粗粒土三轴试验橡皮膜嵌入量测量方法研究

粗粒土试验的橡皮膜嵌入效应使得试样体积变形测量结果失真,从而影响其强度变形指标测量精度。为此,在同一试验仪器上开展了多组不同直径试样粗粒土的等向固结三轴试验,分析了橡皮膜的嵌入量的变化规律和影响因素,在此基础上提出了一个计算粗粒土橡皮膜嵌入量的经验公式。研究表明,橡皮膜的嵌入量随围压的增大而增大,与其围压大体呈幂函数关系。相同围压下,随着试样直径的增加,橡皮膜的嵌入量占总体变的比例减小;试样直径相同时,围压变化对橡皮膜嵌入量占总体变比例的影响明显小于试样直径变化的影响,且随着试样直径的增大,影响逐渐降低。因此,粗粒土的强度变形试验应尽可能采用较大直径的试样进行,以降低橡皮膜嵌入量对其试验结果的影响。由于粗粒土的母岩性质和级配变化较大,既有橡皮膜嵌入量计算公式将明显低估堆石料试样的橡皮膜嵌入量,建议采用本文提出的方法对粗粒土试样橡皮膜嵌入量进行估算。     

消除饱和土试样膜嵌入效应的体变控制系统

研制开发了一套涂除饱和砂土完全不排水三轴试验中橡皮膜嵌入效应的注水法电气式闭环体变控制试验系统及相应校正技术,该系统通过自动量测不排水三轴试验中饱和土试样内也压力的变化,利用孔压变化与单位面积膜嵌入量之间的关系来确定膜嵌入量并加以消除,试验结果表明,该试验系统及相应校正技术是有效的。     

宽级配砾性土橡皮膜嵌入量计算新方法

橡皮膜嵌入影响分析是决定砾性土试验结果可靠性的关键问题,其影响因素、规律和计算方法存在很大争议,为目前影响砾性土力学性能理论研究发展和工程应用的瓶颈。通过双尺寸法,利用大型三轴仪,对11种级配的砾性土开展不同橡皮膜厚度的嵌入体积量测分析,获取单位面积橡皮膜嵌入体积与土骨架回弹体应变2个关键指标,分析主要因素影响规律,建立宽级配砾性土试样橡皮膜嵌入量新的计算模型和公式,并进行多方比较验证。研究及试验结果表明:双尺寸法在大尺寸三轴试验中对砾性土具有适用性和可靠性;单特征粒径如d_(50)或d_(20)都无法完整描述级配条件对橡皮膜嵌入体积的影响;橡皮膜厚度影响随土颗粒大小而变化,当d_(20)2.5倍膜厚时影响可忽略不计;均等固结状态下卸载回弹中砾性土并非一直呈现各向同性,基于各向同性假定的嵌入量计算模型对宽级配砾性土不适用;宽级配砾性土橡皮膜嵌入体积计算可用d_(10),d_(20)与d_(50)三因素新模型表示,新模型和计算公式形式简单,且较现有模型公式在精度和适用性上均明显占优。     

从变形、水量变化和强度三方面验证非饱和土的两个应力状态变量

为了验证非饱和土两个应力状态变量的合理性,对常规非饱和土三轴仪进行了改进,采用3个压力–体积控制器分别控制孔隙水压力、内室压力和外室压力,提高了量测体变和含水率的精度;用加荷器施加轴向荷载,可以方便地控制偏应力。在笔者前期用各向等压试验验证非饱和土的两个应力状态变量的基础上,使用改进的非饱和土三轴仪和重塑Q_3黄土做了两类验证试验:第一类是两组控制净围压、偏应力和吸力的固结不排水剪切试验,第二类是3组控制净围压和吸力的固结排水剪切试验。在第一类试验中,等值改变(增加或减少)总围压、孔隙水压力和孔隙气压力而保持净围压、吸力和偏应力本身不发生变化,发现试验过程中土样的体积变化和含水率变化均非常小,可以忽略不计。第二类试验的每一组包含两个控制净围压和吸力分别相同的固结排水剪切试验,其中一个试样在固结完成后直接进行排水剪切试验,另一个试样在固结完成后等值增加总围压、孔隙水压力和孔隙气压力而保持净围压和吸力本身不发生变化的条件下进行排水剪切试验,发现二者的抗剪强度、剪切过程中的体积变化、排水量和广义剪应变都分别十分接近,可以认为两两相等。研究结果从变形(包括体应变和剪应变)、水量变化和强度3个方面说明描述非饱和土的两个应力状态变量是合理的,进一步夯实了非饱和土力学的应力理论基础,为非饱和土的两个应力状态变量理论提供了牢靠的试验依据。     

关于土工试验规范的思考——以三轴CD和高压固结试验为例

工程勘察建设中采用土工试验规范指导岩土体测试,但有些试验方案的设计考虑得并不全面,一些处于特殊状态下的土体,需对其测试数据进一步分析,从而获得合适的参数。通过试验研究、数据分析,发现三轴固结排水试验(CD)采用质量差计算排水量大于固结阶段理论排水量,将导致破坏时的最大主应力偏大。随着围压的增加,最大主应力误差增大,建议CD试验固结排水量等于土体质量损失计算出的排水量减去剪切排水量;高压固结试验可获得土体的先期固结压力,对于深层土,需要更大压力下的数据提供曲线的直线部分,数据量的多少也会影响e-lgp曲线的拟合形态。通过层层嵌套式拟合土体稳定变形量随固结压力变化趋势,预测大于3 200 kPa压力段土体的稳定变形量,再结合卡萨格兰德法,为传统试验室配备高压固结仪确定深部土体先期固结压力提供了新的方法。     

原状Q_3黄土湿陷特性的CT-三轴试验

利用应力控制式CT-三轴仪及CT-湿陷性三轴仪,在控制吸力的条件下,试验研究原状Q3黄土的浸水湿陷特性。做了2组共15个三轴试验,包括均压浸水试验和以双线法进行的侧向卸荷浸水试验,试验中利用CT机进行无损断面扫描,并用得到的CT数定量分析原状Q3黄土的结构性对湿陷的影响。结果表明:对于双线法湿陷试验,同一吸力和偏应力下,固结净围压大的试样湿陷变形大于固结净围压较小的试样湿陷变形,包括体应变、轴应变及偏应变量;均压浸水湿陷试验时,在试样饱和前,随着浸水量的增加CT数与浸水量之间基本呈线性关系;当试样趋于饱和时,CT数增大减缓;均压浸水湿陷试验中,在同一吸力下,固结净围压大的湿陷体应变较大,结构演化变量值也越大。     

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。     

花岗岩残积土剪切特性试验研究

采用GDS静三轴仪,对饱和花岗岩残积土重塑样进行了常规三轴固结排水试验,并基于三维离散元软件YADE,建立了三轴压缩试验模型,分析了花岗岩残积土的剪切特性,结果表明:在各固结围压下,饱和花岗岩残积土重塑样的应力应变曲线都表现为应变硬化,体变曲线表现出明显的剪缩性,而且随着围压的增大,试样的峰值强度增大,剪缩的程度提高。     

干湿循环对云南饱和重塑红土固结不排水剪切特性的影响

以云南红土为研究对象,以反复的低温脱湿、浸泡增湿为干湿循环控制条件,考虑干湿循环次数、干密度和围压等影响因素,利用TSZ-2型全自动三轴仪,开展干湿循环作用下饱和重塑红土的固结不排水剪切试验,研究不同影响因素对干湿循环饱和重塑红土三轴剪切特性的影响。试验结果表明:固结不排水条件下,饱和重塑红土的应力-应变关系表现出应变软化的特征,孔压曲线呈S形变化。随着干湿循环次数的增多,饱和重塑红土的峰值应力、峰值应变、峰值孔压均出现减小,固结排水量、残余应力变化量、残余应变变化量均出现增大;随着干密度的增大,峰值应力、残余应力增大,饱和重塑红土的固结排水量、峰值应变、残余应变、峰值孔压减小;随围压的增大,饱和重塑红土的固结排水量、峰值应力、峰值应变、残余应力、残余应变、峰值孔压均出现增大。饱和重塑红土的总应力强度指标和有效应力强度指标随干湿循环次数的增多呈波动减小的变化趋势。反复的干湿循环对饱和重塑红土的微结构产生了损伤,影响了固结过程中的排水情况和试样的密实状态,相应地改变了剪切过程中的受力特性。     

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。     

高速铁路路基粗粒土B组填料大型动三轴试验研究

为研究高速铁路路基粗粒土B组填料的动弹性模量与阻尼特性,进行了大型动三轴试验。结果表明:动应变是影响粗粒土B组填料动弹性模量和阻尼比最主要的因素。随着动应变增大,动弹性模量呈幂指数减小、阻尼比呈S型曲线增加。随着固结围压或加载频率的增加,动弹性模量和阻尼比均增大。随着振动次数的增加,动弹性模量呈减小的趋势,应力水平越低衰减幅度越小。根据试验结果,建立了考虑围压、频率影响的动弹性模量及阻尼比关于动应变的关系模型,为高速铁路路基粗粒土B组填料的动力参数取值提供参考。     

粗粒土三轴试样端部约束影响研究

对两种级配的砾石料,分别进行了两种中三轴固结排水剪试验,一种是试样端部采用润滑试样帽法以减轻端部约束对三轴试验的影响;另一种试样则是常规三轴固结排水剪试验,即不采取端部减摩措施。对比分析两种试验的结果,以研究端部约束对三轴试样变形及强度的影响,分析润滑试样帽法对粗粒土试样的端部减摩效果。结果表明:试样在剪切过程中均表现出不同程度的剪胀性,常规三轴试样体积变形比减轻端部约束试样体积变形略小;当试验围压较低时,减轻端部约束对试样偏应力峰值(σ_1-σ_3)_f影响相对显著,而高围压下,润滑试样帽法的减摩作用几乎消失;同样,内摩擦角φ,初始切线模量E_i,割线弹性模量E_1均比常规三轴试验的小;随着围压的不断增大,润滑试样帽法减轻端部约束的效果明显减弱。     

粗粒土回弹特性试验研究

对2种粗粒土4种级配料进行了卸载–再加载的三轴固结排水剪试验,比较分析其强度变形特性与单调加载三轴试验条件下特性的差异。重点研究不同试验粗粒料的回弹模量取值规律,分析了回弹模量与初始模量、围压和应力水平等之间的关系。结果表明,围压对回弹模量影响较大而应力水平的影响相对较小;粗粒土的回弹模量约为初始模量的2.5～5.0倍,比目前对黏土等认识的1.5～3.0倍明显大。试验结果为邓肯–张模型等非线性弹性模型甚至弹塑性模型的回弹模量的合理取值提供了重要试验依据。     

红砂岩粗粒土剪胀效应大型三轴试验研究

 采用大型三轴试验仪,进行不同应力状态下的红砂岩粗粒土三轴试验,研究粗粒土在不同应力状态下的剪胀性和剪胀趋势影响因素。试验研究表明围压对粗粒土的剪胀性具有明显影响,在不同围压状态下,红砂岩粗粒土整体表现为高压剪缩低压剪胀,并且低围压下表现出先剪胀后剪缩趋势。当围压＜200 kPa时,体积增量比dev/de1为负值,土样表现为剪胀趋势;当围压＞400 kPa时,体积增量比dev/de1在整个剪切过程中为正值,土样表现为剪缩趋势。粗粒土剪胀趋势还随着轴向总应变发展而改变,开始时剪胀明显,随着轴向应变增加剪胀趋势缓减。粗粒土Rowe模型剪胀参数K值离散性较大,充分反映粗粒土剪切过程中粗、细颗粒间变形不协调性,并且随着总应变值e1的增加,K值离散性减小。本试验结果认为红砂岩粗粒土的Rowe剪胀模型参数K = 20～25。     

不同卸围压速率下深埋大理岩卸荷力学特性试验研究

为了更准确认识卸荷速率对岩石力学性质的影响规律,进行不同卸荷速率的三轴卸围压试验,试验采用新的试验路径和加载方式,减少试验过程对试验结果的不利影响。针对锦屏二级水电站深埋大理岩,通过新提出的描述变量(应变围压柔量)重点分析卸围压速率在0.01～1.0MPa/s范围内围压卸荷对变形规律的影响,研究扩容过程的演化规律和强度特征的差异。研究结果表明,大理岩的轴向变形和扩容过程受卸围压速率的影响较为显著,影响规律主要由初始围压水平控制。卸围压试验扩容过程与常规三轴压缩试验峰前阶段的扩容演化规律存在显著差异。不同卸围压速率破坏时获得的极限承载强度均高于加载速率为0.5MPa/s时常规三轴压缩的峰值强度。随着卸围压速率的增大,极限承载强度不断提高,达到1.0MPa/s速率时极限承载强度可提高10%～15%。     

多轴受力状态下再生混凝土的破坏准则及应力-应变本构关系研究

以再生粗骨料取代率、侧向围压值、时间龄期、再生骨料来源和混凝土强度等级为变化参数,设计68个试件进行三轴受压试验研究,观察了三轴受压状态下再生混凝土的破坏形态,揭示了其破坏机理,获取了三轴受压时的应力-应变全过程曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量等特征点参数。研究结果表明：随着围压值的增大,再生混凝土的破坏形态由垂直劈裂转变为斜向劈裂破坏,且与斜向劈裂面相交的粗骨料被剪断;单轴受压和侧向围压值σw≤9MPa时,再生混凝土发生脆性破坏;围压值σw≥12MPa时,再生混凝土为塑性状态破坏。最后,基于试验分析和普通混凝土的强度理论,分别采用莫尔-库仑破坏准则、π平面剪应力破坏准则以及Rendulic平面上的应力破坏准则从宏观的角度对再生混凝土材料的强度准则进行深入分析,并探讨了多轴应力状态下再生混凝土的应力-应变本构方程。研究结果可供再生混凝土的进一步研究和推广应用提供参考。     

低围压水平下QH-E模拟月壤三轴试验技术与力学特性

月球的低重力环境对月面浅层月壤力学特性的影响很大。利用清华大学取自吉林省靖宇县境内的火山灰岩研制出的模拟月壤(QH-E),对GCTS公司生产的STX型动/应力路径三轴仪重新配置高精度的传感器,并采取专门的试验技术,成功实施了一系列低围压水平(3.13~25 k Pa)的三轴压缩试验。试验结果表明,在低围压水平下:模拟月壤具有显著的剪胀效应;与常规围压水平(50~150 k Pa)结果相比,同一相对密度模拟月壤的峰值摩擦角更高;相对密度越高,峰值摩擦角越大;切线模量和剪切模量均随着围压和相对密度的减小而减小;剪胀角随围压的减小和相对密度的增大而增大,且低围压水平下剪胀角对围压变化十分敏感。最后就低围压下QH-E模拟月壤与饱和砂土特性的差异,及重力场环境和施加围压的介质的影响进行了讨论。     

超径颗粒粒度效应对基底材料力学特性的影响

本文对“基底型”颗粒材料中超径颗粒含量、颗粒粒径、基底土干容重以及试验围压4个因素对其力学特性的影响进行了大量的室内三轴试验,获得了各影响因素的定量参数。通过对试验成果的分析,着重探讨了基底型颗粒材料中超径颗粒粒径和含量两个因素对其强度变形特性的影响规律及其力学机理,提出了用单位剪切线上的超径颗粒数目这一特征指标来综合反映超径颗粒尺寸和含量对基底材料强度特性的影响效应。并进一步对试验中所观测到的一个重要的物理现象-基底型颗粒材料变形形态的分叉现象,进行了理论分析。     

原状全风化花岗岩三轴实验CT监测研究

利用可测孔隙水压力和可控排水条件的土静三轴实验装置和螺旋扫描CT，对香港原状全风化花岗岩进行了三轴固结不排水(CU)实验CT动态监测研究。样品应力-应变曲线和实验前后宏观变化特征显示，在不同围压下样品呈现出剪切破坏和剪切-蠕变破坏的差异。CT图象和CT数的结果表明土体原始结构很不均匀。固结使土体孔隙压缩，样品变密。受土体结构(主要是粗大未全风化的钾长石团斑边缘弱区和残余结构面)和围压条件控制，剪切过程中土体细观损伤呈空洞-裂隙．空洞形式的演化。土体在达到峰值前经历了很长的塑性变形阶段。裂隙损伤由空洞损伤发展而来，并沿最大剪裂面集中发展。残余变形阶段强度呈稳态，CT图象显示主破裂面贯通，其周围有多处空洞损伤。对比实验发现，这种同CT扫描仪配套的新三轴仪给出的应力、应变结果可同常规三轴实验很好地联系起来。该仪器和方法可望为新近提出的土体结构力学研究提供观测与量化分析手段，也可为土体结构细观损伤演化研究构筑基础。