大型微摩阻土工真三轴试验系统及其应用

介绍了长江科学院研制的大型土工真三轴试验系统,该试验系统具有如下功能:①能够稳定的开展粗粒土的真三轴试验;②可以提供的小主应力最大值为3.0 MPa,大主应力最大值为15.0 MPa;③试验尺寸为300 mm(长)×300 mm(宽)×600 mm(高);④可按任意设定的加载过程,采用应力或应变控制方式进行三向独立加载,实现复杂应力条件下的模拟试验;⑤能获得粗粒土试样的应力变形全过程线。通过一个典型工程案例,将该试验系统应用于粗粒土复杂应力条件下的力学特性研究,获得了粗粒土在不同应力水平下的应力变形规律;得到了试样在不同加载路径下的强度参数,并对其破坏准则的适用性进行了初步探讨。大型微摩阻土工真三轴试验系统的成功研制,为深入研究粗粒土在高应力和复杂应力路径下的强度与变形特性提供了技术手段。     

粗粒土在三向卸载时的强度特性试验研究

卸载是引起岩土材料破坏的常见工况,为了研究粗粒土在不同中主应力系数b情况下三向卸载时的强度特性,使用真三轴仪对粗粒土进行偏应力q保持300kPa不变,球应力p不断减小的等q、等b三向等量卸载试验,分析三向卸载条件下粗粒土的强度特性,研究常用强度准则对卸载条件粗粒土的适用性。试验结果表明:在三向等量卸载条件下,粗粒土的强度参数与中主应力系数b有关;对于不同的b值,b=0时的内摩擦角φb最小,破坏应力比Mb最大;破坏应力比Mb随着b的增大而减小,且随着b的增大,减小的梯度在逐渐减小;内摩擦角φb在b值较小时随着b的增大而增大,在b值较大时随着b的增大而减小,3个方向剪切的共同影响可以解释这一变化规律;Matsuoka-Nakai强度准则、粗粒土应力不变量强度准则和Lade-Duncan强度准则这3个强度准则都能反映内摩擦角φb与b之间的这一规律,其中,Matsuoka-Nakai强度准则在b值较小时与试验结果较为接近,粗粒土应力不变量强度准则在b值较大时与试验结果较为接近;粗粒土角隅函数强度准则与等q、等b试验结果较为吻合。     

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。     

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。     

基于双剪统一强度准则砂岩真三轴卸荷损伤本构模型研究

为完善真三轴加卸荷条件下砂岩损伤本构模型及参数确定方法,基于真三轴流固耦合试验系统,开展真三轴不同中间主应力、不同最大主应力加载速率条件下砂岩加卸荷试验,分析不同应力路径下砂岩的变形特征、各阶段渐进破坏特征和强度特性,选取真三轴加卸荷条件下适用的强度准则,建立可以有效描述砂岩受力破裂过程的损伤本构模型。结果表明：随着中间主应力的增加和加载速率的增加,砂岩试样起裂应力、损伤应力、峰值强度均增加。在两类应力路径下,双剪统一强度准则可以准确的描述砂岩强度特性。通过将双剪统一强度准则转化为合适的屈服函数形式,并考虑试样在不同主应力方向的损伤演化特性,建立真三轴损伤本构模型,对比分析模型参数对应变硬化特性的影响。模型分析结果与实际试验在不同主应力方向应力–应变曲线吻合,拟合结果较为稳定。该模型能准确反映砂岩微元强度受应力状态的影响,较好地反映砂岩不同主应力方向的受力破裂过程,可为实际岩石工程实践提供更好的理论指导作用。     

黄土(Q_3)横观各向同性强度准则研究

针对黄土的竖向裂隙及强化联结与水平面内各向同性的横观各向同性结构,沿竖向分别施加大、中、小主应力,进行了不同固结围压常中主应力比值的固结排水真三轴试验研究。依据八面体平面上应力状态域关于竖向主应力轴的几何对称关系,分析了竖向和任意水平向施加大主应力的3个空间域不同中主应力比值子午平面的强度变化规律,以及黏聚力和内摩擦角随中主应力比值的变化规律;得到了横观各向同性结构黄土在八面体平面上关于竖向主应力轴对称的强度破坏面。在假定沉积面内正交两个主应力轴相对于竖向主应力轴无旋转的条件下,应用Lade提出的竖向主应力轴与沉积面内正交两向主应力对角线轴平面内主应力空间旋转的描述方法,对σ~(1/3)-SMP各向同性强度表达式进行修正,建立了横观各向同性的σ~(1/3)-SMP强度准则。与黄土试验结果相对比,表明该准则描述横观各向同性黄土的三维空间强度破坏面具有较好的适用性。     

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。     

堆石料平面应变条件下统一强度理论参数研究

 堆石料的常规三轴、方形三轴和平面应变试验对比分析表明,方形三轴试验的应力–应变曲线与常规三轴的存在显著差异,方形三轴试验对应的峰值强度高于常规三轴试验,堆石料密度较大时,应力–应变曲线呈现软化特征,存在明显的偏应力峰值。任何一组方形三轴试验对应的莫尔圆大致具有同一条公切线,平面应变试验也具有类似的强度特性,可采用直线型Mohr-Coulomb破坏准则描述堆石料的强度特性,同一种堆石料在平面应变条件下破坏时的Lode参数基本保持不变,且在数值上近似等于方形三轴试验对应内摩擦角的正弦值。在试验结果的基础上,通过双剪强度理论建立平面应变条件下堆石料的强度与方形三轴强度的关系式。对平面应变状态下堆石料强度影响因素分析表明,在本文的模型框架内,平面应变状态下的内摩擦角仅与三轴应力状态下的内摩擦角相关,而对应的黏聚力主要取决于方形三轴试验对应的黏聚力,三轴应力状态下的内摩擦角对其影响较小。通过与试验数据的对比表明,本文建立的强度关系式基本可以描述堆石料在平面应变条件下的强度特性。     

考虑中间主应力效应的筒仓侧压力计算

首先基于真三轴强度准则即Drucker-Prager准则、Matsuoka-Nakai准则、Lade-Duncan准则和统一强度理论推导了平面应变状态下4种考虑中间主应力效应的侧压力系数表达式,并给出各自的适用条件,进而将其应用于深仓和浅仓的侧压力计算,最后将计算结果与已有试验数据以及多国规范值进行了比较和验证。结果表明:深仓和浅仓侧压力计算的强度准则效应均很显著,中间主应力效应越强,对应的侧压力越小;对于深仓,欧洲规范计算结果最为保守,中国规范、参数b=0时统一强度理论以及Mohr-Coulomb准则三者的计算结果相同;对于浅仓,修正Coulomb理论计算结果最为保守,Rankine理论与参数b=0时统一强度理论的计算结果相同;4种真三轴强度准则均不同程度反映了中间主应力的影响,参数b=0时统一强度理论偏于保守,Drucker-Prager准则偏于危险,Lade-Duncan准则与试验数据吻合最好。     

考虑中间主应力的原位岩体强度参数取值研究

为了研究深部隧洞或地下厂房围岩在三向应力状态下的强度特性,开展玄武岩和片岩原位真三轴卸载试验,基于Mohr-Coulomb强度准则和Mogi强度准则,探讨考虑中间主应力影响的岩体强度参数取值问题。分析结果表明:(1)对于玄武岩和片岩原位真三轴试验,采用Mohr-Coulomb强度准则的回归方程满足显著性水平?=0.05的检验要求,采用Mogi强度准则的回归方程则可满足显著性水平?=0.01的检验要求,因此采用Mogi强度准则拟合现场岩体真三轴试验结果更加可靠;(2)考虑中间主应力影响的Mogi强度准则确定的岩体抗剪强度参数?值比忽略中间主应力影响的Mohr-Coulomb强度准则确定的?值高约6%,但是Mogi强度准则确定的岩体抗剪强度参数c值,则比Mohr-Coulomb强度准则确定的c值低约60%。     

非饱和土统一强度理论及真三轴试验结果验证

 非饱和土的真三轴强度准则及三向应力状态预测是实现非饱和土理论工程应用的重要问题,依据非饱和土的双应力状态变量及吸附强度特性,构建适用于非饱和土的双剪单元体模型,继而建立分段线性的非饱和土统一强度理论,分析其特例、平面极限线和空间极限面的特性,并用已有的非饱和粉砂的刚性与柔性真三轴试验结果进行验证。研究结果表明：本文非饱和土统一强度理论的极限线覆盖了所有外凸区域,饱和土的统一强度理论以及非饱和土的Mohr-Coulomb强度准则均为其特例,而且还包括很多新的强度准则;非饱和粉砂的所有真三轴试验数据均落在非饱和土统一强度理论的极限线范围内,并与统一强度理论参数b = 1/2时的预测值吻合较好;外接圆Drucker-Prager准则不能反映非饱和土的真实强度特性,b = 1/2时非饱和土统一强度理论可线性逼近拓展的非线性SMP准则。     

土的剪切空间滑动面分析及各向异性强度准则研究

天然沉积的土往往具有原生各向异性、结构性,以及加载作用下的次生各向异性和结构损伤性,导致土的强度规律变化复杂。通过对Mohr-Coulomb、Druker-Prager和Matsuoka-Nakai强度准则建立基础的分析,提出了定法向剪切空间滑动面和变法向剪切空间滑动面的分类。运用Mohr-Coulomb准则描述土剪切破坏面和Matusoka-Nakai剪切空间滑动面的确定方法,分别建立了轴对称压缩和挤伸两组定法向剪切空间滑动面。依据空间滑动面上抗剪应力与法向正应力呈正比的线性关系,针对轴对称压缩、挤伸剪切空间滑动面,分别建立了各向同性、各向异性条件下土的强度准则,分析了不同强度准则应力空间描述的强度破坏面。针对具有竖向裂隙分布横观各向同性微结构的天然黄土,考虑微结构特征与几何空间坐标轴及主应力轴旋转变化的关系,通过黄土的真三轴试验,揭示了竖向裂隙分布方向分别作用大、中、小主应力的强度变化规律,初步验证了轴对称压缩和挤伸剪切空间滑动面强度准则及各向异性强度准则的合理性。建立的强度准则拓展了传统强度准则关于剪切空间滑动面及各向异性强度规律研究的范畴,能够为土工强度稳定性的分析提供更加符合实际的理论基础。     

指数型岩石真三轴强度准则

岩石强度是工程岩体稳定性评价和结构优化设计的前提和基础,通过岩石真三轴试验分析了岩石强度演变特征:(1)随着最小主应力的增加,岩石强度逐渐增大,但增幅逐渐减小并趋于零;(2)岩石广义压拉强度比随静水压力的增大呈先增大再减小的规律,并最终趋于1,即在π平面上呈三角形向圆形转变的过程;(3)岩石强度随中间主应力增大表现为先增大再减小的过程。三参数型指数函数完全符合岩石强度在子午面上的基本特点,而L_(WW),L_(MN)和L_(YMH) 3个罗德函数准确反映了中间主应力对岩石强度的影响,且无条件满足拉压子午面区间光滑、连续、外凸性要求。利用π平面广义拉压强度比和罗德函数将指数型拉压子午面结合,构建了指数型真三轴强度准则,分析了强度参数对岩石强度的影响及其空间包络特征。最后采用14种岩石的真三轴试验数据对指数型真三轴强度准则进行了最优拟合误差分析,结果表明指数型真三轴强度准则均具有良好的拟合精度,可正确描述软–硬不同性质岩石的强度特征。     

基于随机散粒体模型的堆石体真三轴数值试验研究

基于三维变形体离散单元法,模拟堆石体的真三轴试验,研究堆石体在三向不等应力状态下的强度和变形特性。真三轴数值试验装置采用六刚性板加荷方式,等中主应力比路径加载。数值试验结果表明：真三轴数值试验能较好反映堆石体在三向不等应力状态下的应力和变形规律,数值模拟得到宏观应力变形特性与试验规律相似;等中主应力比参数的大小对堆石在三向应力状态下应力和强度特性有显著的影响,堆石体在 3 个加载方向的变形也随该参数的变化而变化,应力比参数从 0 到 1 变化过程中中主应变方向先压缩后膨胀,小主应变方向一直处于压缩状态;堆石体的内摩擦角随着值的增加而增大,基本符合 Lade-Duncan 破坏准则;在细观层面上,围压越高,值越大,颗粒配位数越大; 加载过程中,颗粒接触法向和法向接触力各向异性程度加强,各向异性主方向角由水平向转向大主应变方向,试样各向异性系数的演化规律和试样的宏观应力变形曲线相对应,试样的宏观力学特性与细观组构存在内在的关联。     

考虑中间主应力的路堤临界填土高度统一解及比较

 临界填土高度是软土路堤沉降和稳定控制的重要指标,首先推导3种真三轴强度准则即广义M-N准则、广义L-D准则和统一强度理论的平面应变统一表达式,进而合理考虑中间主应力影响和土体实际侧压力系数,建立地基临界荷载与路堤临界填土高度的统一解,给出公式适用条件并进行验证,最后探讨路堤临界填土高度的强度理论效应,并得出土体黏聚力和内摩擦角对路堤临界填土高度的影响规律。研究结果表明：提出的统一解具有很好的可比性,且其强度理论效应即中间主应力效应明显;M-C准则的结果过于保守,应优先选用广义M-N准则、广义L-D准则或参数b = 1/2时统一强度理论;侧压力系数、黏聚力及内摩擦角对路堤临界填土高度的影响均很显著,应原位测试确定地基土的真实侧压力系数,并充分考虑土体抗剪强度参数的变异性。     

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。     

砂土中主应力与内摩擦角统一关系研究

提出了一种适用于砂土的各向异性破坏准则,该准则能够反映不同砂土各向异性破坏特性,其参数可以根据某些特定应力区的三轴压缩和三轴拉伸试验结果获得,即根据强度比值确定。为了考虑不同应力区内的中主应力对内摩擦角的影响,提出了广义中主应力系数和广义内摩擦角的概念和表达式,并且建立了基于一种各项异性破坏准则的内摩擦角和中主应力系数的统一显示表达式。通过对一些真三轴试验结果预测,结果表明所提出的摩擦表达式能够整体上描述各向异性砂土的中主应力系数对内摩擦角的影响。