基坑开挖卸荷土体的本构模型真三轴试验研究

通过真三轴试验模拟基坑开挖过程中侧向卸荷土体的应力路径,针对武汉地区具有代表性的粉质粘土,进行了一系列真三轴排水和不排水固结剪切试验.试验分析结果表明,真三轴卸荷不排水试验的应力-应变关系曲线不符合Duncan-Zhang模型,但该试验曲线在低围压下基本符合Lade-Duncan弹塑性模型,在高围压下偏差较大;而卸荷排水试验的应力-应变关系曲线与不排水条件下Lade-Duncan弹塑性模型曲线吻合较好.由于排水试验耗时较长,因此在卸荷排水条件下的实际工程可以用不排水试验来代替,以便缩短试验时间.本文研究成果为进一步在该方面的研究和工程应用提供参考.     

基坑土体卸荷剪切模量真三轴试验研究

通过对基坑土体真三轴卸荷不排水试验结果的分析,研究了由广义虎克定律推导出的土体广义剪应力与广义剪应变的关系,并根据土体实际应力路径定义了中主应力系数,推导了基坑土体卸荷切线剪切模量计算公式。研究表明:土体广义剪应力与广义剪应变关系曲线呈明显的非线性,中主应力对土体强度的影响存在区间效应。在中主应力σ2的数值由σ3逐步增加到σ1的过程中,土体的强度逐步提高到一定峰值后,再逐步减小。     

不同连通率节理岩体三轴加卸荷力学特性试验研究

对3种节理连通率条件下的预制非贯通节理岩体试件进行三轴加卸荷试验,对比分析其加卸荷条件下的应力–应变关系曲线特征、破坏形态以及强度特征,同时分析卸荷条件下非贯通节理试件的变形以及强度特征与节理连通率之间的关系。结果表明:(1)非贯通节理岩体加卸荷条件下均表现出各向异性力学特性,且随着节理连通率的增大,这种各向异性特性表现的更为明显;(2)卸荷条件下,试件产生的裂纹更多,破坏程度更高;(3)节理连通率对试件卸荷阶段的变形特性影响显著,变形模量随着连通率的增大而逐渐减小;(4)各节理角度下,非贯通节理岩体卸荷阶段变形模量降幅、卸荷当量峰值强度与连通率k之间的关系可用线性函数表示;(5)随着节理连通率的增大,加载条件下岩体峰值强度逐渐下降,卸荷条件下试件抗剪强度参数黏聚力和内摩擦角均随之逐渐减小。     

砂质泥岩三轴卸荷蠕变试验研究

为了揭示深部软弱地层开挖卸荷后围岩流变力学特性,开展砂质泥岩恒轴压逐级卸围压三轴卸荷蠕变试验,研究软岩轴向、侧向和体积蠕变规律和卸荷流变过程中偏应力–应变关系特性。主要结论有:(1)每卸除一级应力(10 MPa)产生的瞬时变形、蠕变变形、蠕变变形相对该级荷载下的瞬时变形的比值、蠕变变形占总变形量百分比均随偏应力的增加而增大,围压越低蠕变变形增加的幅度越大;(2)随着围压逐级卸荷,岩石内部产生竖向张性微裂纹,微裂纹的萌生和扩展使得卸围压瞬时产生较明显的侧向变形,且蠕变过程中微裂纹将发生与应力水平相应的时效扩展,产生黏塑性变形;(3)岩石在时效条件下的渐进破坏的本质是损伤随时间的逐渐累积,并伴随着裂纹的时效扩展,统称为时效损伤破裂;(4)随着围压逐级卸荷,偏应力增大,历史上经历的卸荷级数多、蠕变时间长,试样内部积累的不可恢复应变和损伤越多,时效损伤破裂越剧烈,在该级荷载条件下轴压低的试样其流变速率越大,蠕变变形量越大,卸荷效应和流变特征更加明显,同时伴随显著的侧向扩容,导致蠕变扩容;(5)卸荷和蠕变所产生的损伤和塑性变形对后续力学行为影响非常显著。     

开挖瞬态卸荷引起的节理岩体松动模拟试验

为了研究高地应力条件下节理岩体的卸荷松动效应,设计一套高地应力条件下节理岩体开挖卸荷松动的室内试验模拟系统,利用岩条受压后的快速断裂失稳,有效实现单轴受压节理岩体试件的应力快速卸载,模拟出高地应力瞬态卸荷引起的岩体松动效应,从而更好地论证高地应力条件下岩体开挖荷载瞬态卸荷(ELTU)引起的节理岩体的松动效应,并利用试验模拟的方法研究开挖荷载瞬态条件下节理岩体松动效应与初始地应力的相互关系。试验结果表明,地应力瞬态卸荷产生的节理面张开位移与卸荷初始应力的平方存在一定的正比关系,节理面的数量以及与开挖卸荷部位的距离影响各节理面处的张开位移在开挖卸荷总位移量中所占比例。     

乌东德层状岩体卸荷力学特性原位真三轴试验研究

针对乌东德水电站地下厂房尾水洞薄层大理岩化白云岩进行原位真三轴试验,研究工程岩体卸荷条件下的变形和强度特性。试样为方柱体,长50 cm、宽50 cm、高100 cm,包含20~30条层面,制备时预加压力以减小卸荷松弛。先实施地应力水平下的变形试验,然后模拟洞室开挖时围岩应力调整情况,先加载轴向压力、然后卸载垂直层面方向的围压至试样破坏。试验结果表明:(1)变形具有正交各向异性。垂直层面方向变形模量与平行层面方向变形模量的比值为0.34~0.69。平行层面加载时层面张开,侧胀系数为0.52,反之,垂直层面加载时层面压密,侧胀系数为0.25;(2)塑性变形较大。在一个加卸荷循环中,卸荷残余变形与加载变形的比值为0.4~0.8;(3)加载变形模量与侧压正相关,垂直层面方向的卸荷回弹模量与侧压负相关;(4)卸荷变形具有非线性,卸荷回弹模量与卸荷应力差的相关关系可用负指数式描述;(5)垂直层面方向应力卸荷时,试样破坏型式为沿层面的剪切破坏,体积变形未经历压缩,而是持续、加速扩容;(6)基于沿层面剪切破坏的破坏模式,得到层面Mohr-Coulomb强度参数;视试样为均质岩体,得到岩体Mohr-Coulomb强度参数和Drucker-Prager强度参数。分析各类强度参数的适用性。     

中部锁固岩桥三轴加卸荷力学特性及裂纹扩展研究

 锁固型高陡岩质边坡内部岩桥破坏机制复杂,研究边坡中部锁固段的破坏规律及其对边坡整体变形破坏机制具有重要意义。为表征滑坡后缘拉裂缝和前缘蠕滑破坏,在完整岩样端部预制裂纹形成中部岩桥,开展3种不同长度岩桥试样的三轴加载和三轴加卸荷试验,分析2种应力路径下的应力–应变特征、强度特征和裂纹扩展模式,从断裂力学角度揭示了裂纹扩展机制。结果表明：随围压和岩桥长度的增加,试样峰值强度和对应的应变增大,且三轴加卸荷峰值和应变均大于三轴加载;应力–应变曲线呈现出“突发式破坏”和“峰后回升”现象,部分试样还表现出“双峰值”特征;岩桥试样呈现贯通岩桥、贯通试样上端面、向外环向破坏、向内环向破坏及贯通试样下端面等5类裂纹扩展模式;岩桥试样在下部节理尖端应力集中处产生张拉裂纹和剪切裂纹,大部分裂纹起裂角集中在40°～50°范围。中部岩桥三轴加卸载力学试验表明,边坡锁固段并非一次剪断破坏,可能呈现逐次多级破坏模式,本研究获得的岩桥裂纹扩展及破坏机制,可为锁固型岩质边坡开挖卸荷的破坏机制和变形特征提供理论支撑。     

高温后砂岩三轴卸荷试验研究

 通过三轴卸荷试验,综合考虑回弹值和纵波波速与温度的关系,对高温后砂岩的纵波波速和力学特性与温度的变化规律进行研究。试验结果表明：随着烘烤温度的升高,砂岩的纵波波速降低,且经历的温度越高,波速下降的幅度越大;随着烘烤温度的升高,砂岩的回弹值并非简单的单调递增或递减;砂岩的强度力学特性在摩擦特征和胶结特性共同作用下变化,砂岩高温烘烤后摩擦特性大大加强,在较大围压下,由于摩擦作用其强度得到显著提高;高温烘烤后纵波波速、回弹值和强度不具备必然规律;自然风干岩样在低围压下卸载破坏,依然表现出明显的压剪破坏形式,300 ℃,600 ℃,900 ℃烘烤岩样的轴向劈裂现象却逐渐增强;分析认为高温烘烤后岩样的抗拉强度出现了明显降低,热处理后砂岩内部产生热应力,由此诱发表面热开裂及内部微裂纹是造成抗拉强度降低的本质原因。     

砂岩三轴卸荷力学特性试验研究

基于三轴卸荷破坏试验,分析研究砂岩在卸荷应力状态下的应力-应变及破坏特征。试验结果表明:岩体卸荷破坏时脆性特征非常明显,相比于加载破坏,卸荷破坏更加突然和剧烈,岩体破碎程度更高;卸荷过程中轴向变形随围压降低不断增加,在开始卸荷阶段增加较慢,当卸荷量达到一定值后,变形突然增大,很小的卸荷量就会引起较大的变形。根据卸荷过程中岩体应力-应变曲线变化特征,将卸荷量作为重要参量,假定岩体在卸荷损伤屈服阶段符合Griffith屈服准则,接近极限破坏强度时符合Hoek-Brown屈服准则,认为卸荷造成岩体屈服发生塑性变形后,岩体卸荷条件下的屈服函数随卸荷量在Griffith准则和Hoek-Brown准则间呈线性变化,推导考虑卸荷应力状态的弹脆塑性力学模型。     

广州粘土真三轴试验研究

通过对广州原状粘土不同围压和不同中主应力系数下的周结不排水真三轴剪切试验,分析结构性粘土在固结不排水剪切状态下的应力与应变、强度与变形特性,并研究偏应力、孔隙水压力,应力比,有效主应力比值随不同围压和中主应力系数的变化规律。     

节理岩体卸荷各向异性力学特性试验研究

 针对节理岩体开挖卸荷所产生的各向异性力学难题,通过制作不同倾角单一预制节理试件,开展节理岩体三轴卸荷试验,研究卸荷条件下节理岩体的应力–应变关系、变形特征、强度特征和破坏模式。得到如下结论：(1) 进入卸荷阶段之后,0°,30°和90°倾角节理试件的应力–应变曲线依次出现屈服、软化和残余变形阶段,而45°和60°倾角节理试件只出现屈服阶段。(2) 节理试件的变形模量随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件的变形模量最小;随着围压升高,不同倾角节理试件之间的变形特性差异逐渐减小。(3) 0°,30°和90°倾角节理试件的抗压强度降低,而45°和60°倾角节理试件几乎未降低;节理试件的黏聚力随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件仍为最小;而内摩擦角随节理倾角增大而增大。(4) 0°,30°和90°倾角节理试件的破坏模式均为穿越节理的压剪破坏,且不受节理影响,而45°和60°倾角节理试件的破坏模式均为沿节理面滑动破坏。(5) 揭示节理岩体的卸荷力学特性分为受岩块强度控制和节理面强度控制。     

开挖动态卸荷对节理岩体渗透特性的影响研究

 利用应力波理论分析高地应力条件下节理岩体边坡开挖过程中的动态卸荷效应，探讨卸荷松动后节理岩体渗透特性的变化规律。研究结果表明，高地应力作用下节理岩体边坡开挖过程中的动态卸荷松动效应显著，其影响必须考虑。开挖荷载幅值、岩体弹性模量和节理分布间距等因素通过影响节理开度而影响岩体的渗透特性；岩体中完整母岩与节理岩体的结合部位往往是开挖松动较大的部位，其渗透系数变化明显。对于等间距平行节理组垂直切割的直立坡岩体，若岩体的弹性模量由坡外向坡内呈线性增大，计算得到的节理岩体渗透系数分布符合幂函数衰减规律(由坡外向坡内)；若节理岩体的弹性模量由坡外向坡内无变化，则开挖动态卸荷松动现象不会发生。     

真三轴剪切作用下粗粒料卸荷特性的研究

在大型真三轴仪上进行一系列等向压缩与剪切作用下的加、卸载试验,阐述粗粒土的卸荷特性。重点分析不同卸载阶段回弹剪切模量的变化规律,试验结果表明:剪切过程中回弹剪切模量受应力路径影响变化较大,不能简单地用平均回弹剪切模量来代替。修正Janbu公式中,回弹剪切模量是关于小主应力和球应力2个应力变量的函数,且当其中一个变量保持不变时,回弹剪切模量随另一变量呈非线性变化,在双对数坐标上为线性形式。利用该预估模型,得到了不同剪切路径下的回弹剪切模量,模型中的参数拟合性好。模型的建立,有利于更好地理解粗粒土的卸荷特性,同时反映了应力路径及材料响应对粗粒土非线性回弹变形特性的影响。     

分级卸荷量对大理岩三轴卸荷蠕变特性影响规律试验研究

岩体工程如地下洞室、边坡工程等的施工,大多采用分层开挖的方式。其在开挖卸荷的过程中,特别是高应力条件下常表现出显著的时效变形特征。为探究分级卸荷量对岩石卸荷蠕变特性的影响,以雅砻江锦屏I级水电站大理岩为研究对象,开展相同初始高应力状态条件下恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明:分级卸荷量越大,大理岩破坏时偏应力越小且破裂角越大,每级荷载作用下蠕变变形趋于稳定所需时间越长,分级卸荷瞬时应变和蠕应变越大。采用Burgers模型对各试件的卸荷蠕变特性进行描述并拟合相关参数,然后对分级卸荷量与理论模型参数间的相关关系进行分析。研究成果表明,分级卸荷量越大,瞬时弹性模量值越小,且应力状态对瞬时弹性模量随分级卸荷量的变化率影响很小。根据这一规律提出瞬时弹性模量随分级卸荷量变化的计算公式;而随分级卸荷量的增大,参数η1和η1’逐渐减小,η2/G2 和η2 /G2 逐渐增大。研究成果表明分级卸荷量对大理岩卸荷蠕变特性有较大影响,在理论分析和实际工程运用中应予以重视。 2/ G2 and η2’/ G2     

模拟基坑开挖过程的三轴试验研究

根据基坑开挖的特点,对常规三轴试验仪器进行了改造。在此基础上,利用三轴剪切试验对基坑开挖过程中土体的侧向卸荷过程进行模拟,并与常规三轴试验结果进行了对比分析,研究了侧向卸荷过程对土体抗剪强度指标产生的影响。试验结果表明,经过侧向卸荷过程的土样抗剪强度指标与常规三轴试验结果明显不同,说明卸荷过程对土体的抗剪强度指标具有较大影响。     

浅析真三轴试验研究现状与进展

真三轴试验是研究岩土在三维应力空间中土体变形特性的一重要试验方法,真三轴仪可以施加三个不同方向主应力,其试验结果可以分析在三个不同主应力作用下岩土体的变形和强度特性,能更为准确地模拟岩土体实际受力状态。     

基于真三轴单面卸荷强度双折减法修正D-P准则研究

为了准确地评价巷(隧)道开挖面附近围岩的稳定性,采用真三轴卸荷扰动岩石测试系统对大理岩进行不同主应力加卸载试验,研究大理岩强度参数的演化特征。基于Mohr-Coulomb(M-C)准则与Drucker-Prager(D-P)系列准则匹配关系推导分析,探讨黏聚力c、内摩擦角?和Lode参数值的变化规律,确定最大衰减路径,得出黏聚力c和内摩擦角?的强度双折减系数。研究结果表明:(1)M-C准则和D-P准则计算破坏强度的条件是主应力为对称加卸载,在最小主应力单面卸荷的条件下,其准则计算的破坏强度值偏高;(2)M-C准则通过强度双折减后计算的破坏强度值偏低;(3)基于M-C准则强度双折减法对D-P准则进行修正,计算的破坏强度值更接近实际情况。研究结果对于控制地下工程灾害、保障施工安全具有重要的指导意义。     

水力作用下砂岩三轴卸荷试验及破裂特性研究

高应力、高水压卸荷条件下岩石的非连续性微缺陷演化过程研究对揭示隧道围岩裂纹的起裂孕育、碎胀裂化和峰值破坏,分析围岩稳定性具有重要意义。利用MTS815型程控伺服刚性试验机开展了砂岩在固定围压、不同水压条件下的水力三轴卸荷试验。试验结果表明:岩石变形在卸荷前以压缩为主,变化微小;卸荷后不久开始快速扩容,直至损伤破裂。水力条件下应力–应变曲线上的各个特征应力值比无水压条件下的饱和试样有不同程度地提高,增加了应变能储备,从初始扩容到峰值强度的历时更短,曲线斜率更陡。随着水压的不断增大,各个特征应力值有所减小,表现在起裂条件降低,压缩极限减小,扩容时间提前,表明了砂岩在高水压条件下的脆性特性进一步增强,抵抗变形破坏的能力逐渐降低。通过扩容特征值与扩容点后的体应变关系,求得初始扩容点后的相对扩容应变与变形模量差,建立了多项式回归关系。研究结论揭示了水力作用下砂岩扩容变形行为的强烈性和突发性,可为水–力双场条件下的围岩变形预测及控制提供参考。     

非贯通节理的岩桥弱化力学模型研究

通过非贯通人工节理的直剪试验,对剪切过程中非贯通节理岩桥力学性质弱化的力学机制进行阐述,即在剪切荷载作用下岩桥内部微元发生张拉破坏导致岩桥力学性质弱化,并分析岩桥力学性质弱化区域的发展规律。在此基础上,假定岩桥微元强度服从Weibull分布,以岩桥微元的最小主应力作为岩桥微元强度随机分布变量,建立岩桥力学性质弱化模型,提出岩桥力学性质弱化度参数δ。再根据直剪试验结果,通过类比得到以剪切位移为变量的岩桥弱化力学模型,最后利用该力学模型分析非贯通节理岩桥的弱化度随参数m,u0的变化规律。分析结果表明,该模型能较好地反映剪切过程中岩桥的弱化破坏过程。     

不规则柱状节理岩体常规三轴压缩力学各向异性试验研究

利用3D打印技术制备绿蜡不规则柱状节理网络模型,以白水泥浆作为类岩石模型材料,一次浇筑成型制备具有7种不同倾角的模拟不规则柱状节理岩体试件,通过对其进行常规三轴压缩试验,得到不规则柱状节理岩体强度和变形各向异性规律及其典型破坏模式。试验结果表明：不规则柱状节理岩体偏差应力峰值强度、变形模量和侧向应变比呈现中等～高各向异性,且围压对其各向异性显著程度影响较大;不规则柱状节理岩体典型破坏模式包括沿柱状节理面发生的“Y”型共轭剪切破坏、部分通过柱体,部分通过柱状节理面的劈裂破坏、沿柱状节理面的剪切滑移破坏和沿柱体的压裂破坏四种。在此基础上分析了3D打印绿蜡不规则柱状节理网络对不规则柱状节理岩体力学各向异性的影响。