粗粒料颗粒破碎模型研究

结合三轴试验资料,对粗粒料在不同围压和应力水平下颗粒破碎进行了研究,结果表明,相对颗粒破碎率与围压的关系可以用反双曲函数拟合;一定围压下,相对颗粒破碎率随应力水平的增长呈非线性的指数关系.在试验分析基础上,借鉴湿化变形理论,认为处于某一应力状态下的粗粒料的破碎分别由球应力和偏应力两部分引起,偏应力部分从应力水平的角度加以研究,建立了适合于粗粒料颗粒破碎率的计算模型.探讨了粗粒料颗粒破碎模型参数与围压以及应力水平的关系,建议了相对破碎率计算经验公式,并结合有关试验结果拟合出了粗粒料的颗粒破碎模型参数.对比分析表明,拟合结果与试验成果吻合较好,说明了该模型的合理性.     

粗粒料三轴湿化颗粒破碎试验研究

颗粒破碎是引起粗粒料湿化变形的重要因素，有必要对其进行深入研究。利用改进的应力控制三轴仪，对坝的粗粒料进行不同围压和湿化应力水平下保持应力水平不变的三轴湿化变形试验，同时对湿化前后的试样进行颗粒分析试验。依据试验结果，分析湿化颗粒破碎的原因，得到湿化变形最及Hardin的颗粒破碎指标表示的颗粒破碎量。对粗粒料湿化变形和湿化颗粒破碎试验结果的分析表明：湿化变形与围压及湿化应力水平有关；湿化引起颗粒破碎，对颗粒级配曲线有较大的影响，湿化前后级配曲线的颗粒累积百分比的差值随粒径呈驼峰状分布，驼峰位于25％含量粒径左右；湿化引起的颗粒破碎使得级配曲线的曲率系数、不均匀系数和60％含量粒径减小；湿化颗粒破碎随着围压和湿化应力水平的增加而增加；湿化变形与湿化颗粒破碎之间有很好的相关性，湿化轴变与湿化颗粒破碎近似成线性关系；湿化变形的基本规律可以根据湿化颗粒破碎规律加以解释。     

不同应力路径下绢云母片岩粗粒料力学特性试验研究

绢云母片岩粗粒料大量用于谷城—竹溪高速公路路基填筑,为研究不同应力路径下绢云母片岩粗粒料的力学特性,采用大型三轴试验机,对绢云母片岩粗粒料分别进行常围压下的固结排水、固结不排水三轴试验以及等p应力路径下的固结排水试验。研究表明,低围压条件下,应力–应变曲线均表现为应变硬化型,但是在高围压条件下,却出现了应变微软化现象。在整个试验过程中,体积应变均以剪缩为主,并没有出现低围压剪胀的现象;并通过分析该粗粒料的破碎特征阐述了出现这种反常现象的原因。另外,通过对不同应力路径下的绢云母片岩粗粒料进行强度分析,验证了Duncan非线性强度准则对绢云母片岩粗粒料具有良好的适用性。     

板岩路堤填料湿化变形特性大型三轴试验研究

依托贵州省三黎高速公路项目,针对板溪群强—中风化板岩路基填料,开展了不同围压、不同应力水平下的大型三轴湿化变形试验研究。结合现场路基动应力测试成果,对板岩路堤的湿化变形特征进行了研究,研究表明:板岩路堤湿化变形主要由路堤上部附加动应力产生的湿化变形和路堤下部自重应力产生的湿化变形组成。另外,本文对板岩路堤填料湿化变形试验的应力条件和试验方法进行了探讨,并给出了估算板岩路堤湿化变形量的数学表达式。     

堆石料的湿化变形模型

堆石料的湿化变形严重影响心墙堆石坝初蓄水时的安全。通过分析堆石料单线法湿化试验数据发现,堆石料的湿化应力水平与湿化轴向应变成双曲线关系,但也有学者认为是指数函数关系,通过比较发现双曲线关系表述更佳。分析大量单线法试验数据发现,湿化过程中体积应变增量与轴向应变增量的比值保持不变。由此并根据非线性弹性理论,提出了一个堆石料的湿化本构模型,给出了湿化割线模量与湿化泊松比的表达式。与改进的沈珠江湿化模型比较,该湿化模型与试验数据拟合的更好。研究显示,采用传统Prandtl-Reuss流动法则计算得到的湿化应变在高湿化应力水平下偏小。     

高围压炭质板岩流变力学试验与硬化损伤模型研究

为了研究炭质板岩在高围压条件下的流变力学特性,进行了不同围压条件下的炭质板岩加卸载流变试验,试验结果表明,炭质板岩存在明显的流变下限,约为抗压强度应力水平的50%~60%,低于流变下限时仅有瞬时弹性应变和不可恢复的压密应变,其中压密应变在应力水平较低时已经趋于稳定值,应力水平为抗压强度的60%~70%时仅出现衰减蠕变或等速蠕变,应力水平超过抗压强度80%时才发生加速蠕变。根据传统强度理论,建立了包含压密应变、硬化塑性应变和损伤塑性应变的蠕变模型,对各阶段模型参数进行辨识,依据稳定蠕变阶段参数辨识结果拟定加速蠕变阶段部分参数的合理初始值,达到了较好的拟合度,表明模型对于反映高围压炭质板岩流变特性具有较好的适用性。     

胶凝粗粒料的弹塑性模型与应用研究

目前工程技术人员对胶凝粗粒料能否应用于高堆石坝等重要、永久性建筑物还存在疑虑,这主要是由于目前对胶凝粗粒料力学性质研究尚不充分。尚没有广为认可的胶凝粗粒料标准本构模型,使得胶凝粗粒料数值模拟结果可信度较低。进行了胶凝砂砾料大围压范围(7级围压,范围100～3000 kPa)的室内三轴剪切试验,试验结果表明,胶凝砂砾料力学性质具有压硬性、强度非线性、强剪胀性和应变软化性等显著特征。研究发现,三轴应力路径的胶凝砂砾料应力应变关系可用驼峰曲线较好描述,其体积剪胀性可采用Rowe剪胀方程描述,以此建立了三轴应力平面内胶凝砂砾料应力应变关系,并根据广义塑性理论中切线模量与塑性模量之间的关系,将模型拓展至三维应力空间,得到了胶凝砂砾料弹塑性本构模型。试验结果和前人多组试验结果对该模型进行了验证,均表明模型具有良好的适用性,模型简明、实用,易于数值实现。将该模型成功应用于一个高面板坝的"胶凝增模区"弹塑性分析,并从坝体、防渗体应力变形安全性方面评估了胶凝料用于高堆石坝"增模"的可行性。     

基于大型三轴试验的蚀变花岗岩力学行为及浸水湿化研究

位于断层破碎带且富含地下水的工程围岩软弱、破碎,存在严重的湿化塌陷隐患,工程维护面临诸多技术难题。以河南五岳蓄水电站断层破碎带蚀变花岗岩为对象,通过现场采样及重塑配比制样,运用大型三轴剪切仪研究了符合现场水力环境(含水率、围压及应力水平)下岩体的力学行为及发生浸水湿化后的变形特性。力学强度试验结果表明:不同含水率试样的峰值强度、峰值应变均随围压增大而升高,干燥试样的峰值强度平均比自然、饱和状态下高出22.90%和27.33%,而后两者之间平均差值仅为3.61%;含水率的改变显著影响试样的峰值应变,围压一定时,自然含水试样的峰值应变最大,干燥的却最小。湿化试验结果表明:湿化应变增量指标(■及■)均受到应力水平、围岩变化的显著影响,相对于围压,应力水平对各指标作用更为敏感,当应力水平逐级增加1倍时,3个指标分别平均增大2.59,1.41,3.17倍。对比蚀变花岗岩浸水湿化前后的强度和变形情况,浸水湿化不仅减弱其本身力学强度,且加大其体变量。构建了反应此类岩土体湿化应变增量的数学模型,可用作现场围岩湿化变形安全评估及开展有限元数值分析。     

堆石蠕变与颗粒破碎特性三轴试验

为分析堆石的蠕变规律和研究颗粒破碎与蠕变的关系,对某堆石料进行了不同应力水平和围压下的大型三轴排水蠕变试验.蠕变试验后通过筛分试验测量了堆石的颗粒破碎程度.结果表明堆石的蠕变变形与应力水平和围压有关;轴向蠕变和体积蠕变随应力水平的增大而增大,应力水平相同时则随围压增大而增大.堆石的应变-时间关系可用幂函数表示,轴向应变...     

考虑结构性影响的原状软黏土应力–应变特性真三轴试验研究

通过对营口原状软黏土和饱和重塑软黏土的真三轴试验,研究围压和中主应力系数对软黏土强度的影响。基于综合结构势理论,提出真三维应力条件下软黏土的应力比结构性参数,建立引入结构性参数的原状软黏土偏应力–广义剪应变关系式。研究结果表明:当固结围压先期固结压力时,原状软黏土偏应力–广义剪应变曲线形态表现为应变软化,体应变表现为剪缩特性;当固结围压先期固结压力时,其曲线形态表现为应变硬化,体积应变表现为剪胀特性;饱和重塑软黏土的偏应力–应变关系曲线则不受先期固结压力的影响,均表现为应变硬化型。软黏土强度都随着固结围压和中主应力系数的增大而增大。应力比结构性参数m_η随广义剪应变、固结围压和中主应力系数的增大而降低,其与广义剪应变呈显著的对数关系。将拟合得到的应力比结构性参数m_η引入到原状软黏土的q-ε_s曲线中,得到q/m_η-ε_s关系曲线,进而建立引入结构性参数的原状软黏土偏应力–广义剪应变关系式,其与试验结果具有较好的一致性,从而使原状软黏土q-ε_s曲线得到合理描述。     

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。     

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。     

二灰土静态三轴力学性质试验研究

通过不排水三轴压缩试验对二灰土的力学特性研究,从应力-应变关系、抗剪强度、围压对强度的影响以及残余强度4个方面,分析了围压与压实度比对二灰土土体强度、变形和刚度的影响。试验结果表明,随着围压与压实度的增加,土体的强度与刚度均增加,应力-应变特性表现为软化型。压实度增加时强度增加不明显,仅为10%,而围压增加时强度增加幅度较大,能达到45%,峰值应力和残余应力都有所增加,围压增加时,应力-应变关系的弹性范围增大,曲线呈弱应变软化型或理想的弹塑性。     

考虑应力路径和加载速率效应砂土的弹黏塑性本构模型

 利用室内多应力路径平面应变压缩试验结果,分析和研究密实砂土变形和强度特征的应力路径和加载速率效应。试验结果表明：一方面,不可恢复体积应变和剪切应变都具有明显的应力路径相关性,因而在传统塑性理论中将其作为硬化参量存在不合理性;另一方面,砂土的应力–应变特性与加载速率的变化存在着显著的关系。加载速率效应与蠕变和应力松弛一样均是砂土黏性的外在反映,其最重要的特征之一是加载速率发生突变时,应力也发生相应的突变,并呈现出刚性很大、近似弹性的特性。对试验结果的进一步分析发现,一种修正的不可恢复应变能W ir*及相关的函数与应力路径不相关。将W ir*作为硬化参量,并在非线性三要素模型的理论框架下,提出一种基于能量的砂土弹黏塑性本构模型。该模型可以考虑应力路径、压力水平、固有各向异性、孔隙比等因素对砂土变形和强度特征的影响,以及应变局部化和加载速率变化所产生的黏性特性。将上述模型嵌入到有限元程序中,并对平面应变压缩试验进行模拟计算,验证模型的精确性。研究结果表明,与现有的砂土本构模型相比,所提出的模型能更好地模拟应力路径及加载速率变化对砂土变形和强度特征的影响。     

剪切应变速率对淤泥土力学性状影响试验研究

为研究剪切应变速率对高含水量淤泥土力学性状的影响,运用SPAX-2000真三轴测试系统进行了不同周围压力和不同应变速率的固结不排水剪切试验,分析了淤泥土不排水抗剪强度和孔隙水压力随应变速率的变化规律。试验结果表明,高含水量淤泥具有“应变速率软化”现象。在剪切过程中(应变速率为10^-6/s～10^-2/s),淤泥土不排水抗剪强度随剪切应变速率增长而增长,符合指数变化规律;根据试验数据,建立了经验方程式,并求得其应变速率参数η_e1为0.130 5,η_e2为0.131 9;当变率增长10倍时,淤泥土的不排水抗剪强度增长率为13.12%。不同于强结构性黏土,淤泥土的强度随剪切应变速率呈渐进性变化,未出现明显临界速率转折点。在加载初期,孔隙水压力增长和最大孔隙水压力受应变速率影响较明显;在试验过程中,孔隙水压力变化具有一定波动性和滞后性。     

砂土三维多重机构边界面模型

以土的临界状态和边界面塑性理论为基础,引入状态参数,考虑砂土的剪胀特性,提出一个新型三维多重机构边界面模型。模型将复杂的宏观变形行为分解为一个宏观体应变机构和一系列空间分布的虚拟一维微观剪切机构。每个微观剪切机构包含一个微观剪应力–应变关系和一个微观应力–剪胀关系。利用三轴压缩试验中的应力条件,建立典型宏微观参数之间的关系。模型包含13个参数,多数可通过具有明确物理意义的土性参数来确定。通过对砂土三轴压缩试验和空心圆柱扭剪试验结果的数值模拟,表明模型不但能够合理反映在排水或不排水条件下砂土的硬化及软化特性,而且能在不增加任何参数条件下预测应力主轴旋转产生的变形累积特性和应变增量主轴与应力主轴之间的非共轴特性。     

双向耦合循环剪切条件下饱和砂土体应变发展规律试验研究

砂土的剪胀与循环应力路径密切相关。针对饱和南京细砂,利用空心圆柱扭剪仪(HCA)进行了一系列均等固结条件下轴向–扭转耦合循环剪切排水试验,研究了复杂应力路径下饱和砂土的剪胀性及其体应变量化方法。研究表明:双向耦合循环剪切条件下饱和砂土的剪胀由一个完全可逆的循环体应变分量和一个不可逆的累积体应变分量构成,循环应力路径对累积体应变发展规律影响显著;以等效循环应力比ESR作为表征复杂应力路径下动应力大小的指标,饱和砂土累积体应变与ESR值具有事实上的唯一性关系,累积体应变随ESR的增加而线性累积;通过引入参数ESR,提出了双向耦合剪切条件下饱和砂土累积体应变规准化方法。验证性试验表明新的体应变增量模型的预测值与试验结果的吻合度较高,而基于循环直剪试验结果建立的Byrne模型对双向耦合剪切条件下饱和南京细砂的体应变预测偏小。     

平面应变加、卸荷条件下考虑初始应力的原状黄土#br# 强度与变形特性试验研究

针对黄土工程中的众多平面应变加、卸载问题,利用平面应变改造后的西安理工大学真三轴仪,模拟黄土原位沉积方向及不同初始应力状态,在不同围压下对不同初始应力状态原状黄土进行竖向加载和侧向卸载平面应变试验,揭示不同初始应力状态原状黄土在加、卸载不同应力路径条件下的强度和变形特性。研究结果表明：两种应力路径条件下的应力应变曲线均呈硬化型,加载曲线均高于卸载,加载强度大于卸载强度,但卸载时,土的强度发挥较快。剪切过程中,黄土的侧向变形与竖向变形均呈非线性关系。竖向加载时,土的初始应力状态k值对土强度和变形的影响与固结围压的大小关系紧密;侧向卸载时,k值的增大可以限制侧向变形的发展。竖向加载条件下的体积应变均为剪缩,侧向卸载时均为剪胀。加、卸载条件下p-q平面内的破坏强度线基本一致,近似呈线性关系。侧向卸载条件下土体破坏时的应变远小于竖向加载和常规三轴试验。随着k值的增大,加、卸载应力路径时,黏聚力均线性减小,内摩擦角均线性增大。     

Investigation of unsaturated frozen soil behavior: Phase transformation state,post-peak strength,and dilatancy

In this study, a database of triaxial compressive tests on unsaturated frozen soils is compiled to investigate the mechanical behavior that has not been considered in previous studies. The results for the stress-strain volume changes are presented first. Then, the physical mechanisms that might control the deformation of unsaturated frozen soils, namely, volumetric compression and frictional sliding, are used to interpret the changes in volume and deviator stress during the tests. The relationship between the compression rate due to the mean stress and the dilation rate due to shearing determines the changes in sample volume and shear stress with an increasing axial strain. The test results indicate that confining pressure and temperature significantly affect the phase transformation state, the post-peak strength, and the maximum dilation ratio. A higher post-peak strength ratio is observed in tests performed at higher confining pressure or under a higher temperature. As the confining pressure is increased, the shear stress at the phase transformation state initially increases and then decreases or stabilizes. However, the maximum dilation ratio decreases considerably and tends to reach zero after a certain confining pressure is reached. Both the deviator stress at the phase transformation state and the maximum dilation ratio are higher under a lower temperature given constant confining pressure. Ice cementation and pressure melting are attributed to the specific features of frozen soils compared to those of unfrozen soils. This paper provides new insights into the mechanical behavior of frozen soils.     

粘性土剪切带破坏研究

压实粘性土是静水压力和应变率相关性材料,在低围压下表现出软化现象,在高围压下表现出硬化现象.在同一含水率,不同围压下粘性土随周围压力的增大,同一轴向应变所对应的偏应力也越大;压实度一定时,含水率越高,粘聚力越大,而摩擦角越小,粘性土的抗剪强度越弱;含水率一定时,压实度越高,粘聚力越大,而摩擦角越小,抗剪强度也越大.利用TSZ10-1.0型应变控制式三轴仪,对四川绵阳地区粘性土进行了常规三轴压缩试验,研究了不同围压和含水率下粘性土的应力-应变关系、抗剪强度指标,并对粘性土的剪切带破坏进行了拟合分析.