考虑应力路径和颗粒破碎影响的钙质砂剪胀特性及剪胀方程研究

钙质砂的剪胀特性受应力路径和颗粒破碎的共同影响。为了探讨钙质砂在不同应力路径下的剪胀特性,进行了一系列不同固结压力和应力路径组合的排水三轴压缩试验。结果表明:应力路径和颗粒破碎对钙质砂的剪胀特性有重要影响。不同应力路径下钙质砂的剪胀比与应力比的关系存在显著差异。相同应力比下的剪胀比,等围压试验的最大,等轴向应力试验的最小,等平均主应力试验的居中。峰值应力比对应的剪胀比随峰值应力比的增大而减小且为线性关系,随颗粒相对破碎率的增大而增大并近似呈幂函数关系,应力路径对这些关系的影响不大。忽略应变软化阶段的剪胀比与应力比相关的参数大致呈线性关系,其直线斜率与应力路径和固结压力相关。基于试验结果,提出了一种与应力路径和颗粒破碎相关的剪胀方程并进行了试验验证,显示出剪胀方程对不同类型的粒状土均具有较好的适应性。     

三轴排水剪切下钙质砂的颗粒破碎特性

颗粒破碎是影响粒状土的变形和强度机理的重要因素。为了研究钙质砂在剪切过程中的颗粒破碎特性及其对变形和强度性质的影响,对3种不同初始分布的钙质砂进行了不同围压下的三轴排水剪切试验。结果显示:初始分形的粒径分布在三轴剪切过程中始终保持着较为严格的分形特性,该现象与各粒组中的破碎颗粒主要向相邻的下一级粒组中迁移的机制有关。钙质砂的应力–应变特性与围压大小和初始粒径分布有关,围压越低,初始粒径分布越不均匀,钙质砂的剪胀效应越显著。随着围压的增大,钙质砂的剪胀倾向减少,并逐渐过渡到剪缩状态。钙质砂的破碎率随剪切过程中的应力和应变的增长而增大,其峰值内摩擦角随着破碎率的增大而降低,最后趋于定值。用非线性的指数函数来描述峰值内摩擦角与破碎率的相关关系,揭示了颗粒破碎对钙质砂抗剪强度的影响规律。     

粒状岩土材料颗粒破碎演化规律的模型预测研究EI北大核心CSCD

荷载作用下粒状岩土材料的颗粒破碎改变了粒径分布,从而影响其力学特性。为了揭示应力水平对颗粒破碎的影响规律,利用一系列高压应力下的侧限压缩试验研究钙质砂和石英砂的压缩变形、应力–应变关系、粒径分布的演化和颗粒破碎特性。在此基础上,建立描述粒状岩土材料的应力水平与孔隙比、体应变、相对破碎率等相关关系的数学模型。研究结果显示:无论是钙质砂还是石英砂,随着应力水平的增加,一旦颗粒破碎增长致使砂粒趋向分形分布,体应变与相对破碎率的比值将保持恒定。恒定比值意味着基于体应变就可估算相对破碎率,其数值为石英砂大于钙质砂。如果颗粒分布发展至分形分布,其孔隙比、体应变、相对破碎率的增量随应力水平的变化规律,可以用形式统一的数学模型表达。基于试验获得的模型参数,该模型可用于预测颗粒在分形分布阶段的相对破碎率。     

基于离散元法的真三轴应力状态下砂土破碎行为研究

基于可破碎三维离散颗粒模型模拟了一系列常规三轴试验与真三轴试验,研究了砂土在真三轴应力状态下的破碎行为。数值调查主要关注试样的应力应变特性、级配及相对破碎率的演化。随着围压增大,颗粒破碎率增大,试样应变软化特性和剪胀性逐渐减弱,而超过临界高围压后,由于固结中颗粒大量破碎,试样剪胀性反而增强。真三轴试验中,试样偏应力比峰值均随中主应力参数b值增大而减小。由于破碎随b值增加而明显增大,试样剪胀性随b值增大而逐渐减弱。试样内摩擦角φ随围压增大而减小,其演化关系基本满足对数关系;内摩擦角随b值增大先增大后减小,Lade-Duncan准则较为适合描述其变化规律。此外,试样相对破碎率增大的速率随围压和轴向应变增大而逐渐降低,暗示试样最优终极级配的存在,且相对破碎率与试验输入能量之间存在唯一的双曲线关系。     

粒状岩土材料颗粒破碎演化规律的模型预测研究

 荷载作用下粒状岩土材料的颗粒破碎改变了粒径分布,从而影响其力学特性。为了揭示应力水平对颗粒破碎的影响规律,利用一系列高压应力下的侧限压缩试验研究钙质砂和石英砂的压缩变形、应力–应变关系、粒径分布的演化和颗粒破碎特性。在此基础上,建立描述粒状岩土材料的应力水平与孔隙比、体应变、相对破碎率等相关关系的数学模型。研究结果显示：无论是钙质砂还是石英砂,随着应力水平的增加,一旦颗粒破碎增长致使砂粒趋向分形分布,体应变与相对破碎率的比值将保持恒定。恒定比值意味着基于体应变就可估算相对破碎率,其数值为石英砂大于钙质砂。如果颗粒分布发展至分形分布,其孔隙比、体应变、相对破碎率的增量随应力水平的变化规律,可以用形式统一的数学模型表达。基于试验获得的模型参数,该模型可用于预测颗粒在分形分布阶段的相对破碎率。     

砂质卵砾石力学行为与颗粒破碎的试验研究

荷载作用下粒状岩土材料的颗粒破碎改变了颗粒组构,从而影响其力学特性。为了揭示颗粒破碎对抗剪强度的影响,利用大型真三轴进行一系列不同应力路径的剪切试验,阐述产生不同颗粒破碎形态的破碎机制;论证颗粒破碎是粗粒土抗剪强度非线性变化的重要影响因素,并建立幂函数拟合强度公式。引入由粗粒土非线性强度曲线与线性临界状态线围成面积和线性临界状态线随平均球应力变化面积之比定义的强度因子,描述颗粒破碎对子午平面内临界状态线的影响。强度因子越大,子午平面内临界状态线的非线性变化越突出;平均球应力越大,颗粒破碎对强度变化规律的影响越大。筛分试验结果表明,Marsal颗粒破碎指标与强度因子呈指数关系;粒径大于1mm颗粒的破碎率随平均主应力的增大而增大,小于1mm颗粒的破碎率随平均主应力的增大反而衰减的变化规律,内摩擦角与咬合强度随破碎率变化表现出一定的相关性。     

常压至高压下中砂剪切特性及应力–剪胀关系

为研究高围压范围内砂土相对密实度和围压对土体强度和变形特性的影响,对3种不同相对密实度砂土试样在常至高围压下进行常规三轴固结排水剪切试验,获得偏应力–轴向应变–体应变关系曲线,同时进行颗粒破碎分析。结果表明:在常至中压范围(0.8 MPa≤σ_3≤2 MPa),应力–应变曲线均表现出不同程度的应变软化,其剪胀性随相对密实度增加和围压的降低而增强;当进入高围压范围时(σ_32 MPa),应力–应变曲线逐渐向应变硬化型转变,试样体积逐渐趋于剪缩。颗粒破碎程度随着围压和密实度的增大而增大,在高围压时由于中密和密砂剪切后期出现了明显的颗粒破碎,导致剪切过程中出现了二次相变。不同密实度土体的破坏内摩擦角和对数围压表现良好的线性关系,拟合确定了破坏内摩擦角随对数围压增加的衰减率,同时基于Bolton应力–剪胀关系拟合确定了试验砂土的临界状态内摩擦角,建立了剪胀指标与初始相对密实度及平均有效应力的关系式,为高压情况下砂土地基稳定性分析等提供强度参数。     

珊瑚碎屑钙质砂的抗剪特性

珊瑚碎屑钙质砂是海洋沉积物中的一种,其强度低、形状不规则、内孔隙多和易破碎等性质和普通石英砂有很大差异。通过对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行大型剪切试验,分析得到轴压、剪切速率和级配对钙质砂力学特性的影响。试验结果表明,钙质砂的抗剪强度在达到峰值之后都会出现应变软化现象,随后略微增长并且达到稳定。随着剪切速率的降低和轴压增大,试验土体的抗剪强度持续增加,出现的颗粒破碎增多,土体的剪胀量减小;随着级配粗颗粒的增加,土体的最大抗剪强度和颗粒破碎持续增加,并且在P5=65.14%情况下达到峰值,之后随着粗颗粒含量的增多而降低。     

钙质砂剪切特性试验研究

 对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行了不同围压下的三轴排水剪切试验,试验结果表明,钙质砂在三轴剪切试验中的应力–应变关系随围压而发生变化,在低压时与普通陆源砂相近,而在中、高围压时表现出陆源砂高围压时的力学性质。在剪切过程中由于颗粒破碎导致封闭的内孔隙释放,体积应变要比石英砂大得多,剪切过程中发生的变形几乎全为不可恢复的塑性变形,其剪胀性与峰值应力比与围压密切相关,峰值应力比与剪胀性随着围压的升高而下降。     

不同中主应力条件下粗粒土应力变形特性试验研究

采用长江科学院大型真三轴仪,对粗粒土进行了一系列不同中主应力系数条件下的真三轴试验和平面应变试验,研究了中主应力对粗粒土的应力变形的影响规律。试验结果表明,中主应力比b一定时,应力–应变关系曲线的斜率和峰值强度随着固结压力的增大而增加,在低围压条件下,体变关系曲线在加载过程中表现为先剪缩后剪胀的特性,而在高围压下,整个加载过程中表现剪缩的特性;固结压力一定时,随着b值的增大,应力在峰值后的软化现象愈加明显,体变全过程曲线表现出剪胀特征对应的固结压力越来越低,小主应变–大主应变关系曲线的斜率绝对值增大。研究成果可为进一步研究粗粒土的本构模型奠定基础。     

颗粒破碎对钙质砂变形及强度特性的影响

利用人工钙质砂和三轴剪切试验手段，就颗粒破碎及其对钙质砂变形和强度特性的影响进行分析研究。结果表明，颗粒破碎程度与对其输入的塑性功密切相关；颗粒破碎的发生使钙质砂剪胀性减小，体积收缩应变增大，峰值强度降低。     

钙质砂的颗粒破碎和剪胀特性的围压效应

低应力水平下的颗粒破碎现象使钙质砂的应力-应变关系具有特殊性，引入颗粒强度的概率分布，得到描述颗粒破碎的损伤参量，建立了钙质砂的损伤边界面模型，分析了颗粒破碎、剪胀性、围压三者的关系，理论计算结果与试验结果吻合较好。     

K_0固结粉质黏土非共轴特性试验研究

为研究主应力轴定向旋转条件下K_0固结饱和粉质黏土的强度特性和变形特性,利用GDS三轴试验系统,进行K_0固结饱和粉质黏土三轴定向剪切试验,研究不同大主应力方向角β时K_0固结饱和粉质黏土的应力–应变发展规律及应力–应变非共轴现象。结果表明:当β45°时,K_0固结粉质黏土表现为轴向压缩变形为主,其抗剪强度随着β的增大而增加;当β=45°时,试验变形以扭剪变形为主;当β45°时,试样轴向由剪缩变形转换为剪胀变形,径向和环向表现为挤缩变形,其抗剪强度随着β的增大而减小,土体抗剪强度最大值出现在β=60°时,而非纯扭剪试验β=45°时。K_0固结粉质黏土在τ_(zθ)/σ_(c0)-(σ_z-σ_θ)/(2σ_(c0))平面上强度包络线近似呈抛物线形。除纯扭剪试验外,其余组试验结果表明K_0固结粉质黏土应力–应变关系表现出明显的非共轴现象。上述研究成果为复杂应力路径条件下K_0固结饱和粉质黏土的力学特性及其本构关系研究提供了科学依据。     

考虑剪胀性与状态相关的钙质砂双屈服面模型研究

根据重塑和原状钙质砂压缩特性的不同，提出颗粒破碎会引起原状钙质砂的附加孔隙比增量。在临界状态土力学的理论框架内，通过引入状态参数和帽盖屈服面，建立1个考虑颗粒破碎影响的钙质砂的弹塑性本构模型，在较大密度和应力水平范围内对1种土只需采用1组材料参数。通过与三轴试验结果比较，模型能较好地描述钙质砂的强度和剪胀性。     

土的基本特性及本构关系与强度理论

土的基本特性及本构关系与强度理论是土力学及岩土工程学科的重要理论基础之一。本 文针对饱和黏土、砂土及堆石料等粗粒土,总结了这三类土在基本力学特性及本构强度理论方 面的研究现状和发展趋势。饱和黏土部分主要包括压缩特性、剪切特性—临界状态及剪胀/剪缩 、结构性及其破坏、中主应力影响、各向异性及主应力偏转效应、不排水抗剪强度、流变特性 、微观力学解析模型等;砂土部分包括临界状态概念与剪胀性、砂土各向异性、应变局部化等 ;堆石料等粗粒土部分则以颗粒破碎对堆石料等粗粒土的力学性质的影响为主线,重点介绍了 颗粒破碎的度量方法、颗粒破碎对剪胀性、临界状态线的影响以及相应的本构模型、宏观-微观 的力学分析方法。     

温度效应对珊瑚礁砂抗剪强度和颗粒破碎演化特性的影响研究

我国南海广泛分布着珊瑚礁砂地基,在海底油气管道等众多高温基础工程的建设中需要掌握温度对珊瑚礁砂力学性质的影响。对取自南海的珊瑚礁砂进行不同温度下的固结排水三轴剪切试验,通过与石英砂试验进行对比,深入研究高温对于珊瑚礁砂抗剪强度特性的影响机制,并分析温度效应对颗粒破碎、内摩擦角、临界状态的影响。结果表明:温度效应对于珊瑚礁砂和石英砂力学行为的影响机制显著不同,升温使石英砂孔隙水排出,土颗粒有效接触增多,从而表现出更强的抗剪强度和剪胀性;升温虽然使珊瑚礁体积压密,但升温也会使珊瑚礁砂颗粒破碎和重排列程度增加,导致其抗剪强度和剪胀性降低;存在一个温度门槛值,当温度大于该门槛值,温度升高使得珊瑚礁砂颗粒破碎和抗剪强度降低量明显增大;随温度增大,珊瑚礁砂颗粒破碎指标B_r增大,在p'-q平面的临界状态线略微向靠近p'轴的方向旋转;珊瑚礁砂的峰值和临界摩擦角与B_r存在负相关函数关系。     

堆石料颗粒破碎特性及Wan-Guo硬化法则的修正

高应力下超高堆石坝坝料的颗粒破碎特性是当前研究的热点问题。取已建成的世界最高面板堆石坝——水布垭坝的筑坝堆石料为试验料,进行了轴向应变达25%的三轴固结排水试验,得到了31组试验的高质量试验数据。在此基础上,统计分析得出临界状态剪应力q与平均主应力p呈幂函数关系、颗粒破碎率B_r与围压σ_3呈幂函数关系、临界状态应力比M_f与围压σ_3呈对数函数关系。试验揭示了在高–超高围压下堆石料发生了较显著颗粒破碎,堆石料粒径变小、颗粒级配改变导致其剪应力–轴向应变试验曲线下弯。因此高围压下堆石料的临界状态判断标准应为"体应变不变",而不再是"剪应力不变"。最后引入破碎因子项,修正了Rowe剪胀方程的Wan-Guo硬化法则。     

不同应力路径下低液限粉土力学特性三轴试验研究

基于成因不同,土体具有复杂的变异性、不确定性和地域性差异,通过固结不排水剪应力路径试验对宁波轨道交通建设工程典型③层低液限粉土在K0固结条件的力学特性进行了系统研究。分析了不同固结围压(60、120、200kPa)条件下DE(增P)、DG(等P)、DF(减P)三种应力路径下粉土的应力-应变特性和孔压特性、强度特性及应力路径特性。研究结果表明,应力路径对轴向应变的变化速率、土体的强度影响明显;不排水条件下的有效应力路径主要与土样初始固结状态有关,试验中的剪切控制方式对有效应力路径有明显影响;土体的应力-应变呈硬化型,试验过程土体表现出明显的剪胀特征,应力路径对土体总应力的内摩擦角影响较大,对有效内摩擦角影响不大。     

钙质土土力学理论及其工程应用

 博士学位论文摘要　在综述了钙质土的力学性质研究现状的基础上, 指出只有建立与颗粒破坏有关的应力应变理论和强度准则, 才能充分揭示其特殊的物理力学性能, 从而指导基础工程实践。认为钙质土在剪切过程中的剪胀和颗粒破碎的耦合作用是导致其独特的力学与工程性能的根本原因。基于这一思想, 论文从以下几个方面阐述了钙质土的力学特性:(1) 钙质土基本静力学特性。详细讨论了在颗粒破碎和剪胀作用下, 钙质土在压缩、剪切及强度等方面的特征。指出在试验应力水平范围内, 钙质土是稳定材料。(2) 钙质土基本动力学特性。以动三轴试验资料为基础, 叙述了其动三轴应力2应变的影响因素, 并详细研究了动三轴试验条件下孔隙水压力发展模式、变形规律及强度特征。(3) 颗粒破碎对钙质土力学特性的影响。以相对破碎B r 为刻画颗粒破碎强弱的指标, 理论推导和实验论证相结合, 导出B r与W p , (R ′1öR ′3)max , (qöp ′)max , Es 等参数之间的显式表达式以及工程上常用的(R ′1öR ′3)max 与U′之间的对数线性公式。(4) 钙质土弹塑性本构模型。以沈珠江所建议椭圆屈服面和史2杨角隅式Moh r2Coulomb 准则为基础, 引入颗粒破碎的影响, 建立了相适应流动条件下的弹塑性本构模型。最后, 以论文提出的模型及相应参数, 编制了弹塑性二维有限元程序, 对一维压缩应力应变和单桩荷载-位移特性进行了计算, 结果表明模型计算结果较符合钙质土的力学特征。模型的进一步验证和优化有待将来更深入的研究。     

平面应变条件下黄土的竖向加载变形与强度特性分析

针对黄土地区工程建设中的平面应变问题,该文利用西安理工大学真三轴仪,在不同围压条件下进行了不同含水率黄土竖向裂隙向大主应力加载的平面应变试验,研究了原状黄土的平面应变强度、变形特性,以及中主应力变化规律。表明低固结围压条件下,低含水率黄土的平面应力应变曲线呈原生结构损伤软化型;随着固结围压增大,压缩损伤增强,平面应力应变曲线呈次生结构形成硬化型。黄土原生结构损伤软化剪切过程伴随着剪胀变形;压缩损伤次生结构形成剪切过程伴随剪缩变形。平面应变固结竖向加载剪切过程中平面应变方向上的主应力由小主应力逐步转换为中主应力,中主应力系数由单调减小转变为单调增大,破坏时的中主应力系数介于0.15～0.35之间。不同含水率黄土平面应变剪切强度破坏线近似为线性关系;随着含水率的增大,粘聚力明显增大,内摩擦角基本不变。