不同初始状态下黄土的平面应变卸载力学特性

针对于黄土工程中的平面应变卸载问题,利用平面应变改造后的真三轴仪,开展了不同初始状态（原状、重塑和饱和）黄土在不同固结围压和含水率条件下的平面应变卸载试验,揭示了不同初始状态黄土的应力-应变演化关系、中主应力特性和强度特性。研究结果表明,不同初始状态黄土的应力-应变曲线在低含水率和低围压条件下呈现理想塑性,随着固结围压和含水率增大,从弱硬化型向强硬化型转变;黄土的不同初始状态对应力-应变关系演化特性影响较大,原状黄土曲线最高,重塑黄土次之,饱和黄土最低;固结围压越大、含水率越低,初始切线斜率越大,应力应变曲线越高,土的强度发挥越快。原状和饱和黄土的中主应力和中主应力参数均先减小后增大,衰减幅度大,增长幅度小,中主应力参数的增长幅度要大于中主应力;重塑黄土的中主应力和中主应力参数则先减小后基本保持稳定。平面应变卸载条件下不同初始状态黄土的黏聚力和内摩擦角均随含水率增大近似呈现线性减小;不同初始状态对土黏聚力的影响要明显大于内摩擦角。原状黄土在低围压和低含水率条件下沿着剪切带形成明显的侧向滑移破坏,其余条件下均发生测胀破坏。     

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。     

常压至高压下中砂剪切特性及应力–剪胀关系

为研究高围压范围内砂土相对密实度和围压对土体强度和变形特性的影响,对3种不同相对密实度砂土试样在常至高围压下进行常规三轴固结排水剪切试验,获得偏应力–轴向应变–体应变关系曲线,同时进行颗粒破碎分析。结果表明:在常至中压范围(0.8 MPa≤σ_3≤2 MPa),应力–应变曲线均表现出不同程度的应变软化,其剪胀性随相对密实度增加和围压的降低而增强;当进入高围压范围时(σ_32 MPa),应力–应变曲线逐渐向应变硬化型转变,试样体积逐渐趋于剪缩。颗粒破碎程度随着围压和密实度的增大而增大,在高围压时由于中密和密砂剪切后期出现了明显的颗粒破碎,导致剪切过程中出现了二次相变。不同密实度土体的破坏内摩擦角和对数围压表现良好的线性关系,拟合确定了破坏内摩擦角随对数围压增加的衰减率,同时基于Bolton应力–剪胀关系拟合确定了试验砂土的临界状态内摩擦角,建立了剪胀指标与初始相对密实度及平均有效应力的关系式,为高压情况下砂土地基稳定性分析等提供强度参数。     

钙质砂剪切特性试验研究

 对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行了不同围压下的三轴排水剪切试验,试验结果表明,钙质砂在三轴剪切试验中的应力–应变关系随围压而发生变化,在低压时与普通陆源砂相近,而在中、高围压时表现出陆源砂高围压时的力学性质。在剪切过程中由于颗粒破碎导致封闭的内孔隙释放,体积应变要比石英砂大得多,剪切过程中发生的变形几乎全为不可恢复的塑性变形,其剪胀性与峰值应力比与围压密切相关,峰值应力比与剪胀性随着围压的升高而下降。     

圆砾土大型三轴试验力学特性研究

采用大型三轴压缩试验对各级围压下南宁地区两种常见的不同密实度圆砾土的抗剪强度、变形特性、内摩擦角等进行了分析比较,试验结果表明在中密状态下圆砾土表现出明显的应变硬化和剪缩特性,而在密实状态下圆砾土则表现出应变软化及剪胀特性,抗剪强度包络线由于圆砾土本身的颗粒形状特性以及围压的增大导致剪胀作用减弱呈近似的线性,随着密实度的增大,圆砾土的抗剪强度增大,内摩擦角增大,试验值相较南宁地区以往所取的经验值而言有较为明显的提高,有效地减小了实际工程中围护结构的受力及变形,为南宁地区工程设计的参数优化起到了一定的指导作用。     

平面应变条件下黄土的竖向加载变形与强度特性分析

针对黄土地区工程建设中的平面应变问题,该文利用西安理工大学真三轴仪,在不同围压条件下进行了不同含水率黄土竖向裂隙向大主应力加载的平面应变试验,研究了原状黄土的平面应变强度、变形特性,以及中主应力变化规律。表明低固结围压条件下,低含水率黄土的平面应力应变曲线呈原生结构损伤软化型;随着固结围压增大,压缩损伤增强,平面应力应变曲线呈次生结构形成硬化型。黄土原生结构损伤软化剪切过程伴随着剪胀变形;压缩损伤次生结构形成剪切过程伴随剪缩变形。平面应变固结竖向加载剪切过程中平面应变方向上的主应力由小主应力逐步转换为中主应力,中主应力系数由单调减小转变为单调增大,破坏时的中主应力系数介于0.15～0.35之间。不同含水率黄土平面应变剪切强度破坏线近似为线性关系;随着含水率的增大,粘聚力明显增大,内摩擦角基本不变。     

循环加、卸载条件下北山深部花岗岩损伤与扩容特性

采用MTS815岩石力学试验机和声发射监测系统,研究我国高放废物地质处置库北山预选区深部花岗岩在三轴循环加、卸载条件下的损伤和扩容特性。基于试验结果,分析岩石全应力–应变曲线与累计声发射撞击数和事件数的时空分布关系,进而揭示其破裂演化机制。通过构建岩石在循环加、卸载过程中的塑性应变轨迹,获得峰后剪胀角随塑性剪切应变的变化规律,探讨岩石扩容对塑性剪切应变和围压的依赖性。研究结果表明:(1)声发射事件增量最大值出现在应变软化阶段,在该阶段的反复加载是加剧其内部损伤和裂隙宏观贯通的主导因素,残余变形阶段的裂隙行为主要表现为宏观断裂面间的摩擦、滑移,岩石扩容率趋于恒定;(2)卸载过程对于裂隙发展的影响远小于加载过程,由于裂隙的发展状态不同,在裂隙损伤应力(σcd)之前和之后卸载导致的声发射特征具有显著的差异性;(3)峰后剪胀角随塑性剪切应变的增加而减小,并随围压增加其衰减梯度不断减小,采用指数函数建立围压和塑性剪切应变为影响因素的剪胀角模型,可合理描述北山花岗岩的扩容特性。     

基于能量耗散机制的片麻状花岗岩损伤与剪胀演化规律

为探讨岩石损伤破坏过程中能量耗散过程与剪胀变形间的关系,以南疆某水电站引水隧洞片麻状花岗岩为研究对象,设计并开展岩石不同围压下(0~50 MPa)遍布全过程应力–应变曲线的递增循环加卸载三轴试验。取得的主要研究成果有:(1)从能量耗散观点定义损伤变量,对循环载荷施加过程中的能量耗散参数、主应变与损伤变量之间的关系进行深入地分析,探讨围压对各个参数和变量的影响规律;(2)基于试验曲线获取不同围压下每级载荷下残余体应变(塑性体应变)与轴向残余应变之间曲线关系,为研究其剪胀特性提供了数据基础;(3)根据岩石损伤演化与残余剪应变(塑性剪应变)之间的函数关系,从而得到能量耗散率与剪胀角间的变化规律。研究表明,开展基于能量耗散机制的岩石损伤与剪胀演化规律研究为岩体破坏过程中的能量机制与膨胀扩容特性研究之间架起了桥梁。     

岩石剪胀角模型与验证

Mohr-Coulomb模型和基于Mohr-Coulomb的应变软化模型均通常假设剪胀角为恒定值,然而这种假设不能正确表达岩石在破坏变形过程中的非线性体积变化行为。根据7种岩石类型在不同围压条件下的体积应变测量数据,结合塑性力学理论,采用非线性拟合方法建立能同时考虑围压和塑性剪切应变影响的剪胀角模型。分析模型的响应并结合岩石内部颗粒尺寸以及单轴抗压强度,将该模型划分为4种岩石类型:粗粒径硬岩、中粒径硬岩、中–细粒径软岩和细粒径软岩。根据FLAC应变软化模型中非关联塑性流动法则的计算原理,推导剪胀角模型中的塑性剪切应变与应变软化模型中塑性参数的关系,将剪胀角模型嵌入应变软化模型中,构建剪胀角模型模块。最后,采用建立的剪胀角模型预测Moura煤岩在三轴压缩条件下的体积应变–轴向应变关系曲线。研究结果表明,数值模拟与试验结果具有很好的一致性。     

砂卵石土动力特性的动三轴试验研究

砂卵石土在自然界分布广泛,并具有抗剪强度高、地震荷载作用下不易液化等优良工程特性,因此在工程建设中得到广泛应用。为反映其在复杂应力状态下的动力变形强度特性,通过砂卵石土室内动三轴试验,对不同饱和度的砂卵石土的动力特性进行研究。主要分析围压、固结比和振动频率对砂卵石土动强度的影响。试验结果表明:(1)砂卵石土的动应力随固结比的增大而略有增加,随振动频率的增大而有较大增幅,而且其动强度随着围压的增大而显著增大;(2)在相同围压下,随动应力增加,破坏振次减小;(3)砂卵石土的动弹性模量随动应变的增大而减小,随围压增大而增大;(4)其阻尼比随动应变的增大而增大,明显表现在微小动应变中。     

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。     

高温后围压对花岗岩变形和强度特性的影响

利用MTS815.02电液伺服材料试验系统完成了不同温度作用后（25℃~1000℃）,不同围压下的30块花岗岩岩样的三轴压缩试验,分析了温度、围压对岩样的变形以及强度特性的影响。试验结果表明：①岩样质量随着温度的升高小幅下降,1000℃时仅比25℃时下降了0.364%;温度低于600℃时,岩样体积、密度变化不明显,温度高于600℃时,体积加速膨胀,密度减小幅度增大,1000℃时体积比25℃时膨胀了5.027%,密度降低了5.132%。②高温作用后,岩样三轴压缩应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏、软化、残余等几个阶段,岩样的刚度、峰值强度、抗剪强度、残余强度、塑性变形均随着围压的增大而增大。③岩样黏聚力随着温度的升高呈线性下降,内摩擦角随着温度的升高先增大后减小,抗剪强度随着温度的升高呈二次多项式减小关系,围压的增大削弱了温度对抗剪强度的影响。     

多形态贯通型岩体结构面宏细观剪切力学行为研究

采用室内直剪试验和PFC^2D离散元程序,系统地研究了考虑一阶(二阶)起伏体影响的贯通型锯齿状(波浪状)岩体结构面宏细观剪切力学行为。研究表明:(1)相同法向压力下,结构面宏观损伤质量、峰值剪应力(位移)及应力降随一阶起伏角变大而分别增大、近似线性增大(减小)及先增大后减小;相同一阶起伏角下,其则随法向压力变大而分别增大、均近似线性增大及增大(锯齿状)或先增大后减小(波浪状)。(2)结构面宏细观损伤演化过程经历初始压密非线性变形(压密效应)、近似线弹性压剪变形(爬坡效应)、缓慢压剪断裂非线性变形(爬坡-啃断效应)、应力脆性跌落塑性变形(啃断效应)及理想塑性流动变形(滑移效应)5个发展阶段。(3)结构面宏细观剪切破坏模式可概化为压密-爬坡破坏、爬坡-啃断破坏及啃断-滑移破坏3种基本类型;结构面细观损伤裂纹数量(能量)演化曲线均呈初期微增、中期陡增及后期缓增的阶段性变化特征,且细观损伤颗粒近似呈"梯形面状"分布于结构面附近。(4)根据极限平衡法和强度折减法,通过岩质边坡算例稳定性分析验证了结构面剪切强度估算公式的合理性。     

考虑围压影响的深埋圆隧围岩应变软化与剪胀特性分析

 不同围压下岩石应变软化与剪胀特性不同,若在隧洞开挖中考虑围岩塑性区域内变化围压影响,其应力–应变场求解方式将区别于既有文献中的传统方法。根据围压影响下应变软化围岩的临界塑性剪切应变变化特征,给出改进的判断围岩是否进入塑性残余区域的规则;引入考虑围压与临界塑性剪切应变的非线性剪胀模型。基于Hoek-Brown屈服准则,根据一定径向应力增量将围岩塑性软化与残余区域分层,采用有限差分法对围岩应力–应变场进行求解;为分析围压对围岩稳定性的影响,根据临界塑性剪切应变与剪胀系数变化与否,设定4种非线性力学模型,深入分析并比较4种力学模型下临界塑性剪切应变、剪胀系数与围岩变形等在塑性软化与残余区域的分布规律。研究结果表明：地质强度指标GSI较小时,考虑围压影响下的围岩应力–应变场与未考虑时差异明显;此时临界塑性剪切应变的减小对开挖边界的围岩剪胀性具一定抑制作用。     

基于离散元法的真三轴应力状态下砂土破碎行为研究

基于可破碎三维离散颗粒模型模拟了一系列常规三轴试验与真三轴试验,研究了砂土在真三轴应力状态下的破碎行为。数值调查主要关注试样的应力应变特性、级配及相对破碎率的演化。随着围压增大,颗粒破碎率增大,试样应变软化特性和剪胀性逐渐减弱,而超过临界高围压后,由于固结中颗粒大量破碎,试样剪胀性反而增强。真三轴试验中,试样偏应力比峰值均随中主应力参数b值增大而减小。由于破碎随b值增加而明显增大,试样剪胀性随b值增大而逐渐减弱。试样内摩擦角φ随围压增大而减小,其演化关系基本满足对数关系;内摩擦角随b值增大先增大后减小,Lade-Duncan准则较为适合描述其变化规律。此外,试样相对破碎率增大的速率随围压和轴向应变增大而逐渐降低,暗示试样最优终极级配的存在,且相对破碎率与试验输入能量之间存在唯一的双曲线关系。     

考虑应力路径和颗粒破碎影响的钙质砂剪胀特性及剪胀方程研究

钙质砂的剪胀特性受应力路径和颗粒破碎的共同影响。为了探讨钙质砂在不同应力路径下的剪胀特性,进行了一系列不同固结压力和应力路径组合的排水三轴压缩试验。结果表明:应力路径和颗粒破碎对钙质砂的剪胀特性有重要影响。不同应力路径下钙质砂的剪胀比与应力比的关系存在显著差异。相同应力比下的剪胀比,等围压试验的最大,等轴向应力试验的最小,等平均主应力试验的居中。峰值应力比对应的剪胀比随峰值应力比的增大而减小且为线性关系,随颗粒相对破碎率的增大而增大并近似呈幂函数关系,应力路径对这些关系的影响不大。忽略应变软化阶段的剪胀比与应力比相关的参数大致呈线性关系,其直线斜率与应力路径和固结压力相关。基于试验结果,提出了一种与应力路径和颗粒破碎相关的剪胀方程并进行了试验验证,显示出剪胀方程对不同类型的粒状土均具有较好的适应性。     

剪胀对地下工程岩体位移的影响——以加拿大Donkin-Morien隧道为例

根据建立的岩石剪胀角模型,分析岩石峰值内摩擦角和剪胀角的关系,得出岩石在零围压时的峰值剪胀角小于并近似等于峰值内摩擦角,并假设岩石和岩体的剪胀角遵循相似的变化趋势,结合Hoek-Brown强度准则和GSI岩体分级系统,实现剪胀角模型从完整岩石到岩体的转化。采用程序语言在FLAC3D中编写岩体剪胀角模型程序模块。以加拿大Donkin-Morien隧道为工程实例,研究围压和塑性剪切应变依赖的岩体剪胀对隧道渐进开挖过程中围岩位移的影响,论证恒定的剪胀角值不能准确表达隧道开挖边界附近的岩体位移,而考虑围压和塑性剪切应变为影响因素的岩体剪胀角模型能够合理描述围岩的位移分布,模拟结果与实际测量值具有很好的一致性。研究成果可为岩体非线性力学行为的研究和地下工程岩体的稳定性控制提供理论和实践基础。     

海砂力学特性的黏粒效应和围压效应试验分析

利用GDS标准应力路径三轴试验系统,对钦州港海砂开展不同有效围压、黏粒含量下固结排水三轴剪切试验,分析有效围压、黏粒含量对钦州港海砂强度、变形特性的影响。结果表明：同一有效围压下,随着黏粒含量的增加,含黏粒海砂应力-应变曲线由应变软化型曲线向应变硬化型曲线过渡,峰值强度、应力相对软化系数及体积应变不断减小,而峰值应变增加。同一黏粒含量下,试样峰值强度随有效围压的增加逐渐增大,纯砂试样有效围压为300 kPa时的峰值强度相比于有效围压为100 kPa时提高了1.517倍,峰值强度与有效围压之间呈现良好的线性关系;而应力相对软化系数、体积应变则随有效围压的增大而减小。最后,建立了黏粒含量在0%～20%的应力相对软化系数与有效围压、黏粒含量之间的联系。     

基于修正Mohr-Coulomb屈服准则的冻结砂土损伤本构模型

为了探讨冻土的强度和变形特性以及反映低围压下的应变软化和高围压下的应变硬化现象,建立不同围压影响下的冻结砂土损伤本构模型,其能合理解释冻土内部微裂隙向宏观破碎带转化过程。通过引入修正Mohr-Coulomb屈服准则来描述冻土微元强度破坏准则,利用冻土内部微缺陷分布的离散性和随机性特点,假设微元强度服从Weibull随机分布,并根据统计学和连续损伤力学理论建立能反映冻土破损全过程的损伤本构模型。通过低温三轴试验数据确定模型参数值,讨论Weibull分布参数n和F_0的物理意义,并修正分布参数随围压的变化规律;讨论并分析冻结砂土的黏聚力c、内摩擦角φ和损伤变量D随围压变化的演化规律。最后将模型预测结果与试验值进行对比,表明该模型能够较好地模拟冻结砂土应力–应变全过程曲线,并能反映随围压的增大曲线由应变软化逐渐向应变硬化过渡的现象;同时模拟了体积变形曲线,并能反映随围压的增大体变曲线由剪胀向剪缩转变特性。     

砂岩高应力峰前卸围压试验研究

 对采自重庆鱼嘴的砂岩开展若干围压(最小10 MPa、最大130 MPa)的保持轴压不变峰前卸围压试验,并与同围压下的常规三轴压缩试验结果进行对比分析,研究砂岩卸荷过程中的变形特征、破坏形态、峰值强度与残余强度特性及其扩容参数演化特征。主要研究成果为：(1) 加载路径下,围压增至130 MPa时,应力–应变曲线不出现应力降,可以认为围压130 MPa为砂岩脆–延转化压力。(2) 加载破坏时,偏应力峰值前扩容量相对于峰后较小,但卸荷破坏偏应力峰值前则表现出较大的扩容量。(3) 相同初始应力条件下,卸荷破坏时偏应力变化量比加载破坏时大,证明卸荷应力路径更容易引起砂岩试样的破坏。(4) 相同围压下,卸荷破坏的破裂角大于加载破坏。(5) 卸荷条件下得出的抗剪强度参数c比加载条件下低1.2%,?值则高4.8%;不论卸荷还是加载,残余变形阶段c值都大大减小,?值则变化不大。(6) 围压对扩容的约束作用较显著,围压越大,剪胀角极值越小;卸荷开始后,剪胀角呈剧烈增加态势,迅速达到极值;剪胀角峰值与偏应力峰值不同步,前者滞后于后者;卸荷破坏剪胀角峰值比加载破坏剪胀角峰值大,且达到峰值经历的塑性剪切应变量相对较小,证明卸荷破坏的剪胀性更加显著。这些结论可揭示高应力条件下砂岩的卸荷力学特性,为西部深埋引水隧洞的开挖、支护设计及其稳定性分析提供理论参考。