考虑颗粒破碎的钙质砂双屈服面模型

珊瑚岛礁主要由颗粒形状不规则、多孔隙、高压缩性、易破碎的钙质砂组成。在进行珊瑚岛礁生态开发建设时,由于其地基土钙质砂具有特殊性,有必要针对颗粒易破碎的钙质砂进行本构模型研究,为设计施工提供参考。首先进行不同围压的钙质砂三轴试验并筛分颗粒,得到应力-应变关系曲线及级配变化曲线。试验结果表明：对于同一级配、同一密实度的钙质砂在不同围压下存在不同程度的应变软化和剪胀性,尤其在较低围压下更为明显;存在应变软化和剪胀性的围压范围内,随着围压的增大,其偏应力峰值点和临胀点所对应的轴向应变越大;不同围压下钙质砂颗粒均出现了不同程度的颗粒破碎,且围压越大其颗粒破碎程度越大,细粒含量相对越多。同时,为了准确描述考虑颗粒破碎的钙质砂应力-应变关系,基于分形理论和莫尔-库仑理论建立颗粒破碎指标对峰值内摩擦角进行修正,并结合试验数据对“南水”模型中的切线变形模量和切线体积比进行修正,明确了各材料常数的意义,最终建立了考虑颗粒破碎的钙质砂本构模型。采用Fortran语言将修正的本构模型汇编程序进行模拟,并与试验结果进行对比,两者较为吻合。除此之外,结合引用文献中相关试验数据对所建立考虑颗粒破碎的钙质砂本构模型进行推广验证,结果表明该模型依然能够较为准确的反映钙质砂在不同围压下存在的应变软化和剪胀性。     

砂-结构接触面直接剪切的物理试验与数值模拟

利用DRS-1型超高压直残剪试验系统以及颗粒流软件PFC2D,对砂与地下结构的接触面分别进行了直接剪切物理试验与数值模拟,获得了砂与地下结构接触面力学特性的宏观表象及内在机理.结果表明:砂与地下结构接触面的剪切应力-剪切位移曲线随法向应力的增加,其应变软化特性逐渐减弱而硬化特性逐渐增强.在一定法向应力条件下,随着结构面粗糙程度的增加,应变软化特性增强,且达到峰值剪应力所需要的剪切位移逐渐减小;随着法向应力的增加,结构面粗糙度对接触面力学特性的影响程度降低.在一定的法向应力条件下,对同一结构面,接触面的剪切强度符合摩尔-库伦强度准则;不考虑颗粒破碎时,颗粒的"剪胀"是引起砂-结构接触面剪切强度变化的主要原因之一;当相对粗糙度R较小时,结构面的存在所引起的剪胀量较小,接触面的峰值剪应力较小;随着R增大,颗粒受结构面的约束,引起的剪胀量变大,峰值剪应力增加;当R增大到一定程度时,结构面对颗粒运动的约束作用所引起的试样剪胀量变小,峰值剪应力亦随之降低.     

发泡颗粒混合轻量土抗剪强度特性试验研究

通过三轴试验对发泡颗粒混合轻量土抗剪强度特性进行了研究.结果表明:剪胀条件下轻量土的峰值主应力差早于最大有效主应力比到达或者二者同时到达,剪缩条件下二者则同时到达.应力-应变曲线的软化与硬化是剪胀剪缩的外在表现,软化型宜采用峰值主应力差标准,硬化型采用轴向应变15%标准.破坏包线有直线型与折线型,包线形态受配比与围压控制.黏聚力、有效黏聚力随EPS颗粒掺入比增大而减小,随水泥掺入比增大而增大;内摩擦角、有效内摩擦角随EPS颗粒掺入比增大而减小,随水泥掺入比增大没有显著变化规律,介于6.0°～13.0°.低围压,试样破坏形态为鼓型,出现剪切带,反之为收缩型,不出现剪切带.     

压实度和含水率对含砂粉土性质的影响

基于静三轴试验,分析不同含砂量、压实度和含水率对粉土应力-应变曲线和抗剪强度指标的影响.试验结果表明,相同围压下增加粉土中含砂量,粉土峰值强度呈增加趋势,且围压较低时不同含砂量粉土均呈现不同程度应变软化现象,增高围压水平时应变软化现象减弱;增加含水率对粉土强度削弱明显,且最优含水率下粉土应变软化现象明显,粉土应变软化随含水率增加呈减弱趋势;减少压实度时应变软化现象减弱并最终趋于消失,相同围压下压实度越高,粉土峰值强度越大,且围压水平越低,压实度对峰值强度的影响越明显;同等条件下增加含砂量、提高压实度或减少含水率,均可显著提高粉土黏聚力,但对其内摩擦角影响较小,且压实度越高,含水率越小,含砂量越大,粉土的抗剪强度越高.     

橡胶颗粒-砂混合物三轴CD剪切试验研究

对6种围压7种不同质量配比的干燥橡胶颗粒-砂混合物(橡胶砂)进行三轴CD试验,研究不同配比不同围压对橡胶砂的强度特性、偏应力-轴向应变曲线和体应变-轴向应变曲线特性的影响。试验结果表明:橡胶颗粒质量分数为0%~30%时,有利于改善砂颗粒的剪切强度特性;在10%附近时,内摩擦角出现最大值;在20%附近时,其粘聚力出现最大值。橡胶砂的偏应力-轴向应变曲线特性在橡胶颗粒质量分数低于50%时,与纯砂类似,表现出双曲线特性;不低于50%时,与纯橡胶类似,表现出近似线弹性,且由双曲线模型拟合得到的橡胶砂模型参数(如峰值偏应力、初始切线模量以及破坏比)随围压的增加而增加,随橡胶颗粒含量的增加而减少。橡胶砂的体应变-轴向应变曲线特性在橡胶颗粒质量分数不高于20%时,与纯砂类似,有先剪缩后剪胀的特点;高于20%时,表现出单调剪缩的特性,橡胶颗粒含量越大,剪缩越明显。     

橡胶砂力学性能的三维离散元数值模拟

为揭示橡胶砂混合料强度特性、偏应力-轴向应变曲线及体应变-轴向应变曲线的变化规律,利用颗粒流软件,对三轴压缩状态下橡胶砂混合料的力学特性进行了三维离散元数值模拟,从宏观、微观两方面分析质量配比、粒径比和围压对橡胶砂力学及变形特性等方面的影响。分析结果表明：当ω(橡胶)<10%时,橡胶砂表现出类砂力学特性,即先剪缩后剪胀,应力-应变曲线呈软化型,当ω(橡胶)≥20%时,橡胶砂表现出类橡胶力学特性,试样单调剪缩,应力-应变曲线呈硬化型。随着橡胶含量的增加,橡胶砂应力-应变曲线峰值降低。胶砂粒径比对橡胶砂应力-应变关系存在一定的影响,主要表现为随着平均粒径比的增大,体应变增大,应力-应变曲线降低,抗剪强度减小。随着围压的增加,低橡胶含量的橡胶砂剪胀和应变软化特性得到抑制,而高橡胶含量橡胶砂剪缩和应变硬化特性增强。混合料抗剪强度的降低主要归因于软橡胶颗粒的加入所引起的橡胶砂试样刚度损失,而其膨胀反应受到抑制的原因是橡胶颗粒容易被挤压而产生体积收缩。     

考虑温度效应的路基粗粒填料亚塑性模型

为了研究温度效应对路基粗粒填料静力剪切特性的影响,对GDS大三轴试验系统进行温控模块升级,采用循环流体加热模式实现对试样温度的精准控制. 选取浙江省某路基采石场碎石填料进行饱和排水剪切试验,分析不同温度下低围压路基填料静力剪切特性. 基于试验数据,建立剪胀指数与围压之间的关系,对von Wolffersdorff亚塑性模型进行改进以反映路基填料在低围压下的剪胀性. 在此基础上,提出温度对粗粒填料剪胀性及强度影响的本构关系式,建立考虑温度效应的路基填料亚塑性模型. 研究表明,温度升高使密实路基填料表现出软化现象,峰值强度随温度升高而降低;路基填料围压越高,峰值强度随温度的衰减越明显;残余强度基本不受温度变化影响. 所建立的模型能够模拟低围压填料强度与围压的非线性关系,准确反映不同温度下密实路基填料的剪切特性,可以作为温度效应下粗粒土剪切特性模拟的有效工具.     

银川滨河路粉土力学性能试验研究

为研究围压和含盐渍对银川滨河路粉土力学特性的影响,采用英国GDS公司生产的空心圆柱扭剪仪(HCA)在100,200,300 kPa围压下进行三轴固结排水剪切试验。结果表明:粉土的应力应变关系曲线属于弱软化型,并有剪胀现象发生;随着围压增大,粉土的抗剪强度增大,剪胀趋势减弱;随着盐分含量的增加,粉土的抗剪强度增大,剪胀趋势增加。由此可见,围压和盐分对粉土的抗剪强度均有明显的影响,围压的增加,有利于增加土体抗剪强度,而盐分含量升高会使得粉土更加容易发生剪胀吸水,不利于地基的安全。     

微生物加固钙质砂环剪试验研究

对取自南海岛礁的钙质砂进行固化处理,通过环剪试验研究微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）胶结钙质砂的抗剪强度特性,并考虑菌液浓度、菌液浸泡时间、加固液浓度、加固时间、竖向应力以及海水环境等因素的影响. 结果表明：MICP方法可以有效提高钙质砂的抗剪强度. 当加固液浓度为0.5 mol/L时,加固后试样的抗剪强度达到最大值,约为未加固试样的3倍,并表现出显著的应变软化现象. 提高菌液浓度、菌液浸泡时间、加固液浓度、加固时间均可改善微生物加固效果,减小残余强度与峰值强度的比值,使试样的应变软化现象越来越明显. 海水环境虽对MICP加固过程有抑制作用,但在此环境下采用MICP方法仍能有效提升钙质砂地基的抗剪强度.     

风城油砂三轴力学特性及其本构模型研究

油砂是一种具有自锁结构的致密沉积砂,其力学特性较疏松砂岩更为复杂。针对新疆克拉玛依风城油砂矿的地下储层岩芯,开展了室温三轴固结排水压缩试验,详细探讨了油砂在不同围压下的三轴力学特性。结果表明,典型的油砂应力–应变关系呈驼峰曲线,存在应变软化与剪胀现象;试验边界条件与围压对油砂力学特性具有重大影响,并决定了其破坏模式及峰后软化行为;油砂变形模量、泊松比在对数坐标下与围压存在线性关系,低围压时抗剪强度近似服从莫尔–库伦准则。借鉴南水非线性模型及成都科大模型,分别讨论了风城油砂的应力应变本构关系,在此基础上修正得到新的推广双曲线模型,指出修正的成都科大模型较南水模型能更好地描述油砂的应变软化特性,也能适当地考虑剪胀效应,对深入研究中国本土油砂的力学特性及石油工程应用具有重要意义。     

温度效应对钙质砂体积应变和固结特性的影响

为了探究温度变化引起钙质砂体积应变的作用机制,在不同温度和围压下对南海钙质砂进行温控三轴试验,并与石英砂试验进行对比. 研究表明：升温引起相对密实度为70%的钙质砂和石英砂产生压缩体积应变;升温引起的钙质砂热体积应变远大于石英砂,且钙质砂热体积应变对围压的敏感性远强于石英砂;在围压较大时,升温引起的钙质砂热体积应变明显增加且体积应变发展模式显著改变. 利用温控固结仪研究不同温度下钙质砂和石英砂的固结特性. 研究表明：随温度升高,2种砂在e-lg p面内的压缩曲线先向上移再下移,直线段的斜率先减小后增大,但达到固结稳定的时间均提前;不同于石英砂,在45~75°C下,升温导致钙质砂的固结压缩量显著增加,远超常温水平,这是因为由筛分试验发现,随温度增加,钙质砂颗粒破碎程度增大,导致其在高温固结时的压缩量增大.     

Experimental investigation on dilatancy behavior of water-saturated sandstone

It is important to study the dilatancy property of water-saturated rock for understanding the engineering behavior of loaded rock mass. This study carried out the uniaxial and triaxial compressive experiments on the water-saturated red sandstone, analyzed the influences of confining pressure and pore pressure on dilatancy property of water-saturated rock, and discussed the reasonable basis of the stress of dilatancy onset as a strength design parameter of rock engineering, finally established the prediction model of the stress of dilatancy onset under the impacts of confining pressure and pore pressure. The results show that the strength parameters(the stress of dilatancy onset and peak strength) and deformation parameters(axial strain and circumferential strain) of water-saturated sandstone increase with the confining pressure, and the relations can be fitted with a positive linear function. The cohesion and internal friction angle obtained from the stress of dilatancy onset decrease by 11.57% and 7.33%, respectively, when compared with those obtained from the peak strength. The strength parameters and deformation parameters of water-saturated sandstone decrease basically with the increase of pore pressure, in which the relations between strength parameters or axial strain and pore pressure can be fitted with a negative linear function. However, the relation between the peak circumferential strain and the pore pressure should be characterized by a negative exponential function, and the circumferential strain at dilatancy onset isn't affected by the pore pressure.     

Strength properties and evolution laws of cracked sandstone samples in re-loading tests

To study the strength properties and evolution laws of cracked sandstone samples in re-loading tests,strength and damage evolution properties of intact sandstone samples were first analyzed through the triaxial compression tests carried on TAW-2000 microcomputer control electro-hydraulic servo rock triaxial test system. Damage evolution models were established based on dilatancy properties realizing the real-time and quantitative evaluation of samples damage state in loading process. On this basis, samples with different damage were obtained by pre-peak, peak point, post-peak and residual strength stage unloading tests in the loading process of intact samples. The characteristics of the stress-strain curves and strength evolution laws were studied through the re-loading tests of samples with different damage under different stress states. The experimental results showed that the slope of stress-strain curves, peak strength and residual strength of cracked samples increased linearly with confining pressure and decreased linearly with damage. The equivalent cohesion decreased with damage in the exponential decay curves. The mechanics properties of samples transformed from strain softening to strain hardening with damage.     

描述饱和砂土剪切特性的一个热力学本构模型

砂土的力学特性十分复杂,与其所处的物理状态直接相关,表现为松砂的剪缩以及密砂的剪胀特性,受相对密度和有效围压的共同影响。为有效地描述饱和砂土在不同物理状态下的剪切特性,基于颗粒物质热动力学理论,考虑颗粒层次能量耗散机制,并结合引入状态参数的剪胀方程,发展一个饱和砂土的热力学本构模型。该模型形式较为简单,不涉及屈服准则、流动法则等概念,而是引入颗粒熵和颗粒温度的概念来描述砂土内部的不可逆变形,并通过迁移系数和能量密度函数将饱和砂土内部的能量耗散机制与宏观力学行为建立联系。模型可以反映饱和砂土在剪切过程中由于相对密度和有效围压的变化对土体强度和变形特性的影响。基于模拟计算结果与等向压缩、三轴不排水以及排水剪切试验结果的对比,验证了模型描述饱和砂土剪切特性的能力。     

Mechanical properties of deep-buried marble material under loading and unloading tests

The mechanical properties are essentially different when rock material is subjected to loading or unloading conditions. In this study, loading and unloading tests with various confining pressures are conducted to investigate the mechanical properties of marble material samples taken from the deep diversion tunnels of Jinping II Hydropower Station. The stress-strain relationship, failure characteristics and strength criterion are compared and analyzed based on the experiment results. The results show: in the loading and unloading test, peak strength, lateral strain, axial strain and plastic deformation increase significantly as the confining pressure increases. Lateral strain increased significantly and obvious lateral dilatancy can be observed to the change of confining pressure; The fracture mode is mainly the single shear fracture for the triaxial compression test and post-peak test, angle between the failure surface and the ends of the rock material becomes smaller as the confining pressure increases. Hoek-Brown strength criterion reflects the strength characteristics of marble material under two different unloading conditions, and has some supplementary effects to the rock material of mechanical field.     

间断级配吹填珊瑚砂剪切和颗粒破碎特性

岛礁地基通过水力吹填的方式建造而成。吹填地层中常存在大小颗粒共存的间断级配状态，颗粒级配的间断条件对吹填珊瑚砂的力学特性有显著影响。针对吹填珊瑚砂开展不同有效围压、相对密实度和含砾量的三轴排水剪切试验，探究静力荷载作用下间断级配珊瑚砂砾混合料的强度与变形特性，并分析珊瑚砂砾混合料颗粒破碎的演化规律。结果表明：试样的应力—应变关系曲线受到围压和密实度的显著影响，珊瑚砂砾混合料的峰值摩擦角和峰值剪胀角均随有效围压的增大而减小，随密实度的增大而增大；同一有效围压水平下，随着含砾量的增加，密实程度不同的珊瑚砂砾混合料强度表现出不同的增长规律，这可能与珊瑚砂砾混合料中粗细骨料接触状态和组成比例有关。另外，还研究了剪切过程中不同含砾量条件下珊瑚砂砾混合料的塑性功与相对破碎指数的关联性，建立了相对破碎指数B_r与塑性功W_p的相关函数。     

不同围压下灰岩力学特性及破坏力学模型研究

为了研究围压对灰岩力学特性及破坏力学模型的影响,采用MTS815对完整灰岩岩样进行三轴压缩试验。基于岩样宏观破坏形式,建立张拉剪切破坏模型,构建峰值强度与围压关系表达式;讨论张拉剪切模型与纯剪切模型对岩石剪切强度参数值（粘聚力与内摩擦角）的影响。研究结果表明：岩样弹性模量、抗压强度及残余强度均随围压升高而增大,且残余强度与围压呈非线性相关;当岩样最终破坏时,环向应变与轴向应变比值随围压升高呈负指数降低;一定围压范围内,岩石抗压强度受剪切强度参数和抗拉强度影响;张拉剪切模型确定岩石剪切强度参数值随破裂角增大而增大,与纯剪切模型相比,数值均较小。因此,低围压时,考虑岩石破坏模型具有一定的实际意义。