梯度应力作用下不同中主应力对岩爆影响的模型试验研究

为探究围岩切向应力梯度加载过程中不同中主应力对岩爆孕育及破坏的影响,借助自主研发的气液复合加载装置,开展类岩石材料模型试件在3种不同中主应力条件下的真三轴岩爆模拟试验。试验过程利用高速摄像机与声发射监测系统进行监测,对比分析各试件岩爆宏观破坏差异与声发射参数演化规律。研究结果表明:随中主应力增大,试件破坏荷载增大,岩爆破坏瞬时突发性增强,岩爆碎屑总质量及各粒径碎屑质量增加,试件破坏规模越大。加载前、中期高中主应力条件下试件的声发射活动减弱,表明高中主应力条件抑制了试件损伤与裂隙发育;加载后期高中主应力条件下试件的声发射振铃计数与能量释放愈发集中且能量峰值与累计值提高,声发射b值骤降至更低水平,高主频幅值点占比增加,表明高中主应力条件加剧了试件损伤与裂隙发育,大尺度裂纹及剪切裂纹数目增多,岩爆瞬间能量释放更猛烈,致使试件破坏更严重,岩爆剧烈程度更高。

中主应力对输电线路地基土强度影响研究

在静动荷载联合作用下,输电线路地基土所受到的应力路径十分复杂,同时在不同的输电线路路基上外界荷载或地形等因素也会对土体强度产生影响。为研究应力路径对土体的强度影响,文章采用空心圆柱扭剪仪(HCA)进行了一系列控制中主应力系数的定向剪切单元体试验。通过施加轴力和扭转模拟现实中的复杂路径,控制围压和中主应力系数b模拟现实中的复杂荷载情况,借此研究了不同中主应力系数和剪切角度对砂土的沉降和剪切强度的影响。研究表明:砂土的轴向破坏应力随角度的增大而减小;破坏广义剪应力随角度的增大而减小,并表现出明显的硬化;砂土的破坏广义剪应力与b值呈现负相关。

考虑中主应力变化的原状黄土变形特性研究

为研究在高围压条件下考虑中主应力变化的原状黄土变形特性,利用西安理工大学真三轴仪对原状黄土进行了控制固结围压和中主应力b值的等b等p(p为球应力)剪切试验,试验给出了高围压条件下各主应变之间的关系,得到了不同高围压条件下的破坏应变与不同b值阶段的影响规律。结果表明:高围压条件下,所有b值阶段的ε3均为膨胀变形;b=0.2为中主应变变形临界点,0≤b<0.2为中主应变膨胀变形,0.2<b≤1.0为中主应变压缩变形。在高围压状态下,b值对应变的影响要远远大于围压对应变的影响。将b值增量对应变的影响程度定义为b值敏感度K(ε),中主应变的b值敏感度K(ε_(2))、小主应变的b值敏感度K(ε_(3))和广义应变的b值敏感度K(ε_(s))在b值为0~0.7之间均增长,0.7~0.9之间受b值变化影响减弱,0.9~1.0受b值变化影响最大。K(ε_(v))基本在0~5范围内,说明在不同中主应力阶段破坏体应变受b值变化的影响程度较小。

主应力轴旋转下中主应力系数对重塑盐渍土变形特性的研究

为研究三维复杂应力状态下重塑盐渍土变形和强度的影响,采用空心圆柱扭剪仪对重塑盐渍土开展定向剪切和主应力轴往复旋转后定向剪切两种应力路径下的研究,分析八面体剪应力—剪应变的发展以及各应变分量和强度的变化规律。研究结果表明:不同中主应力系数下,经历主应力轴往复旋转后剪切时试样破坏需要的剪应力比定向剪切需要的剪应力小,定向剪切时,随着中主应力系数的增大,八面体剪应变随着八面体剪应力的增大而减小,而主应力轴往复旋转后定向剪切时,八面体剪应变随着中主应力系数的增大呈现先增大后减小的趋势;定向剪切应力路径下试样破坏时不同中主应力系数下的轴向应变、径向应变和环向应变均达到或超过4%,而主应力轴往复旋转下中主应力系数对轴向应变、径向应变和环向应变的影响不明显;定向剪切时的整体强度要高于主应力轴往复旋转后定向剪切的强度。

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。

考虑中主应力的常用破坏准则适用性研究

针对岩土工程中常用的考虑中主应力效应的5种破坏准则,推导各准则考虑中主应力影响的内摩擦角表达式,建立真三轴应力下内摩擦角与中主应力系数的关系,探讨中主应力的影响规律。与砾石料、密砂和黄土3种材料的真三轴试验结果进行比较,并采用标准差量化方法,探讨各准则对中主应力的反映程度及其适用性。研究结果表明:5种破坏准则均不同程度地反映中主应力效应,Drucker-Prager准则计算拟合效果较差,修正Lade-Duncan准则拟合效果较好,其余3个准则拟合程度相当,对于不同的材料应选用不同的破坏准则。

中主应力对饱和松砂不排水单调剪切特性的影响

利用土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪,针对相对密度为30%的福建标准砂,在不排水条件下控制主应力方向、中主应力系数、平均主应力保持不变,进行了单调剪切试验。以此着重探讨了中主应力系数对相变有效内摩擦角、峰值有效内摩擦角及有效应力路径的影响。研究表明,中主应力系数对在不排水单调剪切条件下饱和松砂的强度参数具有显著的影响,而对有效应力路径及应力-应变关系发展模式影响较小。基于广义双剪强度准则,从理论上探讨了土的强度参数对于中主应力的依赖性,并与试验结果进行了对比。

中主应力系数对应力主轴循环旋转条件下砂土变形特性的影响

采用香港科技大学的空心圆柱扭剪仪对日本标准丰浦砂进行了四个系列、每个系列包含中主应力系数b=0.1,0.5和1.0三种不同情况的纯应力主轴循环旋转排水试验,即试验过程中控制作用在砂样上的有效主应力的幅值不变,仅应力主轴在0°～180°循环旋转。试验发现中主应力系数b对应力主轴循环旋转条件下砂土的变形特性有显著影响,着重分析了这一参数对纯应力主轴循环旋转条件下砂土的应变分量和体应变的发展、剪应力剪应变关系曲线及流动规律等变形特性的影响。

中主应力对砾石料变形和强度的影响

对砾石料进行了σ3不变,σ1和σ2等比例同时加载的等b试验,分别研究了中主应力对大、中、小主应变及强度的影响规律。将Mohr-Coulomb准则、Lade-Duncan准则、Matsuoka-Nakai准则和方开泽准则与砾石料的真三轴试验结果进行比较,发现Matsuoka-Nakai准则和方开泽准则反映的内摩擦角与b的关系与试验得到的规律差别较大,Lade-Duncan准则反映的规律与试验结果最接近,但数值上高估了b对内摩擦角的影响。因此,建议了一个破坏准则,推导了该准则的内摩擦角与b的关系式,并用几组真三轴试验结果进行验证,表明本文建议的准则比Lade-Duncan准则、Matsuoka-Nakai准则更准确地反映砾石料的内摩擦角与b的关系。

考虑中主应力和剪胀的深埋圆形隧道黏弹塑性蠕变解

深埋圆形隧道的开挖支护是与时间相关的复杂力学过程。为了描述这一过程,假设隧道围岩为Burgers体与Drucker-Prager准则组合的黏弹塑性模型。隧道开挖支护完成瞬时围岩表现为弹塑性,此时考虑中主应力的影响,推导出原岩应力和支护反力共同作用下的应力场;随后,假设此应力场保持不变,隧道围岩表现出随时间变化的蠕变性能,进一步推导出深埋圆形隧道考虑剪胀性能的围岩蠕变位移解析式;结合实际算例,分析围岩剪胀角与支护反力对深埋圆形隧道围岩蠕变位移的影响规律。结果表明,剪胀角的变化会对隧道围岩蠕变位移产生较大影响,而支护反力并不能完全控制高地应力作用下的深埋隧道围岩位移随时间的持续增加。

中主应力对砂土抗剪强度影响的分析

土的抗剪强度参数一般通过三轴压缩试验确定。而三轴压缩试验中土的应力状态是轴对称的,这往往与实际工程中土体的受力情况不相同。因此,探讨一般应力条件下与三轴应力条件下强度指标之间的相互关系是至关重要的。基于砂土的空间滑动面强度准则即SMP准则,针对不同中主应力系数,通过数值分析探讨了中主应力系数对砂土抗剪强度指标的影响。分析结果表明,中主应力对土的抗剪强度指标具有显著的影响,一般地在平面应变条件下这种影响最大。

平面应变条件下M-C材料屈服时的中主应力公式

基于Mohr-Coulomb准则,通过引入罗德角参数及Mohr-Coulomb准则平面应变等效广义Mises准则,推导了平面应变条件下材料屈服时的中主应力公式,并给出其与基于SMP准则(Spatial Mobiliaztion Piane)的平面应变中主应力公式之间的关系式。对平面应变条件下的条形地基进行了有限元数值模拟,计算结果验证了所推导的平面应变条件下M-C材料屈服时的中主应力公式的正确性,其公式为岩土体的强度和变形分析、中主应力的强度效应的进一步研究,以及Mohr-Coulomb准则的修正提供了有力的基础。

中主应力系数和主应力方向对原状黏土各向异性的影响研究

针对当前土体各向异性影响因素的研究比较缺乏,且研究对象多为无黏性土的现状,采用空心圆柱扭剪仪对中主应力系数和主应力方向变化情况下的杭州典型原状黏土的各向异性进行研究。试验结果表明:剪切过程中,中主应力系数b的取值对原状黏土的各向异性有显著影响,而主应力作用方向对原状黏土的各向异性无明显影响。b=0时,原状黏土沿沉积方向呈横观各向同性。b=0.5时,无论主应力作用方向如何,原状黏土试样的各向异性在应变上表现为轴向应变与切向应变大小相等、方向相反,体积应变始终等于第二主应变;当主应力轴偏转角较小时,试样破坏时表现出明显的剪胀性和应变软化现象,随着主应力轴的偏转角增大,试样在破坏时开始表现出明显的剪缩性,应变软化现象也逐渐消失,而b=0时则没有这样的特点。另外试验结果还表明,原状黏土在沉积方向上的压缩性最低,而与沉积方向成50°方向的压缩性最高。

偏应力比及中主应力系数对应力主轴偏转条件下干砂变形特性的影响

采用同济大学的动态空心圆柱扭剪仪对福建标准砂干样进行了两个系列主应力轴单向旋转试验,研究了偏应力比与中主应力系数对主应力轴旋转条件下干砂变形特性及非共轴特性的影响。系列I保持平均应力和中主应力系数不变,进行不同偏应力比下的旋转试验;系列II保持平均应力和偏应力不变,进行改变中主应力系数的主应力轴旋转试验。结果表明:偏应力比与中主应力系数对干砂变形特性均有显著的影响。

中主应力对砂土强度影响的细观机制研究

基于简化的颗粒单元体模型,分析总结了颗粒单元体的基本特点,针对中主应力对砂土强度的影响,重点分析了颗粒单元体之间的相互影响特点。对以往的真三轴试验结果进行了总结,得到了中主应力对砂土强度影响的规律,结合颗粒单元体的两种基本状态及其特点、大孔隙与颗粒单元体结构孔隙的特点以及颗粒单元体间相互影响的特点,揭示了中主应力对砂土强度影响规律的细观物理机制。这些规律包括:松砂的强度随着中主应力的增大是逐渐提高的;密砂随中主应力的增大,强度先提高,当中主应力接近大主应力时,却引起强度的降低;砂土越密实,强度平台段越长;在中主应力接近小主应力阶段,强度随中主应力的增大而提高的快慢与砂土的密实程度有关。

平面应变状态下粘性土破坏时的中主应力公式

从平面应变状态下破坏时金属和无粘性土的中主应力公式出发,针对粘性土提出在破坏状态下中主应力s2使(s1-s2)莫尔圆和(s2-s3)莫尔圆有相同的摩擦发挥度和粘性发挥度。首先,推导出了粘性土的中主应力公式,当c,j分别取0时,公式分别退化成金属和无粘性土的形式,然后,得到了平面应变和三轴压缩两种应力状态下强度指标的关系。

初始中主应力系数对中密粉煤灰动模量阻尼比影响的试验研究

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,开展了在三向非均等固结状态下的饱和中密粉煤灰循环扭剪试验。着重探讨了初始中主应力系数对饱和中密粉煤灰的动模量和阻尼比特性的影响。试验结果表明:初始中主应力系数对粉煤灰动剪切模量有一定的影响,对阻尼比没有影响。根据仪器量测系统的特点,采用了大小位移计联合测量角位移的方法,不仅能够提高测试精度,而且能够获得完整的动模量和阻尼比随动剪应变幅值的变化过程。

中主应力与大主应力方向角对软黏土排水变形特性影响

为研究中主应力系数和大主应力方向角对各向异性软黏土变形特性的影响,利用GDS空心圆柱扭剪仪对温州原状软黏土进行了一系列不同中主应力系数和大主应力方向角的排水定向剪切试验。试验过程中在大主应力方向角和中主应力系数不变的条件下,逐渐增加剪应力直至试样破坏。分析了中主应力系数和大主应力方向角对温州原状土偏应力与大主应变关系、体应变、中主应变和小主应变与大主应变关系的影响。试验结果表明:试样的应力-应变关系在中主应力系数和大主应力方向角不同时表现出明显的各向异性。当中主应力系数为0.00和1.00时,大主应力方向角对应力-应变关系的影响较小;而当中主应力系数为0.50时,应力-应变关系中的割线剪切模量随大主应力方向角变化明显。当大主应力方向角为30°时,随着中主应力系数从0.00增加到0.50,中主应变由压缩状态变为拉伸状态;当大主应力方向角为45°时,随着中主应力系数从0.00增加到1.00,中主应变由压缩状态变为拉伸状态。

中主应力系数对岩石强度准则的影响

为揭示真三轴条件下的岩石强度,基于Mohr-Coulomb准则、Hoek-Brown准则、Drucker-Prager准则、Mogi-Coulomb准则、统一强度理论等不同本构模型,引入中主应力系数β,推导不同强度准则关于β的计算公式;结合Mogi对Dunham白云岩试样的试验结果,将该问题等效为不同本构模型在β变化下的比选问题。研究结果表明:随着β增加,当σ_3较小时,统一强度理论比较适用,在统一强度理论计算峰值与试验峰值之间Mogi-Coulomb准则和Hoek-Brown准则比较适合;当σ_3较大时,Mogi-Coulomb准则失效,Hoek-Brown准则较为安全;采用统一强度理论在岩石强度峰值之后能较好地拟合试验曲线;Drucker-Prager外接圆准则主要适用于一般三轴条件下或β较小情况下的计算。

考虑中主应力后对隧道围岩稳定性的影响

在分析中主应力对隧道围岩强度影响的基础上，采用FLAC3。有限差分元软件，建立考虑中主应力的岩体强度准则本构模型，并同摩尔库伦准则相比较，研究考虑中主应力后对隧道围岩稳定性的影响。结果表明：考虑中主应力后，计算得到的岩体强度较不考虑时显著增加，当中主应力大于等于岩体抗压强度时，围岩强度提高75％-200％；若围岩服从摩尔库伦准则，则在一定数值范围内，中主应力不影响隧道中围岩的应力分布，且对拱顶沉降及塑性区也几乎没有影响；若围岩服从考虑中主应力的岩体强度准则，则随着中主应力的逐渐增大，围岩强度逐渐增大，拱顶沉降、开挖扰动范围和塑性区半径均逐渐减小。因此，在隧道侧向应力较大时，采用考虑中主应力的岩体强度准则进行数值模拟，更能准确地反应围岩的稳定性。