非饱和压实土率敏性及蠕变时效特征试验研究

为研究部分饱和状态下高填方回填土工后长期变形,对非饱和压实土在可控基质吸力下分别开展率敏性和蠕变试验,并分析两者间时效对应关系。率敏性试验采取不同加载速率的三轴剪切,分析基质吸力(0、100、200、300 kPa)、加载速率(0.40、0.02mm/min)以及超固结比(1、4和8)对土体强度和变形特征的影响,并确定三轴剪切蠕变的三级加载应力水平为抗剪强度的0.45、0.65、0.85倍;在4种可控基质吸力(0、100、200、300 kPa)下参考陈氏加载法,按三应力水平分级加载开展非饱和压实土三轴剪切蠕变试验。试验结果表明:随着基质吸力的增加,其率敏性参数ρ减小,其率敏性降低;随着基质吸力逐渐增大,其蠕变初始最大速率、稳定蠕变速率以及蠕变变形量均显著减小;蠕变试验确定的应变速率-应变关系线与率敏性试验获得的应变速率-应变数据点基本吻合,证明两者间存在一定时效对应关系,且随着基质吸力的增大,这种时效对应关系更显著。

一种基于土体率敏性的长期变形预测方法

土体长期变形的预测与控制是大量工程建设的关键性问题。常规方法是结合蠕变试验来预测土体变形,其存在耗时长、难以考虑复杂应力路径以及不便用于复杂有限元计算分析等缺点。考虑土体的率敏性特征,通过对饱和超固结土以及人工制备结构性土分别开展3种不同加载速率下的三轴剪切试验,获得了土体强度、变形以及率敏性指标,从而得到了基于上下负荷面的弹黏塑性本构模型参数,并利用该模型成功预测了土体的率敏性和蠕变变形行为。结果表明:①结合土体率敏性试验来预测土体长期变形,仅较常规土三轴试验增加了几组不同加载速率的剪切试验,而不需增加额外的试验条件,试验效率高;②由土体率敏性试验确定的本构模型参数能正确预测土体的蠕变变形,试验结果与模型预测结果吻合良好;③基于上下负荷面的弹黏塑性本构模型可用于复杂边值问题的有限元计算。结果表明提出的结合土体率敏性来预测土体长期变形的新方法将具有很好的工程应用价值。

超固结土三轴率敏性特性及影响因素分析

为建立超固结土的弹黏塑性本构模型并预测其长期变形,研究土体不同应力历史的时间相依变形特性,采用土体率敏性三轴试验,对预加800k Pa有效应力历史的饱和黏土开展不同加载速率下的三轴剪切试验,并通过改变有效围压(50,100,200和400kPa)、细砂含量(占比0%,10%和20%)和加载速率(0.5625%/min,0.037 5%/min和0.002 5%/min)等方式,深入探讨超固结比、黏性以及应变速率对土体变形特征的影响,引入能通过试验测定的应变率参数ρ来表征黏土率敏性大小。试验结果表明:归一化不排水抗剪强度随超固结比(OCR)单调递增;随着OCR的增大,土体剪胀软化越明显;应变速率与土体的抗剪强度呈半对数线性关系;随着含砂的降低,土体的黏性增大,剪胀软化也越明显;率敏性随超固结比的增大而增强,土体黏性越大率敏性就越显著。

粗骨料取代下的高性能再生混凝土率敏性研究

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验方法对粗骨料取代率为0%、30%、50%和100%的再生混凝土进行冲击试验,研究了应力-应变关系曲线、动态抗压强度、动态弹性模量以及破坏形态受应变率影响的变化规律。试验表明,应力-应变关系曲线开始段呈线性关系,随应变率的增大,线性段斜率增大,持续范围扩大,峰值应力变大;峰值应力具有率敏性,随应变率增大,峰值应力不断增加,取代率对峰值应力的影响差别不明显;动态弹性模量也具有率敏性,呈正相关关系,取代率不同,其率敏性程度有所差异;随着应变率增大,试件破坏程度随之加剧,从完整无裂缝到瞬间崩裂成碎块。

非饱和压实土率相关变形特征与时效模型

为研究高填方路堤压实土率相关变形特征,对不同压实度的非饱和压实土分别开展了不同加载速率以及不同围压条件下的CD三轴剪切试验,探讨了不同工况下压实土的剪切强度指标;借助GDS饱和土静态三轴仪的围压控制器来间接测定非饱和压实土体变的途径。试验结果表明:压实土强度及变形特征具有明显的时间相依性,加载速率越大,压实土的抗剪强度越高,超固结变形特性越强,抗剪强度指标黏聚力c值增幅较大、内摩擦角φ值增幅较小;低围压下,压实土呈应变软化及剪胀变形,且压实度越高,应变软化及剪胀变形越显著,c值增加明显、φ值增加缓慢。采用基于下负荷面的弹黏塑性本构模型对路基压实土的率相关变形特征进行表征,预测结果与试验数据吻合良好,表明该模型适用于高填方路堤长期沉降分析。

基于BP神经网络的岩土胶结材料速率敏感效应预测研究

为建立针对岩土类胶结材料的微观特征-加载速率-宏观响应之间的对应关系,基于离散单元法,通过施加平行胶结模型模拟胶结材料物理力学特征,并进行不同微观参数(胶结数目、胶结黏聚力、胶结杨氏模量、胶结内摩擦角、孔隙比)以及不同加载速率(1、0.1、0.01、0.002 mm/min)条件下的三轴不排水数值试验。以残余强度、峰值强度及其对应的轴向应变3个参量为基础,探讨不同微观参数条件下的加载速率效应特征。在数值试验结果基础上,采用BP神经网络算法建立胶结材料率效应预测的智能模型。研究结果表明,(1)胶结材料具有显著的速率敏感性特征,其峰值强度随加载速率的增加显著增加,呈半对数线性相关,但其残余强度以及峰值强度处的轴向应变对加载速率敏感性较弱;(2)胶结材料对加载速率敏性的特征主要由其内部胶结破碎引起,剪切全过程中单位应变内的平均胶结破碎率变化趋势与偏应力变化趋势一致,随着加载速率的增加,其内部平均胶结破碎率呈现增加趋势;(3)所建立的BP神经网络模型充分考虑了微观参数以及加载速率对宏观特性的影响,能较好地反映胶结材料对加载速率敏感效应特征,相对误差在10%左右。

隧道软弱围岩变形时效性表征及影响因素分析

为研究隧道开挖过程中围岩变形的时效特性,文章构建了能够反映岩石时间相依特性的弹粘塑性模型,且基于软弱砂岩单轴压缩率敏性室内试验获得了模型参数,并将模型通过UMAT子程序成功嵌入到有限元软件ABAQUS中,结合杭长高速公路云峰寺隧道围岩变形监测数据反演确定了本构模型综合参数。对该隧道K106+995断面围岩流变变形三维数值分析结果表明:锚喷厚度依次取15 cm、20 cm、25 cm和30 cm时,其拱顶沉降相对前者依次降低了2.53%、2.11%和1.99%,但对围岩水平收敛变化影响相对较弱;当锚喷厚度增加到一定值后,作用已经很微弱;当上台阶以2 m/d和3 m/d的开挖速度从K106+986断面推进27 m时,K106+986开挖面洞周围岩变形稳定经历的时间则分别为13.5 d和9 d,拱顶处围岩变形分别增加了5.77 mm和4.09 mm,相差1.68 mm,说明开挖速度在短期内所引起的变形之差比较明显,而对围岩变形的长期影响较小。

岩石软化时效变形的弹黏塑性模型表征

为同时描述岩石应变软化以及时间相依的变形特征,基于超固结土的下负荷面模型,依据相对过应力思路,以Hashiguchi的下负荷面为参考屈服面,建立一种能表征岩石软化时效变形特征的弹黏塑性本构模型。相对于原下负荷面模型,新模型增加了2个能通过不同应变速率三轴压缩试验测定的率敏性参数c0和m',并结合岩石的特点用弹性模量E0和变形模量Ed代替原模型中的回弹指数κ与压缩指数λ。新模型采用以当前应力、黏塑性应变以及黏塑性应变速率为状态变量的动屈服准则函数,给出了基于Newton-Raphson迭代的应力积分算法,且成功地将其嵌入到大型有限元软件ABAQUS中。利用新模型对岩石率敏性三轴试验进行模拟验证,结果表明:预测结果与试验结果吻合良好;模型参数物理意义清晰、简单可测,能正确描述岩石的率敏性及应变软化等特征,可用于复杂边值问题的有限元计算。

花岗岩残积土动态冲击性能的SHPB试验研究

为研究花岗岩残积土的动态冲击性能,开展了高速冲击下的分离式霍普金森压杆(SHPB)试验,与常规应变率下的试验结果比较,分析了高应变率对花岗岩残积土的应力-应变特性和强度的影响。结果表明:低、高应变率下的花岗岩残积土的σ-εa(轴向应力-轴向应变)曲线均呈现出软化型。随着应变率e&增加,σ-εa曲线向ea增大的方向移动,破坏应变εaf增加。但高应变率下εaf增加的程度更加明显。花岗岩残积土的峰值强度普遍具有应变率依赖性,二者可用直线关系拟合,但低、高应变率下的拟合关系并不一致。提出了率敏性因子m定量评价依赖性强弱。研究发现,随着应变率的提高,强度的应变率依赖性减弱,低应变率下的m为26.694,而高应变率下仅为0.013。相关试验结果指出,高速冲击荷载对土体总体有害。工程中应该采取合理措施控制冲击荷载的危害。该研究有助于深化花岗岩残积土动态冲击性能的理解,为相关工程的施工与设计提供技术参考。