循环荷载作用下流变性软黏土的边界面模型

为了预测交通荷载作用下流变性软黏土的长期运行沉降,提出了一个能够描述循环加载条件下饱和软黏土流变特性的弹黏塑性本构模型。本模型以边界面弹塑性理论为基础,采用滞后变形理论。模型不仅能单独考虑土体的流变效应和循环加卸载效应,还能考虑交通荷载作用下软黏土在循环荷载和流变耦合作用下的变形特性。模型概念清晰,参数少。通过多组上海软黏土循环加载流变试验结果的模拟,初步验证了本模型的合理性和有效性。     

平面变形超固结软黏土蠕变特征

通过对原状软土进行平面变形蠕变试验,研究超固结软土平面变形条件下的蠕变特征。研究表明,正常固结软土平面变形蠕变的体变过程,和一维变形条件下正常固结软土的次固结过程具有相同的规律,在主应力比与K₀状态相同时,相对于一维变形平面变形情况具有较小的轴向变形;平面变形条件下,采用土体受到的不同时期的体积球应力定义超固结比,能够全面地反映超固结软土的超固结特征;平面变形条件下,超固结软土蠕变的体积变形较正常固结状态明显减小,超固结比越大减小程度越明显,由超固结比确定体积蠕变系数具有合理性;平面变形在主应力比为K₀的状态下,超固结软土蠕变的轴向蠕变系数与超固结比负相关,由超固结比直接确定轴向蠕变系数是可行的;平面变形条件下土体的超固结应力历史,使超固结软土相对于正常固结状态具有较大的泊松比,在限制水平变形方向具有较大的主应力。     

热–力耦合作用下黏性土体积变形特性试验研究

采用温控三轴仪,对饱和黏性土在热–力耦合作用下的体积变形特性进行了研究。试验中共考虑了温度循环后的应力加卸载试验、升高或降低不同温度后的应力加卸载试验3种方案。结果表明,黏性土温度体积变形的大小与围压无关。温度循环会造成黏性土塑性体积变形持续发展,但单周塑性应变增量随温度循环周数的增加而减小,体现了温度历史的影响。将土样继续加载后,温度的历史效应将被覆盖,后续温度循环中产生的塑性体积应变量值及发展规律与初始循环下的类似。不同温度下土体的压缩指数和回弹指数基本不变。同一塑性体积应变下,屈服应力随温度的增加而减小。温度变化引起的塑性体积应变也会造成屈服应力提高,可近似采用与力学塑性体积应变硬化一致的规律进行描述。     

单轴试验条件下粘土的粘塑性与模拟计算

利用饱和、湿润、风干以及烘干的藤森粘土的单轴排水固结试验进行了粘土粘塑性研究。试验过程中采用计算机应变控制的控制式三轴仪来实现加载速率，可在不同加载阶段实现不同的恒应变率加载试验。试验结果表明：各种不同饱和度藤森粘土的粘塑性都表现为等时特性；经过一定时间的蠕变后，粘土弹性模量会有较大的提高，且藤森粘土所表现出的粘塑性与粘土含水量的大小无关。研究结果表明，粘土的粘塑性应力-应变特性可以采用非线性三要素模型进行较好的描述。     

An associated elastic–viscoplastic constitutive model for sandstone involving shear-induced volumetric deformation

In contrast to hard rocks, weak rocks often have significant shear-induced volumetric contraction/dilation under short-term or long-term loadings, and this behavior necessitates the development of an unconventional constitutive model. As such, an elastic–viscoplastic constitutive model characterizing the mechanical behavior of weak rocks is proposed, and its validity is demonstrated by comparing the simulated and the actual deformational behaviors of weak sandstone under various stress paths. In order to distinguish the immediate and the time-dependent deformation, the procedures involving multi-stage loading–unloading and creep tests, together with controlled pure-shear stress path, have been undertaken to clarify the deformation behavior of sandstone. Through these experimental procedures, elastic and viscoplastic deformations can be effectively separated, and the coupling between shear stresses and volume stresses can also be identified. Consequently, it is found that the function form of yield surfaces can also be applied to plastic potentials and viscoplastic potentials so that the complexity of the constitutive model to be developed is significantly reduced. Furthermore, the parameters for the proposed constitutive model can be readily obtained by fitting experimental data. Through systematic comparisons of the predictions and the actual behaviors of the studied sandstone, it is found the proposed constitutive model is capable of describing the elastic, plastic, and viscoplastic deformational behaviors not only under pure shearing stress path that were used to calibrate parameters, but also under other stress paths.     

蠕变作用后大理岩强度与变形特性试验研究

为研究蠕变行为对岩石力学性质的影响,分别在裂隙压密阶段、弹性阶段、裂隙稳定扩展阶段和非稳定扩展阶段,对大理岩进行不同应力水平和时间的蠕变预处理,卸载后再进行单轴压缩破坏试验,分析不同条件蠕变作用后大理岩强度与变形特性的变化规律,同时提出采用体变速率进行岩石变形阶段划分的新方法。结果表明:(1)裂隙压密和弹性阶段蠕变对大理岩力学性能起强化作用,随蠕变时间增长,强度和弹性模量增大,泊松比减小,且弹性阶段蠕变的强化程度大于压密阶段。裂隙稳定扩展阶段蠕变呈现相反的变化规律,起劣化作用,而岩样在非稳定扩展阶段蠕变预处理时快速破坏;(2)依据扩容速率可将岩石变形过程分为3个阶段,分别为平稳压缩阶段、加速扩容阶段及减速扩容阶段;(3)裂隙压密和弹性阶段蠕变后,大理岩峰值扩容速率随蠕变时间增长略有减小,裂隙稳定扩展阶段蠕变后则随蠕变时间增长显著增大;(4)原始岩样和蠕变作用0 h后岩样的单轴压缩破坏形态以单一剪切面破坏为主。随蠕变时间增长,裂隙压密和弹性阶段蠕变后岩样破坏形态转为沿轴向劈裂破坏,裂隙稳定扩展阶段蠕变后转为剪切、劈裂组合破坏,除几条主裂隙外,还伴随众多次生裂隙。     

剪切双曲线型等效时间流变模型

为了预测变剪应力荷载下的流变变形,运用热力学内变量连续介质力学和Yin-Graham等效时间法来推导剪切流变模型。首先把Mesri双曲线型蠕变公式推广到耗散空间,在耗散空间绘制黏塑性剪应变与剪应力等效时间线。其次利用Yin-Graham等效时间法建立了黏塑性剪应变速率与等效时间关系方程,获得黏塑性剪应变速率与应力水平和黏塑性剪应变之间的函数表达式。最后利用耗散剪应力等于真实剪应力这个力学关系式,把黏塑性剪应变速率表达式和线弹性本构方程相结合,建立了一维弹黏塑性剪切流变方程,研究了流变方程分别采用绝对等效时间和相对等效时间表示的表达式。基于这个流变方程,获得了三轴固结排水剪切蠕变试验中单级加载和多级加载的剪切流变解。实例表明,剪切流变模型能够较好地模拟软土三轴固结排水剪切蠕变试验成果。     

循环加卸载下煤的黏弹塑性蠕变本构关系研究

 基于岩石三轴循环加卸载蠕变试验,对试样的蠕变应变进行有效的黏弹塑性应变分离,根据试样的弹性蠕变特性和塑性蠕变特性分别建立相应的蠕变模型,继而得到岩石的黏弹塑性蠕变模型,该模型能较好地描述试样的衰减和稳态蠕变特性。为了能够较好地描述岩石加速蠕变特性,在塑性蠕变模型中引入损伤因素,建立相应的弹塑性损伤蠕变模型,对该模型参数进行敏感性分析,同时给出模型参数确定方法。所建模型黏弹塑性概念清晰,模型参数较少。对煤进行三轴循环加卸载蠕变试验,分析蠕变试验中煤样的弹塑性应变特性以及试样的稳态蠕变速率演化规律,用该黏弹塑性蠕变模型对煤样的三轴压缩蠕变试验结果进行拟合,结果表明,该模型能很好地描述循环加卸载路径下试样的弹塑性加载和弹性卸载蠕变特性。     

Computer controlled volumetric strain measurements in metadolerite

A new volumetric strainmeter system has been developed for the measurement of true volumetric strains occurring in selected fresh and decomposed rock samples tested under computer controlled triaxial loading conditions. The system is capable of resolving volume adjustments of the confining medium to within ±2.8 mm³ and maintain confining pressure deviations to ± 6.9 kPa. The results of the investigation have shown the inadequacy of the commonly used strain gauge method to represent the volumetric strains occurring in the whole of the test specimen and they have provided further experimental evidence for the continuity concept in the fracture mechanism of rocks. Even in the most decomposed samples tested, crack initiation and propagation starts at lower stress levels than previously recognised, in contrast to the generally accepted concept of critical stress levels which characterise and define the process of brittle fracture propagation in rocks.     

加卸载条件下石英岩蠕变–渗流耦合规律试验研究

以大东山隧道的石英岩为研究对象,进行循环加卸载条件下岩石蠕变–渗流耦合试验,分析了岩石加卸载过程中的蠕变、渗透性变化规律和渗流–蠕变耦合机理,得到压密阶段、裂纹扩展阶段和裂纹贯通阶段岩石体积应变的发展规律,总结了渗透率与体积应变之间的关系。试验表明:轴向荷载0~50 MPa为压密阶段,继续加载则产生不可恢复变形,当达到160 MPa时蠕变曲线进入加速段;随着轴向荷载水平的增加,渗透率总体趋势先降低后增高,最小值出现在最大压密点,蠕变过程进入加速段以后渗透率急剧增大。采用FLAC3D中的Cvisc模型为蓝本,以体积应变为桥梁建立ZSI(zone state index)与渗透率的关系,自主开发了基于应变软化的改进非线性蠕变西原模型,对试验结果进行验证。数值模拟表明:靠近进水端的渗透率比出水端变化快,不同应力下ZSI值云图的破损区与试验中岩样的"V"型剪切带破坏模式基本一致,渗透率的理论曲线与计算曲线吻合较好。说明提出的模型能够很好地反映加卸载条件下岩石蠕变–渗流耦合特性和局部破坏规律。     

基于成都黏土蠕变试验的非定常蠕变本构模型研究

针对黏土的蠕变特性对工程造成不利影响的问题,开展了成都黏土的常规三轴固结不排水试验和三轴固结不排水蠕变试验,分析其蠕变特性、应力-应变关系、弹性模量和黏滞系数的非定常性;同时,基于分数阶导数理论,利用软体元件替换常规黏性元件,并且考虑黏土弹性模量和黏滞系数的非定常性,构建了成都黏土的非定常蠕变本构模型,对本构模型进行了拟合和辨识分析,得到了成都黏土的长期强度值。结果表明:弹性模量和黏滞系数的非定常性包括时效特性和加载特性两方面,蠕变模型元件包括瞬时弹性元件、黏弹性元件和黏塑性元件;拟合的各项参数变化规律与室内试验规律一致,尤其是对加速蠕变阶段的拟合度极高,所构建的模型具有充分的合理性和可靠性。     

推断岩石长期强度的黏塑性应变率法研究

 首先,研究黏塑性应变率与加载应力水平之间的线性函数关系,从理论上说明只要能获得各分级加载应力水平对应的黏塑性应变率,便可推测岩石的长期强度。然后,利用低应力水平下的蠕变试验结果,拟合出岩石的黏弹性模型,并以该黏弹性模型推算较高应力水平条件下岩石的黏弹性应变增量,从而实现从总应变增量中分离出黏塑性应变增量,进一步计算黏塑性应变率,用于推断岩石的长期强度。此外,对大理岩,利用常规分级加载蠕变试验,检验所提出的方法的正确性。在此基础上,进一步利用试验论证缩短蠕变试验时间的可行性。研究结果表明,所提方法是正确合理的;在缩短分级加载蠕变试验时间的情况下,所推测的岩石长期强度正确合理,表明可以通过缩短试验时间快速推断岩石长期强度。所提出的推断长期强度的方法,具有快速蠕变试验、计算机程序化推断及排除人为因素的特点,且对于试验过程中的测值波动具有很好的适应能力,因此具有良好的工程应用前景。     

重塑粉质黏土的剪切蠕变特性及本构模型研究

通过室内三轴试验,对重塑粉质黏土的剪切蠕变特性进行研究,分析了粉质黏土在不同偏应力水平下和不同偏应力分级方式下的蠕变变形特性。试验表明,粉质黏土的偏应变蠕变变形与对数时间关系具有明显的非线性;在同样的剪切应力水平下,不同的加载分级方式对试样的最终偏应变量有明显的影响,加载分级越多,最终的偏应变量越小。基于试验数据,建立了适合描述重塑粉质黏土蠕变特性的双曲线模型,并对模型参数的物理意义和取值方法进行了讨论。分析表明,模型参数的取值与应力水平及试样的初始孔隙比有关;结合试验结果,给出了粉质黏土剪切蠕变双曲线模型参数取值建议。     

湛江强结构性黏土的三轴排水蠕变特征

 利用GDS应力路径三轴试验系统,开展不同围压下湛江强结构性黏土的三轴固结排水剪切蠕变试验,获得其轴向应变、体应变与应力和时间的关系,分析蠕变性状的结构性效应,建立相应的蠕变模型。结果表明,湛江黏土的蠕变变形演化特征受其强结构性制约,其蠕变特性的敏感程度与结构性强弱相关联。在低偏应力下,其蠕变变形和变形速率均较小;偏应力超过临界值后,土体在短时间内发生破坏。湛江黏土在?3＜?k时,其体变性状总体上表现为剪缩,但随时间变化出现一定的剪缩和剪胀交替性,即存在回弹现象;而当?3≥?k时,则表现为剪缩。蠕变引起的强度衰减主要表现为黏聚力的降低,且 77.63%。采用6元件扩展Burgers模型能较好地描述湛江黏土的瞬时弹性应变、衰减蠕变和稳定蠕变3个阶段。在实际工程中,必须对土的结构性给予充分的认识,在较低应力范围内,可以利用其结构性的有利因素,但设计荷载严禁超出结构屈服应力。     

平面变形超固结软黏土蠕变模型研究

 通过对原状软土进行平面蠕变实验,研究平面变形条件下超固结软黏土的蠕变特征。研究结果表明,研制的量测装置能独立量测平面应变超固结软土的侧向变形,可规避实验过程体积变形测量精度对侧向变形数据的影响;软土的侧向变形与超固结剪应力比OCRq具有良好的对应关系,OCRq能同时反映剪应力和应力历史对软土侧向变形的影响。平面应变状态下体积蠕变系数和轴向蠕变系数均与OCRq有一一对应关系,依据不同主应力比下的超固结软土平面变形蠕变实验,建立以主应力比和超固结剪应力比为变量的四参数经验模型。所建经验模型包含软土的正常固结状态,可合理反映了主应力比和应力历史对平面变形软土蠕变过程的影响。     

Time-dependent tests on intact rocks in uniaxial compression

The influence of strain history on rock specimen deformation during multi-level loading and unloading cyclic uniaxial compression creep tests is studied with a creep testing machine. An experimental data processing method for such creep tests is suggested. The correction formulas to determine the rheological model parameters are derived for the case when load relaxation is considered. Creep and relaxation tests under uniaxial compression on four types of rocks are conducted using an electronic hydraulic servo-controlled stiff testing machine. The creep and relaxation laws of the different rocks are compared. The complete stress–strain curves for red sandstone specimens are obtained at nine strain rates from 2.43×10⁻⁶ to 4.38×10⁻³/s. The effects of strain rates on rock strength and limit strain are discussed. Empirical equations to evaluate the strain rate dependence of rock mechanical properties are presented.     

超大次循环荷载下超固结黏土的长期不排水力学特性研究

风、波浪等荷载具有超大循环次数的特征,极大影响黏土的长期不排水动力特性,是黏土地基基础设计的关键问题之一。针对现有动力试验荷载循环次数不足的现状,以超固结度为4的重塑土试样为研究对象,开展了一系列不排水三轴动力试验,研究了在超大次(比如超过10~6次)循环加载情况下黏土的相关特性。试验结果表明,在对称循环加载作用下,饱和黏土存在循环应力比门槛值为0.44~0.48。在循环加载初期,试样的轴应变及孔压的变化与前人对黏土动力试验研究结果一致。然而,随着循环加载次数的增加,动轴向应变减小,累积轴向应变增加;尤其是加载过程中由正孔压降低到负孔压。针对这一新的发现,增加了一个超固结土的蠕变试验结果进行了分析解释,为研究超大次循环荷载下超固结黏土的长期不排水力学特性的机理提供了新的思路。     

A nonlinear creep model for surrounding rocks of tunnels based on kinetic energy theorem

The initiating condition for the accelerated creep of rocks has caused difficulty in analyzing the whole creep process. Moreover, the existing Nishihara model has evident shortcomings in describing the accelerated creep characteristics of the viscoplastic stage from the perspective of internal energy to analyze the mechanism of rock creep failure and determine the threshold of accelerated creep initiation. Based on the kinetic energy theorem, Perzyna viscoplastic theory, and the Nishihara model, a unified creep constitutive model that can describe the whole process of decaying creep, stable creep, and accelerated creep is established. Results reveal that the energy consumption and creep damage in the process of creep loading mainly come from the internal energy changes of geotechnical materials. The established creep model can not only describe the viscoelastic–plastic creep characteristics of rock, but also reflect the relationship between rock energy and creep deformation change. In addition, the research results provide a new method for determining the critical point of creep deformation and a new idea for studying the creep model and creep mechanical properties.     

黏土蠕变量的试验研究

对黏土的原状和重塑土样在三轴排水剪切试验条件下的蠕变性进行研究,试验方法包括改变加载应变率的单向加载试验、单向加载试验过程中的蠕变试验、卸载和重复加载过程的蠕变试验等。试验结果表明:1)黏土蠕变量大小与黏土试样的状态有关;2)黏土蠕变量大小与蠕变之前的应变率有关,蠕变前应变率越大,蠕变量就越大;3)黏土蠕变量大小与蠕变时所处的应力水平有关,所处的应力水平越高,蠕变量就越大;4)在重复加载过程中,随着应力水平的提高,黏土的蠕变表现出由负蠕变、中性蠕变到正蠕变的逐渐转化。     

脆性岩石的细观裂纹损伤及其时效特征

本文在单调加载和恒载蠕变条件下进行了脆性岩石损伤动态全过程的细观试验．研究了细观裂纹的形式、发展及其损伤效应．探讨了断裂过程区的细观裂纹损伤特性．结果表明．细观裂纹是导致脆性岩石损伤极其重要而基本的因索．且具有显著的时效特征．在此基础上．将细观裂纹几何参数与岩石宏观力学参量相联系，分别建立了脆性岩石在单调加载和蠕变条件下的细观裂纹掏伤模型．并作了相应验证．