卸荷条件下结构性软黏土三维力学特性研究

软黏土一般具有结构性,结构性是土体变形特性的重要影响因素。以天津滨海软黏土为原料土,通过掺入少量不同含量的水泥人工制备出土质近似均匀、结构性有所不同的结构性软黏土,采用GCTS真三轴试验仪探讨基坑开挖条件下结构性土体的三维力学特性。结果表明:侧向卸荷条件下土体应变与卸荷速率、土体本身结构性、固结围压皆有关系;当土体结构性与卸荷速率相同时,围压越小的试样应变增长的速率越快,破坏时应变量越大;在土体结构性与围压相同时,随着卸荷速率的增大,破坏应变以及破坏时的应力大小都增大;当大主应变ε1小于破坏应变,土样的结构性未发生破坏时,ε1-ε3关系曲线斜率增长速率较慢,当大主应变ε1达到破坏峰值后,小主应变ε3方向膨胀速率加快,直至试样破坏;在同一围压下,土体初始卸荷切线模量随卸荷速率的增大而减小,土体卸荷破坏强度随卸荷速率的增大而增大。在此基础上,对应力-应变关系进行分析,建立并验证了考虑卸荷速率和土样结构强度影响的卸荷破坏强度预测公式。

不同初始卸荷水平和水压下砂岩卸荷力学特性试验研究

深部岩石所处的不同初始卸荷水平状态及水压环境对其力学特性影响明显,基于对砂岩进行常规三轴加载试验、不同初始卸荷水平及水压条件的卸荷试验,研究了卸荷条件下砂岩的极限强度、变形特征、变形损伤以及卸荷抗剪强度。研究结果表明：初始卸荷水平n一定时,随着水压p的增加,卸荷极限强度的降低呈现先快后慢的规律,岩样更容易发生破坏,脆性特征更明显,损伤变量ω也呈增加趋势;当水压p一定时,随着n的增大,卸荷极限强度线性增大,统一围压降参数η线性降低,损伤变量ω也减少,且n从0.9到1.0的过程中,ω降低更明显。综合初始卸荷水平n和水压p的影响,对摩擦角和黏聚力进行了二元函数拟合,利用该拟合公式可以预测不同n,p条件下的黏聚力和摩擦角,具有一定工程意义。并基于对试验数据的拟合,对不同n,p作用下的砂岩Mohr–Coulomb准则表达式进行了修正。

不同水压与初始卸荷水平下砂岩的力学特性及卸荷本构模型

为研究深埋高水压条件下岩石卸荷力学特性,以砂岩为研究对象,开展了不同水压及初始卸荷水平条件下的三轴加、卸荷试验,研究了卸荷下砂岩的应力-应变特征、强度变形特征等,并推导了卸荷本构模型。研究表明:对于卸荷试验,当初始卸荷水平n降低或者水压p增大时,砂岩的卸荷极限强度和轴向应变ε1降低,表现出更明显的脆性特征,侧向应变ε3增大,扩容特征越明显。相对于常规加载试验,卸荷试验的峰值黏聚力c最大降低59.78%,峰值摩擦角最大增加54.72%,初始卸荷水平n每降低0.1,峰值c(φ)约多减少10%(10%~15%)。将卸荷应力-应变曲线划分为4段,选取Mohr-Coulomb屈服准则,对参数a_f,a_r,b_f,b_r进行了一元、二元函数拟合,获得了各参数的变化规律,最后得到了卸荷条件下的本构关系。结果表明,理论模型与试验结果吻合较好。

不同初始卸荷水平对深埋砂岩力学特性影响规律试验研究

深部岩石开挖等工况诱发的不同初始卸荷水平对其力学特征影响明显,基于对砂岩进行常规三轴压缩试验和不同初始卸荷水平的三轴卸荷试验,研究了高应力加、卸荷条件下砂岩的强度、变形及扩容特征。研究发现:在同一初始围压条件下,初始卸荷水平越高,围压降低的越小,岩样达到破坏所经历的卸围压过程越短。随着初始围压的增大,不同卸荷水平下的统一围压降参数η基本是增加的,表明在高应力状态岩样需要更大的围压卸荷量才会破坏。随初始卸荷水平的提高,凝聚力c呈指数关系增长,内摩擦角φ呈多项式关系减小。卸围压的两个阶段,侧向应变增量Δε_3都比轴向应变增量Δε_1大,表现为明显的侧向扩容。初始卸荷水平越低,其最大剪胀角越大,扩容效应越明显。扩容指标I_d与围压呈幂函数型关系,与初始卸荷水平呈二次函数关系。基于对试验数据的拟合,对不同初始卸荷水平作用的砂岩的摩尔-库仑准则表达式进行了修正。

不同初始卸荷水平下红砂岩波速变化及能量耗散规律试验研究

为研究红砂岩在不同初始卸荷水平(初始应力差水平与岩石对应围压条件下峰值强度的比率)下的波速变化及能量耗散规律,利用Rock Top多场耦合试验仪和JSR-DPR300超声测试系统,在同一围压条件下,开展三轴加载路径、应力差恒定卸围压与应力差增大卸围压2种卸荷路径、3个初始卸荷水平下的红砂岩应力-应变过程中的纵、横波速测试试验。研究结果表明:围压加载过程中,纵、横波速均随围压的增大而增大,呈幂函数关系;孔隙度、密度随着围压的升高,对围压的敏感性降低,变化幅度减小;岩石内部不同类型的孔隙其闭合的应力阈值不同,波速受控于岩石的密实程度与岩石骨架性质。围压卸荷过程中,在不同卸荷路径下,随着初始卸荷水平的增大,极限应变增大,统一围压降参数均呈线性降低,应变围压增量比呈幂函数增大,环向变形对围压变形更为敏感,相较于卸荷路径的影响,初始卸荷水平对岩石卸荷变形过程具有控制作用;不同初始卸荷水平下,纵、横波速随轴向应变的变化曲线同应力-应变曲线基本对应,反映了岩样不同的劣化水平,纵、横波速各自整体上的增长衰减趋势具有一致性,卸荷路径对波速的影响较弱,在加载和卸荷2个区间内存在明显的阶段性特征,波速在卸荷起始点迎来大幅度偏转,纵波以此分为增长阶段和衰减阶段,横波分为稳定阶段和衰减阶段,纵波对轴向压力更为敏感,震荡性强烈。围压卸荷伊始,岩石由压缩迅速转为扩容或扩容加剧,应变能密度在卸荷起始点及应力跌落点迎来一次、二次偏转,后者偏转幅度远小于前者;应力差恒定卸围压过程中,弹性应变能近似稳定,其增长趋势和轴向应力-应变曲线是一致的,即轴向应力做功是其主要能量补充方式;能量的耗散集中在卸荷区间内,卸荷前期稳定增长,卸荷后期急速增长,弹性能的释放集中在应力跌落点之后,是岩石失稳破坏的内在动力。三轴加载过程决定了岩样的整体破坏形态,围压卸荷作用突出的扩容特性将导致岩样产生更多的纵向裂纹,导致岩石破坏形态多样化。

红黏土在卸荷状态下的力学特性试验研究

选取工程中常见的3种应力路径,进行不同稠度状态的原状及重塑红黏土的力学特性试验,以研究在不同稠度状态下结构性红黏土在侧向卸荷条件下的变形破坏特性。通过将卸荷比的概念应用于贵州红黏土进行红黏土在卸荷开挖状态下其卸荷比与变形关系的研究,研究结果表明:初始卸荷比可以很好地描述红黏土剖面在不同应力路径下的变形破坏特征。不同含水率、不同应力路径和不同固结围压下红黏土的初始卸荷比有很大的规律性及差异性,其与红黏土的变形具有密切的联系,可以用来作为一种研究手段建立和描述红黏土在工程中的受力变形破坏规律。

基于不同卸荷速率与路径影响下吹填土力学特性研究

运用应力路径三轴试验仪,对天津滨海吹填土开展等向固结条件下的不排水卸荷试验,探讨不同卸荷路径及卸荷速率对应力−应变关系、孔压变化规律及破坏强度特性的影响。试验结果表明:各卸荷路径下应力−应变曲都近似呈双曲线型。UU0.0(径向卸荷、轴向不卸荷)卸荷路径下试样变形表现为轴向压缩,且孔压变化曲线存在明显的屈服点;UU2.0(轴向和径向均卸荷),UU∞(轴向卸荷、径向不卸荷)及UL1.0(轴向卸荷、径向加荷)路径下试样变形表现为轴向伸长,孔压随着应变的增加而增大,最终速度减缓并趋于稳定增长状态。同种路径下,卸荷速率越大,卸荷初期孔压发展越缓慢,峰值孔压越大。对0.1、0.2、0.3 kPa/min卸荷速率下的应力−应变曲线研究发现,卸荷压缩路径下初始切线模量受卸荷速率影响较大,拉伸路径下则不明显。UL1.0路径下卸荷破坏强度最大,UU2.0路径下该值最小,UU∞路径下则居中。同一卸荷路径下,土体破坏强度随卸荷速率的增大而增大。对各应力−应变曲线进行归一化处理,构建了考虑卸荷速率及卸荷路径影响的初始切线卸荷模量和卸荷破坏强度预测公式。