岩石锚固界面剪切流变试验及模型研究

 大量的试验和工程实践表明：锚固系统的失效多是发生在岩土体和注浆体的锚固界面上。为此开展锚固系统界面力学特性的剪切流变试验,以研究注浆体与岩石交界面的受力机制以及锚杆锚固力在界面剪切流变过程中的变化特征。通过试验表明：在剪切面方向,随着时间的增长,同级剪应力荷载水平下剪切变形有所增加;当剪切应力水平较低时,试样剪切流变表现出初期和稳态流变,当剪切应力值超过某一界限时,剪切流变还表现出加速流变破坏阶段;随着流变时间的增加,锚杆轴向应变值有一定的增加,锚固力呈现缓慢回升的趋势;在此基础上,提出一种基于经验的非线性剪切流变模型,该模型特别考虑法向应力对剪切流变的影响,并将流变模型参数定义成剪应力水平的函数,从而能很好地描述剪切流变的初期、稳态和加速流变整个过程;为进一步验证锚固界面本构模型的正确性,采用此界面流变模型对试样3进行数值仿真的剪切流变试验51 h,计算结果与试验数据非常接近,表明采用此模型是合理而有效的。     

含弱面砂岩非线性黏弹塑性流变模型研究

 利用CSS–3940YJ型岩石剪切流变试验机,对向家坝水电站左岸坝基挤压带含弱面砂岩进行剪切流变试验。试验结果表明：该岩石属于典型的软岩,在恒定剪应力水平下具有显著的亚稳定蠕变特性。在应力达到一定水平时,岩石经过衰减和亚稳定蠕变之后发生加速蠕变破坏。根据含弱面砂岩剪切蠕变特性,对非线性流变元件进行改进,定义其在应力阈值前后分别等同于牛顿黏壶和非线性黏塑性体。将改进的元件与广义Kelvin模型串联,组合成四元件流变模型。该模型可以充分反映岩石亚稳定蠕变和加速蠕变特征,并具有结构简单、参数少的优点。推导四元件流变模型的本构方程,从理论上对岩石非线性蠕变特性进行分析。采用所建立的模型对岩石进行剪切流变力学参数辨识,并研究应力水平超过阈值后的参数辨识方法。通过模型计算结果与试验结果的比较,对提出的非线性黏弹塑性流变模型进行验证,显示所建模型的正确性与合理性。     

南宁非饱和膨胀土剪切蠕变特性试验研究

通过改装的剪应力控制式直剪仪对南宁非饱和膨胀土进行系列室内试验研究,探讨非饱和膨胀土的非线性流变特性.试验结果表明:当剪应力小于或等于25.5 kPa时,土体表现为衰减蠕变,当剪应力高于25.5 kPa时,土体具有明显的非线性流变特性.同时,通过对剪切蠕变曲线的拟合发现,南宁非饱和膨胀土的流变可以用Bu体模型来描述,并能得出其相应的本构方程和蠕变方程.     

含水砂层的剪切流变力学特性试验分析

通过十字板剪切流变仪试验,得到了剪切阻力、含水量、孔隙水压力与应变速率的变化曲线。试验表明,含水砂层的流变曲线呈现稳态流变阶段和加速流变阶段。稳态流变阶段又可分为弹性变形、初始流变和非加速流变过程。初始流变过程含水量和孔隙水压力上升,后保持稳定;经过较长时间的流变后,进入非加速流变阶段,剪切阻力呈现波动下降趋势;达到屈服抗剪强度时,进入加速流变阶段,应变速率迅速增大。通过对加速流变过程曲线进行拟合,得出加载剪应力、屈服抗剪强度和应变速率的关系。分析表明,干燥细砂的抗剪强度主要来自颗粒间的摩擦力,当含水量增加时,颗粒被水分子包围,削弱了颗粒间的作用力,其流变特性就发生了明显的变化;反映这一变化过程的主要参数是屈服抗剪强度,其与加载剪应力和含水量有关。     

饱水砂岩的剪切流变特性试验及模型研究

 利用JQ200型岩石剪切流变仪,对武汉越江隧道围岩中的饱水砂岩进行剪切流变试验,得到不同应力状态下饱水砂岩的剪切流变曲线,研究其流变特性,并与干燥砂岩的流变特性做比较,发现饱水砂岩比干燥砂岩具有更明显的流变性,且饱水砂岩的应力门槛值比干燥砂岩的小些。基于得到的剪切流变试验曲线,用后验排除法进行流变模型的识别,最终选用五元件黏弹性剪切流变模型对试验曲线进行拟合,接着提出一种I-NVPB模型对全过程剪切流变曲线进行模拟,同时获得饱水砂岩的全部剪切流变参数。将试验结果与模型拟合结果进行对比分析,得出有关结论并显示所选模型的正确性,具有重要的工程实际意义和推广价值。     

改进的非线性黏弹塑性流变模型及花岗岩剪切流变模型参数辨识

对西藏邦铺矿区的花岗岩进行了干燥、饱和2种状态下的剪切流变试验,根据试验结果分析了2种状态下花岗岩的剪切流变特性。基于花岗岩加速剪切流变阶段的力学状态特征,提出一种改进的非线性黏弹塑性流变模型,该模型核心部分由带有剪应力判断条件的Kelvin体和带有应变值判断条件的改进非线性Newton体黏壶组成,能反映不同等级剪切应力荷载作用下的岩石流变规律,特别是能较合理地描述岩石加速流变阶段的非线性特征。对西藏邦铺矿区的花岗岩剪切流变试验结果进行参数辨识,获得的改进的非线性黏弹塑性流变模型的理论曲线与试验数据曲线较吻合,验证了所建模型是正确合理的。     

节理岩石剪切流变特性试验与模型研究

利用岩石剪切流变仪,对龙滩水电站大型地下洞室群围岩中的无充填节理岩石进行了剪切流变试验,得到了节理岩石长期抗剪强度参数,与快速剪切试验获得的短期抗剪强度参数进行比较,发现长期抗剪强度参数有所降低,且粘聚力对时间敏感性高于内摩擦角。基于得到的剪切流变试验曲线,采用五元件粘弹性剪切流变模型对表现为粘弹性流变特性的试验曲线进行了辨识,获得了节理岩石的粘弹性剪切流变参数。然后将提出的非线性粘塑性体与五元件粘弹性剪切流变模型串联起来,建立了岩石七元件非线性粘弹塑性剪切流变模型。采用节理岩石加速剪切流变全程曲线,对七元件非线性粘弹塑性剪切流变模型进行了辨识,得到了非线性剪切流变模型材料参数,剪切流变模型与试验结果的比较,显示出了所建剪切流变模型的正确性与合理性。     

基于加速应力试验方法的气泡混合轻质土使用寿命估计研究

基于加速应力试验方法,借助概率统计理论分析了以水泥、水和气泡群为组成材料的气泡混合轻质土疲劳寿命的特点及其分布,建立了气泡混合轻质土的线性化疲劳方程,预测了气泡混合轻质土在正常车辆荷载作用下的使用寿命。研究结论表明:通过不同加速应力下疲劳寿命的平均值、标准差和变异系数3个指标判别,同一应力下的气泡混合轻质土的疲劳寿命离散性较小,离散程度随着加速应力的增大而增大;基于加速应力试验结果线性回归分析,证明气泡混合轻质土疲劳寿命服从对数正态分布;建立了气泡混合轻质土的疲劳寿命方程,表明疲劳寿命的对数是加速应力的递减函数;估计了正常车辆荷载作用下气泡混合轻质土的平均使用寿命约为73 a。     

聚丙烯纤维气泡混合轻质土抗压力学性能研究

通过聚丙烯纤维气泡混合轻质土标准试件无侧限抗压试验来探究聚丙烯纤维含量及纤维长度对气泡混合轻质土抗压强度的影响。试验结果表明:气泡混合轻质土的抗压强度随着聚丙烯纤维含量的增加而提高,且龄期越长,其强度增长效果越显著;当抗压强度达到峰值后,随着聚丙烯纤维长度的增加,气泡混合轻质土的抗压强度曲线呈降低趋势,且存在纤维长度最优值。结合材料应力-应变曲线,采用坐标无量纲化处理及分段式受压曲线方程理论,初步建立了聚丙烯纤维气泡混合轻质土单轴受压全曲线函数方程,并采用离散数据数值分析方法对应力-应变曲线下降段的理论函数方程进行修正,给出了具有明确物理意义的聚丙烯纤维气泡混合轻质土单轴受压全曲线分段函数方程。     

EPS颗粒混合轻质土加载-卸载应力应变特性分析

为研究反复加载-卸载条件下EPS颗粒混合轻质土的应力应变特性,分析了EPS颗粒混合轻质土在反复加载-卸载条件下应力应变曲线随围压、水泥掺入比、土质的变化规律,并比较了反复加载-卸载条件下和单调加载条件下的应力应变曲线。结果表明,EPS颗粒混合轻质土反复加载-卸载条件下的应力应变曲线的包络线呈硬化型;EPS颗粒混合轻质土在反复加载-卸载条件下的强度随着围压和水泥掺入比的增大而增大;在相同条件下,砂土EPS颗粒混合轻质土的强度比淤泥质土EPS颗粒混合轻质土的强度高;当围压较低时,砂土EPS颗粒混合轻质土的反复加载-卸载应力应变曲线失去记忆性,高于单调加载的应力应变曲线,体现了EPS颗粒混合轻质土的卸载体缩的性质,而当围压较高时,记忆性恢复,不同配比及围压下淤泥质土EPS颗粒混合轻质土在反复加载-卸载下的应力应变曲线基本上都具有记忆性,并且当反复加载-卸载次数较大时出现疲劳现象。     

不同应力水平下湖相软土流变特性研究

为探明湖相软土在不同应力水平下的流变特性,以洞庭湖区软土为研究对象,进行室内一维固结流变试验,建立了在侧限条件下的流变本构模型,并根据拟合的流变本构模型推导了一维固结情况下的解析解。结果表明:洞庭湖软土具有明显的非线性蠕变特征,当应力水平低于某应力阈值时,软土的流变特性服从Schiffman模型规律,软土固结速度较慢;当应力水平高于某应力阈值时,软土的流变特性服从西原模型规律,软土固结速度较快,并且固结速度随着应力阈值的增加而加快。因此,对湖相软土地区的工程建设,应根据软土的工程性质与所施加的荷载水平而采用不同的沉降计算方法与工程处理措施。     

Mechanical Properties of Lightweight Treated Soil Cured in Water Pressure

An artificial lightweight soil has been developed as a backfill to reduce the earth pressure behind port and harbor structures. To reduce the unit weight lightening ingredient such as air foam or EPS beads is mixed within slurry of dredged soft clay, while cement is used as stabilizer to warrant compressive strength. This experimental study aims to characterize the strength and deformation properties of lightweight treated soil cured in water pressure. Samples of two types of lightweight treated soil mixed with air foam or EPS were cured under various pressures, and subjected to undrained shearing tests on triaxial apparatus modified to detect volumetric change. Though high pressures inevitably compress lightener and consequently incur increment in unit weight, pressured curing did not reduce the compressive strength, q_max = (σ_a-σ_c)_max. It was also found that the deformation modulus E₅₀ greatly decreases with relative confining pressure σ_c/q_max. The lightweight soils maintained relatively large residual strengths, showing no significant sign of brittle failure as often confronted in unconfined compression test. It was observed that the critical state line exists when subjected to ultimate strains, and that the peak deviator stress envelop was identified in effective stress path plane for air foam mixed cases alone. K₀-consolidation tests were conducted on modified triaxial apparatus, showing that K₀ values from the quasi one dimensional tests decline to as small as 0.1 to 0.15 around axial strain of 0.5~1% at near yielding points. Poisson's ratios based on both undrained shearing and K₀-consolidation are compared in consistent tendency with minimal values of 0.1 to 0.2 near the identical yielding points. Yet it is revealed from the obtained compression curves that the compressibility increases drastically by some 100-fold when comparing before and after yielding for lightweight treated soil. This fact strikes the importance of not overloading lightweight treated soil by its compressive strength.     

掺纳米碳纤维导电水泥基材料的制备

通过调节减水剂掺量改变水泥净浆或砂浆的流变性能,并研究了固定纳米碳纤维条件下试件的电阻率平均值与变异系数。结果表明:适当提高水泥净浆或砂浆的流动性或降低屈服剪切应力、塑性粘度,有利于降低掺纳米碳纤维水泥基材料的电阻率,提高导电稳定性;过高或过低的流变参数均不利于稳定的导电水泥基材料制备。     

新拌次轻混凝土流变特性的研究

通过对新拌次轻混凝土的流变特性研究,分析了集料组成对新拌次轻混凝土屈服剪切应力和粘性系数的影响、新拌次轻混凝土的结构形成特点及其粒子的运动特点.结果表明:利用普通集料部分替代轻集料可显著改善混凝土的流变性能,提高水泥浆体的粘度、减小轻集料粒径可提高混凝土的匀质性,从而改善次轻混凝土的力学性能和耐久性.     

Field Placing Test of Lightweight Treated Soil under Seawater in Kumamoto Port

A lightweight treated soil method has recently been developed to reuse dredged soils as artificial lightweight geomaterials, the density of which ranges from 1.0 ~ 1.2 g/cm³, for coastal construction projects. In the two types of lightweight soils, foam-treated soil (FTS) and bead-treated soil (BTS), the slurry of dredged soil is mixed with cement and air foam, or cement and EPS beads (the diameters are 1 ~ 3 mm), respectively. The lightweight treated soil method have been applied in several seaports and coastal airport projects, but only in the sites at a level shallower than –3 m to avoid density change due to large water pressure and the possibility of washout during underwater placing.In this study, full scale field placing tests of lightweight soils were carried out at sites 10 m below the sea level in Kumamoto Port with the purpose of investigating the material properties of lightweight soils placed under deep water. Especially the change of density through the process of mixing, transportation, placing and hardening was examined in detail. It was found that the lightweight soil method can be applied under sea water of –10 m, although a part of the total volume of mixed foam or mixed EPS beads is swept away during the construction process. However the wet-density of lightweight soil measured 1 year after the construction was almost the same as that of a 28-day specimen, while the 1 year strength was 40% larger than the 28-day strength.