刚柔混合型大型真三轴仪研制与验证

真三轴仪是研究三维主应力作用下土的变形强度变化规律的关键设备,同时也是岩土力学理论研究的试验仪。在西安理工大学已经开发的竖向刚性、水平面内正交两向柔性真三轴加载机构的基础上,将自主研发的试样尺寸分别为70 mm×70 mm×70 mm和70 mm×70 mm×140 mm小型真三轴仪进一步开发为上、下两端伺服控制同步加载的300mm×300 mm×600 mm大型真三轴仪。该真三轴仪包括压力室主机架,竖向主应力加载伺服控制液压油源,水平面内主应力加载伺服控制液压体变控制器,试样孔隙水压力伺服控制液压控制器,以及伺服控制和信号采集控制系统。压力室加载机构具有沿竖向轴水平面内转动、径向滚动和液压驱动伸缩运动的隔板,有效地隔离了相邻柔性液压囊;具有上下端对称变形的液压缸加载刚性顶板和底座和侧面对称作用分布压力特征。真三轴仪研制中分别采用特殊构造的乳胶膜和装样模以及轴–板滚动结构和PID闭合控制优化算法,解决了试样尺寸增大带来的试样制备和安装、试验操作、边界影响等问题,水平面内正交两向柔性加载腔互相干扰的问题,以及自动控制系统的稳定性问题。最后利用大型真三轴仪对重塑黄土进行了等b试验验证,其应力–应变特性、抗剪强度特性得到了一致的结果。     

粗粒料变形特性的大型真三轴试验研究

三维应力状态下粗粒料的变形性状对土石坝的沉降尤为重要。通过大型真三轴试验系统,对粗粒料开展了等小主应力等中主应力系数加载试验。试验结果表明:小主应力较小时,粗粒料的剪胀性较强,随着小主应力的增大,粗粒料的剪缩性逐渐增强。中主应力系数从0增大到0.5时,粗粒料的剪胀性基本上是逐渐减小的,而当中主应力系数增大到0.75时,剪胀性又有所增强。大主应变均表现为压缩变形,小主应变均产生膨胀变形,中主应变在一般三维应力状态下表现为压缩变形,而在常规三轴应力状态下中主应变则产生膨胀变形。     

基于大型真三轴试验的粗粒料强度特性研究

基于长江科学院自主研制的大型微摩阻土工真三轴仪,对某土石坝粗粒料开展不同中主应力系数(等b)条件下的真三轴试验,探讨三向应力条件下粗粒料强度变化特征。研究表明:(1)中主应力对粗粒料强度影响显著,强度随b值增加而增加,特别是b值在0~0.25区间内,相较于常规三轴试验其强度指标显著增长;(2)经与几种经典强度准则对比,拉德–邓肯强度准则能相对较好地反映粗粒料在三向应力状态下强度演化趋势;(3)通过一组平面应变试验认为,不同围压下当偏应力接近峰值时,b值基本稳定在0.17~0.19,实际工程在试验条件有限的情况下,平面应变试验成果可用于粗略估算粗粒料在复杂三向应力状态下的强度。研究成果可为合理确定粗粒料复杂应力状态下强度参数及精细化研究粗粒料强度准则提供参考。     

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。     

粗粒土应力诱发各向异性真三轴试验颗粒流模拟研究

基于颗粒流基本理论和物理试验结果,通过改进PFC3D程序中的内置代码,生成包含clump颗粒的混合试样以克服纯球体颗粒模拟粗粒土抗剪强度不足的缺陷,模拟粗粒土在真三轴状态下各主应力方向上的单向加荷试验,并从宏观和细观角度分析了复杂应力状态下粗粒土的应力诱发各向异性特征。试验结果显示:复杂应力状态对各向异性的诱发作用显著,各向宏、细观参数及应力–应变曲线显示出了显著的各向异性;单向加荷试验中加荷向始终为压缩变形,侧向变形复杂,且受初始中主应力系数B影响显著,且B值对非加载向泊松比的各向异性及加载向应力–应变曲线的影响亦较明显;模拟试验中配位数、孔隙率等细观参数的变化趋势能够反映试样体积变形的类型,两个细观参数的取值大小影响抗剪强度的强弱,并且各主应力方向单向加荷时,对应相同的应力增量配位数、孔隙率等细观参数表现出显著的各向异性;从细观角度看,应力诱发各向异性产生的原因归结于侧向围压差异所引起的细观结构变化。     

一室四腔刚-柔加载机构真三轴仪的改进与强度试验——西安理工大学真三轴仪

土的真三轴仪是研究不同应力路径等复杂应力条件下土力学性质的重要仪器。与国内外已有真三轴仪的加载机构比较,西安理工大学真三轴仪具有一室四腔、竖向和水平面内正交两向分别呈刚性和柔性加载机构的特征。试样的竖向采用刚性板加载,侧向正交双轴分别采用两组内置于压力腔的液压囊加载。针对试样上下端部刚性板的约束作用,增大了试样的竖向尺寸,研制了高宽比为2∶1的压力室;针对立方体试样侧面正交双轴的液压囊体积变化量测侧向变形的不足,研制了穿越液压囊的变形量测机构;针对自动控制系统信号波动变化较大,稳定性差等不足,开发了自动控制系统及多种应力路径和控制方式的控制程序。通过饱和砂土、非饱和土和原状黄土的试验,测试了各种土的强度变化规律,验证了改进真三轴仪的性能。     

一室四腔刚–柔加载机构真三轴仪的改进与强度试验——西安理工大学真三轴仪

土的真三轴仪是研究不同应力路径等复杂应力条件下土力学性质的重要仪器。与国内外已有真三轴仪的加载机构比较,西安理工大学真三轴仪具有一室四腔、竖向和水平面内正交两向分别呈刚性和柔性加载机构的特征。试样的竖向采用刚性板加载,侧向正交双轴分别采用两组内置于压力腔的液压囊加载。针对试样上下端部刚性板的约束作用,增大了试样的竖向尺寸,研制了高宽比为2∶1的压力室;针对立方体试样侧面正交双轴的液压囊体积变化量测侧向变形的不足,研制了穿越液压囊的变形量测机构;针对自动控制系统信号波动变化较大,稳定性差等不足,开发了自动控制系统及多种应力路径和控制方式的控制程序。通过饱和砂土、非饱和土和原状黄土的试验,测试了各种土的强度变化规律,验证了改进真三轴仪的性能。     

中尺寸岩样真三轴试验系统研制与应用

 目前国内外岩石真三轴试样尺寸倾向于两极,且尺寸跨度大、应力大小不同,不便于研究岩体三轴强度的尺寸效应和高应力环境复杂应力路径岩石的变形与强度特征,为了解决这个问题,研制LWZ–10000型中尺寸岩石真三轴试验系统,详细介绍该系统的设计思路、结构特点、技术指标及功能,该系统具有以下特点：(1) 自动伺服控制与变形破坏全过程数据采集,且精度高、性能稳定;(2) 试样尺寸介于室内和现场三轴试样尺寸之间,且尺寸可变;(3) 侧向和轴向载荷高,且三向独立控制;(4) 可同步进行超声波和声发射跟踪测试。采用该系统对锦屏大理岩进行大量的不同应力路径真三轴试验,对加载和卸载路径真三轴试验的应力–应变全过程曲线及与波速对应关系进行分析,结合大理岩不同尺寸卸载路径的真三轴试验成果,初步研究大理岩卸载路径下强度参数的尺寸效应。该系统的成功研制为研究多向复杂应力路径下不同尺寸深部岩体的变形及强度参数提供了新手段。     

实时高温真三轴试验系统的研制与应用

高温和应力耦合下的岩石力学特性是深部资源开发研究热点之一,自主研制实时高温真三轴试验系统,该系统主要由以下3个子系统构成:全刚性力学加载系统、高温温控系统和伺服控制与数据采集系统。该系统可真实模拟岩石在深部地层中温度应力场耦合环境,采用50 mm×50 mm×100 mm的标准岩石试样最高可在460℃(岩样表面温度)温度下进行单轴、常规三轴、真三轴、蠕变与循环加卸载等多种应力路径试验;3个方向(σ1,σ2,σ3)独立加载控制,其中σ1方向最大输出应力为1 000 MPa,σ2与σ3方向最大输出应力为200 MPa;高温温度控制系统由六回路可拆卸式柔性加热组件与气凝胶保温套组成,采用温控箱对每一回路进行单独温度监控,实现对岩样的实时加热和监控;热塑模具钢和水冷循环系统可保证高温下试验系统的整体刚度与工作稳定性,高精度闭环伺服控制系统和磁制位移传感器,可在实时高温下实现多种应力路径试验中3个方向位移与压力的精准伺服监测。通过对比实时高温真三轴试验系统与常规三轴试验系统的试验结果,验证实时高温真三轴试验系统的准确性和稳定性。然后,进行花岗岩实时高温真三轴试验,研究温度和中间主应力(σ2)对花岗岩的力学性质的影响,400℃高温对花岗岩的强度和弹性模量具有增强作用,中间主应力(σ2)对400℃高温下花岗岩的强度和峰值应变有增加作用,对室温(RT)下花岗岩的强度有增强作用和第三主应力方向峰值应变(ε_3~p)有减小作用。相关研究结果可为干热岩资源的开发利用、核废料处置库建设以及深部岩体工程提供理论和技术支持。     

YXSW–12现场岩体真三轴试验系统及其应用

 介绍了长江科学院与长春朝阳试验仪器有限公司联合研制的YXSW–12现场岩体真三轴试验系统,该试验系统具有如下功能：(1) 能够开展现场岩体真三轴试验(?2≠?3);(2) 可以提供15 MPa稳定围压,最大轴压达80 MPa;(3) 试样尺寸为50 cm×50 cm×100 cm,能表征现场大尺度岩体力学特征;(4) 能实现复杂应力路径伺服控制;(5) 能获取试样变形、破坏全过程曲线。将YXSW–12试验系统用于研究柱状节理玄武岩力学特性,取得良好的效果,成果如下：(1) 获得不同应力水平下岩体各向异性变形参数;(2) 得到原岩样在卸围压路径的峰值强度、屈服强度,获得试样在卸围压路径与加载路径下的残余强度,明确了不同类型强度参数之间的差异;(3) 了解柱状节理玄武岩在三维应力状态下的破坏机制,认识到岩体的破坏形式主要是在柱状节理面基础上的进一步扩展和贯通。YXSW–12试验系统的成功研制,为深入研究工程岩体在高应力、复杂应力路径条件下的变形、强度及破坏特征提供新的手段。     

一种新型真三轴仪的研制与开发

真三轴仪是一种真实模拟主应力状态,且在任意应力路径下测试土力学特性的试验仪器。介绍了研制的一种新型真三轴仪,它具有轴向刚性板加载、侧向双轴液压柔性囊加载的三向加载方式;侧向双轴相邻液压囊之间采用径向弹性伸缩、平面弹性转动的薄壁钢板有效隔离技术;伺服步进电机驱动滚珠丝杆推进活塞产生压力的液压/体变控制器独立施加三向主应力的自动控制系统。真正实现了三向独立加载、互不干扰。经测试分析,仪器系统性能稳定。新型真三轴仪具有结构简单,操作方便,应力状态真实,应变测试准确,试验过程易于控制的特点。     

粗粒土非线性强度切线参数的原理与确定

粗粒土的强度具有明显的非线性,本文在大型单剪仪的试验基础上分析了粗粒土非线性强度机理,认为强度非线性意味着强度参数的非线性,阐述了用切线参数描述强度非线性的原理,切线参数c_{σ、tanφσ都随法向应力σn变化。根据强度理论和数学原理提出了非线性强度的切线参数确定方法,针对某一法向应力的抗剪强度仍然可用线性库伦公式这一基本形式表达,而不用改变强度理论先前的运用原理。实例表明,切线参数的确定方法和非线性强度的计算不存在理论误差。虽然主要讨论粗粒土,但期望思路和方法可应用于具有强度非线性性质的其他土类。}     

大型三维土与结构接触面试验机的研制与应用

已有的土与结构接触面试验研究集中在二维加载条件下的接触面力学特性,而实际工程中接触面的受载条件大多为三维的,即接触面的剪应力方向在剪切过程中是不断变化的。针对粗粒土与较粗糙结构面的大型三维接触面的试验手段目前较为缺乏,自主设计研制了一台用于土与结构接触面特性试测的大型三维加载试验机。该试验机具有高加载能力,提供大试样截面,能够进行较大粒径土体与较粗糙接触面在较大应力变化范围内的单调和循环加载试验;采用液压伺服控制系统,法向可提供应力、常位移、常刚度等边界条件;切向两个方向均可按应力或位移控制,能够实现接触面上单向往返、十字、圆形、椭圆等不同的任意设定的加载路径。试验表明,该试验机能够很好地再现粗粒土与结构接触面在上述的复杂加载条件下的力学响应,为接触面的三维力学特性的研究提供了基础。     

高强度钢材在±10%大应变下的循环加载试验

为实现高强度结构钢材拉压大应变循环加载试验,避免受压失稳,采用了标距与直径比为1.13的特小标距试件。有限元分析结果表明,在此标距范围内,钢材屈服后应力、应变仍是均匀的。标准尺寸试件与特小标距试件的单调拉伸试验结果对比表明,为去除大应变范围内试件面积变化影响而采用真实应力 真实应变表达钢材力学行为是必要和有效的。针对屈服强度达到510MPa的国产高强度结构钢材,采用了循环拉伸、等幅升幅、等幅降幅和等幅交替4种不同的循环加载制度,使最大循环应变幅达到了±10%。试验获得了大应变范围内钢材的应力-应变关系及滞回特性,结果显示,大应变范围内循环加载时钢材的应力强化将有显著趋缓现象,与常用的双折线模型有显著不同。     

考虑坑侧堆载基坑开挖土体应力路径试验研究

基坑开挖过程中,基坑坑侧各区域土体受到不同程度的卸荷或堆载作用,从而呈现出复杂的应力路径。因此,开展了常规三轴固结不排水剪切试验、K₀固结不排水剪切试验、K₀固结侧向卸荷试验和K₀固结侧向卸荷轴向加荷试验等不同的应力路径试验,来研究基坑开挖前后基坑坑侧土体的不同应力路径变化情况,比较分析了各应力路径条件下土体的抗剪强度、应力应变的变化情况,归纳了基坑开挖前后复杂应力路径条件下土体的应力变形及强度特征。研究表明,在不同的应力路径条件下,土体所对应的应力变形及强度参数,具有明显的差异性;软黏土在不同的侧向卸荷应力路径情况下,应力应变曲线均呈现应变软化型,且侧向卸荷对土体强度影响较大,坑侧堆载引起的轴向加荷对土体强度变化也有一定影响。     

切向应力控制条件下粗粒土与结构接触面三维循环特性研究

运用大型三维接触面试验机,对切向应力控制十字剪切、单向和往返圆形剪切路径下接触面三维循环力学特性进行直剪试验研究,并探讨剪切路径、应力幅值等因素的影响.结果表明:(1)切向应力控制循环剪切时,粗粒土与结构接触面产生明显剪切体变,且可分为可逆和不可逆两部分.(2)往返剪切路径下,随循环剪切的进行,接触面剪切体变增量经历由...     

椭圆抛物双屈服面弹塑性模型三维各向异性修正及其试验验证

 粗粒料作为高土石坝的重要筑坝材料,其应力–应变规律受初始不等向固结和后续施工影响。考虑粗粒土各向异性特性的同时兼顾其剪胀性和初始不等向应力状态等主要性质,结合室内试验资料,运用应力变换方法和引入新的应力比参数等手段对经典双屈服面弹塑性模型的屈服轨迹和硬化轴进行修正。通过试验数据和预测结果的对比,表明修正的三维化各向异性双屈服面弹塑性模型能够较合理地反映粗粒土在初始不等向固结状态下的强度和变形特性。