方向夹角$\beta $、裂纹面摩擦系数$f$的理论联系,揭示了Kaiser 效应方向独立性机理及其控制参数。结果表明：Kaiser效应方向独立性受临界应力相对值影响,其控制参数为初始加载方向与微裂纹面方向的夹角${{\beta }_{1}}$、裂纹面的摩擦系数$f$。夹角${{\beta }_{1}}$越大,FR值大于1.1所需加载偏转相对角度$\gamma $越小,加载方向偏转后所得应力与初始加载应力相差越大,Kaiser效应方向独立性越明显,即Kaiser效应测量初始应力精度与岩体初始微裂纹分布有关。摩擦系数$f$越小,FR值大于1.1所需加载偏转相对角度$\gamma $越大,加载方向偏转后所得应力和初始加载应力相差越小,Kaiser效应方向独立性越不明显,即岩样如越湿润,Kaiser效应测试初始应力结果离散性越大。以上结论与既有试验在变化规律上具有一致性,并通过特征曲线对比确定了试验控制参数为微裂纹面摩擦系数$f$小于0.5、初始加载方向与微裂纹面方向夹角${{\beta }_{1}}$在30°~40°之间,这均与试验条件较为吻合。以上结论可为进一步研究Kaiser效应机理提供参考。     

不同应力路径大理岩物理力学参数变化规律

基于大理岩常规三轴加荷与卸荷试验结果,分析加卸荷应力路径下大理岩各阶段特征应力、黏聚力c、内摩擦角φ在变形破坏中的变化规律。试验结果表明,相同卸荷速率条件下,压密应力对应的环向应变、体积应变随围压的增大而减小,起裂应力及扩容应力随围压增大而增大,加卸荷应力路径下扩容应力对应的环向应变均稳定在(-0.000 4±0.000 1)范围内。大理岩卸荷破坏的初始屈服面和后继屈服面均符合Mogi-Coulomb函数形式,峰值强度前黏聚力c随塑性参数ε^ps的增大而减小,内摩擦角φ随塑性参数ε^ps的增大而增大。     

测定各向异性砂土抗剪强度特性的新型直剪装置及初步应用

各向异性颗粒材料的变形和强度与相对于沉积方向的剪切方向或大主应力作用方向相关。为研究各向异性颗粒材料任意剪切面的抗剪强度特性,研制一套可实现剪切面与沉积面的夹角 在0°～180°全定义域区间任意变化的直剪试验装置。所研制的直剪盒的特点是各侧壁均独立可拆卸,因此在制样过程中可根据不同的需要进行组装,使该直剪试验盒的某些侧面和顶面打开。在验证该直剪试验装置有效性的基础上,对福建标准砂进行 在0°～180°范围内、间隔为15°的系列直剪试验。试验结果表明： 在0°～90°区间的某个面相对应有最小峰值内摩擦角,此后峰值内摩擦角随 的增加而增加;但具有最大峰值内摩擦角的面不是与沉积面垂直即 = 90°的面,而是 ＞90°(?≈105°)的某个面。材料各向异性程度不同,相对应最大和最小峰值内摩擦角的 亦不同。     

矿物颗粒形状的岩石力学特性效应分析

岩石作为矿物颗粒的集合体,其宏观力学特性主要影响因素为矿物的细观形态特征。基于颗粒流理论,建立了4种代表颗粒形状用于模拟石英砂岩的矿物颗粒,并采用球度指标对矿物颗粒形状进行参数量化。通过石英砂岩的室内三轴试验校准了颗粒流模型的细观参数,在此基础上进行四种矿物颗粒形状试样的岩石三轴力学模拟试验。研究结果表明：颗粒的球度越大,试样的启裂强度、损伤强度和峰值强度均越低。随着颗粒球度的增加,试样的弹模降低,泊松比增大。内摩擦角和黏聚力则随球度的增大而下降。根据岩样数值试验中的变形数据,研究了不同颗粒形状剪胀角随着塑性剪切应变的演化规律。