复杂路径下岩样的强度和变形特性

岩石是非均质材料，其变形与应力路径有关。在伺服试验机上对岩样进行了多种路径的加载、卸载试验．分析岩样轴向应变、环向变形与轴向应力、围压之间的关系。结果表明，围压和轴向应力的加载、卸载使岩样变形的线性特征得到强化；切线泊松比、杨氏模量可以反映应力状态变化时岩样的变形特征，即应力、应变的变化量满足虎克定律；岩样的承载能力由其材料强度和与围压有关的内摩擦力共同构成。岩样屈服弱化之后，轴向承载能力仍可随着围压的增大而线性增大；在轴向应力增大过程中，岩样的材料强度同样可以产生弱化，但所需塑性变形大于轴向应力降低的弱化过程。比例加载路径对岩样的承载极限和屈服变形没有明显的影响。     

硬岩应力–应变门槛值特点及产生机制

详细总结岩石应力门槛值(起裂强度ci?、损伤强度cd?和峰值强度f?)的物理意义和计算方法,以花岗岩和大理岩为研究对象进行不同围压的常规三轴试验,计算分析ci?,cd?和f?值,以及各个门槛值对应的轴向应变、侧向应变和体积应变的变化规律,重点讨论轴向应变和侧向应变的特点和产生机制,分析结果发现:花岗岩的cc?/f?,ci?/f?,cd?/f?分别位于0.10~0.19,0.40~0.59,0.77~0.82区间内,大理岩相应的应力比位于0.10~0.25,0.47~0.64,0.82~0.92内,不同岩石或相同岩石门槛值应力比的差异可能由于矿物成分、赋存环境、开挖损伤造成;2种岩石应力门槛值及各自对应的轴向应变随围压近似呈线性递增,并且应力和轴向应变随围压的变化曲线非常相似;侧向应变在达到cd?之前增长缓慢,在达到cd?之后急剧增加,而轴向应变在整个加载过程稳步增加;围压、cd?和对应的损伤体积应变存在内在关联性,相互关系可用线性或二项式拟合。     

岩石扩容起始特性与峰值特性的比较

边坡、隧洞、矿井等岩土工程的失稳过程都伴随着岩体的扩容现象,研究各种工程岩体的扩容特性对工程岩体稳定性评价有重要意义。采用TAW-2000电液伺服岩石三轴试验机,通过对8种岩样的单轴、三轴压缩试验结果分析,获得了低围压下的应力-体积应变曲线,寻求不同岩石的扩容起始点的的变化规律,揭示岩石扩容起始特性与峰值点特性的对应关系。研究结果表明：①岩石扩容起始点处的应力随着围压的增大而增大,并且相比峰值点应力变化,扩容起始点的应力随着围压的变化更强烈;②分别定义了岩石的扩容起始点与峰值点的应力比和应变比计算公式,应力比和轴向应变比呈现很强的线性相关性,并且与其岩性和围压无关。如果确定了峰值点的应力应变关系,便可以较方便地找到岩石的扩容起始点。通过岩石扩容起始点与峰值点变化规律的研究,找到了一条确定岩石扩容起始点的新思路,对岩石的长期强度预测提供了理论依据。     

基于椭圆–抛物双屈服面模型的砂–聚苯乙烯颗粒轻质填料应力应变分析

砂–聚苯乙烯颗粒轻质填料由工程细砂和聚苯乙烯颗粒按一定比例混合形成,有利于节省胶凝材料、降低土工填料附加应力和减小地基沉降,探讨该材料的应力应变关系对指导其工程实践变得尤为重要。基于椭圆–抛物双屈服面模型,推导了考虑轻质填料配比和围压特征的应力应变增量形式方程,结合轻质填料三轴固结排水剪切试验中的应力应变特性,分析了所推导的应力应变增量形式方程的合理性。研究发现,基于椭圆–抛物双屈服面模型的考虑轻质填料配比和围压特征的应力应变增量形式方程能较好地拟合材料偏应力–轴向应变–体变规律,能较好地反映材料的弹塑性、剪胀性和剪缩性,并结合轻质填土的变形机理给予相应解释。     

考虑围压效应和塑性演化机制的中密砂力学模型

为了实现对中密砂工程受荷变形的准确预测,基于岩土材料宏观弹塑性理论框架和三轴试验结果,分析中密砂变形、强度的影响因素和特征,建立适应的屈服准则、硬化法则和流动法则。研究结果表明:(1)中密砂的三轴力学特征对围压较为敏感,随围压增大,应力–应变曲线形态逐渐变化,线性段斜率和峰值强度增大,软化段减弱并消失,体积应变–轴向应变曲线线性段斜率基本无变化,体积剪胀程度减小,高围压试验结束时体积应变相对初始加载时仍处于剪缩状态;(2)考虑中密砂的围压效应和剪切破坏,采用第三主应力和等效塑性剪应变增量表达塑性内变量,峰值点处塑性内变量大于0.5,相对岩石更为滞后;(3)弹性模量随围压呈指数型函数规律增大,泊松比近似为常数;(4)塑性变形过程中最大主应力和最小主应力近似符合线性规律,内摩擦角近似线性增大,黏聚力先增大后减小并符合指数类函数特征;(5)剪胀角在低围压下随塑性变形逐渐减小,高围压下先增大后减小,高围压下剪胀角低于低围压;(6)数值曲线与试验数据吻合度高,可表达中密砂围压效应和塑性演化机制,适用于对应力状态敏感的中密砂的精确计算。     

非饱和重塑粘土的加冰增湿试验研究

通过在干土中加冰增湿的试验方法,进行了侧限压缩及三轴试验条件下的非饱和土增湿试验,得到重塑白河堡粉质粘土的干土-增湿-湿后全过程的应力应变曲线。研究结果表明:重塑击实粘土在同一围压下强度随含水量的增加而降低,应力应变关系也有明显不同,其强度和变形参数由应力水平和含水量决定。这一试验方法可望在不涉及非饱和土基质吸力的情况下,确定由任意应力增量及含水量增量而引起的应变增量,为非饱和土的本构模型提供了新的可能途径。     

混凝土强度与变形特性的围压效应试验研究

运用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统对C30和C50混凝土圆柱体试件进行单轴、三轴压缩试验,得到了混凝土的应力-应变全过程曲线,研究了不同围压下混凝土的强度和变形特性。结果表明:Newman非线性方程较Richart线性方程更为准确地表达了强度与围压的变化规律,随着围压的增加,两种强度等级混凝土对应围压的强度差别逐渐减小;混凝土的抗压强度和破坏形态存在一临界围压σ3c,高于此临界围压时破坏阶段为应变软化,且抗压强度受混凝土强度等级影响较小,反之为应变硬化;随围压的增大,混凝土材料由脆性逐渐过渡为延性,变形能力增大,弹性模量、割线模量减小,泊松比增大,峰值轴向应变增大,其变化关系可用Ansari线性方程表示。     

原状Q2黄土CT-三轴浸水试验研究

利用后勤工程学院研制的CT-多功能土工三轴仪,研究非饱和原状Q2黄土三轴浸水变形特性,并在浸水过程中利用CT技术对内部结构的变化进行无损的量测,得到内部结构演化的CT图像和相应的CT数据,从细观上解释了三轴浸水过程。基于CT数据定义结构性参数和结构演化变量;分析浸水过程中结构演化变量与净围压、偏应力和吸力的关系,浸水前的固结净围压、偏应力和吸力越大,浸水过程中结构演化越快。建立非饱和原状Q2黄土三轴浸水过程的结构演化方程,该方程为结构演化变量与偏应变、体应变和饱和度增量的关系,能同时反映净围压、偏应力和吸力等对结构演化的影响。利用提出的结构演化方程对试验数据进行拟合,拟合结果较理想。CT技术使土的细观结构研究达到定量阶段,为建立土的结构演化方程和结构性本构模型提供了试验基础。     

粘性土剪切带破坏研究

压实粘性土是静水压力和应变率相关性材料,在低围压下表现出软化现象,在高围压下表现出硬化现象.在同一含水率,不同围压下粘性土随周围压力的增大,同一轴向应变所对应的偏应力也越大;压实度一定时,含水率越高,粘聚力越大,而摩擦角越小,粘性土的抗剪强度越弱;含水率一定时,压实度越高,粘聚力越大,而摩擦角越小,抗剪强度也越大.利用TSZ10-1.0型应变控制式三轴仪,对四川绵阳地区粘性土进行了常规三轴压缩试验,研究了不同围压和含水率下粘性土的应力-应变关系、抗剪强度指标,并对粘性土的剪切带破坏进行了拟合分析.     

粘性土剪切带破坏研究

压实粘性土是静水压力和应变率相关性材料,在低围压下表现出软化现象,在高围压下表现出硬化现象。在同一含水率,不同围压下粘性土随周围压力的增大,同一轴向应变所对应的偏应力也越大;压实度一定时,含水率越高,粘聚力越大,而摩擦角越小,粘性土的抗剪强度越弱;含水率一定时,压实度越高,粘聚力越大,而摩擦角越小,抗剪强度也越大。利用TSZ10-1.0型应变控制式三轴仪,对四川绵阳地区粘性土进行了常规三轴压缩试验,研究了不同围压和含水率下粘性土的应力-应变关系、抗剪强度指标,并对粘性土的剪切带破坏进行了拟合分析。     

考虑围压效应的大理岩弹塑性耦合力学模型研究

以锦屏T2b和 深埋大理岩循环加卸载试验结果为基础,进行如下研究：(1) 分析不同围压下锦屏大理岩的弹性参数随内变量的演化规律,得到弹性模量与围压和内变量的定量关系;(2) 基于Mohr-Coulomb 屈服准则,得到其强度参数随内变量的演化规律;(3) 考虑非关联流动法则,分析剪胀角随围压和内变量的演化规律,得到锦屏大理岩的剪胀角与围压和内变量的定量关系;(4) 最终建立考虑围压效应的大理岩弹塑性耦合力学模型,并在有限差分软件FLAC3D中进行数值实现,用于模拟分析T2b大理岩的室内常规三轴压缩试验,结果表明,数值模拟与试验结果吻合很好,该模型可以很好地反映大理岩的主要力学特性。所提研究方法和研究结果对于提高深部工程围岩(特别是具有小变形破坏特性的硬脆性围岩)变形计算和稳定性分析的准确性具有重要的参考价值和借鉴意义。     

松散砂土不稳定性试验研究

 对松散丰浦砂进行三轴不排水和常偏应力排水剪切(constant shear drained,简写为CSD)试验。试验采用高精度变围压三轴仪可实现CSD试验全过程偏应力不变,得到比以往研究更为可靠的试验结果。试验发现,在不排水试验中,同一孔隙比的试样在不同围压下具有相同的不稳定线,但同一围压下不稳定线的斜率随孔隙比的增大逐渐减小并趋于稳定。试样在完全排水条件下会发生不稳定,即试样产生明显塑性变形,轴向应变和体积应变迅速增大。以往的研究中CSD应力路径的施加采用轴向力不变,试验过程中偏应力的减小会对不稳定性的判断造成影响,这可能是不同研究者得出不一致结论的重要原因。对松散砂土在不排水和排水条件下不稳定性的区别与联系进行分析,得出如下结论：松散砂土无论在不排水条件下还是在完全排水条件下,相同孔隙比的试样均是在同一应力比下达到不稳定状态。试验结果为排水条件下不稳定性机制研究提供更强有力的试验依据,可用于解释某些边坡的破坏机制。     

深埋大理岩强度参数变化规律的综合试验研究

 深部岩体强度参数的研究相当复杂,与研究尺度、应力状态、应力路径都有关系。以锦屏二级水电站深埋引水隧洞T2b大理岩为研究对象,开展室内标准尺寸岩块岩样、中等尺寸岩石岩样和大尺寸岩体岩样在低–中、中–高、高–极高应力水平下的三轴加、卸载试验,探讨深部岩体强度参数的应力水平效应、应力路径效应和尺寸效应。取得以下成果：(1) 获得室内标准尺寸、中等尺寸和大尺寸大理岩岩样在加、卸载应力路径下低–中、中–高、高–极高应力水平下的10组强度参数;(2) 大理岩抗剪强度参数随应力水平的变化规律基本相同：随着应力水平的提高, 值逐渐减小、c值逐渐增大,但是,不同尺寸和不同应力路径下, 值和c值随围压应力水平的变化幅度并不相同;(3) 相对加载条件,卸载路径下岩体强度参数 值增加,c值减小;(4) 在 50 mm×100 mm至500 mm×500 mm×1 000 mm尺度范围内,大理岩强度参数 值的尺寸效应不明显,而c值的尺寸效应显著。     

高围压炭质板岩流变力学试验与硬化损伤模型研究

为了研究炭质板岩在高围压条件下的流变力学特性,进行了不同围压条件下的炭质板岩加卸载流变试验,试验结果表明,炭质板岩存在明显的流变下限,约为抗压强度应力水平的50%~60%,低于流变下限时仅有瞬时弹性应变和不可恢复的压密应变,其中压密应变在应力水平较低时已经趋于稳定值,应力水平为抗压强度的60%~70%时仅出现衰减蠕变或等速蠕变,应力水平超过抗压强度80%时才发生加速蠕变。根据传统强度理论,建立了包含压密应变、硬化塑性应变和损伤塑性应变的蠕变模型,对各阶段模型参数进行辨识,依据稳定蠕变阶段参数辨识结果拟定加速蠕变阶段部分参数的合理初始值,达到了较好的拟合度,表明模型对于反映高围压炭质板岩流变特性具有较好的适用性。     

甲烷水合物三维离散元模拟参数反演初探

含填充型水合物的砂性能源土可视为特殊的散粒体材料（砂粒和水合物颗粒混合物）,具有明显的非连续特征。在离散元中若采用团粒（胶结成团的颗粒组）模拟填充水合物颗粒则需合理确定团粒结构内颗粒间胶结模型参数。为此,基于前人的室内纯水合物三轴试验资料进行离散元建模与参数反演。结果表明,宜采用松散且颗粒间摩擦系数较小的试样模拟水合物块体,当颗粒间摩擦系数小于等于0.0时,可确保无胶结试样的内摩擦角小于室内试验获得的纯水合物内摩擦角。胶结刚度只需在较小范围变化即可反映相同温度不同围压条件下的弹性特性,且微观刚度参数与胶结强度参数的相互作用较小,可以假定二者相互独立。通过选取不同的微观胶结强度值进行不同围压下的三轴压缩试验,建立微观胶结强度参数与宏观参数（内摩擦角和黏聚力）之间的关系,从而确定与室内试验强度特性相符合的微观胶结强度值,实现甲烷水合物三轴试验离散元模拟;由体变规律可知,甲烷水合物在发生剪胀前均存在一个初始的体积收缩阶段,且剪胀特性随着围压的减小而呈现增强趋势。通过微观变量颗粒接触方向组构的分布图可知,随着轴向应变增大,颗粒间接触主方向朝竖直方向偏转,表现出明显的各向异性特性。随着轴向应变的增大,颗粒间胶结残余率变小,表明试样逐步破坏。     

地裂缝带Q3黄土强度与流变长期强度关系研究

西安地区是我国地裂缝最为发育,灾害最为严重的地区,随着城市建设的不断发展,尤其是地铁工程的陆续进行,地裂缝灾害成为工程建设的制约因素。考虑到地裂缝灾害的严重性,通过对西安地区长安地裂缝带Q₃原状黄土进行了不同围压下的固结不排水(CU)常规三轴试验,在试验基础上,分析了地裂缝带Q₃原状黄土的应力-应变关系及试样破坏类型,建立了地裂缝带Q₃原状黄土的应力-应变关系模型,获得了地裂缝带Q₃原状黄土不同应变量所对应的抗剪强度值,并分别用摩尔圆法和σ₁-σ₃应力平面法求得了抗剪强度参数。结合蠕变试验曲线,绘制了长期强度曲线,建立了长期强度方程,获得了长期强度方程参数。分析了流变瞬时强度及长期强度值与不同应变量所对应抗剪强度值的关系。     

非饱和原状黄土增湿条件下力学特性试验研究

利用FSY30型应变控制式非饱和土三轴仪采用常含水率试验,研究陕西泾阳县某边坡原状黄土在不同含水率(无偏应力条件下增湿)、不同固结围压下的强度和变形特性,求得Fredlund双应力状态变量抗剪强度公式中b?值并利用含水率建立了工程中实用的抗剪强度公式;再将天然原状土在不同偏应力水平下增湿饱和后继续剪切,观察其力学特性。两种增湿条件下试验结果表明:该地区黄土应力应变曲线关系呈剪切硬化型;含水率与初始基质吸力呈双曲线关系,剪切过程中基质吸力无明显变化,抗剪强度指标黏聚力随着含水率的增大显著降低而内摩擦角所受影响较小;有偏应力条件下试样浸水饱和后破坏强度显著降低,但对应力应变关系影响较小,增湿时偏应力水平越低,土样饱和后的稳定偏应力值越小。     

Research on unloading nonlinear mechanical characteristics of jointed rock masses

Geological environments of rock mass projects are always very complicated, and further investigations on rock mechanical characteristics are needed. There are considerable distinctions in rock mechanical characteristics under unloading and loading conditions. A series of tests are conducted to study the stress-strain relationship of rock masses under loading and unloading conditions. Also, the anisotropy, the size effect, and the rheological property of unloading rock mass are investigated. The tests presented in the paper include model test and granite rheological test, which are conducted considering geological condition, rock mass structure, in-situ stress field of the permanent shiplock of the Three Gorges Project. The main differences between loading and unloading rock masses are stress paths, yield criteria, deformation and strength parameters, etc.. Different structural plane directions affect unloading rock mass evidently. With increasing size, the tensile strength, the compressive strength, the deformation modulus, the Poisson’s ratio and the anisotropy of rock mass all decrease. For sandstone samples with parallel bedding planes, the cohesion c increases but the internal friction angle ? decreases under unloading condition when compared with the values under loading condition. While for samples with vertical bedding planes, the trend is adverse. The rheological property of rocks has close relationship with the tensile stresses of rock masses. When the sandstone samples are tested under high stress condition, their rheological properties are very obvious with the unloading of confining pressure, and three typical rheological stages are shown. Rheological rate changes with the variations in axial stress and confining pressure.     

土工织物散体桩桩体大三轴试验研究

对密实状态的土工织物散体桩桩体进行大三轴试验,研究其在不同围压和不同聚丙烯土工编织布筋材强度下的应力–应变特性,并据此提出桩体强度及模量理论计算公式。研究结果表明:土工织物散体桩桩体在三轴压缩下呈剪胀破坏,其剪切带上主要是筋材的横向筋丝产生断裂,且桩体剪切角与碎石的莫尔–库仑理论破裂角比较接近;在加载初期,土工织物散体桩应力–应变曲线下凹,而后近似线性增长至峰值应力,随后应力随应变减小并趋于稳定,表现为应变软化特性;同一筋材强度、不同围压的土工织物散体桩桩体强度所对应的轴向应变值比较接近;土工织物散体桩桩体的似黏聚力随筋材强度呈较好的线性增长关系,其较碎石的似黏聚力大很多,而筋材对桩体碎石的内摩擦角影响不大;建立了土工织物散体桩桩体强度及模量的理论计算公式,并采用试验值对理论公式进行修正,经修正后的结果与试验值吻合很好。     

北山花岗岩在三轴压缩条件下的强度参数演化

 采用MTS815岩石力学试验机对北山新场深部花岗岩进行三轴循环加、卸载试验,研究岩石强度参数的演化特征。基于Mohr-Coulomb相关理论推导与分析,探讨岩石发生屈服后的强度变化规律。在分析不同围压条件下岩石全应力–应变曲线的基础上,以塑性剪切应变为塑性参数,建立北山花岗岩黏聚力、内摩擦角和剪胀角随塑性参数变化的数学模型。研究结果表明：(1) 在损伤应力点,岩石塑性剪切应变接近于0,损伤应力可作为北山花岗岩塑性参数的零点,其亦可作为岩石强度参数演化的起点。(2) 在损伤应力点后,岩石黏聚力随塑性参数的增加呈指数函数形式衰减并最终趋近于0;内摩擦角随塑性参数的增加以对数正态函数的形式表现出先增加后减小的趋势,且岩石残余内摩擦角值与起始内摩擦角值接近。(3) 损伤应力后的岩石剪胀行为与峰后剪胀行为相似,剪胀角随着塑性参数和围压的增加而不断减小,且对低围压条件更为敏感。(4) 将建立的模型嵌入到数值模拟工具中,通过模拟岩石三轴压缩试验,可证实模型的准确合理性。