筑坝粗粒料力学性质及本构模型参数试验研究

对某高坝筑坝粗粒料进行了大型三轴试验,分析了不同围压、级配下2种粗粒料的强度特性、变形规律。结果表明:2种粗粒料的应力—应变曲线具有明显的非线性,体变曲线整体变化规律为低胀高缩、先缩后胀,随着围压的增加,内摩擦角逐渐减小。低围压下,堆石料应力—应变曲线表现为硬化、体变变化为先缩后胀,砂砾料表现为软化、先缩后胀,峰值摩擦角随着围压的升高快速减小;高围压下,砂砾料由软化过渡为硬化,但堆石料在3 000 kPa下出现软化、其他条件下均为硬化,体变均由剪胀过渡到剪缩,随着围压的升高,峰值摩擦角的减小速率逐渐变小。研究得到,邓肯—张E-B模型参数随着围压、密度、级配的变化呈规律性变化。     

基于沈珠江双屈服面模型理论的土体弹塑性模型

由于常用的邓肯E-μ、E-B模型的经验公式不能同时很好地反映粗粒土三轴剪切试验结果低围压剪胀、高围压剪缩变形特点,邓肯E-μ、E-B模型基于的广义虎克定律不能反映土体剪胀剪缩特性,所以笔者应用笔者发现的三轴剪切体变规律和沈珠江双屈服面模型理论相结合建立了基于沈珠江双屈服面模型理论的弹塑性模型,该模型能够很好地反映土体的剪胀剪缩特性,能够准确地拟合等围压剪切试验结果,能够很好地预测等应力比路径,等平均主应力路径,等大主应力,小主应力减小路径,小主应力和剪应力同等减小的应力路径的试验结果。     

不同堆置状态粗粒土剪切强度试验研究

为研究不同堆置条件下排土场粗粒土的力学响应规律,开展了终排土体固结排水三轴压缩试验和在排土体快剪试验。研究结果表明,土体固结排水三轴压缩应力-应变曲线呈现先弹性后屈服再弱硬化的规律,体积-应变曲线有拐点,低围压时先剪缩后剪胀,高围压时以剪缩为主。在排土体快剪试验具有峰值强度,100～400 kPa时,峰值强度出现在剪切位移20%～30%之间,且剪应力-位移曲线呈弱化趋势;600～1 200 kPa时,峰值强度出现在剪切位移30%～40%,随剪切位移增加,土体抗剪强度基本保持恒定或略有增大。不同堆置状态排土体抗剪强度参数取值各不相同。     

饱和钨钼尾砂剪切变形特性与稳态特性试验研究

通过对某矿山的饱和钨钼尾砂进行等向固结排水三轴剪切试验,研究了不同相对密实度和围压下钨钼尾砂的剪切变形特性及稳态强度特性。试验结果表明:在有效围压为100kPa下,相对密实度为30%的松散尾砂表现出应变硬化和剪缩特性;相对密实度为70%的密实尾砂表现出应变软化和先剪缩后剪胀性质。在有效围压为400kPa下,密实尾砂的变形特性趋近于松散尾砂的变形特性,密实尾砂的剪胀性完全消失,表现为剪缩特性。相同初始相对密实度下,尾砂的峰值强度随着围压的增加而增加。不同相对密实度的尾砂在相同围压下进行排水剪切,试样会达到统一的稳态强度。饱和尾砂稳态强度与相对密实度和围压无关,表明稳态是土体的固有属性,得到了唯一的稳态线,并求出了钨钼尾砂稳态内摩擦角。     

冻融循环下排土场散体物料力学特性及其稳定性分析

为了解冻融循环引起的排土场散体物料剪切强度劣化规律，采用自主研发的大型直剪仪开展冻融循环作用下土石混合体的剪切试验，得到不同冻融循环次数下的排土场土石混合体剪切强度劣化曲线，并通过CT扫描分析不同冻融循环次数下土石混合体内部细观结构演化特征；最后，开展考虑冻融循环影响的排土场边坡稳定性分析。研究结果表明，在低法向压力下，散体物料的剪切应力-位移曲线主要呈现应变软化型，且在剪切过程中伴随剪胀行为；随着法向压力增大，曲线逐渐向应变硬化型转变，剪切过程中主要呈现剪切压缩行为；冻融循环次数增加，会使曲线应变硬化行为明显，逐渐弱化剪胀行为，内聚力和内摩擦角逐渐减小。当冻融循环次数达到15次时，内聚力和内摩擦角的减小量分别为18.45 % 和9.42 %；冻融循环导致散体物料内部细颗粒冻胀挤压碎裂，致使细颗粒和孔隙间发生错位与重组；冻融循环引起的散体物料孔隙变化主要集中在前5次；当冻融循环次数达到15次时，排土场安全系数减小率约为7.6 %。研究结果可为寒区排土场稳定性分析提供参考。     

土工格栅与土工格室加筋土的大型直剪试验和邓肯-张模型参数研究

基于梅河高速公路程江至华城段K20 638及K20 500处桥台加筋土台背处理方案,采用大尺寸直剪模型试验分析了土工格栅、土工格室加筋土以及土工格室加筋水泥稳定土接触面上的剪切变形特性,其剪应力-剪切应变曲线呈明显的非线性关系,采用邓肯-张双曲线模型能很好地反映土体的非线性特征,通过试验得到了土工格栅、土工格室加筋土界面的邓肯-张E-B模型参数,为今后土工格栅、格室加筋土桥台设计提供参考。     

季冻区矿山排土场粗粒土冻融界面剪切性能研究

随着我国西部矿产资源的大力开发,季节冻融作用对于高寒高海拔地区矿山排土场的稳定性影响问题日益突出。以西藏某高海拔多金属矿山排土场为研究对象,利用可控温大型直剪仪开展了排土场粗粒土在全融状态下和冻融交界面的剪切试验,并考察砾粒组含量对两种状态下粗粒土剪切强度的影响。结果表明:对于全融粗粒土,其剪切应力—剪切位移曲线呈现应变硬化特征,而冻融交界面剪切应力—剪切位移曲线呈现应变软化特征。同一砾粒组含量条件下,相对于融土,冻融交界面抗剪强度约是其2倍,主要原因体现在两方面:一是冻融界面处冰的胶结作用增加了土体的粘聚强度,试验条件下这一贡献量值约在50～60 kPa;二是冻融界面处水分的润滑作用有所减弱导致滑动摩擦增加,且粗颗粒表面的冰包裹作用增强了颗粒之间脱离咬合的咬合摩擦,因此其内摩擦强度同样大于融土。随砾粒组含量增加,融土、冻融界面黏聚力显著减小,而内摩擦角显著增加,但相较于融土,冻融界面处黏聚力减小幅度较小而内摩擦角增加幅度较大。     

饱和尾矿稳态特性研究

饱和尾矿的稳态强度和变形特性是尾矿坝能否发生流滑破坏的关键因素,通过试验充分了解尾矿的稳态特性是尾矿坝稳定性评价的重要内容。以江西九江某尾矿坝体的尾矿为对象,进行三轴固结不排水剪切试验,研究饱和尾矿的稳态特性。结果表明：饱和松散尾矿的三轴固结不排水剪切曲线具有明显的软化特性,曲线软化程度随围压的增大而减小,同一围压下孔隙比越小软化现象越不明显。根据试验结果建立尾矿的稳态线,论证了稳态是尾矿的固有属性,即稳态线具有唯一性。指出稳态内摩擦角是尾矿变形最终可动用的有效内摩擦角,并求出尾矿稳态内摩擦角。     

加筋粗粒土直剪力学行为与颗粒破碎特性

粗粒土是一种天然填筑材料,在工程中应用广泛。大量学者对加筋粗粒土的力学性质进行了研究,但对直剪过程中颗粒破碎特性尚无人研究。本文采用大型直剪仪,对粗粒土和加筋粗粒土进行了直剪试验研究,研究了其直剪力学行为与直剪过程中的颗粒破碎特性。试验结果表明:粒径和垂直压力越大,峰值强度越大;加筋后,黏聚力均大幅提高,而内摩擦角有一定程度的减小,黏聚力和内摩擦角均随着粒径的增大而增大;土工格栅除了受到与土的摩擦力外,还受到土体对横肋的阻挡力,阻挡力大幅提高了黏聚力;由不同方法计算得到的颗粒破碎率均随着垂直压力的增大而增大。垂直压力越大,颗粒间的接触越紧密,相互作用越剧烈,破碎率越大。同时在相同垂直压力下粒径越大,破碎越严重。加筋后颗粒破碎率显著降低,加筋可以有效防止颗粒破碎。     

三轴压缩岩石应变软化及渗透率演化的试验和数值模拟

三轴压缩下岩石峰后应变软化行为及渗透率演化规律是岩石工程稳定性分析的基础。取新疆巴里坤砂岩样在室内开展了三轴压缩试验和三轴渗流试验,获得了不同围压下巴里坤砂岩的全程应力应变曲线、体积应变与渗透率关系曲线。试验结果表明：随着围压增加,岩石峰后残余强度增加,体积扩容和脆性减弱;随着轴向应变增加,岩石先发生弹性压缩,空隙空间减小,渗透率降低;当应力达到屈服强度,岩石内裂隙开始扩展,渗透率降低速率趋缓;在峰值应力后,岩样破坏,裂隙扩展加速,并伴有新裂隙的萌生,岩样渗透率开始快速增长,岩样的渗透率呈“V”型变化。提出了描述围压对岩石峰后脆性影响的新参数,即脆性模量系数,围压与脆性模量系数之间服从负指数关系。基于脆性模量系数、强度退化指数和扩容指数,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型。在分析体积应变与岩石渗透率之间关系基础上,建立了基于体积应变增透率的岩石渗透率演化模型。在FLAC下模拟了巴里坤砂岩不同围压下的应变软化行为和渗透率演化过程,结果表明：岩石应变软化模型能很好地模拟围压对岩石残余强度、体积扩容和峰后脆性的影响;所示模型能较好地模拟围压和剪胀对岩石渗透率的影响;岩样峰后内部出现了明显的剪切破坏带,剪切破坏带与大主应力的夹角随着围压的增加而增大。在剪切破坏带内单元的渗透率显著增长,最后形成了一个流动通道。     

深部软弱地层TBM围岩力学行为试验研究

为揭示TBM深部软弱围岩变形破坏力学特性,开展了反映深埋隧道TBM机械开挖卸荷本质——高初始围压下缓慢准静态卸荷这一卸荷特征的砂质泥岩三轴卸围压试验,研究结果表明:缓慢卸荷条件下的岩石峰前应力-应变曲线接近于常规三轴压缩峰前应力-应变曲线,卸荷屈服阶段产生损伤扩容,侧向变形加速增长,从体积压缩开始转向扩容;应力达到峰值强度后,岩石首先发生1~2级脆性跌落,随着围压继续缓慢卸荷,岩石沿一条斜率较小的近似斜直线发生伴随有多级次生微破裂的线性应变软化;岩石变形全过程由弹性变形段、峰前卸荷损伤扩容段、峰后脆性跌落段、含有多级微破裂的线性应变软化段以及残余强度阶段组成;岩石缓慢卸荷发生宏观张剪复合破坏,并伴有轴向劈裂裂纹,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破裂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。     

易溶盐对锰渣三轴剪切试验的影响

锰渣因其含有易溶盐而在物理力学特性方面表现出盐渍土的特征。本文以脱盐前后的锰渣为研究对象,利用GDS三轴试验系统对其进行三轴剪切试验研究。结果表明,锰渣的应力-应变曲线可分为初始阶段、应变硬化阶段和破坏阶段;易溶盐流失后,脱盐锰渣更易出现应变软化现象。锰渣的应力-应变发展规律能较好地满足Duncan-Chang（邓肯-张）模型,脱盐锰渣的初始模量和极限强度均小于原锰渣。两种锰渣的孔压发展曲线存在一定差异,脱盐锰渣试件中孔隙水压力衰减的现象更显著。锰渣的破坏应力和抗剪强度参数随干密度的增大而增大,干密度对锰渣的粘聚力影响较大,对内摩擦角影响较小;随着易溶盐的流失,锰渣的强度和刚度均有所降低。     

高温作用下围压对页岩力学特性影响的试验研究

利用MTS815型程控伺服刚性试验机对页岩开展高温常规三轴压缩试验,基于试验结果分析围压与页岩应力-应变曲线特征、峰值强度、弹性模量、泊松比、峰值应变的关系。结果表明,按体积应变特征,应力-应变曲线可归为3类：扩张型、压缩-扩张过渡型和压缩型,围压对页岩具有较明显的扩容作用。在同一温度时,在5～25 MPa围压范围内,页岩峰值强度（σ1-σ3）较低,表现出较强的塑性变形破坏特征,峰值强度和弹性模量具有随围压增加而增大的趋势。围压小于15 MPa时,页岩泊松比随围压增大而增大,而峰值轴向应变和峰值横向应变均随围压增加而逐渐降低;围压大于15 MPa后,泊松比随围压增加呈小幅下降,峰值轴向应变和峰值横向应变随围压增加而略有增大。     

分阶段卸载条件下突出煤变形特征与渗流特性

为研究下保护层开采过程中采动应力作用下含瓦斯突出煤的渗流特性,利用自制的三轴渗流试验机,进行了恒定轴压卸围压、增大轴压卸围压、轴压围压同时卸载等3种不同加卸载条件下的分阶段卸围压煤样瓦斯渗流试验。试验结果表明:试验中煤样的变形具有明显的阶梯状特性,煤样未破坏时,应变增量随着围压卸载速率的增大而增大。随着围压的卸载,恒定轴压卸围压组和增大轴压卸围压组煤样的偏应力不断增大,其渗透率则呈现出先减小后增大的趋势,而轴压和围压同时卸载组煤样的渗透率则随着围压的卸载,呈现出不断增大的趋势。煤样体积应变变化量较大时,渗透率变化量也大。从能量的角度分析渗透率的变化,发现煤样渗透率均随能量耗散率的增大而呈指数增大。     

考虑围岩峰后破坏的全锚锚杆受力特性

基于中性点理论,考虑围岩峰后剪胀效应及破坏形式,推导了瞬时稳态下全长锚固锚杆轴向正应力和剪应力表达式,系统性地分析了孔口处锚杆端头轴力和残余黏聚力、剪胀系数和应变软化系数对锚杆杆体轴向正应力、剪应力以及中性点位置的影响。研究结果表明:锚杆轴向正应力沿杆体内端点至外端点呈现出先增大后减小的变化特征,且应力曲线在弹性区与峰后破坏区呈现出明显的差异性;锚杆剪应力沿杆体内端点至外端点呈现先减小后增大的变化特征,且在弹塑性交界处的连续与否与围岩剪胀系数和剪切刚度密切相关;锚杆轴向正应力和剪应力均随着残余黏聚力的增大而减小,随着剪胀系数与应变软化系数的增大而增大;同时,锚杆杆体轴向正应力和外端点侧剪应力均随着孔口处锚杆端头轴力的增大而增大,内端点侧剪应力随着端头轴力的增大而减小。中性点位置随着残余黏聚力的增大呈现出先增大后减小的变化特征,当残余黏聚力大于某一临界值时中性点位于弹性区,反之,位于峰后破坏区;此外,中性点位置也随着剪胀系数、应变软化系数的增大而减小。     

深部砂岩力学特性试验与本构模型

为深入探究岩石强度劣化特性对深部开采工程稳定性的不利影响。以红庆梁深立井工程为背景,对现场砂岩岩样开展不同围压条件下三轴压缩试验,结合Mohr-Coulomb强度理论研究了砂岩应力-应变、强度与变形等特征;基于岩石损伤变量服从Weibull分布的特点,推导出砂岩损伤软化本构模型,探讨了模型参数F_0和m与围压的函数关系,结合模型参数对模型的影响及砂岩应力-应变曲线变化特点,采用非线性拟合方法对模型参数进行修正,最后得到修正的损伤软化本构模型;利用FLAC~(3D)对修正后的本构模型数值求解,将理论计算结果与砂岩全应力-应变曲线对比验证;通过构建马头门硐室围岩数值模型对修正后本构模型进行工程应用,并分析了数值计算结果的合理性。结果表明:①砂岩变形参数对围压敏感度较低,强度参数受围压影响较大,不同围压条件下,当应力达到峰值后,砂岩呈现出明显的应变软化特性;②通过FLAC~(3D)数值验证结果可知,损伤软化模型理论计算应力-应变曲线与试验曲线高度吻合,说明模型具有较高的真实性,能反映砂岩在复杂应力状态下的破坏全过程;③利用数值模拟方法对深部马头门硐室围岩与支护结构破坏规律分析表明,在拱顶及拱肩位置较易出现塑性剪切破坏,并且与实际工程中支护结构破坏位置及范围基本相同。     

离子型稀土矿体强度特性试验研究

为研究离子型稀土矿体的抗剪强度特性,基于GDS非饱和三轴试验系统,对江西龙南地区典型的离子型稀土重塑矿体开展饱和三轴剪切试验和控制吸力的非饱和三轴剪切试验。研究发现:离子型稀土饱和矿体的应力-应变关系呈弱软化型,稀土矿物颗粒的黏聚力对抗剪强度贡献较小,矿体的抗剪强度主要由矿物颗粒之间的摩阻力承担;非饱和矿体的抗剪强度对基质吸力的变化较为敏感,随着基质吸力增大,吸附强度呈非线性增加,应力-应变关系由硬化型逐渐转变为弱软化型,非饱和矿体的的抗剪强度有所提高,而基质吸力的内摩擦角φ~b呈非线性减小,表明基质吸力对非饱和矿体抗剪强度的贡献是有限的;利用乘幂函数对基质吸力与吸附强度的关系进行拟合,据此提出适合龙南类型离子型稀土非饱和矿体的抗剪强度公式和有效应力表达式。