球应力和偏应力对粗粒土变形影响的真三轴试验研究

为了研究p,q,θσ单独变化对粗粒土变形的影响,使用河海大学TSW-40型真三轴仪,对粗粒土进行了等q等b(b=(σ2-σ3)/(σ1-σ3))试验,等p等b试验和等p等q试验,试验结果表明:q,b保持不变,p单独减小时,初期几乎不产生偏应变,但会产生膨胀的体积应变,随着p的减小,体积膨胀增大,偏应变也逐渐增大,但偏应变数值上比体积应变小,到后期体积应变和偏应变都加速发展,直至破坏;p的减小直接引起体积膨胀,体积膨胀后颗粒结构松动,进而导致偏应变的产生;p,b保持不变,q单独增大时,初期几乎不产生体积膨胀,但会产生偏应变,随着q的增大,偏应变增大,体积膨胀也逐渐增大,但体积应变数值上比偏应变小,到后期体积应变和偏应变都加速发展,直至破坏;q的增大直接产生偏应变,偏应变使得颗粒之间产生错动,进而导致体积膨胀的产生;p,q保持不变,应力罗德角θσ单独变化会产生不可恢复的体积应变和偏应变,但数值上很小。引入参数sp(sp=(p/q-p0/q0)/(1/Mf-p0/q0))和sq(sp=(q/p-q0/p0)/(Mf-q0/p0)),p0,q0分别为初始球应力和偏应力,Mf为破坏应力比,发现q,b保持不变,p单独减小时,dεv/dp与1/(1-sp)1/2-1成正比例关系,dεs/dp与-sp[1/(1-sp)1/2-1]成正比例关系,应力–剪胀方程为dεv/dεs=-1/sp;p,b保持不变,q单独增大时,dεs/dq与1/(1-sq)1/2-1成正比例关系,dεv/dq与-sq[1/(1-sq)1/2-1]成正比例关系,应力–剪胀方程为dεv/dεs=-sq。最后根据本文试验结果对粗粒土柔度矩阵元素的特性进行了分析。     

密度对砂土应力应变强度特性影响试验研究

针对某级配砂土,对不同密度试样进行常规三轴固结排水剪切试验,探讨了密度对砂土应力应变特性、强度特性的影响。试验结果表明:密度对砂土应力应变的形态影响不大,对试样破坏时的轴向应变有显著影响;砂土试样发生相变时的体积应变受密度影响显著。通过研究密度和围压对变形的影响,定量分析了相变体积应变随相对密实度和围压的变化关系,同时,发现砂土密度对其变形模量影响较大;密度对试样破坏偏应力比影响较大。试样砂土的强度指标总体上随相对密实度增大而增大,但在试验范围内影响有限。对非线性指标φ_0,Δφ,随试样相对密实度变化均可近似用直线表示;D_r每增大0.1,内摩擦角φ增大0.66°。     

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。     

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。     

M-C与D-P屈服准则计算参数的能量等效方法及误差分析

 基于应变比能的概念,在偏平面内建立了分别进入Mohr-Coulomb(M-C)和Drucker-Prager(D-P)屈服面时所需形状改变比能的差值公式,获得M-C材料参数向D-P计算参数等效的统一性方案。可为各种参数匹配方法提供统一的计算公式、误差估计和能量解释。在此基础上讨论各种参数匹配方法的差异仅在于能量误差控制条件不同,且偏平面内能量误差零点可用Lode角或应力路径表示,此外,还讨论能量误差零点时对应Lode角的多值性及系列D-P准则等价性的条件。     

混凝土双轴受压试验与破坏准则研究

利用岩石真三轴仪液压伺服机,采用定侧向加载方式对普通混凝土进行双轴受压试验研究,得到不同应力比下混凝土的应力-应变曲线和破坏形态,通过提取应力-应变曲线峰值应力和峰值应变(峰值应力对应应变)特征值,研究不同应力比下混凝土破坏机理与主应力方向的强度规律。试验结果表明:当侧向应力较小时,混凝土破坏形态与单轴受压向类似;当侧向应力较大时,试件呈现劈裂状破坏形态。当σ_X/f_c=0～0.2时,峰值应力随着侧向应力比的增大而增大,当σ_X/f_c=0.2～0.5时,σ_Z峰值应力随着侧向应力比的增大而变化较小。应用Kupfer破坏准则对试验数据进行验证,Kupfer破坏准则预测定侧向加载方式下混凝土双轴受压强度结果相对保守。同时基于Kupfer破坏准则方程提出了定侧向加载下混凝土的破坏准则并进行验证。研究结果对混凝土工程应用与计算具有较大的意义。     

循环球应力对饱和软黏土动应变发展规律的影响及其作用机制

 循环球应力在土体动应力场中是普遍存在的,但是在以往的研究中往往被忽视。基于循环围压动三轴试验,通过循环围压和循环偏应力的耦合,初步研究循环球应力对饱和软黏土动应变发展规律的影响,并分析其作用机制。试验结果表明：循环球应力的存在不但改变动应变的发展速度,而且改变最大压应变与最大拉应变的比值,这种影响不但与循环球应力与循环偏应力的相位差有关,而且与循环偏应力的幅值有关。当相位差为180°时,压应变发展速度更快,而当相位差为0°时,拉应变发展速度更快。基于试验结果,分别从总应力和有效应力的角度解释循环球应力影响动应变发展规律的作用机制。     

韧性岩石常规三轴压缩试验及变形与损伤演化规律研究

 利用岩石全自动三轴伺服仪,对向家坝水电站坝基挤压带强风化砂岩进行不同围压下的常规三轴压缩试验,并对岩石变形和破坏机制进行研究。试验结果表明：该强风化砂岩表现出显著的非线性变形和延性破坏特征,属于韧性岩石。在偏压作用下,岩石轴向和侧向应变分别为5%和4%,体积膨胀量为4%以上。岩石变形力学参数随荷载的变化而变化,随偏应力的增大,岩石弹性模量减小,泊松比增大。围压可提高岩石抵抗变形和破坏的能力,围压越大,岩石发生扩容的起始偏应力越大。基于密度方法研究岩石损伤演化规律。加载初期,岩石被压密,处于无损阶段;当偏应力超过一定水平时,岩石出现损伤,且损伤量与等效应变呈线性关系,密度损伤阈值低于0.12。试验结果对向家坝水电站坝基稳定性分析有重要参考价值。     

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。     

多类混凝土和各向同性岩石损伤比强度准则

针对已有损伤比变量下的损伤比强度理论仅适用于混凝土且偏平面略有内凹等不足,基于多轴应力下混凝土损伤比强度理论的一般形式,根据已有试验资料关于普通混凝土、再生骨料混凝土、轻骨料混凝土和各向同性岩石破坏包络面的特征,建议考虑Lode角和静水压力对受压损伤比影响以及考虑材料类型对受拉损伤比影响的六参数损伤比变量表达式,且损伤...     

基于统一强度理论的软岩损伤统计本构模型研究

基于统一强度理论，在考虑洛德参数的基础上，得到随洛德参数和中间主应力系数变化的材料统一强度参数，建立可以考虑中间主应力的统一强度理论平面形式的强度准则。假定软岩微元强度分布统计概率，定义软岩的统计损伤变量，依据统一强度理论建立三轴应力状态下软岩的损伤统计本构模型。通过软岩的常规三轴试验结果对其进行验证，对偏应力-应变的理论结果与试验结果进行比较。研究结果表明，该本构模型能够较好地反映软岩的偏应力-应变关系，尤其是应变软化特性。而且依据统一强度理论和统一强度内摩擦角的发挥，进一步分析表明洛德参数以及中间主应力系数b对偏应力一应变关系有影响，软岩的偏应力-应变曲线先随洛德参数的增大而上升到一定值，而后随洛德参数的增大而降低；随中间主应力系数b的增大而不断增加。     

不同应力路径下砂岩力学特性的试验研究

利用WDT–1500多功能材料试验机对砂岩试样进行定围升轴、卸围升轴及定轴卸围这3种不同应力路径下的三轴试验,并从变形特性、强度特性和破坏特性及其机制分析等方面对砂岩试样的力学特性进行对比分析研究。结果表明：相对于定围升轴,卸围升轴及定轴卸围下砂岩的强度有所降低,而其侧向变形和相同主应力下的扩容量明显增加,尤其在卸围升轴下的扩容量最大;不同应力路径下,砂岩的变形和强度特性主要受初始轴压和初始围压的影响,而围压加载速率对砂岩力学性质的影响不明显。定围升轴下试样呈现剪切破坏,而卸围升轴和定轴卸围时试样常常呈现出张剪破坏特征。     

Mine-by试验洞开挖过程中围岩应力路径与破坏模式分析

 地下洞室开挖过程中,围岩经历了复杂的应力路径,正确刻画围岩的应力路径及其影响是岩石地下工程中亟待解决的关键科学问题。基于起裂判据(CIC)、扰动应力比( )和Lode参数等力学表征指标,采用FLAC3D对Mine-by试验洞掌子面掘进过程中围岩的复杂应力路径和破坏模式进行探讨。研究表明：围岩应力场的扰动主要集中在掌子面前后一倍洞径范围内,围岩损伤受掌子面附近高度集中的偏应力和应力主轴旋转支配;随掌子面掘进,围岩顶部和底部偏应力集中程度加大,应力比n逐渐降低,逐步形成V型剥落,而隧洞边墙部位逐渐卸荷,损伤破裂转变为拉应力控制;原位岩体的应力路径涉及应力主轴旋转效应,远比实验室的单调加载路径复杂,Mine-by试验洞开挖过程中,在掌子面的顶部和底部,围岩大主应力方向几乎没有转动,而中主应力和小主应力旋转一定角度(35.2°)后回到初始方向,由于中主应力超过了岩体起裂强度(CIC＞1),其方向的旋转加剧了围岩的损伤程度。相关认识和结论具有一定的理论和工程意义。     

均质各向同性硬岩统一应变能强度准则的建立及验证

 在大量硬岩多轴加、卸荷强度试验成果分析基础上,研究硬岩强度及强度准则的基本特性,指出硬岩多轴加、卸荷强度均具有中间主应力效应、最小主应力效应、静水压力效应、应力Lode角效应和拉压异性效应。以强度准则的Zienkiewicz一般形式为基础,提出在Rankine型强度曲线和Drucker-Prager型强度曲线过渡的两参数表征的偏平面形函数,与有效应变能理论为基础的Wiebols-Cook强度准则的改进型子午面形函数相结合,建立均质各向同性硬岩统一应变能强度准则。大量硬岩加、卸荷试验数据验证了该强度准则能客观地反映各向同性硬岩强度基本特性和硬岩强度的非线性特征。通过参数调整,提出的统一强度准则将大量现有强度准则统一到同一强度理论框架下,极大地方便了强度理论的数值实现,适用于多种各向同性硬质岩类,进一步丰富了统一强度理论研究成果。     

主应力轴旋转条件下软黏土的非共轴研究

 采用空心圆柱扭剪仪对杭州软黏土进行了一系列不排水试验,首先求得软黏土的弹性参数,在此基础上研究了主应力轴旋转条件下土体的非共轴特性,并探讨了中主应力系数、弹性应变、偏应力水平和次生各向异性对非共轴特性的影响。试验结果表明软黏土的非共轴特性虽与砂土存在相似之处却又不尽相同。主应力轴旋转条件下,无论原状黏土还是重塑黏土,其非共轴角均随主应力方向角增加而循环波动变化,且周期约为90°;非共轴角基本随中主应力系数的增加而减小;弹性应变对加载起始时刻的非共轴角影响较大,如果忽略弹性应变的影响,将高估土体的非共轴特性;偏应力水平对非共轴角的大小和发展趋势均存在一定的影响,且偏应力水平越大,非共轴角越小。对于重塑土的试验表明软黏土的非共轴特性并不完全由土体的初始各向异性所决定,次生各向异性的影响也很大。     

不同波形下饱和黏土耦合循环剪切特性的对比研究

海洋波浪荷载在海床内土体中引起的动应力的特点是动应力幅恒定,动主应力方向连续旋转。利用土工静力–动力液压三轴–扭剪多功能扭剪仪模拟海洋波浪的加载形式,针对饱和黏土进行了竖向和扭转耦合循环剪切试验,着重对比研究了在正弦波和三角波两种不同波形条件下饱和黏土的动强度、变形特性、广义临界循环应力比与应力洛德参数。研究表明:在相同破坏振次条件下,正弦波耦合试验比三角波的动强度小,且动剪应力越小,两者动强度的相对降低也越少;在相同动剪应力幅值下正弦波耦合循环剪切的变形大于三角波的变形;耦合循环剪切试验中的广义临界循环应力比受波形的影响,正弦波的广义临界循环应力比小于三角波的;应力洛德参数的变化曲线在不同波形下也有所不同。     

Comparative analysis of deformation and failure mechanisms of underground powerhouses on the left and right banks of Baihetan hydropower station

The stability of the surrounding rocks of large underground powerhouses is always emphasized during the construction process, especially in large-scale underground projects under construction, such as the Baihetan hydropower station in China. According to field investigations, numerical simulations and monitoring data analysis, we present a comparative analysis of the deformation and failure characteristics of the surrounding rocks of underground powerhouses on the left and right banks of the Baihetan hydropower station. The failure characteristics and deformation magnitude of the underground powerhouses on the left and right banks are quite different. Under the disadvantageous condition where the maximum principal stress intersects the axis of the powerhouse at a large angle, the left bank underground powerhouse shows prominent stress-controlled failure characteristics such as spalling, slack collapse and concrete cracking. Although the maximum principal stress is in the favorable condition which intersects the right bank powerhouse at a small angle, the relatively high intermediate principal stress with an angle subvertical to the right bank powerhouse plays an essential role in its deformation and failure, indicating that the influence of high intermediate principal stress cannot be ignored. In addition, structural plane-controlled failure and large deformation are also more evident on the right bank due to the extensive distribution of weak structural planes and complex surrounding rock properties.