单轴压缩下不同裂隙张开度岩石破坏数值模拟

为了研究不同张开度裂隙岩体单轴压缩过程中的力学特性,以裂隙试样室内试验结果标定岩体细观参数,采用改进刚体弹簧元法对不同张开度裂隙试样压缩破坏过程进行数值模拟。结果表明:试件峰值强度随着裂隙张开度的增大表现出先增大后减小,最后维持稳定的规律;根据微裂纹起裂位置,将不同张开度裂隙岩体破坏模式总结为3类,并得出最终失稳破坏本质上都是由张拉所致的结论;随轴向应变增加,试件内部微裂纹的发育速度逐渐提高,但剪切裂纹数量远小于张拉裂纹;最后通过位移场演化规律从细观层面揭示了微裂纹开裂的力学机理。     

直剪试验下砂土剪切带形成的细观变形机制

剪切带的形成与发展是影响土体变形破坏的关键因素。利用数值模拟试验方法,对砂土直剪试验中剪切带的形成和演化机制进行研究。试验中采用条块法对试样进行标记,以观测其变形及发展过程;并记录剪应力及剪切位移的变化,分析试样的应力应变特征;最后从细观角度对颗粒试样的平均转动量、配位数及孔隙变化率等参数进行统计分析,以揭示试样的细观变形规律。研究表明:砂土剪切带的形成是一个渐进的过程,呈现出累进破坏的特征;且剪切过程中颗粒试样会发生局部变形并形成狭长的剪切带,剪切带的厚度受平均粒径及颗粒摩擦系数的直接影响,当颗粒粒径为1.25倍平均粒径且颗粒摩擦系数为0.5时,剪切带厚度达到最大值;此外,剪切带区域的强力链较为密集,通过对强力链进行光密度及面积占比分析发现峰值时刻最为显著（平均光密度约为1.4,强力链面积占比约为52%）,这表明力链网络的结构变化与剪切带的形成及演化具有同步性;同时发现剪切带内、外颗粒体系的平均转动量、平均配位数及孔隙变化率等细观参数存在显著差异,说明剪切带对外荷载的响应较为强烈。     

颗粒材料定向剪切特性的空心圆柱离散元模拟

基于PFC3D离散元模拟平台构建空心圆柱型数值模型,研究了固定主应力方向条件下颗粒材料数值试样的定向剪切宏细观力学响应,重点分析了大主应力方向角对试样单调剪切特性的影响。数值建模中,采用"分离式簇墙"技术近似模拟室内试验橡皮膜的柔性边界效应,开发了顶部扭矩层颗粒旋转速度的"动态更新法"并较好地实现了剪应力的施加。结果表明,离散元数值模型能够较好地还原室内空心圆柱砂样定向剪切试验的应力路径和应力—应变响应;大主应力方向角α的变化显著影响数值试样的剪切强度,α=60°试样的峰值内摩擦角最低,且数值模拟得到的规律与已有的实际砂土室内试验规律相一致;数值试样剪切带的宏观演化在细观上可由试样内部局部孔隙比和配位数的变化规律来表征。     

黄土剪切损伤演化及其力学特性的CT-三轴试验研究

利用应力控制式CT-三轴仪研究了非饱和Q3原状黄土与扰动黄土三轴剪切变形特性,并利用CT技术对其内部结构变化进行了无损量测,得到内部结构演化的CT图像和相应的CT数据,从细观上解释了结构性黄土三轴剪切破坏细观结构演化规律。结果表明:随围压的增大,黄土三轴剪切偏应力轴应变关系曲线由弱软化型逐渐转变为弱硬化型,原状黄土的体应变无论是剪缩还是剪胀均大于扰动黄土。剪切变形呈应变弱软化型黄土平均CT数与轴向应变关系曲线先经历一个小幅增长后逐渐减小。剪切变形呈应变弱硬化型黄土平均CT数与轴向应变关系曲线在剪切初期快速增长,随后在剪切过程中缓慢增长。扰动黄土剪切破坏过程中试样中部相比全区剪切破损较小,裂纹主要在试样外围衍生;原状黄土胶结区表现为逐渐破损,空洞区由于周围土颗粒的滑移而逐渐被压密。CT技术使土的细观结构研究达到定量阶段,为建立土的结构演化方程和结构性本构模型提供了试验基础。     

采用环剪仪对重塑黄土抗剪强度特性的研究

为揭示不同试验条件对重塑黄土抗剪强度的影响规律,采用全自动环剪仪对重塑黄土进行环剪试验研究,探究不同含水率、干密度、剪切速度条件下重塑黄土的剪切强度变化规律,为黄土边坡的治理提供理论依据。研究结果表明:重塑黄土残余强度受剪切速率影响不明显;含水率对重塑黄土峰值强度与残余强度的影响规律一致,两者均随含水率的增大而减小,含水率高的试样呈现应变软化特性;重塑黄土的峰值强度和残余强度都随干密度的增大而增加,表现出正相关性,干密度大的试样呈现应变软化性;重塑黄土的黏聚力和内摩擦角均随含水率的升高而降低。     

砂土直剪试验离散元数值模拟与细观变形机理研究

基于离散元法进行砂土直剪试验模拟与剪切宏细观响应研究。采用试样分条带法研究砂土剪切过程中的变形发育情况;记录应力-位移关系,分析砂土剪切应力、应变特性与剪胀特性。通过分析接触力链、接触组构分布、配位数及滑动接触百分比等细观行为演化研究颗粒细观接触状态演变;基于局部孔隙率变化分析颗粒细观分布状态演变;采用颗粒累积转动量和速度场分析颗粒细观运动状态及剪切带发育的细观机制;对离散元软件PFC^2D进行二次开发,实现主应力的可视化。研究表明应变局部化集中于颗粒转动、接触滑动、体胀明显的剪切带内,剪切带内外颗粒不同的运动状态导致细观参量的变化,剪切带厚度为(10~15)d₅₀;力链网络、接触组构和主应力场本质上是一致的,三者主方向在剪切过程中发生了近似一致的偏转。     

高围压作用下堆石体剪切带形成及相关细观结构演变

为了研究高围压作用下堆石体中剪切带形成及相关细观结构演变,采用自编程序构造3种不同形状的可破碎颗粒簇,随机生成二维颗粒流试样,进行双轴压缩试验。结果表明,轴向应变为6%时,试样由体缩向体胀过渡;轴向应变达到10%以后,试样内部发生了结构性变化。试样中颗粒簇的旋转、移动、破碎以及孔隙率等细观结构演变能清晰反映试样中剪切带的形成过程;轴向应变达到10%以后,试样中旋转幅度大的颗粒簇、破碎严重的颗粒簇以及大孔隙率区域均呈非对称X形分布,且X形轮廓逐渐清晰。     

砂土试样剪切带发展过程分析

剪切带的发生与发展是土体失稳乃至破坏的重要因素,因而剪切带的发展过程分析具有很高的研究价值。基于考虑了滚动机制在内的颗粒离散元数值方法,以及基于数字图像测量技术的平面应变试验方法有效地模拟和再现了砂土试样在平面应变条件下剪切带的发展破坏过程,从而合理的解释了其破坏机理。结果表明,剪切带在荷载达到峰值之前起始和发展,形成于峰值之后;在剪切带完全形成后,荷载基本上稳定在一残余值。同时,结果还表明,采用考虑滚动机制在内的颗粒接触模型以及提出的等效应变和体积应变的计算方法用以模拟颗粒材料剪切带破坏现象是有效的。     

不同应变速率下双裂隙红砂岩力学特征试验研究

节理岩体在外力扰动下的失稳破坏往往对工程产生较大影响。为探究应变速率对节理裂隙岩体力学特征的影响,室内采用不同加载速率对含两条预制裂隙的红砂岩试样进行单轴加载试验,在此基础上利用数值分析软件进行模拟和分析,并对试验结果进行验证。试验结果表明：在不同加载速率下,含预制双裂隙红砂岩破坏过程大致相同;随着加载速率的增加,试样的峰值强度增加,试样发生应力强度跌落时的应变也有一定的增长;随着加载速率的增加,在预制裂隙两端萌生的裂隙数量逐渐增多,裂隙的扩展方向更多样,扩展的距离也更远,导致试样逐渐从局部破坏形式向整体破坏形势发展。利用FLAC3D软件数值分析得到,随着加载速率的增加,单轴压缩荷载作用产生的塑性区范围变大。     

淤泥轻量土抗剪特性及其细观结构变形研究

为了深入探究淤泥轻量土的抗剪特性及其细观结构变形机理,采用室内单轴压缩试验、三轴剪切试验与ABAQUS有限元数值模拟相结合的方法,通过对比细观模拟监测结果与试验成果,系统分析了不同水泥掺量、围压、EPS掺量及其粒径对淤泥轻量土的抗剪强度特性及细观变形的影响。结果表明:①EPS颗粒掺量对淤泥轻量土的破坏应变及其屈服强度峰值有显著影响。②高水泥掺量对其强度特性及结构变形有重大影响,但其破坏应变受其影响不大,试验结果中破坏应变最大仅相差0.5%。③EPS颗粒定点位监测的数值模拟结果表明,在相同条件下,三个点位的EPS颗粒变形及其应力应变关系并不相同,上点位应变值最大,下点位比上点位的应变值平均小约1.5%。另外在一定的压力范围内,试样破坏之前EPS颗粒在土体内发生的位移并不明显,与试样土体的位移仅差0.15 mm,变化速率与室内试验结果一致。     

土工格栅加筋砂土三轴试验离散元细观分析

以室内单层加筋三轴试验结果为基础,建立离散元PFC3D三轴试验数值模型,并与室内三轴试验结果进行验证对比,分析加筋层数变化对抗剪强度指标及细观参数的影响,探讨加筋土接触力的变化规律及筋材加筋作用的宏细观机理。研究结果表明:加筋三轴试样的峰值强度、黏聚力和内摩擦角随着加筋层数的增加而增大,但是其增幅会逐渐减弱,并且三轴试样在低围压条件下的加筋效果比高围压时要显著。三轴试样颗粒滑动比的数值随着轴向应变的增加发生了显著的起伏变化,反映三轴试验过程中发生了明显的接触滑移和旋转现象。由于筋材的摩擦嵌固约束作用,加筋试样中部区域的孔隙率和滑动比数值相对波动较小,对应中部外侧周围的接触力明显小于纯砂三轴试验情况,加筋材料发挥了扩散应力增强约束砂土的加筋作用。     

碱处理红黏土的力学强度试验研究

采用碱液加固红黏土,提高其力学强度,探讨在不同温度、不同干密度和不同加固方式下的碱液加固效果。并结合应力-应变控制式三轴仪对碱处理的红黏土进行了不同应力路径下的力学特性研究。结果表明:碱处理下,红黏土的力学强度随养护温度增加而明显上升,最优温度下无侧限抗压强度增强90.2%,最优干密度下的红黏土试样经过碱液处理后力学强度最大为162.1 kPa,碱液通过拌合的方式掺入加固效果最佳。不同应力路径下的红黏土三轴剪切试验表明,经过碱处理之后的红黏土在CTC(增P)、TC(等P)、RTC(减P)3种工况下,其抗剪强度均有所增加,有效应力路径的c值在CTC和RTC下增幅分别为77.84%和20.36%,φ值变化较小,但在TC路径下,c值基本未变,φ值增幅20.51%。研究成果对红黏土地基加固或基坑的支护设计具有实际意义。     

交通荷载作用下焦作地区饱和粉质黏土变形特性及影响因素分析

为研究焦作地区长期交通荷载作用下典型饱和粉质黏土变形特性,利用动三轴试验方法对原状粉质黏土进行单样逐级和多样恒定幅值动力加载试验,从应变-振动次数变化曲线、动应力-应变滞回曲线2个方面重点分析了动应力、围压、固结方式以及振动频率对土体变形的影响。结果表明:焦作地区典型粉质黏土动应变随振动次数变化模式主要分为稳定型和破坏型,很少出现临界型;单样逐级加载会使土体强度增大,结构产生破坏所需的动应力幅值升高,平行多样恒定幅值加载中试样破坏前后可能存在一个明显的临界动应力值,动应力超过临界值后,试样变形急剧增长,低振动次数内便产生破坏;围压、固结比增大都会使土体强度升高,产生的可恢复弹性变形减小;振动频率对土体变形的影响可能存在一个临界频率值,在这个值前后土体变形都会增大。研究成果对保证研究区交通设施的安全运营具有重要意义。     

应力偏量加载条件下混凝土力学行为试验研究

为了分离平均应力、广义剪应力和罗德角对混凝土变形的影响，采用解耦应力路径，在液压伺服真三轴试验机上对边长为100mm的立方体混凝土试块进行准静态加载。对每个试块先施加平均应力到设计值，并与罗德角一同保持不变，单调地施加应力偏量。平均应力有5档，罗德角有3档（分别对应于拉、压、剪加载），两者组合成15组应力路径。给出了15组路径对应的偏应力~偏应变曲线、广义剪应力~广义剪应变曲线，分析了平均应力、罗德角对峰值应力、峰值应变、软化特性等力学特征的影响。首先，发现在平均应力、罗德角恒定的加载过程中，广义剪应力~广义剪应变曲线在下降段的变化幅值远远小于单轴和三轴比例加载时的变化幅值；并解释为，对于后者，加载中应力球量的变化放大了强化、软化作用。其次，发现如果用等向强化的屈服面描述混凝土的力学行为，则随着加载的进行在同一偏平面上屈服面的截面图除了大小发生变化之外，形状也发生变化；在不同的偏平面上，截面图之间形状并不相似。第三，证明了由应力的第一不变量和偏应力的第二不变量组成的塑性势函数只能描述拉伸和压缩这类假三轴加载，而不适用于剪切等真三轴加载。     

循环加卸载下花岗岩强度变形及声发射特征

为了研究花岗岩在循环荷载作用下的强度、变形及声发射特征,采用MTS815岩石力学试验机开展了单轴和三轴循环加卸载试验。结果表明:三轴循环压缩下偏应力-轴向应变曲线的上凹现象和滞回环的迁移现象相比于单轴不太明显;峰值强度和峰值应变与围压间呈现良好的线性增长关系;单轴循环加卸载下,试样表现出柱状劈裂破坏,而在三轴循环加卸载下,试样则具有明显的剪切破坏特征;前5次的循环下加载、卸载段的弹性模量和泊松比都随着循环次数的增大而增大,而在最后一次加载段弹性模量有所降低;三轴循环下试样在最后一次加卸载破坏时产生的声发射振铃计数要明显少于单轴循环。此外,在单轴循环下,每一次加卸载阶段对应的损伤-时间曲线都会出现平台,而三轴下对应的损伤-时间曲线并未出现明显的平台,表明岩样损伤保持平缓增长。     

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。     

基于声发射监测的不同加卸荷路径下砂岩破坏前兆信息研究

为了研究岩爆的孕育演化过程,采用砂岩开展了一系列加卸荷试验,在此过程中利用声发射系统监测岩石破裂的孕育演化过程。试验结果表明,随着围压的增大,方案Ｉ声发射的平静期变得更加明显,裂纹扩展过程由小裂纹的萌生向裂纹聚集过渡。因此声发射平静期可以看作是常规三轴压缩条件下试样破坏的前兆信息。低围压条件下,应力比为０．８～１．０时,剪切带的形成导致试样脆性破坏,不同应力路径下分形值迅速下降。这一阶段声发射的分形值可以用来研究试样在不同应力路径下的破坏前兆。方案Ⅱ的分形值递减率最高,方案Ⅲ次之,方案Ⅰ的分形值递减率最低。在高围压条件下,当时间比大于０．８时,卸荷路径下砂岩试样的分形值迅速降低,表明随时间比变化的分形值可以用于高围压条件下岩石破坏的预测。     

等应力比应力路径下饱和原状黄土的孔压特性

对杨凌饱和原状黄土在轴向加载且径向卸载以及轴向卸载且径向加载二种类型的等应力比应力路径下,进行了K0固结不排水三轴剪切试验,探讨了应力路径、固结围压等对饱和原状黄土孔压发展特性的影响。研究表明:(1)当忽略被动压缩应力路径在较小围压开始阶段所产生的极小负孔压值时,在两种类型的等应力比应力路径下孔压随轴向应变(压缩或挤伸)的增大,先快速增大后缓慢变化且均为正值;(2)固结应力条件相同时,应力路径对孔压发展特性有很大的影响,对于轴向加载且径向卸载类型的等应力比应力路径,孔压随加载应力比的增大而增大;而对于轴向卸载且径向加载类型的等应力比应力路径,孔压却随加载应力比的增大而减小;(3)在有效球应力和偏应力坐标系上,在轴向加载且径向卸载类型的各种等应力比应力路径下近似地具有唯一的有效应力路径;而在轴向卸荷且径向加载类型的各种等应力比应力路径下具有不同的有效应力路径,且随着加载应力比的增大,其有效应力路径由右向左按顺时针方向依次排列;(4)在不同应力路径下,孔压是由平均正应力增量和剪应力增量两部分共同引起的,由平均正应力增量引起的孔压与土的非线性变形特性无关,由剪应力引起的孔压与剪应力间呈显著的非线性关系。