侧向应变下膨胀土侧向压力变化规律试验研究

膨胀土边坡土体含水率增加时会发生一定的侧向膨胀变形,同时产生一定的侧向压力,其由周围土体约束变形产生的侧向膨胀力与土体自重与上覆荷载导致的侧向土压力组成,该侧向压力特别是侧向膨胀力的产生是膨胀土边坡浅层破坏的主要原因之一。通过自制仪器进行了控制侧向应变的侧向压力试验,研究侧向压力在侧向应变、上覆压力与干湿循环等因素影响下的变化规律。试验结果表明:侧向压力随上覆压力呈线性递增关系,其趋势不随其他条件影响而改变;干湿循环的进行会导致侧向压力有一定程度的降低,但在一定循环次数后会逐渐趋于稳定;侧向压力随侧向应变的增加大幅度减少,但减少幅度逐渐降低;在现有的变化范围内,侧向应变对侧向压力的改变最为明显,上覆压力次之,干湿循环次数的影响相对较小。

坑侧土体卸荷的侧向应力-应变关系研究

利用平面应变仪对坑侧土体进行k0固结-侧向卸荷的试验研究,指出经过侧向卸荷过程的土样抗剪强度指标与常规三轴压缩试验结果明显不同;得出侧向卸荷土体的侧向应力-应变间也呈双曲线关系,据此运用邓肯-张建模思路,推导出反映坑侧土体侧向卸荷实际应力路径下的侧向应力-应变关系模型,模型预测与试验结果吻合较好。

侧向卸载条件下原状黄土侧向应力-应变新模型

针对黄土地区工程建设中大量存在的基坑开挖、边坡开挖等卸载类平面应变问题,利用改造后的西安理工大学真三轴仪,模拟平面应变卸载应力路径,进行了原状黄土的侧向卸载试验研究,指出平面应变侧向卸载应力路径下原状黄土的侧向应力-应变曲线呈非线性关系,可用改进后的幂函数近似表示。据此,提出了一种新的复合幂非线性模型,并给出了其参数的求解方法,新模型综合考虑了含水率和固结应力状态的影响,新计算过程简便,预测误差小,与试验结果吻合较好。说明复合幂非线性新模型能很好的描述侧向卸载土体的侧向应力、应变特性,可为今后卸载类黄土工程的侧向变形预测计算提供参考。

脆性岩石侧向变形特征及损伤机理研究

进行了三峡花岗岩常规三轴压缩、保持轴向应变和保持轴向应力的卸围压试验,研究了脆性岩石在不同应力路径和不同加载控制方式下的侧向变形特征,可见临界侧向应变均稳定在(-0.004±0.000 5)范围内。进一步进行三峡花岗岩的全过程应力-应变曲线和损伤力学分析,发现脆性岩石在不同应力路径和不同加载控制方式下均以侧向损伤为主,且侧向损伤曲线的形态近似,达到临界破坏状态时损伤值稳定在0.7～0.8左右。最后以侧向损伤变量表征花岗岩脆性破坏过程,建立了基于应变空间的、可以考虑卸荷应力路径的损伤模型和应变型破坏准则。

不同加载模式软硬煤岩侧向变形特征的对比实验研究

选取现场典型软硬煤岩试样,利用MTS815电液伺服岩石力学测试系统进行单轴、三轴压缩实验,研究分析在不同加载模式下煤岩强度及变形破坏特征,建立煤岩压缩过程侧向应变与破裂机制的关系。对比实验结果表明:软硬煤岩内部结构和孔隙、裂隙发育程度决定了它们强度、屈服后轴、侧向变形特征具有较大的差异;致密坚硬煤样加载过程表现为明显的弹脆性特征,剪切破断角比较大;压缩变形曲线4个阶段侧向应变非线性特征明显,屈服后呈陡增至极大值,因其内部出现稳定剪切滑移而发生破坏;软煤样侧向应变一直处于非线性小幅度增加过程,内部裂隙发育扩展达到一定程度易发生局部张拉破坏。用侧向塑性变形损伤量表征煤岩体内部损伤演化特征可以取得较好结果。

单轴压缩岩样轴向回跳及侧向回跳理论研究

研究了单轴压缩条件下轴向回跳及侧向回跳之间的关系。在应变软化阶段,试样的弹性轴向应变及弹性侧向轴向应变由虎克定律确定;试样的轴向塑性应变及侧向塑性轴向应变由梯度塑性理论确定,它们与应力水平、剪切带倾角及宽度、软化模量及试样的尺寸有关。根据轴向应力-应变曲线及侧向应力-应变曲线软化段斜率的正负,得到了轴向回跳及侧向回跳的条件。轴向回跳的原因是轴向弹性应变的恢复快于轴向塑性应变的增加。侧向回跳的原因是侧向弹性应变的恢复快于侧向塑性应变的增加。当剪切带倾角的正切小于泊松比与试样宽高比之积时,若侧向变形发生回跳,则轴向变形就发生回跳;反之,若轴向变形发生回跳,则侧向变形就发生回跳。对于常规岩样,若侧向发生回跳,则轴向必定是回跳的。在应变软化阶段,根据轴向应变及侧向应变是否发生回跳,轴向应变与侧向应变曲线被划分为4种类型:即轴向回跳及侧向回跳情形、轴向回跳及侧向回跳情形、轴向不回跳及侧向回跳情形及轴向回跳及侧向不回跳情形,并得到了各种类型的条件。

搅拌桩桩身应力应变测试方法探讨

目前,进行桩基竣工后的质量检验方法有:静载荷试验、标准贯入试验或轻便触探等动力试验、静力触探试验、取芯检验、截取桩段抗压强度试验、低应变动测检验、开挖检验、沉降观测等。毫无疑问,桩基静载试验是一项方法成立,理论上无可争议的桩基检测技术。在确定单桩极限承载力方面,它是目前最为准确、可靠的检验方法,判定某种动载检验方法是否成熟,均以静载试验成果的对比误差大小为依据。因此,每种地基基础设计处理规范都把单桩静载试验列入首要位置,一般情况下,桩基静载试验的成果数据,如单桩承载力、沉降量等均认为是准确、可靠的,这已为无数的工程实例证明。如果能在静载荷试验过程中同时能测出桩身的应力应变,此方法就更加完美。也就是在确定桩基承载力和沉降量的同时,也能把握桩身荷载的传递规律,因此有必要就搅拌桩桩身应力应变的测试方法进行探讨,为工程界提供参考。

低应力条件下高液限红黏土湿化变形特性研究

针对我国南方地区高液限红黏土低路堤存在工后沉降变形的问题,采用自主设计可测试低应力条件下岩土体湿化变形的试验装置,研究了不同围压、轴压与围压之比和压实度条件下高液限红黏土竖向湿化应变、侧向湿化应变的变化规律,建立了可以考虑围压、轴压与围压之比、压实度影响的高液限红黏土竖向湿化应变峰值预估模型,并对预估模型进行了验证。研究得到的主要结论为:渗流与应力耦合作用下,高液限红黏土侧向湿化应变与竖向变形均先增大、后趋于稳定,高液限红黏土试样在湿化变形稳定后呈现上部大、下部小的特点;高液限红黏土侧向湿化应变开始响应至达到峰值所需时间、侧向湿化应变峰值、竖向变形量峰值与围压、轴压与围压之比呈正相关;高液限红黏土侧向湿化应变峰值、竖向变形量峰值与压实度呈负相关,侧向湿化应变开始响应至达到峰值所需时间与压实度呈正相关;高液限红黏土侧向湿化应变可以分成由增湿引起的侧向湿化应变和由膨胀性矿物吸水引起的侧向湿化应变两部分;不同因素对高液限红黏土竖向湿化应变峰值的影响程度为:压实度>轴压与围压之比>围压;本研究对高液限红黏土低路堤工后沉降变形预测与控制具有重要的工程意义。

绿片岩三轴流变力学特性的研究(I):试验结果

为了解锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性,采用岩石全自动流变伺服仪对绿片岩进行了三轴压缩流变试验。基于试验结果,研究了绿片岩在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间的变化规律,讨论了流变特性对岩石应力-应变曲线的影响,探讨了不同应力水平下的轴向以及侧向流变速率变化趋势,分析了不同围压下流变的破裂机制,掌握了绿片岩三轴流变的基本规律,从而为该水电站工程流变数值分析时参数的辨识提供了可靠的依据。

饱和状态下硬岩三轴流变变形与破裂机制研究

利用岩石全自动流变伺服仪对饱和状态下坚硬大理岩和绿片岩进行了三轴压缩流变试验,基于得到的硬岩三轴流变试验结果,研究了硬岩在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间的变化规律,从而为岩石工程流变数值分析时参数的辨识提供了可靠的试验依据。然后研究了硬岩轴向变形与侧向变形之间的关系,探讨了围压与粒径对岩石轴向以及侧向变形特性的影响规律,分析了岩石三轴流变过程中的塑性变形特性,讨论了流变应力水平对岩石侧向-轴向变形特性的影响规律。最后对不同围压作用下岩石流变破裂断口微细观特征进行了分析。

软化模量对岩样全部变形特征的影响

采用FLAC内嵌语言编制了计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数。研究了软化模量对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响。在峰值强度之前及之后,岩石的本构模型分别为线弹性模型及莫尔–库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。结果表明,随着软化模量(脆性)的增加,剪切带倾角由Arthur向Coulomb倾角转变,Coulomb、Roscoe及Arthur理论对此不能解释,可能是未考虑渐进破坏;剪切带宽度降低,这可采用基于梯度塑性理论且考虑剪胀的剪切带宽度的公式予以定性的解释;岩样可以达到的最小体积增加;岩样失稳破坏的前兆越来越明显;峰后的轴向应力–轴向应变曲线、轴向应力–侧向应变曲线、侧向应变–轴向应变曲线、泊松比–轴向应变曲线及体积应变–轴向应变曲线均有稍微变陡峭的趋势,可采用基于梯度塑性理论的单轴压缩岩样受到剪切破坏时的解析解对前2种曲线的数值解的合理性进行定性的解释。

剪胀对岩样全部变形特征的影响

采用FLAC内嵌语言FISH编制了计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数,研究了剪切扩容对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响。在峰值强度之前及之后,岩石的本构模型分别取为线弹性及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。分析表明,增加剪胀角使岩样由单一向共轭剪切破坏转变,并使接近Arthur倾角的剪切带倾角增加。剪切带宽度随剪胀角增加,可由基于梯度塑性理论且考虑剪胀后的剪切带宽度公式进行解释。剪胀角增加导致峰值强度及对应的轴向、侧向及体积应变增加。在峰后,由于剪胀引起剪切带条数及宽度增加,因而,轴向应力-轴向及侧向应变曲线软化段都变平缓。剪胀角较高时,岩样可获得更大的侧向变形量及泊松比,甚至是负的体积应变;岩样失稳破坏的前兆更加明显。

扩容角对初始随机材料缺陷岩石试样破坏过程及力学行为的影响

在单轴平面应变压缩条件下,采用FLAC模拟扩容角对具有初始随机材料缺陷的光滑端面岩石试样的破坏过程及对应力—应变曲线的影响。利用FISH函数于试样内部规定初始缺陷。密实的岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。缺陷在破坏之后经历理想塑性行为。扩容角较高时试样内部最终发生破坏的单元数目较多。随着扩容角的增加,剪切带变得粗壮和陡峭。扩容角对应力—轴向应变曲线影响不大。扩容角增加时,在应变软化阶段,应力—侧向应变曲线变平缓,根据作者过去提出的理论公式,这是由于剪切带宽度增加的贡献超过剪切带倾角增加的贡献所致。当扩容角较高时,应力峰值时试样内部的最大剪切应变增量较高,因而试样破坏的前兆比较明显。剪切带倾角的数值结果与Arthur倾角比较接近,未能超过Coulomb倾角。扩容角越大,剪切带最终可以获得越来越高的剪切应变和体积应变。

孔隙压力对岩样全部变形特征的影响

目的研究了孔隙压力对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响.方法利用FLAC内嵌语言编制的FISH函数计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比.在峰前及峰后,岩石的本构模型分别取为线弹性模型及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型.结果随着孔隙压力的增加,岩样的破坏区域越来越广泛;剪切带倾角都接近于Arthur倾角;峰值强度及所对应的轴向、体积应变及侧向应变的大小均降低.当孔隙压力较低时,峰后应力-轴向应变曲线及应力-侧向应变曲线软化段斜率基本保持不变,根据单轴压缩条件下的解析解,这是由于岩样的破坏模式不随孔隙压力的增加而改变.结论当孔隙压力较高时,大量的单元发生破坏将消耗较多的能量,这使应力-轴向应变及侧向应变曲线软化段变平缓;岩样在轴向应变较低时就可获得较高的侧向变形量及泊松比,甚至负的体积应变.岩样失稳破坏的前兆的明显程度不随孔隙压力的改变而改变.

岩样单轴压缩峰后泊松比理论研究

研究了单轴压缩岩样应变软化阶段侧向应变与轴向应变的比值(峰后泊松比)的变化规律。岩样的塑性变形假设根源于塑性应变局部化。岩样的轴向及侧向变形被分别分为两部分:弹性变形(由虎克定律描述)及由局部化引起的塑性变形(由梯度塑性理论及几何关系确定)。应变软化阶段的轴向应变-侧向应变曲线、轴向应力-轴向应变曲线及轴向应力-侧向应变曲线都得到了实验验证。在峰值强度时,峰后泊松比等于峰前泊松比。当压缩应力降至零时,峰后泊松比达到临界值。该临界值可能比峰前泊松比大,也可能比它小。峰后泊松比还和试件尺寸有关,这与峰前泊松不同。峰后泊松比与轴向压应力之间的关系可能是一条直线,也可能是上凸的,或上凹的。这取决于岩石的本构参数(弹性模量、剪切及软化模量、剪切带宽度及峰前泊松比)、试件的结构尺寸(试件宽度及高度)及剪切带倾角之间的关系。

初始内聚力及摩擦角对岩样全部变形特征的影响

目的研究初始内聚力及摩擦角对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响.方法采用FLAC内嵌语言FISH编制了计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数.在峰值强度之前及之后,岩石的本构模型分别取为线弹性模型及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型.结果随着初始内聚力及摩擦角的增加,破坏模式由复杂向简单剪切破坏转变;发生破坏的单元数目降低;剪切带倾角增加;轴向应力的峰值强度及所对应的轴向、侧向应变的绝对值降低,岩样可以达到的最小体积增加.峰后的轴向应力-轴向应变曲线、轴向应力-侧向应变曲线、侧向应变-轴向应变曲线、泊松比-轴向应变曲线及体积应变-轴向应变曲线的斜率几乎不受初始内聚力及摩擦角的影响.但是,当初始内聚力及摩擦角最小时,5种峰后曲线略显平缓,这是由于发生破坏的单元数目最多及剪切带的倾角最低.结论剪切带倾角更接近Arthur倾角,说明了数值结果是可信的.岩样失稳破坏的前兆不随着初始内聚力及摩擦角的降低或增加而改变.

加载速度对岩样全部变形特征的影响

利用编制的计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数,采用FLAC模拟了加载速度对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响。在峰前及峰后,本构模型分别取为线弹性及莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。加载速度较低及适中时,岩样发生单剪切破坏,剪切带倾角及宽度不受加载速度影响,应力-轴向应变曲线及应力与侧向应变曲线软化段的斜率不依赖于加载速度;高加载速度使岩样发生X型剪切破坏,两种曲线软化段较平缓;在相同的轴向应变时,高加载速度使剪切带长度降低。随着加载速度的增加,岩样失稳破坏的前兆越来越明显,当加载速度较高时,前兆反而不明显,这是由于应力存在较大的波动,导致不正确地估计了应力峰值所对应的轴向应变。在应变软化阶段,高加载速度使侧向应变与轴向应变曲线、泊松比与轴向应变曲线及体积应变与轴向应变曲线变平缓,也使体积应变与轴向应变曲线的峰值及对应的轴向应变增加。

基于均匀化理论的水合物沉积物修正Duncan-Chang本构模型

为了精确地描述水合物沉积物在外荷载作用下的变形,首先,基于Mori-Tanaka均匀化理论提出一种水合物沉积物等效弹性参数的有效预测方法;其次,考虑水合物胶结对沉积物侧向应变的影响,采用岩土复合体理论建立水合物沉积物的修正Duncan-Chang本构模型;最后,探讨模型参数对材料的宏观本构响应的影响,并将模型预测结果与室内三轴试验结果进行对比。研究结果表明:基于Mori-Tanaka均匀化理论的修正Duncan-Chang本构模型不仅能够较好地模拟在低饱和度高围压条件下的应变硬化现象以及在高饱和度低围压条件下的应变软化现象,也能够较好地预测水合物沉积物的侧向变形。水合物沉积物在外荷载作用下的变形主要受到与水合物饱和度和有效围压有关的模型参数的综合影响,模型参数a,b和c分别反映了水合物沉积物的刚度、强度和脆性。而侧向应变的取值主要受到模型参数f,m和n的综合影响,模型参数g的影响并不明显。

峰后脆性对非均质岩石试样破坏及全部变形的影响

在平面应变压缩条件下,采用FLAC模拟峰后脆性对含初始随机材料缺陷的岩样的破坏过程、前兆、声发射及全部变形特征的影响。利用若干FISH函数预置初始随机缺陷,计算全部变形特征,并统计每10个时间步内的破坏单元数。密实的岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。缺陷在破坏之后经历理想塑性行为。不同脆性岩石的峰后的应力-轴向应变曲线、应力-侧向应变曲线、侧向应变-轴向应变曲线、体积应变-轴向应变曲线及由侧向应变及轴向应变计算得到的泊松比-轴向应变曲线于应力峰值之前发生分离。由于缺陷的依次破坏,在初始加载阶段之后,计算得到的泊松比随着轴向应变的增加而直线上升,这使侧向应变增加的速度超过轴向应变增加的速度。随着峰后脆性的降低,岩样失稳破坏的前兆变得明显,破坏变得不突然。脆性越强的材料,体积膨胀之后发生应变软化越早;剪切应变集中的位置越少;在硬化阶段及软化阶段,声发射持续的时间越短。

泊松比对岩样破坏模式及全部变形特征的影响

利用编写的计算岩样全部变形特征的FISH函数,采用FLAC模拟了泊松比不同时单缺陷岩石试样的破坏及全部变形特征。在峰前及峰后,本构模型分别取为线弹性模型及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。高泊松比使岩样发生由单一剪切破坏向复杂破坏转变、破坏区域的面积增加、剪切带倾角降低,Coulomb、Roscoe及Arthur理论对此无法解释。不同泊松比时计算得到的峰前应力-轴向应变曲线、应力-侧向应变曲线、侧向应变-轴向应变曲线、体积应变-轴向应变曲线的线性阶段与平面应变压缩条件下的线弹性解吻合。若泊松比超过1/3,通过计算得到的平面应变压缩泊松比可大于0.5,这被数值模拟确认。泊松比的增加使峰后的侧向应变-轴向应变曲线、体积应变-轴向应变曲线、计算得到的泊松比-轴向应变曲线变得不陡峭,使峰后的应力-侧向应变曲线变得陡峭,使破坏的前兆变得不明显。