温度对水工沥青混凝土强度及剪胀特性的影响试验研究

为了解温度变化对沥青混凝土强度及剪胀特性的影响,开展了-1、5、10、15℃下的沥青混凝土三轴剪切试验。试验结果表明:沥青混凝土的强度变形特性与温度有密切关系,负温时,表现出明显的应变软化和剪胀性,随着温度的升高,应力-应变曲线转变为应变硬化型,且剪胀性减弱;沥青混凝土抗剪强度随温度升高而减小,且黏聚力的降低幅度明显大于内摩擦角,当温度从-1℃升高到15℃时,内摩擦角减小了4.7°,而黏聚力由1.11 MPa减小到0.28 MPa;沥青混凝土剪胀角随轴向应变增大而增大,并趋于稳定,两者关系可采用双曲线函数进行拟合;双曲线模型参数与温度有较好的相关性,可进一步考虑剪胀角随温度的变化情况。研究成果可为沥青混凝土的热-力耦合本构模型建立提供参考。

考虑渗流和剪胀特性的Z-P准则及巷道稳定性分析

在地下工程结构中,渗流和剪胀特性严重影响了巷道的稳定性。为了研究渗流和剪胀特性下巷道围岩的稳定性,基于Zienkiewicz-Pande准则和弹塑性理论,分析了受渗透水压力作用下的巷道围岩弹塑性解;推导了渗透水压力作用下的巷道围岩塑性区半径、位移和应力分布的解析解;分析了中间主应力和剪胀角对巷道围岩塑性区的影响规律。结果表明:基于Z-P准则的塑性区半径、位移和围岩应力公式能够很好地反应规律;随着中间主应力的增大,塑性区半径、位移和弹性区应力先减小后增大,塑性区应力先增大后减小;渗流作用下的塑性区半径和位移显著增加;围岩的剪胀特性对巷道应力分布和塑性区半径影响较小,但对位移分布有显著影响,随着剪胀角的增加,塑性区位移逐渐提高。

堆石体在真三轴应力状态下的非共轴性与剪胀特性

基于连续-离散耦合分析方法,发展随机颗粒不连续变形分析方法。采用不规则多面体模拟实际堆石颗粒,制备初始各向同性的堆石料数值试样,进行等平均静水压力p、等中主应力系数b应力路径的真三轴数值试验。分析堆石料在真三轴应力状态下的剪胀特性,以及应变增量与应力增量的非共轴性。研究结果表明:刚开始加载时,应变增量与应力增量共轴,随着加载的进行,应变增量的方向发生偏转,偏转量与中主应力系数b有关,在三轴压缩应力路径(b=0)和三轴拉伸应力路径(b=1)时,几乎不发生偏转;对比Rowe,Roscoe,改进的Roscoe以及Lagioia剪胀模型,改进的Roscoe剪胀模型预测的剪胀曲线与数值试验结果较吻合,在改进的Roscoe剪胀模型上引入1个角隅函数,以反映中主应力对剪胀特性的影响。

高速铁路路基粗粒土B组填料剪胀特性的大型三轴试验研究

采用大型三轴试验剪切仪，对高速铁路路基粗粒土 B 组填料的剪胀特性进行试验研究。结果表明：围压和粗粒含量对粗粒土 B 组填料的剪胀性有显著影响，整体表现为粗粒含量低或围压高时剪缩，粗粒含量高且围压低时先剪缩后剪胀；当围压小于200 kPa，粗粒含量大于49．31％时，粗粒土 B 组填料存在明显的剪胀趋势，且围压越低、粗粒含量越高，剪胀时轴向应变越小。验证了轴向应变ε21与侧向应变ε3的二次函数对粗粒土 B 组填料的适应性，并在此基础上根据试验结果建立粗粒土 B 组填料关于粗粒含量、围压的剪胀判据方程。ROWE 剪胀方程能很好地反映粗粒土 B 组填料剪胀特性，参数K 可取7～12。

紫坪铺混凝土面板堆石坝地震剪胀特性探讨

为判断混凝土面板堆石坝地震后体积剪胀或剪缩问题,基于紫坪铺混凝土面板堆石坝汶川地震前后坝体若干测点的实测数据,根据4个节点构成的单元面积进行变形统计分析,对坝体单元的剪胀剪缩特性进行了探讨。分析了断面D0+251和D0+371的水平位移、竖直位移及各单元的面积变化,得到混凝土面板堆石坝地震变形规律为坝体断面缩小、坝体边坡向内部收缩,尤以最大断面附近收缩较为明显,且随坝体高程降低收缩量减小;坝体不同部位单元面积的变化与其所处位置和周围的应力状态相关,坝体整体上各个单元面积减小,而处于坝顶附近和边缘的个别单元由于顶部面板脱空和单元面积剪胀引起面积增大,从而为今后的施工设计和计算校核提供了依据。

基于大型直剪试验的强风化粗粒料剪胀特性试验研究

剪胀性是岩土材料的重要特性之一,为研究不同工况条件下粗粒料室内大型直剪试验中的剪胀特性,采用新型室内大型直剪仪对3组不同含水率、4组不同剪切速率、5组不同含砾率等3种不同影响因素的试样进行了室内大型直剪试验,分析了剪切时试样的垂直位移与水平剪切位移及垂直应力的关系。试验结果表明:在保持其他影响因素相同条件下,垂直应力的增加导致相同水平剪切位移对应的剪缩量增加;试样的最大剪缩量随着含水率的增加有一定程度的增大,而随着剪切速率的增加而减小;含砾率低于30%试样的最大剪缩量较含砾超过于30%试样的剪缩量大很多,最大剪缩量差别为3倍。当试样含砾率小于50%时,由于试样中富含细颗粒的影响,使得应力-应变曲线具有应变软化属性以及剪胀性趋于一固定值。峰值强度前的应力比-位移增量关系采用非线性的二次项拟合比线性关系的拟合度更好,认为Matsuoka提出的二维剪胀公式不适用于粗粒料,将其修正成二次多项式并给出试验中的经验参数μ的取值区间。

基于可破碎离散元法的堆石料应力变形及剪胀特性缩尺效应研究

缩尺效应对堆石料应力变形及剪胀特性有显著的影响,当前对其缩尺规律已有诸多认识,但缩尺机理仍不清晰。为进一步揭示堆石料缩尺效应产生机理,基于可破碎离散元法,通过开展不同尺寸试样的数值三轴剪切试验,探讨堆石料力学变形缩尺规律,并从宏、细观层面深入分析试样剪胀特性的缩尺规律,揭示其产生的细观机理。研究表明:试样尺寸越大,抗剪强度越低,剪缩性越强,且试验围压越高,这一现象越显著;采用相似级配法缩尺得到的不同尺寸试样初始承力结构相似,但尺寸越大的试样其承力结构越稀疏;试样尺寸越大,各粒径组有效配位数分布的降低程度减弱,且围压越大时越明显;各粒径组有效配位数分布的演化与试样颗粒破碎率成正相关,试样颗粒破碎率越大,各粒径组有效配位数分布上抬越多;不同尺寸试样间各粒径组有效配位数分布差演化的差异是试样剪胀特性缩尺规律产生的细观机理之一。

考虑应力路径和颗粒破碎影响的钙质砂剪胀特性及剪胀方程研究

钙质砂的剪胀特性受应力路径和颗粒破碎的共同影响。为了探讨钙质砂在不同应力路径下的剪胀特性,进行了一系列不同固结压力和应力路径组合的排水三轴压缩试验。结果表明:应力路径和颗粒破碎对钙质砂的剪胀特性有重要影响。不同应力路径下钙质砂的剪胀比与应力比的关系存在显著差异。相同应力比下的剪胀比,等围压试验的最大,等轴向应力试验的最小,等平均主应力试验的居中。峰值应力比对应的剪胀比随峰值应力比的增大而减小且为线性关系,随颗粒相对破碎率的增大而增大并近似呈幂函数关系,应力路径对这些关系的影响不大。忽略应变软化阶段的剪胀比与应力比相关的参数大致呈线性关系,其直线斜率与应力路径和固结压力相关。基于试验结果,提出了一种与应力路径和颗粒破碎相关的剪胀方程并进行了试验验证,显示出剪胀方程对不同类型的粒状土均具有较好的适应性。

土工袋袋内土体强度与剪胀特性研究

为分析土工袋袋内土体强度与剪胀特性,将土工袋看作一种加筋土,尝试采用常规加筋土"等效围压理论"解释土工袋加固原理,在此基础上研究编织袋张力对袋内土体强度和剪胀特性的影响,并通过离散单元法建立了土工袋双轴数值模型对理论结果进行验证。结果表明,编织袋张力提高了袋内土体强度,其强度提高值在平均应力与剪应力平面表示为一附加截距;经编织袋加固后的土体剪缩现象更为明显。

西藏旁多水利枢纽坝基和坝壳砂砾石料的应力应变及剪胀特性研究

本文根据西藏旁多工程坝基砂砾石料和坝壳砂砾石料的三轴剪切试验成果,分析了砂砾石料的应力应变特性及坝壳料的剪胀性,并对坝壳砂砾石料的施工提出建议。

基于物质点法考虑剪胀特性的土质边坡稳定性分析

自然界中的土体其体积变形往往具有剪胀特性,为了探究土体的剪胀特性对土质边坡稳定性的影响,采用物质点法模拟了具有不同剪胀角大小的土质边坡的滑动破坏全过程。计算结果表明,随着土体剪胀角的逐渐增大,土质边坡的滑动破坏区域逐渐减小,并且其最终的滑动距离也相应地减小,表明增大土体的剪胀角能够有效地提高土质边坡的稳定性,在实际工程应用中具有一定的指导意义。最后初步探究了采用最终滑动距离作为土质边坡稳定性指标的补充的可行性。

颗粒破碎对砂土剪胀特性和强度特性影响的试验研究

为了研究颗粒破碎对砂土剪胀特性和强度特性影响,利用三轴试验系统对不同围压作用下的钙质砂和石英砂进行了一系列的三轴试验,对比研究了石英砂和钙质砂的剪胀特性和强度特性。结果表明:钙质砂的破碎率随着围压增大而增大,两种砂土的应力-应变曲线都表现出应变软化现象。钙质砂和石英砂均表现为先剪缩、后剪胀,且钙质砂的剪胀性强于石英砂。钙质砂和石英砂的峰值摩擦角和剪胀角随着围压的增大而减小。相同围压下,钙质砂的峰值摩擦角大于石英砂。钙质砂的临界摩擦角大于石英砂,二者不随围压变化而变化。构建了考虑颗粒破碎影响的剪胀方程,能够较好地描述钙质砂在应变硬化阶段的剪胀特性。

考虑剪胀特性和峰后形态的岩石损伤本构模型

考虑受载岩石损伤破坏过程中的剪胀扩容特性,基于统计损伤理论建立一种新型三维损伤本构模型,并推导三轴与常规三轴压缩下模型的解析解。该模型认为岩石由未损伤部分和损伤部分组成,二者共同承担外部荷载;其中,未损伤部分只发生弹性变形;而损伤部分同时发生弹、塑性变形,变形规律受残余强度和剪胀角影响。针对加载过程中不同种类岩石表现出的不同应力–应变曲线峰后形态,将指数函数形式的修正系数R引入Weibull分布函数,并基于Mohr-Coulomb准则构建微元强度函数,建立考虑峰后形态的损伤演化方程。模型参数F_(0),m可由三轴压缩试验曲线的峰值特征获得,而参数k由曲线的峰后形态决定并能够衡量岩石脆性的强弱。适用性验证表明,新建统计损伤本构模型的理论计算结果与含砾粗砂岩、粉砂岩、Ohya stone的常规三轴压缩试验结果相吻合,能够准确地描述岩石破坏过程中的应变软化、剪胀特性、残余强度与弹塑性应变演化规律,并能准确反应真三轴条件下岩石各向异性变形特征;同时该模型揭示了加载过程中岩石黏结抗力弱化、摩擦抗力强化现象的损伤力学机制。

基于直剪试验的金坛盐岩力学特性研究

采用RMT-150C试验机对江苏金坛拟建储气库埋深段盐岩试样进行一系列直剪试验研究。将盐岩作为多晶聚合体考虑,深入分析试验过程中的剪切应力、剪切变形、剪胀以及破坏特性。试验结果表明:盐岩剪切破坏是一种延性破坏,盐岩剪切峰值对应的剪切位移一般为4～6 mm,个别试样可达7～8 mm,且整个剪切应力-剪切位移曲线都较平缓,剪切峰值不明显,这主要是由于局部位错交替导致的;得到盐岩抗剪强度参数c,?值分别为3.16 MPa,44.7°;发现残余强度基本上与法向应力呈正比例关系,且残余应力较大,约为峰值应力的50%～80%,表明盐岩摩擦承载能力较强;盐岩剪胀终止发生在峰值应力之后、残余应力之前,且在较大法向应力作用下剪胀起始应力与剪胀终止应力接近;盐岩的剪切破坏位置不是一个面,而是一个破碎带,破碎带上下一定范围内有不同程度损伤;表面局部有明显擦痕,类似于摩擦学的"犁沟效应",有利于提高其抗剪能力。试验研究成果对深入理解金坛盐岩破坏机制及地下盐岩储气库稳定性研究具有一定的参考价值。

黄土-三趾马红土滑坡滑带土剪切力学特性影响因素

中国西北地区黄土广泛沉积于三趾马红土之上形成"双层异质"接触层面,控制和影响黄土滑坡的形成。为研究黄土-三趾马红土界面剪切力学特性,研制可视化界面直剪仪,开展界面试样剪切试验,探讨齿面角度、含水率、干密度对其剪切破坏模式、强度与变形特性影响规律。结果表明:试样均沿界面产生剪切破坏,试样剪切破坏模式可分为齿间滑动、齿间滑动-齿面剪断、齿面剪断3种;界面试样剪切应力-位移曲线呈应变软化型,峰值强度后应变"跳跃"及"塑态"特征反映出界面的脆性与塑性剪断破坏特征,剪切刚度、剪切破坏位移演化规律均受界面接触条件影响;界面剪切过程存在明显剪胀效应,剪胀位移演化规律反映了剪切过程的齿面挤密、齿间滑动、齿面剪断与界面摩擦阶段;界面试样强度随界面接触条件均呈非线性变化,齿面角度越大,峰值强度与残余强度越高,试样剪切破坏模式越趋于脆性齿面剪断;含水率越高,界面峰值强度越低,试样剪切破坏模式越趋于塑性齿面剪断;界面试样干密度越大,峰值强度越大,残余强度越低,试样剪切破坏模式越趋于脆性的齿间滑动-齿面剪断。研究成果可为进一步研究黄土-三趾马红土界面强度准则,揭示黄土-三趾马红土复合型滑坡启动机制提供参考。

适用于黏土的分数阶应力诱导剪胀方程

建立了适用于黏性土的分数阶下加载面模型,该模型所采用的分数阶塑性流动法则能够在不引入塑性势函数的情况考虑塑性流动方向与土体物理屈服面之间的非正交特性,进而统一地描述相关联和非相关联塑性流动法则。基于该流动法则可以得到一个新的应力诱导分数阶剪胀方程以考虑超固结比对黏性土剪胀特性的影响。理论分析结果表明,在相同的应力水平下,土体剪胀量会随着超固结比增大而逐渐减小。相比较修正剑桥模型,该文模型仅额外地引入一个与土体剪胀特性相关的模型参数,并且能够对超固结黏土的应变软化和剪胀特性进行合理的描述。模型计算结果与试验结果对比分析结果表明,该文模型能够准确地描述黏性土在超固结状态下的应力-应变响应和剪胀特性。

不同应力路径条件下的砂土剪切特性试验研究

为了探讨不同应力路径条件下的砂土剪切特性，进行了8种不同应力路径的单调剪切试验。试验结果表明，在不同剪切路径条件下，砂土的剪切特性明显不同。即在压缩条件下的剪胀特性明显大于拉伸条件下的剪胀特性，而同样的压缩路径，减压压缩路径下的剪胀特性最显著，增压剪切路径下的剪胀特性最小，常规压缩路径下的剪胀特性在其中间。且相对于均等固结，在偏压固结条件下表现出更显著的剪胀特性。在不同剪切路径条件下，砂土所发挥的最大内摩擦角也有所不同，即在三轴拉伸条件下所发挥的内摩擦角普遍比三轴压缩条件下的内摩擦角大3°-4°，而在相同的压缩或拉伸条件下，内摩擦角以及临界状态应力比基本一致，与加载路径无关。

基于大型直剪的砂土及其筋土界面剪胀性研究

采用大型直剪仪,对三向土工格栅加筋北京地区砂土的界面剪胀特性进行了试验研究,通过大型直剪试验模拟砂土加筋时的剪切作用过程,得出了以下结论:1砂土在剪切过程中都是由短暂的剪缩效应发展为稳定的剪胀效应;2在低含水率时砂土的剪胀效应较明显,随着含水率的增加,剪胀效应有一个先降低后升高的过程,当含水率增大到12%且竖向应力为215~323k Pa时,砂土的剪胀效应会超过含水率为2.5%时的剪胀效应;3当竖向压力小,砂土较为松散时,砂土基本没有剪胀效应,但是随着竖向压力的增大,砂土的剪胀效应经历从无到有并且是先升高后降低的过程。当竖向应力在215~323k Pa时剪胀效应最显著;4格栅加筋可以降低砂土的剪胀效应,并且压力越大降低效果越明显。

花岗岩硬性结构面剪切强度特性模型试验研究

为揭示花岗岩硬性结构面的剪切特性,采用混凝土材料模拟平直和不同粗糙度系数的硬性结构面,并进行直剪试验,通过从抗剪强度中分离摩擦分量及剪胀分量,对剪切过程中的剪切应力、剪胀特性进行了对比分析,揭示了平直结构面和不同粗糙度系数的花岗岩硬性结构面在不同法向压力作用下对峰值强度、峰现时间的影响机制。试验结果表明:花岗岩硬性结构面在剪切试验中,摩擦分量和剪胀分量都存在峰值之后降低的情况,剪胀分量的发展情况与结构面一阶凸起的抗剪力息息相关,而摩擦分量则随着剪切位移的变化与花岗岩硬性结构面二阶凸起的抗剪力的发挥过程关系密切。

基于统一强度理论的扰损围岩巷道脆塑性解答

钻爆法施工常造成岩质巷道扰损区围岩性能劣化。针对扰损围岩、扰损外围岩的弹塑性状态下不同的扰损围岩巷道力学模型,采用统一强度理论、弹-脆-塑性模型和非关联流动法则,建立扰损围岩巷道有关应力、位移和塑性区半径的脆塑性解答,探讨巷道力学模型的转换路径及判定方法,并将结果进行对比、验证,获得各因素的影响规律。研究表明:提出的巷道脆塑性解答合理反映了中间主应力、围岩扰损范围和峰后强度、剪胀特性的综合影响,通过参数组合变换可退化为多种解答并得到正确性验证,具有重要的理论意义和应用前景;巷道力学模型判定与中间主应力、围岩扰损范围密切相关,显著影响巷道应力-位移分布和围岩特征曲线;支护压力和巷道稳定变形随着围岩峰后强度下降、剪胀特性参数增加而明显增大。