裂隙性黄土的双参数二元介质模型

裂隙性黄土可以看成是由胶结块和软弱带组成的非均质土,其变形破坏过程是土中胶结块和软弱带的变形、破损和连通过程。基于岩土破损力学理论建立了裂隙性黄土的双参数二元介质模型,并用三轴剪切试验结果进行了对比,结果显示该模型能计算模拟裂隙性黄土的不同变形阶段,并能反映裂隙性黄土的脆性破损和应变软化现象,说明岩土破损力学理论对裂隙性黄土具有较好的适应性。     

岩土材料破损特性的颗粒流研究

基于颗粒流理论,利用颗粒接触胶结本构模型,建立结构性岩土材料的颗粒流模型。通过颗粒流数值模拟试验,对结构性岩土材料破损的细观机理作了初步的研究。试验中采用胶结在一起的小圆盘去代替一个可破碎颗粒,再在可破碎颗粒之间施加适当的胶结,形成结构性岩土材料试样。在试验过程中通过记录胶结破损的数目和空间位置,就可以直观反映结构性岩土材料破损特性。试验表明试样在低围压下压缩试验中应力应变曲线表现为软化型,伴随剪切带的形成,有必要区分体积破损率和面积破损率。试样在高围压下压缩试验应力应变曲线表现为硬化型,没有明显的剪切带形成,表现为体积破损。分析表明颗粒流方法是研究岩土材料破损特性的一个有力工具。     

裂隙黄土的单参数二元介质模型

为了研究裂隙黄土的结构和变形特性,在岩土破损力学理论框架基础上,把裂隙黄土视作由胶结块和软弱带组合而成的二元介质,将二元介质模型运用于裂隙黄土的研究。通过模型计算分析,得到裂隙黄土的单参数应力应变关系,并将其与三轴试验结果进行了对比分析。结果表明,将岩土材料二元介质模型应用于裂隙黄土特性的研究具有较好的适应性。更多还原     

冻土二元介质模型探讨——以-6℃冻结粉土为例

二元介质模型已成功用于模拟未冻结岩土材料,比如岩石、均质或各向异性结构性土、超固结黏土、堆石料以及黄土。类似地,为了探讨冻土的应力应变关系,此处引入二元介质模型来模拟其应力应变关系。基于岩土破损力学理论框架和二元介质模型概念,将饱和冻结粉土抽象成具有强胶结特性的胶结元（冻土骨架）和无胶结特性的摩擦元（融土骨架）,胶结元在一定围压下会产生压碎和压融现象,随围压的增大逐步破损并向摩擦元转化,二者共同承担外荷载。在-6℃和0.3~15.0 MPa围压下对冻结粉土进行了一系列低温三轴压缩试验,结果表明：随变形的增大,应力应变曲线均呈三阶段变化,分别是线弹性阶段、弹塑性阶段和应变软化阶段;强度随围压的增大呈先增大后减小的趋势,极限强度对应下的围压称为临界围压,且临界围压下的软化现象最不明显。通过细观角度运用二元介质模型概念探讨了冻土变形破损机理,在非均质材料均匀化理论基础上建立了冻土二元介质模型,讨论了破损率函数演化规律。理论与试验结果对比表明,所建立的模型可以较好地模拟冻土的应变硬化和软化现象。     

冻土二元介质模型探讨——以-6℃冻结粉土为例

二元介质模型已成功用于模拟未冻结岩土材料,比如岩石、均质或各向异性结构性土、超固结黏土、堆石料以及黄土。类似地,为了探讨冻土的应力应变关系,此处引入二元介质模型来模拟其应力应变关系。基于岩土破损力学理论框架和二元介质模型概念,将饱和冻结粉土抽象成具有强胶结特性的胶结元(冻土骨架)和无胶结特性的摩擦元(融土骨架),胶结元在一定围压下会产生压碎和压融现象,随围压的增大逐步破损并向摩擦元转化,二者共同承担外荷载。在-6℃和0.3~15.0 MPa围压下对冻结粉土进行了一系列低温三轴压缩试验,结果表明:随变形的增大,应力应变曲线均呈三阶段变化,分别是线弹性阶段、弹塑性阶段和应变软化阶段;强度随围压的增大呈先增大后减小的趋势,极限强度对应下的围压称为临界围压,且临界围压下的软化现象最不明显。通过细观角度运用二元介质模型概念探讨了冻土变形破损机理,在非均质材料均匀化理论基础上建立了冻土二元介质模型,讨论了破损率函数演化规律。理论与试验结果对比表明,所建立的模型可以较好地模拟冻土的应变硬化和软化现象。     

岩土二元介质模型的一般应力应变关系

本文把岩土材料看作由胶结块和软弱包组成的二元介质,并假定胶结块为弹脆性元,软弱包为硬化型弹塑性元,在非均质材料均匀化理论的基础上,推导了增量型的一般应力应变关系。模型中包含弹脆性元的破损参数和应力集中系数两组结构参数,其演化规律可以通过先假设后验证的办法确定。文末通过结构性粘土和砂岩岩样两个算例,说明以上模型具有广泛适应性。     

岩土材料破损过程的细观数值模拟

探究岩士材料破损机制必须考虑其非均质性。岩土破损力学将岩土材料抽象成由胶结元和摩擦元组成的二元结构体，在细观尺度上分别把胶结元看成理想弹脆性的和把摩擦元看成理想弹塑性的材料，通过受荷过程中胶结元破损并逐渐向摩擦元转化来模拟岩土材料的破损过程，最后给出平面应变单轴受压应力状态下的数值算例。数值算例结果表明，基于岩土二元介质概念的细观有限元方法可较好地模拟岩土材料的破损过程和变形特性。     

岩土破损力学—— 结构类型与荷载分担

岩土破损力学是不同于岩土断裂力学和岩土损伤力学的新理论。介绍了岩土破损力学中分宏观、细观和微观3个层次的研究方法，把结构性岩土材料划分为碎裂结构、散块结构、包络结构和浮悬结构4种类型，并讨论了分别确定结构体和结构面分担荷载的基本原则。     

基于微观破损机理的胶结砂土三维本构模型研究

在岩土破损力学和临界状态土力学框架内,遵循宏微观土力学的研究思路,建立了胶结砂土三维本构模型。定义与重塑砂土屈服面几何相似但尺寸扩大的胶结砂土屈服面;采用经三维离散元验证的Lade-Duncan强度准则作为临界状态强度面;基于胶结材料微观力学理论并结合三维离散元模拟结果,获得具有微观力学机制的胶结破损规律;将胶结破损规律引入到重塑砂土的硬化规律和流动法则,得到胶结砂土的硬化规律和流动法则。将该本构模型应用于人工制备胶结砂土室内常规三轴压缩试验和等平均应力真三轴试验的模拟,初步验证了该模型的适用性。     

理想胶结砂土力学特性及剪切带形成的离散元分析

根据近期胶结铝棒接触力学特性的实测结果,提炼出用于模拟胶结砂土粒间胶结作用的胶结接触模型,并将该模型引入二维离散元商业软件PFC^2D。通过对不同胶结强度和不同围压下胶结砂土的平面应变双轴压缩试验的离散元模拟,分析了理想胶结砂土的宏观力学特性及其剪切带的形成规律。结果表明：相比同一孔隙比的无胶结试样,胶结试样具有更高的峰值强度、显著的应变软化和剪胀现象以及明显的剪切带,宏观力学特性与其胶结接触微观力学机理密切相关,模拟结果与已有室内试验结果具有规律上的一致性;由胶结试样内部的微观信息统计可知,胶结试样剪切带的形成一般在其峰值强度之后,且剪切带的形成是试样变形、胶结破坏、孔隙比、平均纯转动率和位移场等微观参量局部化的综合表现。     

咸池沟弃渣场渣体大型三轴试验研究

结合咸池沟弃渣场地质条件与现场工况,通过饱和试样大型三轴试验,分析了渣体材料在不同围压下应力—应变关系特性、变形特性以及抗剪强度特性。试验结果表明：该渣体材料不同于一般堆石料,其在轴向压力作用下无明显应变软化特性;随围压增大,渣体由剪胀逐渐过渡到剪缩,且在低围压下,渣体剪胀性在不同应力水平时表现不同;围压较低时,经典线性摩尔—库伦模型仍然适用于该渣体强度分析,但设计数据偏于保守;在高围压下应建立非线性强度模型。在试验分析和理论研究的基础上,认为有必要开展应力路径与应力历史对渣体材料力学特性影响的研究,为依托工程的设计及后期防护奠定理论基础。     

不同围压加载方式下土石混合体变形破坏机制颗粒流模拟研究

土石混合体是一种非连续、非均质的混合多相介质材料,在轴向荷载作用下,由于内部变形的不均匀性,其变形破坏受围压加载方式影响显著。考虑刚性和柔性两种围压加载方式,采用颗粒流程序(PFC2D)开展了不同含石量和块石空间分布下土石混合体的双轴试验研究,从宏细观上探究了土石混合体在不同加载方式下的变形破坏规律。数值模拟研究表明:在不同围压加载方式下,受侧向变形约束不同的影响,土石混合体在峰后表现出了不同的力学特性,且在刚性加载下,其峰值偏应力较柔性加载下的高;同时,土石混合体在不同围压加载方式下局部化剪切带的形成演化过程也是不同的,其破坏型式不仅取决于围压加载方式,同时也决于块石含量和空间分布,在刚性加载下,多表现为复杂的多叉型破坏,在柔性加载下,多表现为非对称单叉型鼓胀破坏,而且随着含石量增加,破坏型式由简单的单叉型向复杂的多叉型转变,即使在相同含石量下,块石空间分布不同,破坏型式也不一样;土石混合体在不同加载方式下表现出了不同峰后力学行为的根本原因是由于内部土石颗粒间接触力的传递演化规律的不同所致,而且其应力应变关系是内部颗粒间切向接触力的外在宏观表现。     

棒状结构体试件破损过程的试验研究

通过棒状结构体在2种不同排列方式下的平面应变试验,研究了不同侧向应力状态下结构体的破损过程。试验结果表明:在棒状结构体的破损过程中,不仅有结构体的滑移、转动,还有结构体的破碎;低侧向应力状态时有应变软化和应力跌落现象出现,体胀和侧向挤出;高侧向应力状态时应变硬化,体缩和侧向收缩。     

Brittle-to-ductile transition in Beaucaire marl from triaxial tests under the CT-scanner

This paper presents an experimental study of the deformation of Beaucaire marl subjected to drained triaxial tests under a wide range of confining pressure. Several methods of observation have been used: X-ray computed tomography, scanning electronic microscopy, quantitative image analysis of thin sections and mercury porosimetry. The analysis at the grain scale shows the existence of various deformation modes depending on the mean stress level. These modes are classified with reference to the brittle and ductile regimes. In specimens deformed under low confining pressure, macro-cracks are localised in a band more contracting than the rest of the specimen. In specimens deformed under moderate confining pressure, a series of micro-scale shear bands characterised by a grain re-orientation towards the direction of macro-shear is detected in the zones of localised deformation. The material in between the micro-scale shear bands is contracting more than the rest of the specimen in some cases; in other cases, a schistosity is detected also in the rest of the specimen outside the localisation zones. In the specimen deformed under high confining pressure, no localisation occurs, and a schistosity is observable throughout the specimen.     

基于能量原理的卸围压试验与岩爆判据研究

 岩爆是高地应力区地下工程开挖卸荷产生的地质灾害现象。按照地下硐室开挖过程中围岩的实际受力状态,开展脆性花岗岩常规三轴、不同控制方式、不同卸载速率条件下峰前、峰后卸围压试验,研究岩石破坏的全过程,从能量的原理探讨岩石破坏过程能量积聚–释放的全过程,研究岩石的变形破坏特征、能量集聚–耗散–释放特征和基于能量原理的岩爆判据。试验结果表明：无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现脆性破坏的特征,峰前卸围压时岩样破坏表现出的脆性比峰后卸围压更为强烈;且无论是加载还是不同控制方式卸围压条件下,岩石在破坏前所能够储存的最大应变能受围压和卸载速率的控制。从能量的观点和工程应用的角度出发,提出一种新的能量判别指标：岩体实际储存能量与极限能量之比为U/U0,该指标真实合理地反映地下工程开挖卸荷过程中围岩的能量变化过程,围岩能量的积聚程度以及岩爆的发生程度,通过数值仿真计算可以更合理地定量预测高应力下地下工程开挖过程中岩爆发生的强度和位置。     

A new strength criterion for structured soils

Existing strength criteria are mostly formulated to describe the mechanical properties of reconstituted soils. However, the engineering characteristics of structured soils are different from those of reconstituted soils in many aspects, especially in their strength properties. Thus, the influence of soil structure (bonding and fabric) on the mechanical properties of structured soils cannot be correctly described. By analyzing the breakage mechanism of natural soils, the structured soils can be conceptualized as binary medium materials consisting of bonded blocks and weakened bands. On this basis, a new strength criterion is proposed for structured soils. The expressions of the strength criterion on both meridian and deviator planes are given to describe the strength properties of structured soils on these planes. The proposed strength criterion is compared with available test data under conventional and true triaxial stress conditions in the literature. It is observed that the proposed strength criterion agrees well with the test data.     

路用无黏结集料的动载结构性评价方法研究

由松散集料组成的级配碎石在路面结构中具有很强的动载结构性,但目前对材料的结构性描述是定性的。为了探讨级配碎石动载结构性的定量化描述,采用上表面振动方法成型试样,以水为扰动因素,在3种围压下对试样进行的3000次动载试验,并根据松散集料基层沥青路面的典型破坏形式,定义了级配碎石的动载可稳性、可变性和综合结构性。试验表明:结构可稳性反映了填充料水稳定性,结构可变性表征了骨架排列的稳定性能,二者是土结构性的两个方面,围压σ3≧15 0 kPa时,级配碎石的结构性被钝化,结构性参数应在小围压下测定;采用结构性参数定性评价级配碎石的结构性是可行的。     

Experimental research on water retention and gas permeability of compacted bentonite/sand mixtures

Highly compacted bentonite-based materials are often considered as buffer or sealing materials for deep high-level radioactive waste repositories. In situ, the initial state of bentonite-based materials is only partially saturated, which has a very high suction that will promote water absorption from the host rock. In addition, a gradient of water saturation will be formed between the external part and the central part of the compacted bentonite blocks. In this paper, water retention tests, under both constant-volume and free-swelling conditions, were performed to investigate the suction behavior of a compacted bentonite/sand mixture. In order to investigate the sealing ability of the partially saturated bentonite/sand mixture, gas permeability tests were also carried out under the in situ confining stress. It was found that the confining conditions have a limited effect on the water retention capacity of the compacted bentonite/sand mixture at lower levels of relative humidity (RH), while this influence is significant at higher RH levels. The results of gas permeability tests show that gas permeability is very sensitive to the water content and the confining pressure. When the sample (stable at RH=98%) was subjected to a in situ confining pressure (7–8 MPa), the gas permeability was very low (1.83×10^–14 m/s) which indicates that gas tightness can be obtained even though the sample is not fully saturated.     

宽围压加卸荷条件下特高坝填筑料强度变形研究

开展大型三轴试验,系统研究了特高坝堆石料和砂砾石填筑料在宽围压加卸荷条件下的强度变形特性。结果表明:相比堆石料,砂砾石料在低应力条件下的强度低,采用砂砾石填筑的大坝应防止坝坡浅层失稳。围压对强度指标和邓肯模型变形参数均具有重要影响,对于特高土石坝,宜根据应力分布情况分段采用不同的强度指标和变形参数,以提升坝体结构应力变形计算精度和提高工程安全性。卸荷—再加载循环内,均产生了正值的轴向变形和体积变形,循环结束后,应力-应变、体变-应变曲线均回归至原有的正常加载形态;在卸载段,低围压、低应力水平条件下往往表现为体胀,随围压和应力水平的提高,主要表现为卸荷体缩;在再加载段,无论围压大小还是应力水平高低,均主要表现为体缩。随围压的提高,回弹模量与初始切线模量之比增大;同一围压下,随应力水平的提高,回弹模量变化不大,略有降低的趋势;大石峡工程高填筑标准砂砾石料和堆石料K_ur/K约1.98~2.22,但指数n_ur要远大于n;对于那些特高坝和高坝而言,有限元计算时假定n_ur=n是不太适宜的,应开展回弹模量试验研究。