应力路径条件下堆石料剪切特性大型三轴试验研究

依据宜兴抽水蓄能电站上库主坝主堆石料原型级配,联合采用相似级配和等量替代的级配模拟技术制备大型三轴试样,利用YS-30型应力路径大型试验机开展应力路径条件下堆石料剪切特性大型三轴试验研究.研究结果表明:应力路径与固结应力共同作用,成为影响堆石料剪切特性的主要外部因素.堆石料抗剪强度具有显著的非线性特征,而应力路径对其抗剪强度影响极小.随着σc与k的增加,应力-应变关系由低压应变软化、高压应变硬化型向完全应变硬化型转变;体积应变关系由低压剪胀、高压剪缩型向完全剪缩型转变;随着应力比k的增加,堆石料塑性变形性质逐渐由剪切塑性变形变化为主转变为压缩塑性变形变化为主,破坏形式则由剪切破坏转变为压缩破坏.堆石料剪胀剪缩转化关系由临界应力比kcrit与临界固结应力(σc)crit共同决定.     

堆石料加载与流变过程中塑性应变方向研究

确定塑性应变增量方向是建立土体弹塑性本构模型的核心之一,弹塑性理论中通常假定塑性应变增量方向仅与应力状态有关,与应力增量无关。流变试验是一种应力状态恒定的特殊试验,应力增量为零,所有应变均为塑性变形。研究流变过程中塑性应变方向与应力状态的关系及其与加载过程中塑性应变方向的差异,对于建立土体弹塑性本构模型具有重要价值。通过对某抽水蓄能电站筑坝堆石料的大型三轴压缩试验和三轴流变试验,分别研究了加载和流变过程中剪胀比与应力比之间的关系。结果表明,三轴压缩和三轴流变过程中,堆石料的剪胀比均随着应力比的增加而减小,且相同三轴压缩应力状态下,堆石料的流变剪胀比明显大于加载剪胀比,即流变过程中堆石料剪缩性比三轴压缩过程中的剪缩性更为强烈。因此,采用相同的塑性势函数同时确定加载塑性应变方向和流变黏塑性应变方向是不恰当的,建立考虑堆石料流变的弹塑性模型时应该选用不同的应力剪胀方程或塑性势函数。     

循环荷载下堆石料应力变形特性研究

基于不同堆石料的多组大型静、动三轴试验,揭示了堆石料的特殊应力变形特性。试验发现,基于Rowe应力剪胀理论所建立的堆石料本构模型将明显低估堆石料的剪缩特性。堆石料的破坏和剪胀线在p-q面上并不是一条直线,剪胀线Md向左上方翘曲,而破坏线Mf则向右下方微曲,随着应力水平的提高,剪胀线Md逐渐接近甚至超过破坏线Mf。动应力和围压之比越大,堆石料的永久剪切和体积变形越大;随着固结应力比的增大,堆石料的永久剪切变形增大,体积变形减小;循环荷载的前几周,堆石料的永久剪切和体积变形的增加较标准砂大,随着循环荷载周数增加,堆石料硬化现象也较标准砂明显。在振动过程中,不论是何种岩质和级配的堆石料一直表现为体积收缩,未出现剪胀;堆石料在固结、静力三轴剪切和振动三轴试验过程中均产生明显的颗粒破碎,颗粒破碎率的大小与堆石料的母岩、级配以及围压等因素相关。围压增大,静力三轴剪切引起的颗粒破碎率随之增大,而单纯由振动三轴试验引起的颗粒破碎率则相应降低。堆石料的颗粒破碎,使其剪胀性降低,剪缩性增大,堆石料所表现出的特殊破坏和剪胀规律显然与其颗粒破碎密切相关。堆石料筑坝材料经先期循环荷载作用后,再次经受循环荷载作用时,其抵抗变形能力明显提高。     

堆石料的亚塑性本构建模及其应用研究

亚塑性本构理论是20世纪中晚期发展起来的一类基于有理力学的新型的连续介质本构建模理论,主要用于刻画无黏性散粒型土体的非弹性、非线性及剪胀（剪缩）性等主要应力应变特性。较详细地介绍了该本构理论的起源、发展和本构方程的一般表述形式,并做相应的数学力学特性分析。在对散粒型土体孔隙比与平均压力及孔隙比与体积应变关系分析研究的基础上,扼要介绍了新近发展的亚塑性模型的重要的建模改进思想。结合分析堆石料的主要工程特性,将能够反映当前亚塑性研究水平的Gudehus-Bauer亚塑性模型做适当改进后首次引入到堆石料的本构建模中,并将其应用到一典型混凝土面板堆石坝的应力变形数值分析中。理论分析和算例应用表明,所改进的Gudehus-Bauer亚塑性模型能够合理反映堆石料的非弹性、非线性、剪胀剪缩性等主要应力、应变特性,且具有本构参数适用范围广的优点。     

基于广义塑性理论的堆石料动力本构模型研究

分析了堆石料在等幅与不等幅应力循环荷载作用下的变形特性,以此为基础,确定了不同加载过程中堆石料的剪胀方程,加载方向,切线模量及塑性模量,建立了一个可以考虑堆石料循环加载特性的广义塑性本构模型.模型将所有的加卸载阶段都视为弹塑性过程,并在剪胀方程中引入老化函数来考虑体积应变积累对剪胀(缩)性的影响.模型共有12个参数,均可通过常规室内单调及循环加载试验确定.为验证模型的有效性,依据试验资料确定了两种不同堆石料的本构模型参数,并对等幅循环三轴压缩与不等幅循环三轴压缩试验进行了模拟.两种材料在不同围压下的模型预测结果与试验数据均吻合良好,表明模型可以有效地反映循环荷载作用下堆石料应力应变曲线的滞回特性与永久变形的积累.     

堆石料变形与强度特性的大型三轴试验研究

在两种堆石料饱和试样大三轴试验成果的基础上，对其变形与强度特性变化规律进行了总结。给出了其应力—应变关系、侧向应变与轴向应变关系的指数关系表达式，以及抗剪强度包络线在q—p面上的幂函数表达式；探讨了试验现象的内在机理；分析了剪胀、破碎与颗粒重排的相互关系；提出了弹性剪胀和塑性剪胀相互转化的观点。     

堆石料强度和变形特性数值模拟

 大型三轴试验结果表明,堆石料在剪切过程中具有明显的应变软化和剪胀特性,其应变软化和剪胀与否取决于土样本身的密度与应力状态：密度越大,围压越低,其应变软化和剪胀性就越明显。通过引入无黏性土的状态相关剪胀理论,对具有不同密实度的堆石料在三轴固结排水剪切过程中的强度和变形特性进行模拟,并与邓肯–张E-B模型和南水模型的模拟结果进行对比,发现该理论仅需一组材料参数就能够较好地反映堆石料的应变软化和剪胀特性。     

原状黄土剪缩性测试与理论分析

 为揭示剪切过程中黄土的应力–剪缩规律,在黑方台典型滑坡后壁获取原状试样,开展了饱和黄土的等压固结不排水试验、等压固结排水试验,与非饱和黄土的常含水率试验,探讨了该黄土的应力应变规律和临界状态强度,调查了该黄土的状态参数与剪缩/剪胀行为,并进一步结合经典剪胀方程进行了对比研究。研究结果表明：首先,该饱和黄土在上覆荷载应力范围以内的临界状态线可近似为一条直线,在94～100 kPa基质吸力条件下非饱和黄土的临界状态线也可简化为一条与前者平行的直线;其次,该黄土总体表现为剪缩趋势或剪缩变形,但是受初始孔隙比、初始应力水平影响,该黄土可能表现出剪胀行为;第三,该原状土可用土的状态参数描述,且亦可表现出剪缩–剪胀的相转化行为;第四,剑桥模型的剪胀方程总体上能够反映该黄土的剪缩行为。     

《岩土力学》11/2018 不同加载方向条件下堆石料剪胀特性试验研究

正剪胀方程描述的是塑性应变增量比例大小的变化规律,是构建弹塑性模型的重要组成部分。然而目前堆石料的剪胀方程大都是根据等围压3s路径得到的,这些剪胀方程是否能反映不同应力路径条件下堆石料的剪胀规律还尚不明了。开展了等围压σ_3、等轴向力σ_1、等平均主应力p、等主应力比K_c共4种应力路径下的堆石料大型三轴试     

模拟堆石料颗粒破碎对强度变形的影响

许多试验事实表明,极高压力下颗粒材料粒径极限分布并非 Hardin 所谓的以 0.074 mm 为截断粒径的均匀分布。通过拓展破碎概念提出了 Hardin 破碎指标修正定义,并用以区分剪切过程中破碎的暂时和永久终止状态。 开展了系列模拟 堆石料固结排水大型三轴试验,提出了系列非线性关系用以描述模拟堆石料的级配、破碎指标以及应力–应变–体变响应变化规律。分析表明：随着围压增加,特征粒径减小而级配指标增加,试样级配变化明显;随着围压增加,峰值（或临界）状态破碎指标增加,相应的应力比和内摩擦角则减小,两种状态下破碎指标与内摩擦角具有唯一对应关系;同一剪切过程中,破碎指标变化率、剪胀率和塑性剪切模量具有非同步变化关系,由此形成了颗粒破碎对于模拟堆石料应力变形影响的复杂性。     

Pressure-dependent variability in shear strength of a blasting-quarried granite rockfill material

Rockfills are typically characterized by high shear strength and are extensively used in the construction of water retaining embankments. In practice, however, due to variations in the processes of quarrying and compacting of rock aggregates, the shear strength of rockfills varies. In this study, large-scale triaxial compression tests for a blasting-quarried granite rockfill material were implemented to investigate the pressure-dependent variability in the friction angle of rockfills. The rise in confining pressure suppresses the dilatancy of the samples and consequently depresses the angles of dilatancy ψ_p at peak shear strength for the samples. Also, the mean value and variance of the peak friction angle φ_p is expected to decrease with increasing confining pressure in terms of the strength-dilatancy equation and the derived relationship between the variances of φ_p and ψ_p. The analysis of the test data for the rockfill samples illustrates the dependencies between the mean value and variance of φ_p and the confining pressure. Since confining pressure varies spatially within a rockfill dam, a slope reliability analysis must consider the pressure-dependent variability of φ_p. The fitting equations for the pressure-dependent mean value and variance of φ_p presented in this paper can be applied to the preliminary evaluation of the slope reliability of rockfill dams constructed from materials similar to the tested materials.     

三轴卸荷条件下大理岩扩容与能量特征分析

扩容现象是岩石变形破坏过程中的重要特征。基于MTS815 Flex Test GT岩石力学试验平台,采用室内三轴卸荷试验和塑性力学理论分析,揭示了大理岩在卸荷条件下的扩容特征及能量变化特征。结果表明,随着围压的增大,岩样的各特征应力随之增大,其扩容特征随之减弱;岩样的扩容参数——扩容指标以及剪胀角均具有围压效应,即扩容指标与围压呈良好的指数型分布,剪胀角与应力比呈线性分布;岩样的卸荷破坏过程中能量特征为初始时以可释放应变能为主到破坏时的耗散能为主,其间的转折点为初始损伤扩容点,同时卸荷条件下的特征能量值与围压具有良好的指数类型关系;在峰值点与残余点处,岩样的能量损伤值与剪胀角以及能量特征值与扩容指标均存在着较好的指数类型关系。     

考虑剪切硬化的砂土临界状态本构模型

基于临界状态土力学框架,建立了一个剑桥类砂土本构模型,适用于单调静力荷载,加入了剪切硬化、依赖状态的剪胀的概念。屈服面采用倒子弹头型,硬化规律不是采用剑桥模型的体变硬化,而是借鉴Hashiguchi次加载面模型的思想,推导出与Norsand砂模型相同的增量形式的塑性剪应变硬化表达式。流动法则采用加入状态参数概念的修正的Rowe应力剪胀关系,该模型能考虑砂土变形特性对密度和固结压力的双重依赖型,只用一组材料参数就能模拟不同密度和固结压力下的应力应变响应,可反映材料的软化。通过与常规三轴试验、等p路径三轴试验等结果的对比,表明该模型是合理的、有效的。     

考虑颗粒破碎影响的粗粒土临界状态研究

粗粒土的临界状态是构建本构模型的重要工具,目前考虑颗粒破碎影响的粗粒土临界状态并不明确。通过大型三轴CD试验,研究了粗粒土在临界状态时的颗粒破碎规律和应力变形特性,探讨了颗粒破碎对粗粒土临界状态应力比和临界状态方程参数的影响。主要结论如下:①粗粒土的临界状态应力比M_c并不是定值,而是与围压之间呈现出非线性的关系;②初始孔隙比对于临界状态应力比M_c的影响则可以忽略;③初始级配相同,围压和初始孔隙比不同的粗粒土,其临界状态在e–(p/p_a)~ξ平面可以用同一条直线来描述,且直线的参数是与初始孔隙比和围压无关的常数。     

堆石料的亚塑性边界面模型及其验证

 基于高莲士教授针对天生桥面板堆石坝灰岩所进行的堆石料在不同应力路径下的大型三轴试验结果, 提出亚塑性理论边界面模型参数的简捷确定方法。通过编制调参程序, 对堆石料典型三轴试验进行数值模拟, 与试验成果的对比表明, 模型能较好地反映各种复杂加载路径下堆石料变形性状。进而对恒应力比转折、恒应力比加卸载、平面应变试验等土体单元可能出现的复杂应力路径进行了预测, 对深入了解高围压下摩擦型材料的屈服及应力路径相关等特性具有一定意义。同时合理的模型参数为进行面板堆石坝的变形预测和数值仿真模拟奠定了基础。     

黏土与EPS颗粒混合轻质土的动力变形特性试验研究

通过室内动三轴试验研究了黏土与EPS颗粒混合轻质土(LCES)在动荷载作用下的变形特性,着重分析了围压、水泥含量和EPS掺入比的影响。结果表明:LCES的动应力应变关系符合双曲线关系;在相同的动应力作用下,LCES产生的应变随着围压和水泥含量的增大而减小;在动应变相同的情况下,随着围压和水泥含量的增大,LCES的割线动弹性模量Esec增大而阻尼比λ减小;EPS掺入比对LCES的动力变形特性的影响相对较小,不同EPS掺入比的σd–εd曲线、Esec–εd曲线和λ–εd曲线都发生了相交,交点前后EPS掺入比的大小对LCES变形特性的影响趋势是截然相反的,交点处的动应变值εint一般在0.5%～3.0%范围内,其大小与LCES的配比以及围压有关。     

城市固体废弃物动力特性试验研究

参照杭州天子岭填埋场城市固体废弃物(MSW)主要成分,人工配制固体废弃物试样,利用中型动三轴试验仪研究其在较大应变范围内MSW的动力特性。MSW的动剪切模量Gd和阻尼比D随着动剪应变γd的变化曲线与泥炭土的相关曲线形状基本一致,并且在相同应变时数值相差不大。在相同的动剪应变水平下,随着围压的增大,Gd增加而D减小;当动剪应变增大时,Gd减小而D增大。由于MSW的高压缩性,初始孔隙比不同对试样的动力特性影响不大。同时进行了现场剪切波速试验,确定了最大动剪切模量Gdmax的估算式。为便于应用,建议了归一化Gd和D与动剪应变依赖关系的取值范围和平均值曲线,并将其与OII填埋场MSW动力特性的研究结果进行对比,可以看出MSW的成分对其动力特性的影响还是比较大。     

饱和砂土三轴试验中反压设置与抗剪强度的研究

为增加试样饱和度而采用反压饱和是室内三轴试验中普遍采用的技术手段,但现行规范对试样中反压取值没有具体规定。通过对福建标准砂的一系列固结不排水和固结排水三轴试验,分析了不同反压、围压下饱和砂土的应力–应变关系、孔压发展规律,并分析了几种常用破坏取值标准下土体强度指标的差异。试验结果表明固结不排水三轴试验中,反压对砂土应力应变关系、孔压发展有明显影响,从而影响强度取值;而在固结排水试验中,施加不同的反压对于砂土抗剪强度则基本无影响。在不排水剪切中,建议反压设为300～500 kPa,且在同一组试样中采用统一的反压对试样进行饱和。在破坏标准上,建议采用最大有效主应力比(σ'₁/σ'₃)_max对应强度作为砂土的不排水抗剪强度;而在考虑土体残余强度时,建议采用超静孔压下降为零为破坏标准。     

非饱和原状黄土的变形及屈服特性试验研究

对不同吸力非饱和原状黄土进行了等应力比三轴压缩及常规三轴剪切路径下的试验,研究了偏应力比q/p(q及p分别为净平均应力及偏应力),吸力及净围压对不同应力路径下变形及屈服特性的影响。研究结果表明:在等应力比三轴压缩及常规三轴剪切过程中,孔隙比e与净平均应力p关系(e-lnp)皆位于二条相交的直线上,吸力、偏应力比及净围压对弹性指数的影响很小,对屈服应力及压缩指数的影响较大。等应力比三轴压缩路径下,偏应力比一定时,屈服应力及压缩指数皆随吸力的增大而增大;吸力一定时,随偏应力比的增大而先增大后减小。常规三轴剪切路径下,吸力一定时,屈服应力及压缩指数皆随净围压的增大而增大;净围压一定时,随吸力的增大,屈服应力增大,压缩指数减小。以塑性体应变作为硬化参数时,q-p平面上的初始及后继屈服面皆为对称于饱和土K₀线的倾斜椭圆,吸力及应力增大时,屈服面没有旋转,而是产生等向扩大。