New artificial neural networks for true triaxial stress state analysis and demonstration of intermediate principal stress effects on intact rock strength

Simulations are conducted using five new artificial neural networks developed herein to demonstrate and investigate the behavior of rock material under polyaxial loading. The effects of the intermediate principal stress on the intact rock strength are investigated and compared with laboratory results from the literature. To normalize differences in laboratory testing conditions, the stress state is used as the objective parameter in the artificial neural network model predictions. The variations of major principal stress of rock material with intermediate principal stress, minor principal stress and stress state are investigated. The artificial neural network simulations show that for the rock types examined, none were independent of intermediate principal stress effects. In addition, the results of the artificial neural network models, in general agreement with observations made by others, show （a） a general trend of strength increasing and reaching a peak at some intermediate stress state factor, followed by a decline in strength for most rock types; （b） a post-peak strength behavior dependent on the minor principal stress, with respect to rock type; （c） sensitivity to the stress state, and to the interaction between the stress state and uniaxial compressive strength of the test data by the artificial neural networks models （two-way analysis of variance; 95% confidence interval）. Artificial neural network modeling, a self-learning approach to polyaxial stress simulation, can thus complement the commonly observed difficult task of conducting true triaxial laboratory tests, and/or other methods that attempt to improve two-dimensional （2D） failure criteria by incorporating intermediate principal stress effects.     

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。     

冻结砂土三轴试验中颗粒破碎研究

压力作用下颗粒发生破碎是引起砂土力学特性变化的重要因素之一,冻结砂土也是如此。对冻结砂土进行了不同温度和围压下的三轴剪切试验,并筛分得到三轴试验前后的颗粒大小分布曲线。通过引入Hardin定义的颗粒破碎率Br,分析了围压与颗粒破碎的关系及颗粒破碎对冻土抗剪强度的影响。结果表明:在温度为-0.5℃,-1℃,-2℃,-5℃和围压为0.5,2,5,10 MPa的条件下,三轴剪切过程中会产生较为可观的颗粒破碎;颗粒破碎率Br随围压增大,到达一定围压后Br不再随着围压的增大发生明显变化,即存在一个颗粒不再发生明显破碎的临界围压σr。结合前人研究发现,-5℃下一般工程关心的围压范围内压融对冻土力学特性没有显著影响,而颗粒破碎起控制性作用。分析表明:-5℃条件下在不同的围压范围颗粒破碎对抗剪强度具有不同的影响。试验所采用的围压范围内,随着围压的增大,颗粒破碎率增大使得冻土的抗剪强度降低;破碎率达到极限以后,由于破碎的颗粒重排列又导致抗剪强度有所提高。     

真三轴应力条件下层状复合岩石破坏准则

 为探究层状复合岩石的强度特性,利用均质化理论方法,将层状复合岩石虚拟为一种等效的均质岩石,建立了真三轴应力条件下基于MLC准则的层状复合岩石破坏准则,该准则由层状复合岩石各组分的强度参数以及几何参数来确定;同时,利用自行研制的多功能真三轴流固耦合试验系统,进行细砂岩、粉砂岩、板岩和层状复合岩石在三向不等应力条件(体应力不变,改变应力罗德角、等中主应力系数等?3)下的真三轴试验,研究层状复合岩石的强度特性以及中间主应力和中主应力系数对复合岩石强度的影响。真三轴试验结果表明,所建立的准则能较好的描述层状复合岩石的强度特征,可为解决层状岩石工程结构的强度及稳定性问题提供了理论参考和依据。     

不同中主应力系数和负温条件下冻结砂土真三轴试验研究

为研究冻土在复杂应力路径下的力学性质,利用自主研发的冻土真三轴仪,研究了温度和中主应力系数bf对冻结砂土强度和变形特性的影响.试验结果表明:不同试验条件下的偏应力–大主应变曲线均表现出应变硬化的特性.当0≤bf≤0.5时,破坏强度随bf的增加而增加,当b从0.5增长到1时,破坏强度表现出降低的趋势,且bf>0时的强度均...     

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。     

基于图像测量粉砂三轴试样变形特性试验研究

应用三轴试样变形数字图像测量技术,对不同密度干燥和饱和状态的粉砂试样进行了三种围压条件下的三轴试验,通过对各种试验条件下的应力应变试验曲线的对比分析,从细观角度分析了围压、密度和孔隙水作用对粉砂试样变形的影响机理,得出了一些结论。     

考虑加载速率影响的冻结含盐砂土强度准则研究

围压、加载速率等外部条件对冻结盐渍土强度影响显著。对-15℃德令哈含盐砂土进行了一系列不同加载速率、不同围压下的常规三轴剪切试验,依据广义非线性强度理论建立了考虑加载速率影响的冻结含盐砂土强度准则。依据试验结果采用二次函数拟合得到了子午面上的破坏函数,分析了加载速率对冻结含盐砂土强度及内摩擦角的影响。通过修正的Lade-Duncan强度准则给出了?平面上的破坏函数,探讨了加载速率对子午面破坏函数及偏平面形状函数的影响。提出的模型能够反映在加载速率、压融以及冰晶破碎等因素共同影响下的冻结含盐砂土强度的非线性特点。     

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砂砾石料强度–剪胀特性研究

为了揭示中主应力系数和应力水平对苏洼龙水电站坝基覆盖层砂砾石料的强度与变形特性的影响规律,结合一种微摩阻加载技术,开展一系列大型真三轴试验。在广义应力框架内讨论该砂砾石料的应力、强度和剪胀问题。结果表明:首先,对于该砂砾石料,内摩擦角随中主应力系数增加而增大,随应力水平提高而减小。3个经典强度理论中,Lade-Duncan准则的预测结果与试验结果更为相符,但当b值较大时,预测结果仍偏低估计了实际的内摩擦角;其次,随着中主应力系数b值增加,应力路径的斜率变缓,同时所达到的峰值强度提高,但峰值强度对应的q/p(q,p分别为广义偏应力和平均主应力)应力比越小,表明在单位平均主应力水平下所能发挥的最大强度减小。总体而言,剪胀角随应力水平增加而减小,亦随b增加而减小。     

中主应力对砾石料变形和强度的影响

对砾石料进行了σ3不变,σ1和σ2等比例同时加载的等b试验,分别研究了中主应力对大、中、小主应变及强度的影响规律。将Mohr-Coulomb准则、Lade-Duncan准则、Matsuoka-Nakai准则和方开泽准则与砾石料的真三轴试验结果进行比较,发现Matsuoka-Nakai准则和方开泽准则反映的内摩擦角与b的关系与试验得到的规律差别较大,Lade-Duncan准则反映的规律与试验结果最接近,但数值上高估了b对内摩擦角的影响。因此,建议了一个破坏准则,推导了该准则的内摩擦角与b的关系式,并用几组真三轴试验结果进行验证,表明本文建议的准则比Lade-Duncan准则、Matsuoka-Nakai准则更准确地反映砾石料的内摩擦角与b的关系。     

粗粒土在平面应变条件下的强度特性研究

使用河海大学新型真三轴仪,对粗粒土分别进行σ₃ 保持不变的等σ₃平面应变试验和 b =0 （即常规三轴压缩）、 b =0.25 的等σ₃等b[b=(σ₂ -σ₃)/(σ₁ -σ₃)]试验,研究了粗粒土在平面应变条件下的应力路径、破坏时的中主应力系数、内摩擦角及破坏应力比的特点。试验结果表明,等 σ₃平面应变试验的应力路径介于 b =0 与 b =0.25 的等σ₃ 等b[b=(σ₂ -σ₃)/(σ₁ -σ₃)] 试验之间 ; 粗粒土在 平面应变条件下 破坏时的中主应力系数 b 介于 0.15 ～ 0.2 之间;粗粒土在平面应变条件下的内摩擦角比常 规三轴压缩条件下的大 5% ～ 7% ,而破坏应力比则比常规三轴压缩条件下的小 13% ～ 18% 。最后提出一个 由粗粒土常规三轴压缩试验测得的内摩擦角 φ _tc 求平面应变条件下的破坏应力比 M _fp 的计算公式 M _fp =2.3sin φ _tc ,可较好地模拟试验结果。     

Dynamic behavior of reinforced clayey sand under cyclic loading

Experimental investigations and modeling of linear elasticity of fiber-reinforced clayey sand under cyclic loading unloading are conducted in this paper. Experimental studies are focused on four aspects. First, a series of cyclic triaxial tests, with different confining pressures and deviator stress ratios up to 150 cycles, are performed. Impacts of fiber content, cell pressure, deviator stress ratio and loading unloading repetition that affect dynamic behavior of the composite material are discussed. It is shown that shear modulus decreases with increasing deviator stress ratio at high confining pressure and the rate of loss of shear modulus found to be much lower for fiber reinforced specimens. Other results show that increase of shear modulus with loading repetition is more pronounced at higher deviator stress ratios. Second, the optimum fiber content is experimented under cyclic loading unloading and is expressed as a power function of deviatoric stress ratio. It is shown that optimum fiber content is not constant and it is affected by deviator stress ratio. Third, a function is introduced to describe the linear stress–strain curve under cyclic loading unloading using equivalent linear analysis. The shear modulus G is expressed as a function of fiber content, confining pressure, deviatoric stress ratio and loading repetition. Finally constitutive coefficients of the model parameters are calibrated by the results of cyclic triaxial shear tests and using the linear regression.     

循环三轴应力路径下钙质砂颗粒破碎演化规律

钙质砂广泛分布于中国南海区域,是吹填造陆的重要材料。钙质砂颗粒容易破碎,使得其力学特性相比于普通的陆源硅质砂有显著差异。对取自中国南海西沙群岛某岛礁的钙质砂开展了三轴排水循环剪切试验,研究了围压、循环应力比、循环振次对钙质砂颗粒破碎发展过程的影响。在试验所采用的围压范围内,钙质砂在固结过程中产生的颗粒破碎较少,但是在随后的循环剪切过程中产生了显著的颗粒破碎。在循环剪切作用下,钙质砂的颗粒破碎形式主要是尖角的磨损,剪切后试样的颗粒中出现了一些碎屑和微细颗粒,大颗粒的棱角有一定程度的磨圆,但粒径无明显减小。在常围压下的等幅循环剪切中,颗粒破碎程度随着循环剪切次数的增大而增加,增长速率逐渐降低,可以采用对数曲线来描述相对破碎指数的发展过程。再考虑围压和循环应力比的影响规律,初步建立了一个描述颗粒破碎演化过程的数学模型。     

复杂应力路径下饱和砂土静态液化失稳预测

饱和砂土应力–应变关系具有各向异性和状态相关特性,因此其静态液化的触发与应力路径密切相关。现有文献已提出多种静态液化判别准则,但其准确性往往仅在三轴应力路径下被进行校验。对于涉及主应力方向旋转和不同中主应力比的复杂应力路径,现有判别准则是否可以准确预测静态液化的触发有待进一步验证。为此,基于状态相关各向异性砂土本构模型,结合前人的空心圆柱扭剪单元体试验,比较了二阶功、弹塑性刚度矩阵对称部分和失稳模量3种准则对复杂应力路径下砂土静态液化失稳预测的效果。发现包括:基于弹塑性刚度矩阵对称部分的失稳触发表达式不依赖于加载路径,具有更好的通用性,其预测的失稳点早于或与实际失稳点吻合;失稳模量理论可预测实际液化失稳的位置,但判定表达式因加载条件不同而变化。获得了复杂应力路径下的失稳线,分析了静态液化触发前砂土可发挥峰值摩擦角受中主应力、主应力方向等因素的影响。     

中主应力系数对应力主轴循环旋转条件下砂土变形特性的影响

采用香港科技大学的空心圆柱扭剪仪对日本标准丰浦砂进行了四个系列、每个系列包含中主应力系数b=0.1,0.5和1.0三种不同情况的纯应力主轴循环旋转排水试验,即试验过程中控制作用在砂样上的有效主应力的幅值不变,仅应力主轴在0°～180°循环旋转。试验发现中主应力系数b对应力主轴循环旋转条件下砂土的变形特性有显著影响,着重分析了这一参数对纯应力主轴循环旋转条件下砂土的应变分量和体应变的发展、剪应力剪应变关系曲线及流动规律等变形特性的影响。     

Image based local deformation measurement of saturated sand specimen in undrained cyclic triaxial tests

To evaluate the local deformation properties of sand specimen directly in the undrained triaxial test, a procedure based on Particle Image Velocimetry was developed through using a transparent membrane. Cylindrical specimens using a mixture of silica sand particles in black and white colors were prepared by the moist tamping method with five sand layers and the air pluviation method. Comparisons of local deformations between the direct evaluation by sand particles patterns and indirect evaluation by dots pasted on the membrane were made for a single specimen. The results obtained in the undrained cyclic triaxial tests revealed that the local deformation properties of medium dense and dense silica sand specimens evaluated by the indirect observation were consistent with those evaluated by the direct observation before the onset of initial liquefaction, except for some regions near the bottom ends of the specimen. Unlike the air pluviation method, the moist tamping method induced undesirable stratification within the specimen, and this resulted in the occurrence of specimen necking. Meanwhile, a non-uniform local strain distribution was observed along the specimen prepared by moist tamping method even under an axial strain less than 2%. The relative movement between the membrane and sand specimen, or slippage, occurred at the liquefied status. The extent of vertical slippage was also impacted by the relative density of the specimen.     

循环孔隙水压力作用下饱和砂土变形的试验研究

波浪荷载的作用会在近海砂体基础中产生循环孔隙水压力,研究循环孔隙水压力作用下砂床土体的力学行为对海岸和近海工程有重要意义。本文选用福建标准砂为研究对象,自动控制水压力发生装置作为动力源,通过固结不排水三轴试验,研究分析了在循环孔隙水压力作用下影响饱和砂土变形性能的试验参数。试验结果表明,当固结应力比、频率较大,而相对密度较小时,试样有较大的变形,更容易发生破坏。最后,绘制了试样轴向应变与动孔隙水压力系数的关系曲线,并分析了曲线的变化规律。     

砂土循环累积变形规律与显式计算模型研究

海洋基础在上部结构风和波浪等长期循环荷载的作用下产生累积变形,易影响海上风电机组等构筑物的正常服役性能,其本质是基础周边土体的循环累积变形问题。针对该问题,开展了一系列饱和砂土在排水条件下的循环剪切三轴试验,研究了动应力比、初始密实度、初始平均应力和初始静应力比等土性和应力参数对循环累积变形的影响,发现随动应力比、初始平均应力和初始静应力比的增大及初始密实度的减小,饱和砂土的轴向循环累积应变增大。从试验数据分析来看砂土轴向循环累积应变和循环次数之间近似存在双对数线性关系。将砂土轴向循环累积应变与第一次循环轴向应变归一化能消除上述土性和应力参数的影响,进而分析了第一次循环轴向应变与土性和应力参数之间的关系,通过引入与密实度相关的砂土抗剪强度计算表达式,建立了饱和砂土在排水条件下的循环累积变形显式计算模型,适合海洋基础长期循环累积变形分析。