砂板岩岩体力学特性的水岩耦合试验研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,经过岩体受力状态模拟、无水压岩体力学特性测试、水岩耦合试验等几个阶段试验,对砂板岩岩体力学特性的高空隙水压效应进行了试验研究。结果表明：砂板岩岩体强度与变形性能随水压升高而降低,其中水压对黏聚力c的影响最大,对内摩擦角φ的影响甚微,对变形模量的影响居于二者之间。随着水压升高,岩体的黏聚力c急剧下降,当水压较高时,岩体可能完全丧失黏聚力;随着水压升高,变形模量E₅₀和E₀均有降低,两个参数的变化梯度相差不大。这些成果揭示了砂板岩岩体力学特性的高空隙水压力效应,并建立了主要力学参数预测模型,成果对于解决工程实际问题具有重要的参考价值。     

复杂卸荷路径下饱和粉土剪切特性研究

为研究基坑开挖卸荷路径下土体的力学特征，开展了饱和粉土卸荷路径三轴排水剪切试验，获取了不同应力路径的应力应变曲线，分析了卸荷比、围压和应变水平对割线模量的影响，提出了饱和粉土卸荷模量简化公式。结果表明：不同卸荷应力路径的应力应变曲线均呈应变软化型，卸荷模量随卸荷比的减小、围压的增大而增大。K₀固结侧向卸荷路径(EB)的峰值剪应力高于K₀固结双向卸荷路径(EC、FD)；应力路径对割线模量衰减的影响程度差异显著，K₀固结双向卸荷路径(EC、FD)对割线模量衰减的影响最大。说明基坑坑底土体强度较高，受开挖的影响较小，抗变形能力较大，在基坑工程设计中，应考虑基坑不同区域对应的割线模量。     

考虑应变软化和冻融循环影响的粉质黏土修正双曲线模型

为反映超固结土应力-应变关系在冻融循环下的变化规律,提出一种可以同时考虑应变软化和冻融循环影响的修正双曲线模型。首先,基于Kondner双曲线模型和割线模量定义,通过变换双曲线模型函数得到无量纲化割线模量E_s/E_i与无量纲化偏应力q/q_max关系的基本形式。根据压实粉质黏土的三轴试验结果,将应变软化前、后的E_s/E_i-q/q_max关系分别用幂函数描述,建立了可反映应变软化的修正双曲线模型,包含c、φ、K、n、f、g、α、β等8个参数。然后,通过确定模型参数随冻融循环次数的变化规律来反映冻融循环对土的影响。结果表明：随着冻融循环次数的增加,峰值强度和黏聚力c逐渐减小,内摩擦角φ逐渐增大;初始割线模量E_i逐渐减小,相应地K逐渐减小,n值逐渐增大;f和α反映应变软化时分段函数中割线模量的界限值,分别逐渐增大和减小;g和β反映应变软化前、后的E_s/E_i-q/q_max曲线形状,g...     

基于大型叠环剪切试验的松散土石体强度及变形特性试验研究

松散土石体广泛存在于自然界及实际工程中。以强风化板岩松散碎石料为研究对象,在对松散土石体制样方法成功尝试后,采用大型叠环式剪切试验机对不同相对密度(D_r)及不同干湿状态的松散土石体开展系统力学试验,得到以下主要结论:松散土石体颗粒组构间约束效应及机械咬合弱,其应力–应变曲线无显著峰值,大变形过程主要呈现为颗粒间的滑动摩擦与翻转;对于试验中所选取的3种D_r(0.30,0.35和0.40),干燥状态下松散土石体内摩擦角由D_r=0.30时的13.18°小幅升至D_r=0.40时的13.97°,黏聚力则由6.95 kPa略降至4.90 kPa,湿润和浸水状态下亦呈现此规律,表明相同干湿状态时该松散度区间内土石体强度基本保持稳定;干燥状态松散土石体剪应力峰值显著高于湿润及浸水状态,表现出显著的水敏感性;以D_r=0.40为例,经与常规三轴试验成果对比,凸显了采用叠环式剪切试验研究松散土石体工程特性的优势与适用性。研究初步揭示了松散状态土石体强度及变形特性,其显著的水敏感性可定量解释松散堆积体、松散滑坡等受水的影响而发生大变形或失稳的机制。     

粒状材料临界状态的颗粒级配效应

采用理想颗粒材料（DEM理想球体）、人工颗粒材料（玻璃球）和天然颗粒材料（Hostun砂）,通过数值和室内常规三轴排水试验研究了颗粒材料级配对其应力-应变响应和临界状态的影响规律。试验结果表明：在相同加载初始条件下（e₀ = 0.574,p₀' = 400 kPa）,随着不均匀系数C_u（d₆₀/d₁₀）的增大,试样在q-ε₁平面上从剪胀变为剪缩,在ε_v-ε₁平面上表现出由应变软化转变为应变硬化的特性。通过不同围压下的三轴排水试验,在e-p'和q-p'平面上分别对不同级配的颗粒材料集合体绘制了临界状态线,e-p'平面随着C_u的增大临界状态线往下偏移,而在q-p'平面上临界状态线不随C_u的改变而改变。     

软黏土小应变本构模型参数研究与应用

小应变范围内土体刚度的非线性特性是土体的重要特性之一,合理获取小应变参数对基坑工程周边环境变形分析至关重要。以上海软黏土为例,采集了该地区的典型黏土层((2)～(6)层)的原状土样进行了试验研究,提出了由常规岩土勘察报告提供的压缩模量E_s1-2确定刚度参数E_oed^ref、E₅₀^ref、E_ur^ref及小应变剪切模量G^ref₀的方法,给出了R_f、m、ν_ur、γ_0.7等参数的取值范围,结合勘察报告提供的c′、φ′等强度参数指标,可以合理得到HS-Small模型的全套参数,上述方法及模型参数已被纳入上海市《基坑工程技术标准》。最后,基于该方法确定的小应变模型参数,对上海深隧排水系统云岭西超深竖井基坑进行了三维数值分析,验证了小应变本构模型在超深基坑工程中的适用性。     

基于初始状态参数的砂土峰值摩擦角和极限强度

砂土的排水极限强度和峰值摩擦角具有显著的状态相关特性和各向异性.为构建砂土极限强度和峰值摩擦角与砂土初始状态参数和主应力轴旋转角的联系,首先通过对排水三轴试验和排水空心圆柱扭剪试验的模拟验证了采用的砂土状态相关各向异性本构模型的合理性.然后基于状态相关本构模型的模拟结果,得到三轴排水条件下峰值摩擦角和初始状态参数的关系...     

珊瑚礁砂砾料力学行为与颗粒破碎的试验研究

珊瑚礁砂砾石是中国南海岛礁建设的主要填料,因为特殊的生物成因和多孔隙的颗粒结构,极易产生颗粒破碎。对取自南海某岛礁的珊瑚礁砂砾石填料开展了大型压缩试验、三轴排水剪切试验和三轴不排水剪切试验,研究了压缩指数、杨氏模量、剪胀和强度等基本工程力学指标与颗粒破碎的变化规律。在相同的压缩作用下,疏松试样比密实试样的颗粒破碎程度更大。颗粒破碎程度随着压力的增大而显著增大,导致珊瑚礁砂砾料的压缩模量和杨氏模量随压力的增大增幅不明显,峰值摩擦角和临界状态摩擦角随压力的增高而显著降低。颗粒破碎过程具有明显的应力路径和应力历史依赖性,有无预压作用的相同密度的试样表现出显著不同的压缩特性,相同密度和初始压力的试样在排水和不排水剪切下也表现出明显不同的剪胀和强度特性。峰值摩擦角依赖于应力路径和颗粒破碎的演化过程;临界状态摩擦角与最终的颗粒破碎指标值有较好的相关性,与颗粒破碎的产生过程无关。     

膨胀性泥岩的非线性强度变形特性试验研究

膨胀性泥岩在不同围压下的固结不排水三轴试验的结果表明泥岩的应力应变关系呈应变软化特性,峰值强度、残余强度及残余强度比均随围压的增大而增大.根据应力应变关系的试验结果,分析了膨胀性泥岩的割线模量和发挥内摩擦角,结果表明割线模量和发挥内摩擦角均随围压的变化而变化,且拟合了割线模量和发挥内摩擦角与应变的关系.     

基于超大型三轴仪的堆石料缩尺效应研究

对某一爆破筑坝堆石料开展了试样直径1m(最大粒径为200mm)的超大型和试样直径0.3m(最大粒径为60 mm)的常规大型三轴固结排水剪切试验,研究了平行相似级配条件下最大粒径对应力–应变关系、颗粒破碎、特征应力状态、割线模量及邓肯张E-B模型参数的影响。试验结果表明:(1)大型三轴试验的峰值内摩擦角大于超大型三轴试验,并且峰值应力处的轴向应变小于超大型三轴试验;(2)大型三轴试验的相变应力比大于超大型三轴试验,并且相变处的体变及轴向应变均小于超大型三轴试验;(3)大型三轴试验的颗粒破碎率小于超大型三轴试验,但二者平行粒组的变化规律相同;(4)大型三轴试验在应力水平50%处的割线弹性模量及割线体积模量均大于超大型三轴试验。大型三轴试验的邓肯张E-B模型参数k,kb分别是超大型三轴试验的1.22倍、1.38倍。研究成果可为建立考虑缩尺效应的堆石料本构模型和分析土工构筑物变形提供重要的试验依据。     

不同幅值和频率的交通荷载下黏土变形特性研究

采用GDS空心圆柱扭剪仪对南京河西地区软黏土施加不同循环动应力比(CSR)和不同频率的模拟交通荷载,分析研究土体在交通荷载下的动力特征。试验结果表明:应变曲线随CSR的变化可分为稳定型、临界型和破坏型;在不同频率下,可用频率折减系数对广义剪应变开展进行预测;在较低的CSR(小于0.23)下土体逐渐达到准二次平衡状态,孔压趋于稳定;在较高的CSR下,土体由于结构改变无法达到准二次平衡状态,孔压逐渐上升;不同频率下的孔压变化是由塑性体积应变开展程度和单位时间内塑性体积应变累计“次数”共同作用的;土体的割线弹性(剪切)模量E_d(G_d)与循环正(剪)应变幅值ε_m(γ_m)的关系可以用Hardin-Drnevich模型来描述,发现1/E_d~ε_m或1/G_d~γ_m的斜率与CSR成负线性相关,而频率对土体割线模量几乎没有影响;通过计算土体的总体等效阻尼比,发现土体破坏时其值约为0.018,且该值大小随频率变化影响不大,同时相比于CSR,荷载频率对总体等效阻尼比影响较小。     

考虑应力路径的软黏土小应变特性试验研究

以苏南地区原状软黏土经K₀固结形成的试样为对象,利用配备了弯曲元系统和局部位移测量系统的GDS应力路径三轴测试系统,研究了小应变范围内应力路径转角θ对剪切模量衰减曲线以及阈值剪应变(γ_0.7)的影响。试验结果表明,土体的初始剪切模量G₀值与初始固结应力大小呈正相关关系,并可表示为与孔隙比e、平均有效应力p′相关的函数关系式。土体的剪切模量在10^-6~10^-3的应变范围内随着剪应变的增加而逐渐衰减,并表现出和试验应力路径与近期应力历史间夹角θ的相关性:应力路径对衰减曲线的影响随着应力路径转角θ的增大逐渐增大,当两者完全相反时,其影响最大。在K₀固结条件下,应力路径转角θ对γ_0.7的影响大于初始固结平均有效应力p′,同时γ_0.7值随着应力路径转角θ的增大而逐渐增大。     

粗粒土三轴试样端部约束影响研究

对两种级配的砾石料,分别进行了两种中三轴固结排水剪试验,一种是试样端部采用润滑试样帽法以减轻端部约束对三轴试验的影响;另一种试样则是常规三轴固结排水剪试验,即不采取端部减摩措施。对比分析两种试验的结果,以研究端部约束对三轴试样变形及强度的影响,分析润滑试样帽法对粗粒土试样的端部减摩效果。结果表明:试样在剪切过程中均表现出不同程度的剪胀性,常规三轴试样体积变形比减轻端部约束试样体积变形略小;当试验围压较低时,减轻端部约束对试样偏应力峰值(σ_1-σ_3)_f影响相对显著,而高围压下,润滑试样帽法的减摩作用几乎消失;同样,内摩擦角φ,初始切线模量E_i,割线弹性模量E_1均比常规三轴试验的小;随着围压的不断增大,润滑试样帽法减轻端部约束的效果明显减弱。     

Factors influencing oxygen transfer in fine pore diffused aeration

A bench-scale experiment was conducted in a 701. tank of tap water to examine the effect of four design variables on oxygen transfer in a fine pore diffused aeration system. The experiment used non-steady state gas transfer methodology to examine the effect of air flow rate, air flow rate per diffuser, orifice diameter and reduced tank surface area on the overall oxygen transfer coefficient (K_La₂₀, h⁻¹); standard oxygen transfer rate (OT₂, g O₂ h⁻¹); energy efficiency (E_p, g O₂ kWh⁻¹) and oxygen transfer efficiency (E_o, %). The experiments demonstrated that K_La₂₀ and OT_s increased with air flow rate (9.4–18.8 1 min⁻¹) in the 40 and 140 μ diameter orifice range; however, E_p and E₀ were not affected. Reducing the air flow rate per fine pore diffuser (40 and 140 μ diameter pore size) significantly increased K_La₂₀, OT_s, E_p and E₀. A decrease in orifice diameter from 140 to 40 μ had no effect on K_La₂₀, OT_s, E_p and E₀. A reduction in tank surface area had a marginally significant inverse effect on K_La₂₀ and OT_s, and no effect on E_p and E_o. The mean bubble size produced by the 40 and 140 μ diffusers was 4.0 and 4.2 mm, respectively. There was no consistent effect of air flow rate on bubble size within the range of air flow rates used in this experiment. In clean water aeration applications, the optimum system efficiency will be obtained using the largest number of fine pore diffusers operated at low air flow rates per diffuser. In wastewater treatment plants, higher air flow rates per diffuser should be used to prevent diffuser biofouling and keep biological solids in suspension. Wastewater systems are purposely operated at less than optimum transfer efficiencies in exchange for reduced diffuser maintenance and improved mixing. In either situation, changes in tank surface area and diffuser pore size (provided that pore diameter remains between 40 and 140 μ) are unlikely to have any significant effect on aeration system efficiency.     

稻壳灰水泥固化淤泥土试验研究

为拓宽稻壳灰和淤泥土等固废资源处理途径,基于传统水泥固化处理方法,提出稻壳灰-水泥固化处理淤泥土技术。通过室内击实、无侧限抗压强度(UCS)和电镜扫描(SEM)试验,分析稻壳灰-水泥土强度特性及微观机理。结果表明:稻壳灰对淤泥固化土强度增强效果显著,并且15%稻壳灰+8%水泥掺量效果最佳,稻壳灰加入显著提高淤泥固化土韧性,其破坏应变在3%~5%左右,变形系数E₅₀与抗压强度近似呈线性递增关系,E₅₀可取(19~50)q_u。微观分析表明:水化硅酸钙生成是稻壳灰-水泥固化淤泥强度提高的主要来源,其填充孔隙、胶结作用使土体更加密实,提高强度。基于试验结果,提出了稻壳灰-水泥固化淤泥微观演变机制分析模型。     

砂岩单轴压缩本构数值模拟影响因素研究

基于虚内键模型,提出虚内键密度演化函数,将虚内键思想引入到砂岩单轴压缩本构研究中;并选用Weibull分布赋予岩石内部细观单元非均质性,研究了模型特征参数c₁、c₂、模型单元数量以及非均质系数m对模拟结果的影响。研究表明:c₁、c₂不会改变岩石模型的弹性模量,c₁越小应力-应变曲线越“高大”,c₂越大应力峰值越大,且峰后曲线更加陡峭;单元数量越多,模型破坏特征与试验值越接近;非均质系数m越大,模型弹性模量越大,且应力峰值越大。通过对影响因素的合理控制,虚内键模型可以很好地模拟砂岩单轴压缩应力-应变过程。     

Anelastic strain recovery compliance of rocks and its application to in situ stress measurement

Laboratory experiments were performed under uniaxial compression for seven rocks, to measure anelastic strain recovery (ASR) compliance in volumetric and shear modes. Together with previous experiments in uniaxial, hydrostatic and triaxial compression, the effects of both the rock type and the magnitude of stress on ASR compliance in both modes were analyzed, with particular focus on long-term ASR compliances resulting in ultimate values of J_aV2f and J_aS2f in volumetric and shear modes, respectively. The results showed that the values of J_aV2f and J_aS2f obtained in uniaxial compression at 50% of the uniaxial compressive strength can be approximately determined by the tangential Young's modulus at 50% of the uniaxial compressive strength (E₅₀). The ratio J_aV2f/J_aS2f obtained in uniaxial compression at 50% of the uniaxial compressive strength converges within a narrow range at a sufficient elapsed time for all of the rocks used in this study, whereas the long-term ASR compliances in both modes are not a similar function of time. The ratio J_aV2f/J_aS2f significantly decreases with the mean normal stress since J_aV2f decreases and J_aS2f increases as the mean normal stress increases. Thus, a method is suggested for determining the approximate magnitudes of principal stresses without referring to ASR compliance but rather by considering the effect of the mean normal stress on long-term ASR compliance. This method was verified by applying it to experimental data. Furthermore, a method is proposed for determining the applicability of the ASR method prior to its application in the field by using the depth and the value of E₅₀.     

碱处理红黏土应力应变关系研究

以碱处理前、后红黏土在CTC(增p)、TC(等p)、RTC(减p)三种模拟工况下的三轴试验数据为基础,结合邓肯-张模型和广义强度发挥面理论(Extend SMP)研究土样的应力应变关系.结果表明,基于邓肯-张模型,碱处理前、后红黏土试样的ε1/(σ1-σ3)～ε1关系曲线并不是简单的线性关系,简单邓肯-张模型下分析的红...     

粗粒土在平面应变条件下的强度特性研究

使用河海大学新型真三轴仪,对粗粒土分别进行σ₃ 保持不变的等σ₃平面应变试验和 b =0 （即常规三轴压缩）、 b =0.25 的等σ₃等b[b=(σ₂ -σ₃)/(σ₁ -σ₃)]试验,研究了粗粒土在平面应变条件下的应力路径、破坏时的中主应力系数、内摩擦角及破坏应力比的特点。试验结果表明,等 σ₃平面应变试验的应力路径介于 b =0 与 b =0.25 的等σ₃ 等b[b=(σ₂ -σ₃)/(σ₁ -σ₃)] 试验之间 ; 粗粒土在 平面应变条件下 破坏时的中主应力系数 b 介于 0.15 ～ 0.2 之间;粗粒土在平面应变条件下的内摩擦角比常 规三轴压缩条件下的大 5% ～ 7% ,而破坏应力比则比常规三轴压缩条件下的小 13% ～ 18% 。最后提出一个 由粗粒土常规三轴压缩试验测得的内摩擦角 φ _tc 求平面应变条件下的破坏应力比 M _fp 的计算公式 M _fp =2.3sin φ _tc ,可较好地模拟试验结果。