π平面上原状土的空心扭剪试验

为了通过空心扭剪试验获得原状土在π平面上的屈服特性,在分析空心扭剪试验仪加载过程和加载特点的基础上,研究了空心圆柱试样可实现的应力状态,并设计了相应的加载路径.与重塑试样不同,原状土样的初始应力状态位于K_0固结线上而不是等倾线上,因此,其加载路径应从原点开始沿K_0固结线行至原始应力状态,然后再在π平面上进行以初始应力为起点的等p试验.在考虑原状土的初始应力状态和各项异性的基础上,针对具有不同主应力方向角的平行试样,给出了等p条件下保持主应力方向角不变的加载路径实现方法,采用该方法可得到任意平均主应力时π平面上六分之一范围内的屈服曲线,该范围对应于大主应力方向角从-45°～45°.本文设计的加载方案可完成真三轴试验的部分功能,但经济成本相对较低,操作方法简单易行.

动态空心圆柱扭剪试验的离散元模拟研究

为了揭示应力主轴旋转效应对土体宏细观动力特性的影响,提出土体动态空心圆柱扭剪试验的数值模拟方法,该方法采用FDM-DEM耦合技术模拟物理试验中的完全柔性边界条件,并基于动态伺服原理实现柔性约束下循环动剪应力的精确加载。以重载列车荷载为例,建立“心形”复杂应力路径下重载铁路路基土体动态空心圆柱扭剪的数值试验模型,并通过物理试验验证数值模拟方法的正确性,分析应力主轴旋转效应对土体颗粒的运动状态、局部孔隙率、平均配位数、组构等细观特性的影响。研究结果表明,重载列车荷载引起的应力主轴旋转效应加剧了表征土体细观结构各项参数的变化程度,并加快了重载铁路路基土体竖向塑性累积变形的发展。此研究实现了复杂应力路径下空心圆柱试样的动态加载数值模拟,可为阐明土体在复杂应力路径下的宏细观动力特性演化规律提供参考。

GDS空心圆柱扭剪试验系统阻尼的测定

通过GDS空心圆柱扭剪试验系统的动态三轴试验得到水试样的动应力和动应变时程曲线,采用传统的等效线性模型计算其阻尼比λ_1。通过互相关函数法计算得到系统的阻尼比λ_2,最后将λ_1和λ_2进行比较。研究结果表明:阻尼比随动应力幅值的增大而增大,并呈一定的线性关系即λ=kσ_d,且k的取值范围为4×10^(-5)~7×10^(-5)。

动扭剪试验中砂土液化后流动特性分析

土体在初始液化后仍然可能承受动荷载作用发生大变形。引入流体力学中的剪应变率和表观黏度的概念,对振动扭剪试验中饱和砂土液化后的流动特性进行了分析。分析中将砂土的状态分为0有效应力状态和非0有效应力状态。结果表明,砂土在0有效应力状态下表现出与静扭剪试验类似的"剪切稀化"非牛顿流体的特征,表观黏度随着剪应变率的增大而减小。加载周数对"剪切稀化"状态下的剪应变率幅值有影响,随着加载周数的增加,剪应变率幅值逐渐增大,而对流动曲线的形状没有影响。在非0有效应力状态下,砂土的表观黏度随应变的增大而增大,随孔压比的减小而增大,且所有的试验得到的表观黏度与孔压比具有一致关系。

定向剪切应力路径下重塑黄土应力—含水率—应变关系试验研究

为了研究定向剪切应力路径下,重塑黄土的强度和应力—含水率—应变关系,采用浙江大学空心圆柱扭剪仪,针对6种不同初始含水率制备的重塑黄土,在中主应力系数和平均主应力恒定条件下,进行定向剪切试验,重点研究初始含水率对重塑黄土定向剪切特性的影响。结果表明:在相同的初始主应力方向角下,含水率越高的试样,其破坏剪应力对应的剪应变值越小;含水率超过17%重塑黄土强度会骤减。经过分析,充分说明了含水率对重塑黄土强度的影响具有区间效应,为西宁地区黄土工程施工提供了理论指导。

土体硬化模型参数试验研究及其在南昌地区基坑工程的应用

基坑开挖数值分析的关键在于土体本构的选择和计算参数的合理选取,硬化模型(HS模型)是应用较为广泛的模型之一。通过采用GDS空心扭剪试验仪(SS-HCA)和常规固结仪完成大量室内试验,获取了南昌地区软土层的硬化模型参数,对各层土参数中模量之间的比例关系进行探讨,并将试验得到的结果与相关文献的结果进行比较和总结。运用PLAXIS有限元数值计算软件,对南昌某地下室深基坑工程进行数值模拟,土体本构模型采用程序内置的HS模型。结果表明,围护桩深层水平位移的实测数据与数值计算结果基本吻合,表明获取的HS模型参数及方法适用于南昌地区基坑开挖的数值分析。

波浪作用下饱和砂土孔压发展规律试验研究

利用空心圆柱扭剪仪和动单剪试验仪分别对饱和砂土进行了循环耦合剪切和动单剪试验,研究比较两种不同方法下,饱和砂土内部孔隙水压力发展规律及其差异。结果表明,两种孔压发展规律具有显著差异,且分别可以采用传统孔压增长模型和幂函数关系加以描述;空心扭剪试验中,双向动荷载的幅值比值λ对孔压增长具有显著影响,但对归一化孔隙水压力发展模式没有显著的影响;动单剪试验中,存在循环振次临界转换值,该值决定了孔压增加随动剪应力的变化趋势。

扭剪荷载作用下饱和橡胶砂的动力学特性研究

为了研究橡胶颗粒与砂土混合物这种新型土木工程材料的动力学特性,将废旧轮胎颗粒与砂土混合制成橡胶砂混合土,并对其进行了空心扭剪试验研究。结果表明:低橡胶颗粒含量(R_(f)=5%~10%)的橡胶砂动孔隙水压力发展与纯砂类似,呈现“较快增长-线性增长-急剧增长”的发展模式,而较高橡胶颗粒含量(R_(f)=20%~30%)的橡胶砂动孔隙水压力呈现“快速增长-平稳”发展模式;橡胶砂液化周次随着橡胶含量的增加而增大,当R_(f)达到30%时,橡胶砂不发生液化破坏;橡胶砂在循环扭剪荷载下有效应力路径呈现三阶段发展,破坏时橡胶砂在剪缩和剪胀的两种状态中不断转换;橡胶砂应力应变滞回圈呈中心对称,随着橡胶颗粒含量的增加,滞回圈斜率逐渐减小,橡胶砂刚度降低;广义剪应变随着橡胶颗粒含量的增加逐渐减小,R_(f)=30%的橡胶砂抵抗变形能力最强;橡胶颗粒含量高的橡胶砂滞回圈面积较小,其更趋于弹性材料,有着更好的变形恢复能力,破坏需要的循环周期更长,其累积能量耗散更大。

主应力方向对红黏土变形与破坏的影响研究

我国西南地区广泛分布有红黏土,受重塑黏土空心圆柱试样制备技术制约,关于主应力方向变化对红黏土力学特性影响的现象与机理尚不清晰。为此,本文采用自主研发的制样装置,通过分层欠压法制备了饱和重塑红黏土空心圆柱试样,并开展了纯主应力轴旋转试验和定轴剪切试验。结果表明:试样的变形、强度、形态等宏观力学行为均与绕第二主应力旋转角密切相关,且表现出了较为明显的分段特征;应力的加载方向对试样的拉压状态起着决定性作用,导致试样随应力主轴旋转而存在“压缩臌胀”、“纯扭破坏”和“拉伸颈缩”现象,决定了试样的整体变形规律;产生上述现象的原因可能是重塑试样制备过程中,沿轴向所受压实作用强于径向与环向,使得试样沿轴向的模量、强度等参数异于水平方向,即具有横观各向同性特征,试验过程中沿不同方向施加的应力“激活”了这种差异性,进而使得试样在宏观上表现出不同的力学性质。关于应力方向对土体变形与破坏影响的研究应综合考虑应力加载方向和试样各向异性。

考虑应力状态对土体力学参数影响的边坡稳定性分析方法

针对传统土坡稳定性分析方法忽略了滑动面不同位置处主应力大小和方向对强度参数的影响,导致安全系数分析结果脱离实际的问题。采用空心圆柱试验仪对不同主应力方向和大小条件下土体强度参数变化规律进行了研究,并基于土体真实应力状态,依据作图法推导得到平面均质土坡的稳定性分析方法。研究表明:土体强度随有效围压的增加而增加;主应力方向角α小于45°时,强度参数随α的增加而减小,主应力方向角α大于45°时,规律相反,且均可线性表征;推导得到的土坡稳定性分析方法得到的安全系数高于瑞典条分法。

倾斜沉积砂土空心圆柱试样制备方法研究

受现有土工试验仪器功能的限制,目前仅能实现绕单一应力主轴旋转的应力路径,对应力绕2个及以上应力主轴旋转的研究仍是土力学的空白。从控制试样沉积面旋转和控制应力加载方向2个角度,系统梳理应力方向依赖性的试验研究方法。设计研发倾斜沉积砂土空心圆柱试样的制样装置,在砂雨法制备空心圆柱试样技术的基础上,通过控制电机转速使成样模具整体定速转动,使得砂土颗粒在重力和离心力的作用下沿径向倾斜沉积,进而制得沉积面与水平面夹角为定值的倾斜沉积砂土空心圆柱试样,实现试样沉积面绕σ_(3)的定向旋转。再借助扭剪仪控制应力绕σ_(2)旋转,即可实现对应力的3个大小量和2个方向量的定量控制。采用生石灰-彩砂试制18个沉积面倾斜的试样,对沉积面倾角进行图像分析和统计学分析,结果表明,所制试样的沉积面倾角与理论计算值较为接近,倾角偏差的分布较符合正态分布,倾斜沉积砂土空心圆柱试样制样装置的制样可靠度较高,为进一步揭示岩土材料特殊的力学性质、丰富和完善土力学理论奠定了技术基础。