广义塑性本构模型三维化方法的研究与验证

在二维空间中基于p、q分量构建的广义塑性本构模型无法反映中主应力对土石料变形特性的影响,因此需要将其进行三维化以反映出一般应力状态下本构关系。研究了多种三维化方法,通过与真三轴试验对比,基于广义非线性强度理论(generalized nonlinear strength theory, GNST)的三维化方法可以使本构模型较好地反映土石料一般应力路径下的应力应变关系。对某面板堆石坝进行的数值计算,并与监测结果对比,表明三维化后的本构模型能更好地反映堆石坝的变形规律。因此,基于GNST的模型三维化方法可以应用于高土石坝设计中,并可以获得较好的预测结果。

Generation of 3D random meso-structure of soil-rock mixture and its meso-structural mechanics based on numerical tests

The mesoscopic failure mechanism and the macro-mechanical characteristics of soil-rock mixture(S-RM) under external load are largely controlled by S-RM's meso-structural features. The objective of this work is to improve the three-dimensional technology for the generation of the random meso-structural models of S-RM, for randomly generating irregular rock blocks in S-RM with different shapes, sizes, and distributions according to the characteristics of the rock blocks' size distribution. Based on the new improved technology, a software system named as R-SRM3 D for generation and visualization of S-RM is developed. Using R-SRM3 D, a three-dimensional meso-structural model of S-RM is generated and used to study the meso-mechanical behavior through a series of true-triaxial numerical tests. From the numerical tests, the following conclusions are obtained. The meso-stress field of S-RM is influenced by the distribution of the internal rock blocks, and the macro-mechanical characteristics of S-RM are anisotropic in 3D; the intermediate principal stress and the soil-rock interface properties have significant influence on the macro strength of S-RM.

椭球颗粒体系宏、细观特性的3维离散元分析

颗粒材料由大量不同形状的离散颗粒组成,其力学特性与构成颗粒体系的颗粒形状密切相关。目前,关于颗粒形状对颗粒材料剪切强度的影响已有大量的物理试验或数值模拟试验研究,而非球形颗粒材料在复杂应力路径下的宏、细观力学特性认识还不够充分。本文采用离散单元法(DEM)对按一定级配生成的不同伸长率的椭球颗粒体系进行等σ_(3)(第3主应力)及等b(中主应力比)的真三轴加载数值模拟试验,研究椭球颗粒体系的3维宏、细观力学特性,并验证常用3维强度准则对椭球颗粒体系的适用性。结果表明:在3维加载路径下,不同于圆球颗粒体系宏、细观演化规律的一致性,椭球颗粒体系的宏观应力面与细观组构面演化规律不一致,宏观应力比与强接触网络组构偏值/均值比线性不为1,这是因为椭球颗粒体系弱接触网络对宏观应力的贡献;椭球颗粒体系宏观体应变、细观法向接触力分布、接触数目及配位数分布等宏、细观指标与加载路径无关;随着椭球伸长率LAR增大,Mohr–Coulomb准则、Lade–Duncan准则、Mastsuoka–Nakai准则及施维成3维强度准则对φ_(max)(峰值内摩擦角)–b关系预测准确度逐渐增大,其中,Lade–Duncan准则能更好地拟合不同加载路径下椭球颗粒体系的数据点。研究为真实应力状态下椭球颗粒材料的宏、细观特性的认识提供了一定的理论基础。

深部三维圆形洞室岩爆过程的模拟试验

为了模拟深部圆形洞室三维受力情况下岩爆的发生过程,以具有极强岩爆倾向性的花岗岩作为试验材料,利用自行研制的TRW-3000岩石真三轴电液伺服诱变试验机,对含直径50 mm贯穿圆形孔洞的100 mm×100 mm×100 mm立方体花岗岩试样进行了三向不等压加载试验。试验首先模拟1 000 m深度的初始应力环境,以垂直于洞室轴向的水平方向作为最小主应力方向,通过增加竖直方向应力模拟应力调整过程诱发岩爆情况,并借助三维加载岩样内部结构破坏实时视频监控系统监控洞壁破坏情况。试验结果表明,岩爆过程可以划分为平静阶段、颗粒弹射阶段、岩片剥落和爆裂阶段,洞壁两侧中间部位应力集中系数最高,最先产生破坏,然后沿径向向深部发展,最终形成两个对称型的V型槽。圆形洞室洞壁两侧破坏的3个典型受力节点,符合深部工程中统计得到的无支护圆形巷道的远场应力状态与破坏模式之间的关系,达到了模拟的效果。利用现有的4种岩爆判据进行了分析,判别结果与试验过程中拍摄到的洞壁破坏情况基本一致。洞壁的破坏伴随着声发射计数增加和能量升高,岩爆越剧烈,声发射越活跃。

深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的试验模拟研究

为了深入认识深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的发生机制,利用花岗岩材料加工含预制矩形孔洞(40 mm×40 mm)的立方体试样(100 mm×100 mm×100 mm),并采用TRW-3000岩石真三轴电液伺服诱变试验机进行了模拟试验研究。模拟试验中首先以深部1 000 m的地应力条件作为初始加载应力状态,保持孔洞径向和轴向的水平向应力不变,然后在竖直向加载直至孔洞两侧洞壁围岩发生破坏,并保证试样整体始终处于稳定状态。加载过程中利用岩样内部结构破坏实时视频监控系统,进行全程的实时记录和监测。试验结果表明,在竖直向为最大主应力和水平轴向为中间主应力的情况下,矩形孔洞两侧洞壁围岩整体发生明显的板裂破坏,破坏区域呈对称状,而顶板和底板始终保持稳定状态。侧壁围岩的破坏方向平行于竖直向,呈现典型的张拉板裂状破坏特征。整个破坏过程划分为平静期阶段、洞壁两侧上下肩角处颗粒弹射阶段、侧壁围岩裂纹扩展阶段和裂纹贯通板裂破坏阶段。当进入到裂纹贯通板裂破坏阶段时,无论是加载还是保载过程,板裂破坏都可能持续发展。试验过程中,试样洞壁两侧围岩的板裂破坏整体上呈现静态破坏模式,而且破坏区域沿水平方向逐渐向洞壁深部发展,最终形成沿轴向的贯穿型对称弧形槽。

珠三角地区典型软土卸荷力学特性研究

通过珠三角地区3种典型土层,即:淤泥质土、粉细砂以及红粘土进行室内常规三轴试验与真三轴卸荷力学试验,分析探讨了不同应力路径条件下土体的力学特性,得出了侧向卸荷条件下土体的抗剪强度指标大幅度降低,且有效应力指标降低幅度大于总应力指标,粉细砂抗剪强度指标降低幅度明显大于淤泥质土与红粘土的研究结论,并以此提出珠三角地区超大软土深基坑工程设计与施工应充分考虑土体卸荷力学效应的建议。

三维应力下密度对粗粒料力学特性的影响

通过4种不同初始干密度的粗粒料大型真三轴等小主应力、等比例加载固结排水剪切试验,研究了密度对三维应力状态下粗粒料力学特性的影响。试验结果表明:小主应力一定时,随着初始干密度的增大,应力曲线逐渐升高变陡,软化性增强,体缩变形减小,剪胀性增强。体变增量与大主应力方向应变增量之比即体变增量比随初始干密度的增大而减小,体变增量比从一正值逐渐减小趋向于0但>0时为应变硬化型;若体变增量比从正值减小到负值,体变从压缩变为膨胀,为应变软化型;到最小值时,体胀变形发展最快,应力达到峰值,对应于破坏状态。孔隙比随平均正应力的增大而单调减小,为硬化型曲线;若孔隙比先减小后增大,为软化型曲线;随着初始干密度的增大,孔隙比降低幅度减小,体缩变形减小,硬化性减弱。强度随初始干密度或小主应力的增大基本呈线性增大。研究成果对充分认识粗粒料的力学性能并科学进行应力变形分析、合理开展设计施工提供参考。

三维应力状态下粗粒料强度特性试验研究

粗粒料所处的应力状态具有随时间和空间而变的特点,往往处于较复杂的三维应力状态下。通过粗粒料大型真三轴各向等压固结等比例加载试验,研究了不同中主应力系数条件下粗粒料的强度特性。试验结果表明:中主应力对粗粒料的强度有重要影响,三维应力状态下,粗粒料的强度比常规三轴应力状态下有较大提高,大小主应力之差与大主应变关系曲线也更加陡峭;中主应力系数b从0增大到0.25时,破坏时大小主应力之差增加了39%~50%;摩尔–库仑强度参数咬合力c和内摩擦角?均随着中主应力系数b的增大而增大,其中咬合力c的增长较为显著,特别是b从0增大到0.25时;相同小主应力条件下,b=0时,破坏偏应力与球应力之比最小,b=0.25时,破坏应力比达到最大值,随着b的增大破坏应力比又有所减小;相同中主应力系数条件下,随着小主应力的增大,破坏应力比逐渐减小。

粒间摩擦对岩土颗粒材料三维力学行为的影响机制

颗粒间摩擦是影响岩土颗粒材料力学特性的重要因素之一,现有研究主要集中在粒间摩擦对颗粒集合体堆积、宏观剪切强度等的影响,而其在复杂应力路径下对岩土颗粒材料的影响机制尚不明确。采用离散单元法(DEM)进行了颗粒材料的真三轴加载路径数值试验,通过改变颗粒间摩擦系数μ来研究粒间摩擦对颗粒材料宏观力学特性的影响。对比了4种三维强度准则,发现当0.2<μ≤0.5时,Lade-Duncan和Matsuoka-Nakai准则能较好地拟合不同加载路径下的数据点。采用平均接触力将颗粒体系的接触网络划分为强、弱两个子网络,分析了强、弱接触网络的配位数分布、接触力和组构各向异性等。结果表明在峰值剪应力状态,随着颗粒间滑动摩擦系数μ的增加,强接触网络中参与形成"力链"的颗粒数目基本不变,但强接触网络中颗粒间法向接触力明显增加以及法向接触力各向异性加强,这是导致宏观抗剪强度增大的主要原因。而弱接触网络的配位数分布随μ值明显变化,其对颗粒体系剪胀程度的增加贡献显著。

粗粒料变形特性的大型真三轴试验研究

三维应力状态下粗粒料的变形性状对土石坝的沉降尤为重要。通过大型真三轴试验系统,对粗粒料开展了等小主应力等中主应力系数加载试验。试验结果表明:小主应力较小时,粗粒料的剪胀性较强,随着小主应力的增大,粗粒料的剪缩性逐渐增强。中主应力系数从0增大到0.5时,粗粒料的剪胀性基本上是逐渐减小的,而当中主应力系数增大到0.75时,剪胀性又有所增强。大主应变均表现为压缩变形,小主应变均产生膨胀变形,中主应变在一般三维应力状态下表现为压缩变形,而在常规三轴应力状态下中主应变则产生膨胀变形。

土工真三轴试验双向微摩擦荷载传力板的研制与验证

真三轴仪是研究复杂应力状态下土体力学特性的理想仪器,但如何保持加载结构与土体之间无摩擦力且3个方向无干扰加载是真三轴仪研制的技术瓶颈。本文针对“刚柔复合型”真三轴仪中刚性加载板与试样之间的双向摩擦力问题,基于土体与加载板之间“整体接触变为分散式接触,滑动摩擦变为滚动摩擦”的减摩新方法,研制了土工真三轴试验双向微摩擦荷载传力板。详细介绍了该装置的结构原理和细部构造,通过大型直剪试验和数值计算论证了分散式接触代替整体式接触、滑动摩擦变为滚动摩擦的减摩措施效果。结果表明:1)试样与加载板之间的摩擦系数低至0.023,与传统减摩方法相比,摩擦系数可降低90%以上;2)与整体式接触相比,分散式接触可使试样3个方向的应力和变形更为均匀,并较大程度地降低试样与加载板之间的摩擦力;3)采用分散式滑块相互搭接并预留间隙方法满足随试样同步变形,实现了大变形条件(竖向最大变形量90 mm,应变达15%)下真三轴试验的三向无干扰独立加载。土工真三轴试验双向微摩擦荷载传力板的成功研制,有效消除了试样与加载板之间的界面摩阻力,使试样在接触面切线方向上可以自由双向变形,又实现了大变形条件下三向加载互不干扰,破解了真三轴仪研制中的关键技术难题。

深部直墙拱形巷道围岩板裂破坏的试验研究

为了研究深部直墙拱形巷道围岩板裂破坏特征,利用TRW-3000岩石真三轴电液伺服诱变试验机,对含直墙拱形贯穿巷道的立方体花岗岩试样进行了三向不等压加载试验,并借助微型摄像机实时监控围岩破坏情况。试验结果表明,花岗岩直墙拱形巷道围岩产生平行于直墙的板裂化结构,呈明显的拉伸破坏特征。随着板裂破坏沿巷道两侧围岩逐渐向深部发展,最终在围岩两侧距拱底(0.20~0.25)h(h为直墙拱形巷道的高度)处形成对称的V型槽。在相同应力条件下,与花岗岩圆形巷道破坏特征相比,直墙拱形巷道围岩初始破坏应力较高,主要表现为静态破坏,产生的岩片较大,呈细长条状,具有明显的层裂现象;而圆形巷道围岩破坏较为剧烈,属于动态破坏,产生的岩片相对较小,但是两种断面产生的岩片均表现出中间厚两边薄的特征。通过对比不同岩性直墙拱形巷道围岩破坏特征发现,花岗岩的破坏较为剧烈,红砂岩的较弱。对于千枚岩直墙拱形巷道,随着层理角度的增加,围岩的破坏模式从平行于层理面的拉伸破坏转变为平行于层理面的剪切滑移破坏,再到穿越层理面的剪切破坏,最后转化为穿越层理面的拉伸破坏。

岩石真三轴强度与Mohr-Coulomb准则形状函数修正方法研究

基于颗粒流理论和PFC3D程序,建立Lac du Bonnet花岗岩的BPM模型,施加周期性边界条件。通过使周期性空间扭曲变形,保持恒定的平均应力p和Lode角q,进行真三轴试验,提出一种修正Mohr-Coulomb准则形状函数的新方法。建立试样的三维强度包络面,并从三轴平面、双轴平面和p平面3个角度,探讨Mohr-Coulomb准则的局限性:(1)Mohr-Coulomb准则预测的单轴抗拉强度偏大。(2)Mohr-Coulomb准则未考虑中间主应力的影响。(3)Mohr-Coulomb准则适用范围有限,在30 30s-°<q<°范围内,Mohr-Coulomb准则强度偏于保守。探索中间主应力对岩石强度的影响规律,结果表明:当2s处于低值时,1s随2s的增大而增大,而后达到了"平台期";当2s处于更高应力状态时,1s随2s的增大而减小。通过考虑中间主应力的影响,将Mohr-Coulomb准则形状函数修正为关于平均应力p的函数。将拟合的K值与修正的Lade-Duncan准则预测值进行比较,结果表明,本文的修正方法比修正的Lade-Duncan准则能更准确地描述岩石的常规三轴强度,研究方法及结论可为岩石强度研究提供有益参考,且具有一定的实际工程意义。