空心圆柱扭剪试验中广义应力路径的控制与实现

针对国内外动态空心圆柱扭剪仪(HCA)在设置广义应力路径时大都需要人为假设外荷载加载形式的现状,指出了这种假定对HCA仪模拟广义应力路径能力的局限。考虑到GCTS公司HCA-100能够独立地控制轴力、扭矩及内外围压独立地加载,通过缜密的数学推导,提出了由目标广义应力路径直接确定外荷载加载方式的计算公式,据此可以实现对任意形式的广义应力路径的模拟并通过试验验证了其可行性。在三维应力坐标系b-?-?中,探讨了典型广义应力路径的表示方法,以q恒定的主应力轴连续旋转的应力路径为例,讨论了内、外围压与广义应力路径之间的关系。简化并完善了HCA仪的控制过程,为后续试验研究提供了理论依据。     

三维空心扭剪试验的颗粒流模拟关键技术研究

空心圆柱扭剪仪是一种研究土在复杂条件下应力–应变关系的十分有力的工具。基于三维离散单元颗粒流理论,引入叠式刚性墙体模拟技术,模拟空心圆柱砂土试样在定向剪切条件下的三维应力–应变关系及微观参数的变化;并且对叠式刚性墙的优势进行探讨,表明叠式刚性墙能较好的捕捉到砂土试样的局部化效应。结合室内空心圆柱扭剪试验,对比三维颗粒体试样与室内试验的应力–应变关系曲线,再现试样的加载曲线,对剪切带的宏观和微观特性进行探讨。通过不同测试圆的参数变化,再现空心圆柱加载过程中局部效应,包括不同部位的应力、应变、孔隙率和接触数的变化,并对室内空心圆柱仪的适用性进行评价。最后给出由孔隙比和剪应变速率表征的剪切带在不同应变条件下的形成和发展的过程。通过三维颗粒流数值模拟空心圆柱扭剪试验,突破室内试验测试技术的局限性,使对砂土在复杂应力状态下宏细观参数的研究成为可能,为今后岩土工程的颗粒流模拟提供参考。     

空心圆柱扭剪仪试样的制备和饱和

介绍了空心圆柱扭剪仪试样的制备方法,从抽真空饱和、二氧化碳饱和、水头饱和、反压饱和等方面,阐述了空心圆柱试样常用饱和方式的特点,为实际工程选择合适的饱和方法提供了依据。     

饱和重塑黏土空心圆柱试样的压制技术及应用

由于黏土黏性大、受扰动易产生裂隙,采用常规的击实法和固结法所制备的空心圆柱试样存在整体不均匀、饱和度较低、切削面裂隙丰富等问题。在重塑试样击实器的基础上,研制了一种能制备实心与空心圆柱重塑试样的压样装置,可以很好地模拟天然状态下土体形成过程。依据改进的分层欠压法,试验选取最优初始欠压系数,在每层试样高度相同的条件下,严格控制每层试样的质量,而后采用抽气饱和法将所压制的试样进行饱和。通过应力路径三轴试验和纯主应力轴旋转试验,从可重复性和力学特性两个方面验证了所制备的饱和重塑黏土试样用于研究复杂应力路径下土体变形特性与本构关系的可靠性,为后续重塑土的理论与试验研究提供了重要的保证。     

纯主应力轴旋转条件下粉细砂的变形特性研究

采用空心圆柱扭剪仪对汶河粉细砂进行了一系列不同中主应力系数和初始剪应力的纯主应力轴旋转试验,研究了主应力轴沿同一方向纯旋转条件下粉细砂的变形特性。研究表明,主应力轴的旋转会使粉细砂产生一定的塑性变形,且变形的发展受中主应力系数和初始剪应力的影响;纯主应力轴旋转条件下砂土的非共轴变形特性较为明显,且非共轴角的峰值点出现在大主应力方向角为0°和90°的两个位置处;同时,中主应力系数对非共轴角的变化有着较为明显的影响,非共轴角会随中主应力系数的增大而减小。     

双剪统一强度研究的扭剪试验应力路径与控制

双剪统一强度理论在π平面上的极限线为多条直线构成的折线,形式简单,应用方便。为了证实材料强度极限线的形状,需要采用复杂应力的试验设备,试验揭示材料在复杂应力条件下的强度特性。在双剪统一强度理论的指导下,结合空心扭剪试验的应力控制条件,推导了采用扭剪试验设备来进行双剪强度试验研究的应力计算公式,提出了相应的应力路径设计与控制方程。     

测定粮食内摩擦角的直剪仪研制

分析了直剪试验原理和部分大型直剪仪的研究现状,详细介绍了用于测定粮食内摩擦角直剪仪的设计原理和结构组成,以全面比较分析剪切速率对粮食物料内摩擦角的影响。     

空心圆柱仪(HCA)模拟恒定围压下主应力轴循环旋转应力路径能力分析

针对国际上大多数HCA仪在主应力轴循环旋转试验中只能提供轴力和扭矩两个加载变量的现状,指出了这种变载方式在模拟主应力轴循环旋转应力路径方面存在的局限性。通过详细的数学推导提出了三种切实可行,且能模拟实际工程中土体经历主应力轴循环旋转的应力加载方式:①在满足轴力W等于3πrori(pi-po)的前提下,仅变化扭矩MT可实现围压p不变,中主应力参数b恒定(0.5),而剪应力q随大主应力轴转角α有规律循环变化的应力路径;②在保持b不变的前提下(此时b可以设定为不等于0.5的任意合理值),只要W和MT能满足一定的三角函数关系式,同时以p-q形式的临界状态线为准绳,通过控制轴力的加载范围限制试验中允许出现的q的峰值,就可以实现p、q之间保持恒定线性关系而α有规律循环变化的应力路径;③若不考虑中主应力对于土体性状影响,则可通过对W和MT采用较为简单的三角函数关系来实现保持q不变,而(σ1+σ3)/2随α单调递减的应力变化方式。研究成果不仅给后继的试验方案提供了理论基础,也为HCA仪器功能的完善提供了很好的依据。     

交通动载下饱和软黏土累计变形的不排水循环扭剪试验

饱和软土地基上长期往复交通动载将诱发显著的路基运营沉降。交通移动荷载下场地应力路径下呈现心形旋转路径,然而现有路基长期运营沉降分析是建立在循环三轴试验基础上,忽略交通移动荷载下地基土单元主应力轴的旋转效应。利用动态空心圆柱扭剪仪模拟心形循环加载路径,并在动态空心圆柱仪上模拟了传统的循环三轴加载路径。对饱和软黏土开展试验研究,对比观察一系列心形循环加载和三轴循环的不排水累计变形行为。试验研究发现,心形循环加载将诱发更大的累计轴向应变和累计孔压,伴随着初始动应力比的增加,二者差异性更为明显。循环加载过程有效动应力比随着循环次数而增大,循环增量破坏时对应的有效动应力比近似为常数。大数目循环加载下,传统塑性安定行为可渐变为循环塑性蠕变状态。     

复杂应力路径下影响粘土孔压开展的因素研究

采用空心圆柱扭剪仪,针对杭州原状软黏土,设计轴对称和三维应力状态下的复杂应力路径,进行固结不排水条件下的主应力轴旋转试验,以此从试验上验证主应力轴转幅、中主应力系数、初始剪应力对剪切过程中孔压开展特征影响的理论分析结论。理论分析和试验结果均表明：在主应力轴旋转过程中,主应力轴转幅分别为0°～45°和45°～90°间的值时,试样的变形不同,产生的孔压增量不同,以主应力轴转幅等于45°为界;当中主应力系数在0～1间变化时,随着中主应力系数的增大,产生的孔压增量先减小后增大,以中主应力系数等于0.5为界,并且,中主应力系数对剪切过程中孔压开展的影响受剪应力水平的控制;初始剪应力水平越高,上升初始剪应力阶段产生的孔压增量越大,剪切过程中总的孔压水平越高。在包含主应力轴旋转和剪应力增大的剪切应力路径初始阶段,以大主应力方向角作为控制条件比以初始剪应力作为控制条件产生的孔压增量大,对剪切过程中孔压的开展影响更大。     

主应力偏转角对砂砾料动力特性影响的试验研究

利用空心圆柱动扭剪仪研究初始主应力偏转角α0 对一种砂砾料动强度、残余应变发展的影响。试验结果表明初始主应力偏转角α0 对土的动强度、残余孔隙水压力及残余应变的发展都具有不可忽视的重要影响。随着α0 的增大 ,动强度明显降低 ,残余孔隙水压力减小 ,残余应变发展速率加快     

考虑主应力轴旋转的砂土变形特性试验研究

采用空心圆柱扭剪仪(HCA)进行一系列排水试验,研究主应力轴旋转条件下砂土的变形特性。试验采用2种类型的加载路径,第一种保持偏应力不变旋转主应力轴,第二种在增加偏应力的同时旋转主应力轴。通过改变偏应力的应力水平,研究砂土的变形以及非共轴度的变化规律。同时,对同等试验条件、材料和加载路径下不同密实度试样的试验结果分析,研究密实度对于非共轴度的影响。另外,采用2种材料进行对比试验(Portaway砂与LB砂),研究砂土初始各向异性与非共轴性之间的关系。试验研究结果表明：砂土的变形随着主应力轴的旋转而累加,并体现出显著的非共轴特性。砂土的非共轴度与材料所处的应力水平、密实度及初始各向异性均存在一定相关性。     

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。     

Effects of principal stress rotation on stress–strain behaviors of saturated clay under traffic–load–induced stress path

A series of cyclic torsional shear tests using hollow cylinder apparatus (HCA) were performed to investigate the effect of principal stress rotation (PSR) on the stress–strain behaviors of saturated soft clay. The traffic–load–induced shear stress path was used in the cyclic test and the investigation mainly concerned the influence of PSR on the shear stiffness and non-coaxiality. It indicated that the effects of PSR substantially depends on the magnitude of deviatoric stress (q?=?{[(σ₁???σ₂)²?+?(σ₂???σ₃)²?+?(σ₁???σ₃)²]/2}^1/2) as well as the intermediate principal stress ratio (b?=?(σ₂???σ₃)/(σ₁???σ₃)). At low deviatoric stress, the trajectory envelope of deviatoric strain path translates with a nearly constant size, showing constant shear stiffness and strong non-coaxiality. However, at high deviatoric stress, the trajectory envelope of deviatoric strain rapidly expands towards instability, showing degenerating shear stiffness and weak non-coaxiality. Moreover, the excess pore water pressure increases and the shear stiffness decreases more rapidly as b value increases. The results can provide an experimental basis for constitutive modelling of clays under traffic–induced loadings.     

非饱和土固结仪和直剪仪的研制及应用

研制出国内第一台非饱和土固结仪和第一台非饱和土直剪仪。这两种仪器都采用内置荷载传感器和数据自动采集,既可控制竖向压力,又可控制基质吸力。非饱和土直剪仪备有15档剪切速率。做了三组直剪试验和两组固结试验,对原状黄土的变形、强度和水量变化特性取得了一些初步认识。     

含充填物的厚壁圆筒砂岩的力学性质研究

基于单轴和常规三轴压缩试验,采用完整试样、空心及铝棒充填的厚壁圆筒试样,模拟研究支护对圆形巷道的强度、变形和破坏特征的影响。结果表明:充填试样和完整试样的单轴压缩强度和弹性模量大致相同,而厚壁圆筒试样的强度和弹性模量则偏低31.8%和22.4%;厚壁圆筒试样三轴压缩时出现沿圆周层状破坏,其剪切面积随着围压的增大而减少,围压40 MPa时出现明显塌孔;充填试样进入塑性屈服阶段后,充填物才会对试样的力学性质产生明显影响;充填物改变了孔道内部应力状态,使孔道内壁由原来的二维应力状态恢复到三维应力状态,抑制了孔道内壁的侧向变形,防止自由面岩石的脱落;岩石破坏并不代表承载能力消失,充填试样岩石破坏后失去黏结力,载荷主要通过充填物与岩石、岩石裂隙之间摩擦力共同承载。     

带有裂纹的薄壁圆筒压力容器临界荷载研究

采用断裂力学中的最大周向应力理论，通过分析带有裂纹的薄壁圆筒压力容器在受所储气体或液体的内压力p作用下的应力状态，研究裂纹尖端形成的复合型应力，推导出裂纹开始扩展临界状态时的开裂角θ0，得出裂纹角β与开裂角θ0的关系，并推导出临界荷载pcr。最后将所得结果与现行钢制压力容器规范的结果比较，表明现行钢制压力容器规范的结果实用、安全。