平面应变加、卸荷条件下黄土的非线性变形特性的研究

针对黄土深基坑开挖坑壁土体侧向变形和填土路堤地基加载侧向挤出变形等平面应变问题,利用西安理工大学真三轴仪改变加载机构,模拟平面应变条件下路堤黄土地基竖向加载和黄土基坑侧向卸载,进行了竖向加载和侧向卸载的黄土平面应变试验,研究了平面应变条件下不同含水率原状Q3黄土的加、卸载应力应变关系。揭示了平面应变竖向加载应力路径下原状Q3黄土的大、小主应力差与轴向应变及轴向应变与侧向应变服从双曲线关系;平面应变侧向卸载应力路径下原状Q3黄土的大、小主应力差与侧向应变及侧向应变与轴向应变也服从双曲线关系。依据平面应变条件下三向的切线线弹性关系,建立了切线弹性模量和泊松比随应力应变状态变化的关系,以及非线性本构模型。经平面应变加、卸载应力路径下原状黄土应力应变关系的模型计算与试验结果比较,验证了两种平面应变路径下非线性模型的正确性。     

含水率及应力对原状黄土静止侧压力系数的影响EI北大核心CSCD

天然土层静止侧压力系数的确定是岩土工程中一个十分重要的问题。用可以测量侧向应力的K_0固结仪对不同含水率Q_3原状黄土进行侧限压缩试验,分析加载卸载路径、竖向应力及含水率对侧向应力及静止侧压力系数的影响,基于试验结果提出加载时静止土压力系数K_0与竖向应力及含水率关系的表达式。研究结果表明,原状黄土的静止土压力系数值不是常数,且不能用Jaky公式进行预测,而是与竖向应力、含水率及加卸载条件密切相关;加载时K_0随竖向应力的增大而增大且趋于稳定值,卸载时静止土压力系数K_(0OC)随竖向应力的减小而增大,且可能大于1;加载及卸载时静止土压力系数皆随含水率的增大而增大;含水率及竖向应力相同时,卸载时K_(0OC)值比加载时K_0值大。加载时不同含水率原状黄土的K_0与竖向应力关系皆可以用双曲线模式描述,用此模式可以较好地预测K_0值;卸载时K_(0OC)与超固结比间呈幂函数关系,但幂指数不等于前人的建议值。     

含水率及应力对原状黄土静止侧压力系数的影响

天然土层静止侧压力系数的确定是岩土工程中一个十分重要的问题。用可以测量侧向应力的K_0固结仪对不同含水率Q_3原状黄土进行侧限压缩试验,分析加载卸载路径、竖向应力及含水率对侧向应力及静止侧压力系数的影响,基于试验结果提出加载时静止土压力系数K_0与竖向应力及含水率关系的表达式。研究结果表明,原状黄土的静止土压力系数值不是常数,且不能用Jaky公式进行预测,而是与竖向应力、含水率及加卸载条件密切相关;加载时K_0随竖向应力的增大而增大且趋于稳定值,卸载时静止土压力系数K_(0OC)随竖向应力的减小而增大,且可能大于1;加载及卸载时静止土压力系数皆随含水率的增大而增大;含水率及竖向应力相同时,卸载时K_(0OC)值比加载时K_0值大。加载时不同含水率原状黄土的K_0与竖向应力关系皆可以用双曲线模式描述,用此模式可以较好地预测K_0值;卸载时K_(0OC)与超固结比间呈幂函数关系,但幂指数不等于前人的建议值。     

原状黄土的平面应变剪切、屈服性状的试验研究

黄土工程中有许多平面应变问题。模拟黄土原位沉积方向,通过开展均压固结竖向加载和侧向卸载的平面应变试验,揭示剪切变形特性和屈服、破坏强度变化规律。表明黄土竖向柱状结构抵抗压缩作用,结构屈服前侧胀变形很小,结构屈服后侧胀变形发展明显,存在明显的屈服特征,剪切过程呈剪缩硬化性,屈服强度不同于破坏强度;侧向卸载条件下侧胀变形发展明显,结构屈服前竖向压缩变形增长较小,结构屈服后竖向压缩变形增长较大,也存在明显的屈服特征,剪切过程呈剪胀理想塑性,屈服强度与破坏强度近似一致;黄土的竖向加载强度线和侧向卸载强度线服从同一变化规律。不同含水率黄土竖向加载与侧向卸载的剪切变形特性和强度变化规律相似,同一含水率黄土的平面应变强度线近似呈同一线性变化规律。随着含水率的增大,黄土的屈服强度线和破坏强度线依次降低。     

基于应变能的黄土初始屈服和强度特性试验研究

不同应力路径条件下初始屈服和强度特性研究,是原状黄土加卸载准则建立的重要基础,基于应变能–应力矢量长度曲线的双线性化确定土单元初始屈服点方法的思想,利用西安理工大学真三轴仪和高压固结仪,对黄土进行了等p等b和侧限压缩应力路径试验,研究应变能确定黄土初始屈服特性的适用性和三维强度特性。从试验结果分析可知,2种应力路径下,应变能–应力矢量长度关系曲线均呈抛物线型,侧限应力条件下确定的结构屈服压力和对数比容–对数竖向应力曲线双线性化的方法接近;真三轴应力条件下黄土的应变能–应力矢量长度曲线中间段线性化程度不高,定义交叉点附近为土单元的屈服区域,不同b值下该区域呈带状分布。?平面上黄土的破坏面为曲边三角形形状,破坏面用Lade准则来描述,随着b值的增加破坏状态时应变能逐渐增大。应变能的方法能够在完全侧限条件和侧限条件下研究黄土的初始屈服和强度特性。     

不同初始状态下黄土的平面应变卸载力学特性

针对于黄土工程中的平面应变卸载问题,利用平面应变改造后的真三轴仪,开展了不同初始状态（原状、重塑和饱和）黄土在不同固结围压和含水率条件下的平面应变卸载试验,揭示了不同初始状态黄土的应力-应变演化关系、中主应力特性和强度特性。研究结果表明,不同初始状态黄土的应力-应变曲线在低含水率和低围压条件下呈现理想塑性,随着固结围压和含水率增大,从弱硬化型向强硬化型转变;黄土的不同初始状态对应力-应变关系演化特性影响较大,原状黄土曲线最高,重塑黄土次之,饱和黄土最低;固结围压越大、含水率越低,初始切线斜率越大,应力应变曲线越高,土的强度发挥越快。原状和饱和黄土的中主应力和中主应力参数均先减小后增大,衰减幅度大,增长幅度小,中主应力参数的增长幅度要大于中主应力;重塑黄土的中主应力和中主应力参数则先减小后基本保持稳定。平面应变卸载条件下不同初始状态黄土的黏聚力和内摩擦角均随含水率增大近似呈现线性减小;不同初始状态对土黏聚力的影响要明显大于内摩擦角。原状黄土在低围压和低含水率条件下沿着剪切带形成明显的侧向滑移破坏,其余条件下均发生测胀破坏。     

加、卸荷应力路径对粉土应力-应变关系影响的试验研究——基于平面应变条件

采用新型平面应变仪进行竖向加荷试验与侧向卸荷试验,探究加、卸荷路径对粉土应力-应变关系的影响,结果表明:加、卸荷路径下,粉土的应力-应变曲线明显不同;卸荷路径下,试样发生破坏时的偏应力和应变明显小于加荷路径;侧向卸荷路径下,试样的极限竖向应变随着初始固结应力的增大而增大。     

平面应变条件下黄土的竖向加载变形与强度特性分析

针对黄土地区工程建设中的平面应变问题,该文利用西安理工大学真三轴仪,在不同围压条件下进行了不同含水率黄土竖向裂隙向大主应力加载的平面应变试验,研究了原状黄土的平面应变强度、变形特性,以及中主应力变化规律。表明低固结围压条件下,低含水率黄土的平面应力应变曲线呈原生结构损伤软化型;随着固结围压增大,压缩损伤增强,平面应力应变曲线呈次生结构形成硬化型。黄土原生结构损伤软化剪切过程伴随着剪胀变形;压缩损伤次生结构形成剪切过程伴随剪缩变形。平面应变固结竖向加载剪切过程中平面应变方向上的主应力由小主应力逐步转换为中主应力,中主应力系数由单调减小转变为单调增大,破坏时的中主应力系数介于0.15～0.35之间。不同含水率黄土平面应变剪切强度破坏线近似为线性关系;随着含水率的增大,粘聚力明显增大,内摩擦角基本不变。     

考虑应力路径的土体微观孔隙及宏观变形特征试验研究

为了明确工程建设中岩土体遭受复杂应力路径从而呈现出不同变形破坏模式的机制,以银西高铁早胜三号隧道典型古土壤围岩为研究对象,利用多应力路径三轴仪对试验土样进行不同应力路径的三轴剪切试验,同时通过低场扫描核磁共振得到试验土体的孔径分布特征。宏细观结合,明确不同应力路径条件下土体变形破坏机制。试验结果表明:轴向加载及侧向卸载两种应力路径条件下,土体应力–应变曲线均表现为应变硬化型。初始围压直接影响土体应力-应变曲线的变化趋势。根据归一化曲线,2种应力路径条件下土体应力–应变关系均符合双曲线模型;同时,土体的p-q(平均剪应力–广义剪应力)曲线均呈现出良好的线性关系,相同应力路径下,曲线变化趋势一致,空间位置表现出两两平行的关系。而初始固结围压直接决定了p-q曲线的位置。从土体剪切强度来看,初始围压对提高土体强度起到了重要作用。当轴向加载时,土体黏聚力、内摩擦角均大于相同条件侧向卸载时的量值,尤其在黏聚力方面表现的更为明显;最后,土体初始围压与变形呈现出良好的相关关系。初始围压越小,相同偏应力条件下,土体产生得变形越大。T_2谱峰值强度较大,驰豫时间范围较大。同时,试验土样中小孔隙含量较少,而大孔径含量较多。相同初始围压条件时,土体经历侧向卸载时,T_2谱峰值较大、驰豫时间较长,即土体中大孔隙含量较多。相同偏应力条件下,变形更大。另外,试样虽然达到相同轴向应变条件,但不同应力路径、不同初始围压会使得土体蕴含着不同的孔隙信息。     

平面应变条件下原状Q3黄土的结构性演化特性研究

针对黄土工程中经常遇到的平面应变问题,通过扰动、加载和浸水充分释放土的结构势,开展Q₃原状、重塑和饱和原状黄土的无侧限压缩试验和平面应变剪切试验,依据初始结构性参数(构度)和剪切过程结构性参数(应力比结构性参数)定义了可综合描述从土的初始结构状态到平面应变剪切破坏状态的全过程结构性参数,分析了平面应变条件下,全过程结构性参数随轴向应变的衰减演化规律及结构性强度特性。研究结果表明,黄土的不同初始状态(原状、重塑和饱和)对应力 应变关系演化特性影响较大,原状黄土应力 应变曲线最高,重塑黄土次之,饱和黄土最低。随着含水率增大,构度指标不断减小,含水率小于土的塑限时,水的浸入对黄土结构的损伤较大。固结围压和含水率变化均对结构性参数及其演化规律有明显影响。建立的全过程结构性参数,可以很好的描述土的初始结构性及平面应变剪切全过程的结构损伤演化规律,亦可以反映出含水率和固结围压对于土结构性损伤演化全过程的影响规律。不同初始状态对土的强度影响显著,黏聚力随构度呈非线性增长,内摩擦角随着构度增大近似呈线性增长,但变化幅度较小。     

侧向卸荷条件下软土典型力学特性试验研究

 针对侧向卸荷条件下软土变形、强度、蠕变等典型力学特性,选取珠三角洲相沉积的典型灰黑色淤泥质软土进行室内三轴试验研究。试验结果表明：侧向卸荷条件下的应力–应变规律呈应变硬化现象,可采用平均应力进行归一;土样在侧向卸荷条件下进行不排水剪切时会产生负的孔隙水压力,使得有效应力强度反而低于总应力强度,与轴向加荷条件下的强度规律不同;侧向卸荷条件下的初始卸荷模量小于轴向加荷条件下的初始卸荷模量,与平均固结压力呈线性关系;任一时间的卸荷变形模量仍可表示为切线模量,并可通过试验成果推导得出;侧向卸荷条件下软土蠕变变形比轴向加载显著,即使在偏应力不大时仍占总变形的较大比例;应变率随时间的下降呈较好的双对数线性关系,可以建立考虑剪应力水平对初始应变率影响的线性经验公式来估算某级荷载下应变率随时间的发展。     

深部软弱地层TBM掘进围岩变形破坏特性室内试验研究

 为了揭示深部软弱地层TBM开挖卸荷围岩变形破坏特性,分析深埋隧道TBM机械开挖卸荷的本质特征为高初始围压下的缓慢准静态卸荷,开展不同卸荷速率下砂质泥岩三轴卸围压试验,研究卸荷速率效应,获取TBM缓慢准静态卸荷围岩变形破坏特性：(1) 缓慢卸荷条件下的峰前应力–应变曲线与常规三轴压缩时较接近,卸荷屈服阶段,岩石产生损伤扩容,侧向变形加速增长,从体积压缩开始转向扩容;(2) 达到峰值强度后,岩石首先沿已贯通的破裂面滑移,发生1～2级规模较小的脆性跌落,随着围压继续缓慢卸除,岩石沿一条斜率较小的近似斜直线发生线性应变软化,且线性应变软化过程中伴随多级微破裂;(3) 岩石变形全过程经历弹性变形、峰前卸荷损伤扩容、峰后脆性跌落、含有多级微破裂的线性应变软化以及残余强度阶段;(4) 缓慢卸荷破坏过程中,岩石发生宏观张剪复合破坏,伴有轴向劈裂裂纹,破裂断面为由许多劈裂裂纹相互贯通形成具有一定宽度的剪切带,剪切带内劈裂的岩片在轴向挤压力和沿剪切面的剪切力共同作用下被挤压和摩擦成许多细颗粒和岩粉。     

基于弹塑性损伤模型的岩石加卸载计算研究

基于经典弹塑性理论,引入损伤因子,综合考虑岩石在外力作用下的塑性变形与损伤演化,提出一种各向同性弹塑性损伤耦合模型。根据以上理论编制有限元计算程序,较好地描述了岩石在不同加卸载路径中的应力-应变特性。通过程序模拟计算,具体结论如下:在常规路径加载中,岩石的峰值强度与残余强度均随围压的增加而增加。在卸围压路径下,残余应力受初始围压影响较小,但侧向应变与体应变有着明显的增加。轴向荷载的提高使岩石损伤值增加,卸围压过程中最大损伤因子均大于同等初始围压下的常规路径试验。     

超静孔隙水压下软土卸荷蠕变特性试验研究

考虑超静孔隙水压作用的软土卸荷力学特性对富水软土地区地下空间开挖变形和稳定性分析具有重要作用。以深圳地区淤泥质软土为研究对象,开展不同初始超静孔隙水压作用下的K_0固结不排水三轴卸荷强度试验和卸荷蠕变试验。试验结果表明:初始超静孔隙水压越大,固结围压越小,软土卸荷破坏越具有突然性;软土卸荷强度应力-应变曲线大致呈双曲线型,其双曲线函数拟合结果表明,卸荷强度随着初始超静孔隙水压的增大而大致线性减小。卸荷蠕变对初始超静孔隙水压敏感性很大,卸荷蠕变破坏时的偏应力约为卸荷强度试验中偏应力的90%。UU0.5应力路径相对于UU0.0应力路径更容易发生卸荷强度破坏和卸荷蠕变破坏,在实际工程中,应尽可能控制软土侧向卸荷比和超静孔隙水压的大小。     

锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究

 地下岩体开挖卸荷应力路径不同于加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站引水隧洞群围岩赋存于高地应力环境的特点,对其中3# 引水隧洞大理岩开展单轴加、卸载以及三轴压缩和高应力条件下的峰前、峰后卸围压等4种不同应力路径力学试验,得到了的应力–应变全过程曲线、变形破坏特征和主要力学参数的变化规律。试验研究结果表明：(1) 建立在岩样单轴逐级等量加、卸载应力路径下的回滞环面积递减,尤以屈服阶段的卸载对应变影响最大;(2) 不同围压下岩样三轴压缩全过程试验结果表明,当围压达到40 MPa时,应变软化特性转化为理想塑性,可以认为该值为锦屏大理岩脆－延转化点;(3) 对比以上不同应力路径下的强度准则方程以及峰前、峰后黏聚力和内摩擦角,相同初始应力条件下,岩石卸载破坏所需应力变化量比三轴压缩破坏情况下对应的应力变化量小,说明岩石卸载更容易导致破坏;(4) 在变形破坏机制方面,由于峰后比峰前卸围压塑性变形大,岩样塑性变形已吸收较多的弹性变形能,其脆性特性受到抑制,因而不像峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;(5) 根据大理岩岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果,从细观角度验证了脆性岩石在不同路径下微观剪断裂破坏机制。总之,以上研究结果揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学特性差异,对解决工程实际问题具有重要的参考价值。     

高应力条件下错动带加卸荷力学特性试验研究

 针对白鹤滩地下厂房开挖过程中所揭露的力学响应行为十分复杂的错动带,为研究其在高应力条件下的加卸荷力学特性,开展一系列不同应力水平和应力路径下的不排水三轴常规加、卸荷试验。研究结果表明：(1) 卸荷过程中,错动带卸荷应力–应变曲线特征与初始围压相关性很大,错动带向卸荷方向回弹变形显著,从卸围压开始即表现出强烈的剪胀现象;卸轴压卸围压方案比增轴压卸围压方案的侧向扩展变形表现更为显著;且在试样表面都出现了张/张剪裂纹。(2) 卸荷应力路径下,错动带变形模量劣化效应十分明显,随围压的减小而逐渐降低,基本呈三次多项式递减;体积模量随体积应变的增加而减小,整体呈负指数形式降低;泊松比则随体积应变逐渐增加,整体呈近似抛物线形式递增。(3) 相同初始围压条件下,相较于加荷条件,卸荷条件下错动带的破坏应力有所降低,内摩擦角明显增大,而黏聚力则明显降低;卸轴压卸围压方案下的破坏应力劣化更显著。试验所采用的应力水平和应力路径基本涵盖和反映了错动带在洞室开挖过程中所经历的复杂的应力重分布过程,具有一定的代表性,地下厂房开挖后高边墙错动带黏聚力和内摩擦角取值基本可参考卸轴压卸围压应力路径下天然含水率错动带的试验结果,为后续进一步讨论错动带强度特征并建立错动带本构模型提供了有效依据。     

加卸荷条件下辉绿岩岩体力学参数特性研究

基于三轴加、卸荷破坏试验,分析研究辉绿岩卸荷应力状态下的应力、应变及破坏特征。试验结果表明:岩体卸荷破坏时岩石发生回弹变形,脆性特征明显,相比于加载破坏,卸荷破坏更加突然和剧烈;在卸荷过程中,峰值强度随中间主应力的增加有所提高,峰值强度的提高值随中间主应力的提高逐渐减小;在常规三轴压缩试验过程中,岩样破坏峰前的体积变形持续处于压缩状态,表现出的屈服扩容非常小,进入卸荷阶段后,岩石表现出来的扩容现象十分明显,且初始围压越高,卸荷时的扩容量也越大,在接近破坏点时扩容加剧。     

循环荷载作用下盐岩三轴变形和强度特性试验研究

 为研究三向应力状态下循环荷载作用对盐岩变形、强度及损伤特性的影响,利用TAW–2000 型微机伺服岩石三轴试验机进行不同荷载波形参数(上、下限应力、应力幅值和频率)和不同围压下的盐岩试样的循环加、卸载试验。试验得到盐岩轴向初始变形和稳态变形两阶段演化规律;通过提高循环荷载上限应力、降低下限应力、增大应力幅值或者降低载荷频率、减小围压等途径,均会加速盐岩试样不可逆变形的发展,提高盐岩循环稳态应变速率,减小稳态阶段在整个变形阶段的比例,从而加速试样变形破坏;荷载波形参数中上限应力和应力幅值对循环荷载作用下盐岩变形演化速率、试样损伤发展的影响最大。循环荷载作用下,盐岩弹性模量随循环次数或加载时间呈指数递减趋势,并在50～100个循环后其值接近常数;循环加载后二次压缩盐岩强化与否,取决于循环加载时所施加荷载水平是否造成盐岩内部损伤的累积,通过试验可间接推断盐岩三轴循环变形破坏的上限应力阈值为80%～89%。