平面应变加、卸荷条件下考虑初始应力的原状黄土#br# 强度与变形特性试验研究

针对黄土工程中的众多平面应变加、卸载问题,利用平面应变改造后的西安理工大学真三轴仪,模拟黄土原位沉积方向及不同初始应力状态,在不同围压下对不同初始应力状态原状黄土进行竖向加载和侧向卸载平面应变试验,揭示不同初始应力状态原状黄土在加、卸载不同应力路径条件下的强度和变形特性。研究结果表明：两种应力路径条件下的应力应变曲线均呈硬化型,加载曲线均高于卸载,加载强度大于卸载强度,但卸载时,土的强度发挥较快。剪切过程中,黄土的侧向变形与竖向变形均呈非线性关系。竖向加载时,土的初始应力状态k值对土强度和变形的影响与固结围压的大小关系紧密;侧向卸载时,k值的增大可以限制侧向变形的发展。竖向加载条件下的体积应变均为剪缩,侧向卸载时均为剪胀。加、卸载条件下p-q平面内的破坏强度线基本一致,近似呈线性关系。侧向卸载条件下土体破坏时的应变远小于竖向加载和常规三轴试验。随着k值的增大,加、卸载应力路径时,黏聚力均线性减小,内摩擦角均线性增大。     

不同加载路径饱和岩石力学特征的试验研究

不同加载路径对岩石强度特征、变形特征和破坏特征存在影响。据此，探讨饱和岩石在排水、非排水、比例加载、侧向卸载、在不同偏应力状态下注水和非排水（但在不同偏应力状态下水压力卸载）等加载情况下以及在常规三轴试验和拥有循环加载的三轴试验等试验方式下，岩体的强度特征、各向异性变形特征和破坏特征。试验结果表明：循环加载、饱和岩石在不同偏应力状态下注水、非排水但在不同应力状态下水压力卸载、比例加载和侧向卸载等具有降低岩石强度、增加岩体变形以及水压力对岩石具有劈裂破坏作用等特征，这些力学特征对岩土工程具有现实意义。     

石灰岩孔道试样孔内卸压条件下破坏特征的研究

 为了研究复杂应力环境下岩体工程开挖的影响,设计内压加卸载试验装置,利用内径20 mm、外径49.84 mm的厚壁圆筒石灰岩试样,在RMT–150C岩石力学试验系统进行不同内压条件下的加卸载试验,重点分析了孔内卸压条件下试样的破坏形式产生机制。结果表明：(1) 固定孔压加载时,由于试样孔道内外存在应力差,不能进入延性变形阶段,高围压时有孔压试样的强度明显高于无孔压试样的强度;(2) 孔压卸载对试样造成的损伤较大,卸载孔压后重新加载的试样,其强度低于常规三轴压缩时的孔道试样;卸载破坏时试样内外压差越大,其强度越小,表明围岩发生破坏的根源在于巷道开挖卸载后引起应力差的增加;(3) 固定孔压时,试样多呈现单一的剪切面滑移破坏,而卸载孔压时试样破坏形式都为张拉破坏或者压拉组合破坏,应力路径对孔道试样破坏形式影响较大。研究结果为揭示深埋巷道围岩破坏失稳现象的产生机制提供参考。     

不同加载路径对岩石变形特性的影响

以往在研究岩石的力学特性时，大都采用持续加载的方法进行试验。三向压缩试验也不例外。就绝大多数工程而言，所遇到的却是在某种应力状态下由于开挖而产生一个方向应力减小、其他几个方向应力增大的现象。根据工程对岩体稳定性评价的要求，应该模拟不同加载路径的应力状态下的试验条件，以便掌握在该试验条件下岩石所作出的力学响应。通过对红砂岩在不同加载路径条件下的三轴试验。分析了不同加载路径所得到的应力，应变曲线及其对岩石的变形影响，得出了在不同加载路径条件下，岩石变形表现与常规试验有较大差异，有着较明显的非线性特性的结论。     

考虑应力路径的土体微观孔隙及宏观变形特征试验研究

为了明确工程建设中岩土体遭受复杂应力路径从而呈现出不同变形破坏模式的机制,以银西高铁早胜三号隧道典型古土壤围岩为研究对象,利用多应力路径三轴仪对试验土样进行不同应力路径的三轴剪切试验,同时通过低场扫描核磁共振得到试验土体的孔径分布特征。宏细观结合,明确不同应力路径条件下土体变形破坏机制。试验结果表明:轴向加载及侧向卸载两种应力路径条件下,土体应力–应变曲线均表现为应变硬化型。初始围压直接影响土体应力-应变曲线的变化趋势。根据归一化曲线,2种应力路径条件下土体应力–应变关系均符合双曲线模型;同时,土体的p-q(平均剪应力–广义剪应力)曲线均呈现出良好的线性关系,相同应力路径下,曲线变化趋势一致,空间位置表现出两两平行的关系。而初始固结围压直接决定了p-q曲线的位置。从土体剪切强度来看,初始围压对提高土体强度起到了重要作用。当轴向加载时,土体黏聚力、内摩擦角均大于相同条件侧向卸载时的量值,尤其在黏聚力方面表现的更为明显;最后,土体初始围压与变形呈现出良好的相关关系。初始围压越小,相同偏应力条件下,土体产生得变形越大。T_2谱峰值强度较大,驰豫时间范围较大。同时,试验土样中小孔隙含量较少,而大孔径含量较多。相同初始围压条件时,土体经历侧向卸载时,T_2谱峰值较大、驰豫时间较长,即土体中大孔隙含量较多。相同偏应力条件下,变形更大。另外,试样虽然达到相同轴向应变条件,但不同应力路径、不同初始围压会使得土体蕴含着不同的孔隙信息。     

受施工卸载扰动黄土的变形与强度特性研究

各种施工活动都不同程度地对周围土体产生扰动影响,应力状态与应力路径的改变作为施工卸载的关键影响因素,对施工扰动起着主导作用。在分析基坑开挖及隧道与地下洞室掘进卸载作用的基础上,根据不同施工工况的特点,制定了室内非常规三轴卸载试验方案,对不同卸载应力路径下的应力-应变关系曲线、强度与变形特性及破坏特征进行了一系列卸载试验研究。试验结果表明,卸载作用下的强度与变形特性、变形模量及破坏特征与加载路径存在很大差别,挤长破坏的抗剪强度较压缩破坏低,挤长破坏的最大轴向应变仅为压缩破坏的1/3～1/2。     

锦屏水电站大理岩在高应力条件下的卸荷力学特性研究

结合锦屏水电站深埋引水隧洞开挖工程,选取该区域典型大理岩,并以隧洞围岩实际应力环境为基础,开展卸围压破坏试验以及卸围压多级破坏试验.研究成果表明,锦屏大理岩在高应力条件下的卸荷力学性质主要表现为:(1)相同初始应力条件下,岩石达到卸荷破坏所需应力变化量比轴向压缩破坏时小,卸荷更容易导致岩石破坏;(2)岩石卸荷开始后侧向变形明显加快,且表现出显著扩容,如果忽略卸荷前岩样变形,则体积变形几乎按照侧向变形的规律增大;(3)卸围压过程中,泊松比近似按照多项式关系增长.变形模量初始变化不显著,屈服前微量围压减少引起变形模量急剧减小;(4)卸荷条件下抗剪强度参数c值比加载条件下低14%,而φ值比加载条件下高23%.这些结论揭示高应力条件下大理岩的卸荷力学特性,为深埋引水隧洞开挖稳定分析提供可靠依据.     

锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究

 地下岩体开挖卸荷应力路径不同于加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站引水隧洞群围岩赋存于高地应力环境的特点,对其中3# 引水隧洞大理岩开展单轴加、卸载以及三轴压缩和高应力条件下的峰前、峰后卸围压等4种不同应力路径力学试验,得到了的应力–应变全过程曲线、变形破坏特征和主要力学参数的变化规律。试验研究结果表明：(1) 建立在岩样单轴逐级等量加、卸载应力路径下的回滞环面积递减,尤以屈服阶段的卸载对应变影响最大;(2) 不同围压下岩样三轴压缩全过程试验结果表明,当围压达到40 MPa时,应变软化特性转化为理想塑性,可以认为该值为锦屏大理岩脆－延转化点;(3) 对比以上不同应力路径下的强度准则方程以及峰前、峰后黏聚力和内摩擦角,相同初始应力条件下,岩石卸载破坏所需应力变化量比三轴压缩破坏情况下对应的应力变化量小,说明岩石卸载更容易导致破坏;(4) 在变形破坏机制方面,由于峰后比峰前卸围压塑性变形大,岩样塑性变形已吸收较多的弹性变形能,其脆性特性受到抑制,因而不像峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;(5) 根据大理岩岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果,从细观角度验证了脆性岩石在不同路径下微观剪断裂破坏机制。总之,以上研究结果揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学特性差异,对解决工程实际问题具有重要的参考价值。     

节理岩桥真三轴开挖卸荷试验研究

由于边坡内部岩桥聚积较高应力,节理岩质边坡开挖的卸荷容易诱发突发失稳。利用真三轴试验系统,对含不同岩桥长度花岗岩试样开展单轴加载和真三轴加卸载试验,研究岩质边坡开挖卸荷中复杂节理岩桥强度及破坏模式,并借助高速摄像机和声发射系统分析应力–应变曲线、峰值强度、裂纹扩展、破坏模式、声发射特征及声发射峰值强度的变化规律。研究结果表明:在单轴加载和真三轴加卸载试验中,真三轴加卸载下脆性破坏更加明显;随着岩桥长度增加,试样峰值强度、破坏时释放能量与声发射计数率均相应提高;在不同中间主应力下,试样抗压强度随中间主应力增加而增长,但声发射计数峰值反而降低,这是因为中间主应力带来的侧向压力使岩石内部结构更加紧密,微裂纹难以扩展;利用断裂力学强度因子叠加方法,揭示了开挖卸荷应力状态下岩桥长度与中间主应力对起裂扩展的影响机制。真三轴试验能更真实地模拟岩石开挖卸荷的应力状况,研究结果可对节理岩质边坡开挖稳定性评价提供理论支撑。     

高地应力下岩石的真三轴试验研究

通过真三轴试验模拟高地应力条件下地下工程开挖引起的复杂的应力路径的演化。在设定的加载方式下，针对拉西瓦新鲜花岗岩的试验结果表明：当卸载最小主应力时，岩石发生回弹变形，声发射计数率比卸载前显著增加，增加的幅度随中间主应力的增加而逐渐提高。岩石的应力一应变关系为弹脆性，峰值强度随中间主应力的增加有所提高，峰值强度的提高值与中间主应力的比值随中间主应力的提高逐渐减小。声发射计数率峰值与应力水平有关，峰值的次数与破坏后主裂缝的条数相对应。最后，分析了岩石的破坏机制。     

岩石的劈裂和卸载破坏机制

 概括含缺陷的岩体结构模型,并利用其研究岩石在加载和卸载时内部出现的拉应力及其对岩石破坏模式的影响。为模拟深部岩体的赋存环境,研究3种受力条件下的岩石应力状态：单轴无侧限压缩、具有初始静水压力时的加载和初始静水压力作用下岩石的卸载。分析表明,无论是加载还是卸载,岩体中均将出现局部拉应力。在加载情况下,岩体中出现的拉应力有可能导致平行于加载方向的劈裂;而在卸载情况下,岩石中将在缺陷处形成平行于卸载方向的拉应力。岩石中出现的拉应力主要与岩体内缺陷的物理参数、初始应力大小和卸载速率有关。对卸载时初始应力和卸载速率对缺陷应力集中的影响进行分析,结果表明：卸载速率越快,缺陷处的应力集中越大,若缺陷尺寸较大,岩体中的局部拉应力和初始应力近似成正比。根据得到的局部应力表达式,在深地下工程中,快速卸载将必然导致岩体的拉伸破坏。     

平面应变加、卸荷条件下黄土的非线性变形特性的研究

针对黄土深基坑开挖坑壁土体侧向变形和填土路堤地基加载侧向挤出变形等平面应变问题,利用西安理工大学真三轴仪改变加载机构,模拟平面应变条件下路堤黄土地基竖向加载和黄土基坑侧向卸载,进行了竖向加载和侧向卸载的黄土平面应变试验,研究了平面应变条件下不同含水率原状Q3黄土的加、卸载应力应变关系。揭示了平面应变竖向加载应力路径下原状Q3黄土的大、小主应力差与轴向应变及轴向应变与侧向应变服从双曲线关系;平面应变侧向卸载应力路径下原状Q3黄土的大、小主应力差与侧向应变及侧向应变与轴向应变也服从双曲线关系。依据平面应变条件下三向的切线线弹性关系,建立了切线弹性模量和泊松比随应力应变状态变化的关系,以及非线性本构模型。经平面应变加、卸载应力路径下原状黄土应力应变关系的模型计算与试验结果比较,验证了两种平面应变路径下非线性模型的正确性。     

大理岩加卸载力学特性的研究

利用锦屏一级水电站坝址区边坡的大理岩试件进行了加载和卸载条件下的系列三轴试验,对大理岩在加、卸载条件下的力学参数进行了计算整理,并对其应力–应变全过程曲线进行分析和比较。结果表明,大理岩在不同试验路径下的参数变化明显同加载条件比较,卸载条件下的变形模量减小,相同围压条件下抗压强度减小,而抗剪断强度参数中c值大幅减小、?值略有增加;在破坏过程中表现为卸载条件下侧向应变值较同等围压加载条件时增大,塑性特征减弱而脆性特征增强。这一结果揭示了大理岩在加、卸载条件下力学特性的具体差异,对解决工程实际问题有重要的参考价值。     

不同应力路径下深埋软岩力学特性试验研究

为探讨深埋软岩在不同应力路径下力学性质的差异,对取自丹巴水电站右岸平硐深埋软岩分别进行室内三轴加载试验和不同围压等级、不同卸荷应力水平、不同卸荷速率的恒轴压卸围压试验,并对岩样卸荷破坏面进行微观形貌扫描,分别探讨不同条件下岩样的变形、强度及破坏特征,结果发现:(1)相比三轴加载试验,同等级围压的软岩在卸荷条件下的强度、峰值应变及力学参数都有减小,应力–应变曲线从延性向脆性转换;(2)软岩峰值轴向应变、极限强度、残余强度与卸荷应力水平、卸荷速率均呈正相关性;(3)相比Hoek-Brown经验强度准则,Mohr-Coulomb强度准则能更好地描述软岩强度特性,不同应力路径对抗剪强度参数影响有差异性,卸荷速率对c值的影响更为显著,而卸荷应力水平对?值的影响更为显著;(4)软岩加、卸载条件下都发生剪切破坏,加载时除主裂纹外基本没有衍生微裂纹,卸载时,低卸荷应力水平下岩样破坏后的次生裂纹更发育,且卸荷速率越大岩样破坏程度越强烈;低围压下卸荷破坏时,岩石断面微观形貌演化自由度较高,破坏面粗糙度大。     

隧道盾构施工对场地土力学性能影响的研究

依托无锡地铁1号线盾构区间开挖工程,根据盾构施工周边不同区域内土体扰动的特点,对盾构施工现场原状土进行一系列应力路径室内三轴试验。试验结果表明:不同的应力路径下土体强度和变形特征显著不同,等比压缩、被动压缩、等p压缩和主动压缩的强度依次递减;土体在卸载应力路径下的强度和破坏时的轴向应变小于加载应力路径时的相应值;而土样在压缩应力路径下的强度要远远大于伸长应力路径下的强度。     

深部高应力圆形隧洞内部卸荷条件下岩爆模拟试验和强度弱化效应研究

为了模拟深部高应力圆形隧洞在内部卸荷条件下洞壁发生岩爆的过程,以具有中等岩爆倾向性的红砂岩作为试验材料,利用TRW–3000岩石真三轴电液伺服诱变试验系统,对100 mm×100 mm×100 mm立方体红砂岩试样开展了先加载后钻孔卸荷条件下的岩爆模拟试验。试验模拟500 m深度的二维应力状态,首先对试样加载至设定的初始应力状态,然后利用自主研发的岩石钻孔卸荷试验装置进行岩石内部钻孔卸荷(孔洞直径为25mm),之后在竖直方向加载至洞壁发生破坏,达到模拟效果后主动卸载。试验过程中,利用微型摄像机监控并记录洞壁的整个破坏过程。为了对比卸荷作用的影响,对预先贯穿孔洞(孔洞直径为25mm)的同尺寸红砂岩试样开展了先开孔后加载条件下的岩爆模拟试验。试验结果表明,2种试验条件下均可实现岩爆过程的模拟,整个试验过程均可以划分为平静阶段、颗粒弹射阶段、岩片剥落阶段,最终在洞壁两侧形成V型槽。与先开孔后加载试验相比,先加载后开孔试验中洞壁的初始破坏应力较低,洞壁更容易发生破坏,并且洞壁发生岩爆破坏的严重程度较强,产生的岩片尺寸较大,洞壁剥落岩片的总质量较高,形成的V型槽深度较深,破坏范围较广。试验对比结果表明,高应力岩石内部卸荷会对围岩造成一定程度和范围的损伤,诱发围岩产生明显的强度弱化效应。     

不同循环加卸载路径下红砂岩声发射与应变场演化规律研究

为研究不同循环加卸载路径下红砂岩的损伤演化规律,基于MTS815岩石力学试验系统对红砂岩开展恒下限和变下限循环加卸载试验,同步进行声发射和数字图像相关技术(DIC)监测。结果表明：相较于单轴压缩试验,恒下限循环加卸载下岩石平均抗压强度提高了6.5%,变下限循环加卸载提高不显著。恒下限循环加卸载下Felicity比平均值随应力增大而持续减小,而变下限循环加卸载后期的Felicity比基本保持不变。表观应变场演化趋势与声发射变化特征一致,恒下限循环加卸载下岩石破坏前损伤变形逐渐增大,呈缓增型特点;而变下限循环加卸载下加卸载前期损伤应变较分散,直至应力超过峰值强度66%时,岩石较大表观应变点才由分散快速集中,局部区域变形急剧增大,呈突变型特点,试样表现为剧烈的脆性破坏,实际工程中应予以重视。     

考虑端部摩擦效应的岩石卸载强度准则

为分析端部摩擦对岩石力学参数的影响,采用RMT–150B岩石力学试验系统对砂岩试样进行不同端部摩擦因子和围压卸载速率下的三轴卸围压试验。结果表明:在相同端部摩擦因子和初始围压下,围压卸载速率越大,试样破坏围压越低,试样破坏差应力越大;在相同围压卸载速率和初始围压下,端部摩擦因子越大,试样破坏围压越低,试样破坏差应力也越大;在相同围压卸载速率下,试样内摩擦角φ和黏聚力c值整体上随端部摩擦因子增加近似直线增加;在相同端部摩擦因子下,试样内摩擦角φ和黏聚力c值整体上随围压卸载速率增大而增大,但增加速率逐渐降低。提出包含端部摩擦因子和围压卸载速率的end-friction(E-F)卸载强度准则,通过采用该准则对试样峰值强度和破坏围压的关系进行拟合分析,认为该准则能够较好地描述三轴卸围压破坏试样强度。若已知端部摩擦因子K值,可得到不同围压卸载速率v下岩石E-F卸载破坏强度包络线,进而获得不同围压卸载速率下岩石材料强度参数。     

基于弹塑性损伤模型的岩石加卸载计算研究

基于经典弹塑性理论,引入损伤因子,综合考虑岩石在外力作用下的塑性变形与损伤演化,提出一种各向同性弹塑性损伤耦合模型。根据以上理论编制有限元计算程序,较好地描述了岩石在不同加卸载路径中的应力-应变特性。通过程序模拟计算,具体结论如下:在常规路径加载中,岩石的峰值强度与残余强度均随围压的增加而增加。在卸围压路径下,残余应力受初始围压影响较小,但侧向应变与体应变有着明显的增加。轴向荷载的提高使岩石损伤值增加,卸围压过程中最大损伤因子均大于同等初始围压下的常规路径试验。     

普通混凝土和轻骨料混凝土双轴加载试验研究

为研究混凝土双轴力学特性,采用岩石真三轴仪对普通混凝土(OPC)与轻骨料混凝土(LWAC)进行双轴压-压与双轴拉-压试验,得到2种混凝土在不同侧向应力作用下的破坏形态、应力-应变曲线以及应力-应变曲线特征值,对比分析其主应力变化趋势及破坏机理.结果表明:OPC双轴受力破坏主要是界面过渡区破坏,LWAC则是页岩陶粒骨料破坏;双轴压-压工况条件下,受侧向压应力影响的LWAC主压应力提高幅度低于OPC;双轴拉-压工况条件下,受侧向拉应力影响的OPC主拉应力降低幅度高于LWAC.最后,基于Kupfer双轴压-压与双轴拉-压破坏准则建立了定侧向加载下OPC与LWAC的双轴压-压、双轴拉-压破坏准则方程.