重塑黏土空心圆柱试样制备技术改进及应用

受大体积制样降低土体均衡性及取芯扰动试样的影响,目前在包括主应力轴旋转等复杂应力路径下所开展的重塑软黏土力学特性试验研究的可靠性有待进一步提高。基于真空预压技术设计了制备重塑样的新型装置及方法,具有渗透排水与内壁成型双重作用的竖向排水体、分级施加真空负压以及多个试样同时制作等部件和技术,可快速制备大量空心圆柱试样,所制试样含水率具有较好的均匀性和一致性,减小了后期取芯对试样造成的扰动。开展了主应力轴旋转路径下的相关验证试验,从土体力学性能方面证明了所制试样用于研究复杂应力路径条件下土体性态演变规律的可靠性,为系统研究软黏土静动力学特性与长期稳定性提供了前提。

原状软黏土空心圆柱试样制备研究

空心圆柱仪是进行主应力轴旋转试验研究的主要试验仪器。目前国内外很少用此仪器进行原状土试验研究的一个主要原因是原状土试样取样、制备困难。在大量研究和试验基础上,确定了浙江大学5 Hz空心圆柱仪的试样尺寸。针对杭州软黏土的特性,成功研制了适用于软黏土的内壁切削器和内壁精修器,详细介绍了外、内壁的切削步骤和试样安装过程。实践证明:可以用自发研制的制样器成功完成原状软黏土空心圆柱试样的制备,所制试样完全满足试验要求,解决了原状土试验研究试样制备的难题,为后续研究提供了制样保证。

制备TJ-1模拟月壤空心圆柱试样的新方法

针对TJ-1模拟月壤颗粒级配跨度大、粒径>2 mm的颗粒含量多,采用常规方法制备空心圆柱试样容易出现粗细颗粒分离、试样整体不均匀的特点,提出改良型制备方法.首先采用分层欠压法与冰冻法相结合制备出孔隙比e=1.0的实心圆柱试样,并对实心样的均匀性进行评价,得到分层制备相同孔隙比的TJ-1模拟月壤均匀试样时每层试样的高度;而后采用插捣砂雨法制备出相对均匀的空心圆柱试样.改良型方法制备出的TJ-1模拟月壤空心圆柱试样均匀性良好,是后续TJ-1模拟月壤空心圆柱试验顺利进行的重要保证.

饱和重塑黏土空心圆柱试样的压制技术及应用

由于黏土黏性大、受扰动易产生裂隙,采用常规的击实法和固结法所制备的空心圆柱试样存在整体不均匀、饱和度较低、切削面裂隙丰富等问题。在重塑试样击实器的基础上,研制了一种能制备实心与空心圆柱重塑试样的压样装置,可以很好地模拟天然状态下土体形成过程。依据改进的分层欠压法,试验选取最优初始欠压系数,在每层试样高度相同的条件下,严格控制每层试样的质量,而后采用抽气饱和法将所压制的试样进行饱和。通过应力路径三轴试验和纯主应力轴旋转试验,从可重复性和力学特性两个方面验证了所制备的饱和重塑黏土试样用于研究复杂应力路径下土体变形特性与本构关系的可靠性,为后续重塑土的理论与试验研究提供了重要的保证。

空心圆柱土壤试样试验仪及应力路径自校正预报控制技术的研究

采用机、电、液、光一体化技术,研制了能实现土壤试样可控三维及扭矩加载的空心圆柱试样试验仪装置,以模拟农业土壤及实际工程问题的三维或伴随有主应力方向旋转的三维实际工况。采用Wittenmark自校正递推预报控制算法克服空心圆柱试样试验仪各加载通道响应速度不一致的问题,从而使尽可能多的离散点遵循设定的应力路径。整个试验过程在微机IBM—PC/XT控制下自动完成。

空心圆柱试样试验仪主应力轴旋转加载原理及试样形变检测技术的研究

介绍了新研制的空心圆柱试样试验仪的整体结构及加载原理，为了使整个连续试验过程遵循设定的应力路径，采用Ｋａｌｍａｎ滤波递推预报及Ｗｉｔｔｅｎｍａｒｋ自校正递推预报来克服四个加载通道间响应速度的不一致，特别是电液伺服加载系统存在的滞后。研制了高精度光栅位移传感器以完成试验过程中试样的形变检测。整个试验过程在ＩＢＭ一ＰＣ／ＸＴ控制下自动完成。

冻结黏土空心圆柱试样制样方法

冻土空心圆柱仪是室内研究冻土在车辆荷载等复杂应力路径下力学特性的主要仪器,试验中为实现主应力轴方向在垂直于径向平面内连续旋转,其试样多采用薄壁空心圆柱试样,但由于空心圆柱试样薄壁的特点,增加了制样的困难,成为制约冻土空心圆柱试验研究进展的主要阻碍。为此,借鉴冻土三轴试验的制样方法,基于实验室现有的制样条件,设计了一套重塑冻结黏土空心圆柱试样的制样装置,可提高制样效率,减小制样过程中人为因素的影响;随后,基于该制样装置,提出了一种冻结黏土空心圆柱试样的制样方法,给出了制备重塑冻结黏土的制样步骤。最后,通过对所制备试样的物理力学性质测定,发现采用该制样方法可以制备含水率及干密度均匀、力学性质稳定的重塑冻结黏土试样;同时对两个平行制备的冻结黏土试样的不同主应力轴方向的定向剪切试验结果进行了比较,证明了所提出的制样方法具有良好的可重复性,且所得的冻土力学特性与已有研究成果吻合较好,可用于进一步系统研究复杂条件下冻结黏土的静、动力学特性。

原状软黏土空心圆柱试样制备技术改进及应用

原状土空心试样的制备给土力学特性试验研究带来一系列棘手的问题,受取芯扰动的影响,目前在复杂应力条件下开展原状软黏土力学特性试验研究的可靠性有待进一步的提高。基于传统机械法设计了制备软黏土试样的新型装置及方法,具有台式水钻机、可拆卸更换钻头、制样桶等部件,操作便捷,制样质量良好,且对土样扰动较小,可快速制备大量空心圆柱试样。采用空心扭剪仪(HCA)开展了原状土圆柱试样在主应力轴偏转路径下的不排水剪切试验,得到了软黏土的孔压开展曲线和累积应变发展规律曲线。研究结果表明:复杂应力条件下所制试样土样力学性态演变规律较为可靠,满足试验要求。

冻结砂土空心圆柱试样的制备

本文以标准砂为试样,介绍一种重塑冻结砂土空心圆柱试样的制备方法,通过落雨法初步制备,再抽真空进行饱和,最后通入冷气形成冻结砂土空心圆柱试样,进而模拟在自然条件下形成的天然冻结砂土层,以备后续土工试验的开展。

空心岩样径向渗流-轴向应力特征与巷道围岩渗透突变机理

为了探究承压水下巷道围岩的渗透突变机理,针对空心岩样的渗流-应力特征开展了一系列室内试验和渗透突变表征模型研究。自主研制了一套空心岩样径向渗流-轴向应力试验系统,突破了仅开展轴向渗流的传统试验条件限制,实现了径向渗流及轴向应力同步进行。采用该新型试验系统,以孔径(5~20 mm)和水压(0.5~2.5 MPa)为变量开展多组空心红砂岩渗流-应力试验,得到空心岩样径向渗流-轴向应力特征。试验结果表明径向渗流的蚀损作用引起岩样黏聚力、内摩擦角等力学参数衰减,增大水压,渗流的蚀损作用变强,岩样内部裂隙贯通通道形成时间缩短,渗透突变现象提前发生。大孔径岩样对轴向应力敏感度更高,内部结构受径向渗流蚀损作用易破坏,渗透突变发生时间缩短。岩样渗透率在试验过程中存在3种状态:①以孔隙结构为主要渗流介质的孔隙渗流状态;②以局部裂隙结构为主要渗流介质的非稳定渗流状态;③以贯通裂隙结构为主要渗流介质的渗透突变状态。渗透率达到峰值的试样渗流介质为受水压影响产生的贯通裂隙结构,峰值渗透率随水压增大呈线性增长,与孔径没有明显关系。以裂隙体积变化为纽带建立空心岩样渗透突变表征模型,模型计算值与实验结果吻合良好。以屈服应力/应变、峰值应力/应变为临界条件将渗透率演化曲线分为3个阶段:①渗透率微增演化阶段;②渗透率突增演化阶段;③峰后渗透率演化阶段。其中,渗透率突增演化阶段是突水灾害发生的控制环节,需在此之前采取注浆封堵、输水降压等措施预防事故发生。

空心圆柱砂岩真三轴试验研究

利用岩石空心圆柱扭剪试验系统针对灰砂岩进行真三轴试验研究,分别开展控制(σ2-σ3)(σ2为中间主应力,σ3为最小主应力)条件压缩试验和恒σ3、变σ2条件压缩试验,对灰砂岩的应力-应变规律、强度特性及破坏特征进行详细分析,并进一步探讨了中间主应力效应,最小主应力效应,应力洛德角效应以及强度准则的适用性。研究结果表明:岩石空心圆柱扭剪试验系统能够实现真三轴应力状态的模拟,相较于常规的实现方式,该方法可避免端部摩擦的影响;内外围压的压差对岩石强度有很大影响,尤其是在高围压下,较大的压差使得岩石强度迅速弱化导致剧烈破坏;中间主应力对岩石强度影响显著且具有区间效应,最小主应力对岩石强度有强化作用,该特点对于实际工程开挖岩体的高效及时支护具有重要的指导意义;进一步地,根据所获试验结果对现阶段用于描述岩石力学特性的强度准则进行分析,认为采用指数强度准则能合理反映岩石真三轴应力状态,具有较好的适用性,可用来评价实际工程中岩石的强度特征。

颗粒材料定向剪切特性的空心圆柱离散元模拟

基于PFC3D离散元模拟平台构建空心圆柱型数值模型,研究了固定主应力方向条件下颗粒材料数值试样的定向剪切宏细观力学响应,重点分析了大主应力方向角对试样单调剪切特性的影响。数值建模中,采用"分离式簇墙"技术近似模拟室内试验橡皮膜的柔性边界效应,开发了顶部扭矩层颗粒旋转速度的"动态更新法"并较好地实现了剪应力的施加。结果表明,离散元数值模型能够较好地还原室内空心圆柱砂样定向剪切试验的应力路径和应力—应变响应;大主应力方向角α的变化显著影响数值试样的剪切强度,α=60°试样的峰值内摩擦角最低,且数值模拟得到的规律与已有的实际砂土室内试验规律相一致;数值试样剪切带的宏观演化在细观上可由试样内部局部孔隙比和配位数的变化规律来表征。

超固结黏土单调和耦合循环的剪切特性研究

针对超固结黏土空心试样,利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在均等固结条件下进行了单调扭剪和三轴-扭转耦合循环剪切试验。试验结果表明:不同超固结比黏土的单调扭剪强度也可由正常固结黏土的单调扭剪强度得到,得到了不同超固结比下饱和黏土的强度及模量的退化规律;随着超固结比的增大,相同破坏循环次数的动应力比和临界循环应力比均线性增大;超固结比对耦合循环剪切的孔隙水压力的发展模式影响显著。参考Yasuhara的测量方法,采用荷载停止后继续采集孔压的方法可以更好地反映黏土在耦合循环荷载下产生的真实孔压和孔压的增长情况。提出的综合应变式同时考虑了剪切变化和正向偏差变形的共同效应,适合作为主应力连续旋转的耦合循环剪切试验的破坏标准。

重塑黏土和原状粉质黏土的动力特性试验研究

试验采用单个空心试样振后固结再振的动扭剪方法与采用多个试样的常规动扭剪方法，针对重塑黏土、原状粉质黏土探讨了不同方法下两种土样的动力特性。试验结果表明：单个试样振后固结再振得到的动剪切模量G、阻尼ξ车与用多个试样的常规动扭剪方法得到的试验结果比较接近，可以认为在小应变下采用单个试样振后固结再振的试验方法是比较可靠的。同时发现卸压时的G随着固结压力的减少而降低，下降的梯度比加压时的小。重塑黏土和原状粉质黏土的G／Gmax～γ和ξ／ξmax～γ基本与试验方法和围压无关，并对模型中有关参数的影响因素做出了初步的探讨，给出了归一化动力变形关系曲线。采用单个试样进行振后固结再振的方法具有节省取样数量和减小试验操作、试样差异等因素对试验结果分析的影响，并且在试验结果可靠的基础上能够提供很多便利。

空心圆柱试样真三轴仪应力路径的控制

介绍了新研制的空心圆柱试样真三轴仪内外腔加载压力独立控制的机电液光一体化电液伺服加载装置,以及由步进电机独立控制沿试样轴向方向的载荷和为实现主应力旋转在试样端面上施加设定的控制扭矩的加载装置。采用卡尔曼滤波及预报递推控制算法,克服步进电机加载系统与电液伺服加载装置响应速度不一致的问题,从而在连续加载试验中,使尽可能多的离散点遵循设定的加载应力路径。

不同应力路径下砂岩的宏细观力学响应特性

为了研究应力路径对砂岩的宏观、细观力学响应的影响,基于颗粒离散元方法构建了空心圆柱试样并开展了6组不同应力路径的试验,分别研究了砂岩试样在不同应力路径下的宏观应力-应变响应,以及细观法向与切向接触力的分布规律。研究结果表明:当试样内围压相同时,随着外围压的增加,试样破坏时的体积应变也随之增加,即试样的膨胀现象愈加明显;当试样的外围压相同时,随着试样内围压的增加,试样破坏时的体积应变随之先增长后减小。在中主应力系数不为0时,中主应力系数越大,试样的径向应变与环向应变之和的绝对值越大。在内围压相等的情况下,随着外围压的增加,试样的法向接触力增加。当外围压相等,内围压增大时,试样的法向接触力减小。

空心圆柱试样水力劈裂特性研究

土石坝中的水力劈裂现象一直是影响坝体施工和运行期安全的隐患之一。为研究土体中发生水力劈裂时的机理及其影响因素,利用三轴仪对黏土心墙料进行了一系列的试验。通过试验认为,含水率和干密度以及试验时围压大小对试样的抗水力劈裂能力有一定的影响,土体中的水压楔劈效应对试样的水力劈裂有较大的影响,试样存在初始缺陷减弱了土体的抗水力劈裂能力,其破坏与均质的试样破坏有一定的区别。

不同应力路径下灰砂岩力学特性与强度参数研究

基于常规岩石力学试验设备与自行研制的岩石空心圆柱扭剪试验系统,开展灰砂岩直剪试验、常规三轴压缩试验与空心圆柱三轴压缩(内外压相等与内外压不等)试验,研究不同应力路径下岩石的力学特性和强度参数。通过比较常规三轴压缩试验与空心圆柱三轴压缩(内外压相等)试验结果,验证了岩石空心圆柱扭剪试验系统以及采用空心圆柱试样进行试验的可行性,内外压不等的空心圆柱三轴压缩试验可以反映中间主应力对强度参数的影响。通过比较不同类型试验获取的灰砂岩强度参数,认为按D-P准则整理的岩石空心圆柱三轴压缩(内外压不等)试验数据,获取的强度参数能合理地反映应力状态和应力路径的影响。

主应力轴偏转下的滨海结构性软土试验研究

对现有的空心圆柱试样制备技术进行了改进,解决了原有制样技术存在的扰动大、步骤繁琐等问题;采用空心扭剪仪为试验设备,以不同频率、不同动应力幅值为影响因素分析了其对紫金港软黏土轴向累计应变和软化指数的影响。在主应力轴旋转条件下,滨海结构性软土存在明显的临界循环应力值,当频率在0.1 Hz~1 Hz范围内变化时,空心圆柱试样在0.1 Hz循环荷载作用下达到破坏状态需要的次数最少;同时,频率和循环应力比对滨海结构性软土的软化特性具有显著的影响,且频率、动应力比对轴向累计应变及软化指数的影响是相互耦合、互相影响的,并不单独存在。