上海粉质粘土的三轴CT实时细观试验

采用CT实时试验对上海粘性土的三轴应力条件下的特性进行系统的试验研究。研究表明,上海灰色粉质粘土在三轴应力下细观变形基本上分为4个阶段,即微裂纹压密阶段,初期损伤阶段,损伤快速发展阶段和软化破坏阶段。粉质粘土初始状态为不均一的和初始损伤,受力过程中以局部变形为主,灰色粉质粘土的破坏是由于产生局部变形,形成剪切带造成的,裂纹在峰值强度及峰值强度后完全形成的。

排灌水引起砂土层沉降的宏细观试验分析

利用自行设计的砂土排灌水试验装置,分析地下水排灌引起的砂样宏观竖向变形及细观移动.通过试验测量了反复排水和回灌时砂样的竖向变形,采集了局部土颗粒图片并采用Geo DIP(geotechnical digital image processing)软件对颗粒位移及定向性进行了分析.结果表明:在砂样排灌水的初期阶段,砂样的结构发生了明显重组,砂样沉降不仅发生在排水时,而且回灌时砂样沉降继续增加,砂样产生了较大的、不可恢复的塑性和黏性变形;砂样结构达到相对稳定后,排水时产生的竖向变形变小,而回灌时砂样发生较大的回弹;土颗粒的长轴方向在第一次排水时转动不大,在第三次排水时转动较大,而在第六次排水时转动又变得不明显.试验结果可为控制地面沉降提供参考.

岩石变形劣化全过程细观试验与细观损伤力学模型研究

采用细观试验探究岩石变形劣化全过程是了解岩石变形破坏机制的重要手段。选取四川锦屏二级水电站深埋(2 525 m)隧洞围岩(大理岩),利用岩石变形破坏全过程细观力学试验系统,进行大理岩试样单轴压缩变形破坏全程的数字化试验,在SEM图像数字化处理基础上,对微裂隙的萌生、扩展及贯通过程进行数字化定量分析,统计试样在受压过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据。利用内变量热力学理论和摩擦弯折裂纹模型,分析微裂纹不同阶段的演化规律,建立微裂纹引起的非弹性应变与应力之间的定量关系,得到大理岩应力–应变关系计算曲线,并与试验结果对比,验证了本文理论模型的可靠性,从试验和理论两方面探究岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制。

混凝土细观试验方法及力学理论研究综述

介绍了当前常用于混凝土研究的细观试验方法和细观力学理论,并对各方法进行了总结和评价;根据目前的研究现状和局限性,提出了新的研究方向,对未来的研究发展趋势进行了展望。

堤基管涌小尺寸模型的细观试验研究

利用显微摄像可视化跟踪技术、数字图形的计算机实时处理技术,开展室内小尺寸堤基管涌物理模型的细观试验研究。从细观角度研究堤基管涌发展过程中的渗流过程、水头、管涌通道前端的颗粒运动、颗粒含量和水力梯度等参数变化的动态变化过程。研究结果表明:(1)堤基管涌的渗透破坏分为三个阶段,无明显渗透变形阶段、管涌通道形成阶段和堤基溃堤阶段;(2)从细观试验结果可看出,在无明显渗透破坏阶段,粒径小于0.075mm颗粒发生移动现象,稍大颗粒发生转动,但骨架颗粒没有变化。随着水力梯度的增大,当达到砂样的临界水力梯度时,砂样局部薄弱处的骨架颗粒发生移动,形成管涌通道并逐渐向上游扩展;(3)管涌通道前端的颗粒起动水头随粒径大小而不同,粒径越大,起动的临界水头越大;(4)管涌的发展是不断调整变化的,形成蜿蜒枝状沟道,主要原因是砂样颗粒的细观分布具有很大随机性,细颗粒流失形成的孔隙会被粒径大的颗粒填充,同时,也会引起周围更多的细颗粒流失使管涌通道变大。

沉井下沉期荷载分布特征的细观试验

为了准确分析沉井下沉期荷载分布特征可能受到的施工行为影响,设计了3组不同尺寸的沉井模型模拟下沉。在试验箱内分层铺设彩色标准砂,采取吸砂等助沉措施,利用CCD技术连续跟踪拍摄,观测地表沉陷范围、颗粒流动趋势,测量侧壁土压力,并采用二维颗粒流程序PFC2D对试验过程进行模拟。研究结果表明:沉井下沉期的地表沉陷范围与沉井平面尺寸相关,由于吸砂形成的应力松弛影响,沉井侧壁的土压力在深度方向分布呈现先增大后减小的趋势,PFC程序分析的结果与室内模拟的规律较为一致;沉井下沉期间荷载分布特征不同于现行规范规定的线性分布,应考虑取土下沉的扰动行为对其荷载分布特征的影响。

沉箱-垫层-桩复合基础竖向特性的细观试验

为了分析沉箱-垫层-桩复合基础的竖向受力特性,以深水桥梁桩箱基础试验模型为背景,针对3组不同级配砂石垫层,进行了桩箱基础竖向承载特性试验。通过在沉箱顶部施加竖向荷载、桩身埋设应变片、土压力计以及位移计等测试方法,并在试验过程中采用粒子图像测速(PIV)技术进行连续跟踪拍摄,得到桩身侧摩阻力、桩顶刺入量、砂石流动趋势及垫层孔隙率等变化规律,利用图像处理技术获取了土体颗粒位移场,并采用颗粒流程序PFC^(2D)对该复合基础应力传递方式和孔隙率等细观特性进行补充分析。研究结果表明:砂石垫层颗粒级配对桩顶刺入量有较大影响,由粗集料和良好级配骨料砂石构成的垫层可有效减小桩顶刺入量;沉箱下沉时,桩身中性点位置从0.4L处下移到0.7L处,同时桩顶区域孔隙率由29.2%降低至11.2%,下降幅度较为明显,表明其颗粒被挤压密实形成核心区,与数字图像处理得出的土体位移场形态相吻合;PFC^(2D)程序分析结果与室内模拟的规律较为一致,沉箱刃脚处土体孔隙率经历了先下降后升高的过程,表现出土体的剪胀特性,而桩顶处土体孔隙率值持续降低,形成桩顶核心压密区。研究成果可为深水桥梁桩箱基础设计提供参考。

土与结构界面细观研究进展及可视化剪切试验初探

对土与结构界面细观试验研究现状进行归纳总结,并利用新研制的大型可视化界面剪切仪,进行干砂-钢板接触面的直剪试验,试验过程中结合数字图像相关测量技术(DIC)从细观角度测量紧邻接触面及其上部砂土颗粒的剪应变和位移变化.由试验可知:剪切过程中砂颗粒在结构面的带动下产生平移、挤压、错动和转动,剪切带最终稳定厚度约为(2~5)D_(50);颗粒的细观运动影响颗粒接触,也是宏观剪胀的因素之一.

水力耦合作用下非饱和压实黄土细观变形机制试验研究

对两种状态的压实黄土进行了一维常含水率压缩试验及常应力增湿试验,结合压汞法及扫描电镜等细观结构研究手段,对压缩以及增湿作用下压实黄土的细观结构演化进行分析,进一步对压实黄土在水力耦合作用下的细观变形机制进行探讨。研究结果表明:常含水率压缩下,压实黄土饱和度增大,可以在进一步压缩下发展为饱和土的固结过程;细观层面上非饱和压实黄土的压缩是其大孔隙在应力作用下塌陷减少的结果,而小孔隙分布在压缩中不受影响;常竖向应力下增湿,压实黄土的湿化变形随着竖向应力的增大呈现先增大后减小的趋势,最大湿化应变发生在压实应力附近。细观层面上,湿化作用下,颗粒及团聚体之间的黏结弱化,发生崩塌滑移,大孔隙塌陷减小而小孔隙增多,湿化后土体结构趋于均匀稳定。而压实黄土的蠕变也是在恒定荷载作用下土颗粒或团聚体的蠕滑、大孔隙进一步压缩引起的。结合研究结果,进一步从细观角度对黄土高填方施工期及工后期沉降进行总结阐述。

非均质混凝土破坏过程的细观数值试验

结合细观单元的弹塑性各向异性损伤本构模型,建立了研究非均质混凝土破坏过程及其非线性力学行为的细观数值试验模型。该模型基于混凝土材料细观层次的结构特征,采用Weibull随机分布函数引入材料的非均匀性;同时,为反映加载边界条件如端部约束等的影响,采用Bathe提出的接触问题约束函数法处理不同物体之间的相互作用。运用该模型,对压缩和拉伸加载方式下混凝土的渐进性破坏过程进行了系统性的数值试验,其结果与他人的研究结果基本一致,从而验证了该模型的合理性。该模型为从细观层次研究复杂加载方式下混凝土的渐进破坏过程,进一步揭示混凝土的破坏机理及其非线性力学行为本质提供了一种新的数值试验手段。

复杂动荷载作用下全级配混凝土损伤机理细观数值试验

提出了一种适用于复杂应力状态下的双折线弹性损伤模型,对混凝土试件进行了轴向拉压细观数值模拟试验,同时探讨了复杂应力状态下混凝土损伤破坏机理。然后基于实际工程采用的混凝土细观动态参数试验实测值,利用细观数值模型对循环荷载作用下全级配大坝混凝土试件进行了弯折损伤破坏模拟。其数值计算结果与材料试验测的数据吻合较好,进一步验证了在循环动荷载作用下预静载对动弯拉强度也存在强化现象。本文轴向拉压细观数值模拟试验表明,细观界面黏结强度是控制混凝土宏观抗压强度和宏观抗拉强度的关键参数,而黏结面泊松比的大小对混凝土宏观抗压强度影响很大。这个研究结果表明,混凝土材料受拉破坏机制与剪切破坏机制在本质上可统一为受拉破坏机制。

含水状态下膏溶角砾岩破裂全程的细观力学试验研究

利用新型岩石细观力学试验系统,对石家庄—太原铁路专线太行山隧道工程6#斜井的膏溶角砾岩在单轴压缩荷载作用下的岩石细观损伤裂纹扩展直至破裂的全程进行了实时观测,得到了不同含水状态下岩石初始损伤微裂纹的萌生、扩展、连接、贯通直至宏观破裂的数字显微和全场实时图像。从岩石细观损伤机制出发,结合同时获得的应力-应变曲线,将损伤破裂过程分为4个阶段,得到了含水状态下岩石损伤发展演化的初步规律,并给出了应力损伤门槛值,发现水环境影响下造成的初始损伤微裂纹是水对膨胀软岩力学性质产生软化作用的重要因素。

应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的细观力学试验

自行研制了应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的细观力学试验系统,可以进行应力–水流–化学耦合下的多项岩石力学细观试验,实现了应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的显微与宏观实时监测、控制、记录与分析的岩石力学试验。对不同化学溶液腐蚀的多裂纹灰岩试件,应用该系统进行了应力–水流–化学耦合下单轴压缩破坏全过程的试验。试验过程中试件一直浸泡在流速为513 mm/s 的相应的化学溶液中,对NaCl 溶液(0.01 mol/L,pH = 7)作用下裂纹的起裂、发展及贯通破坏过程进行了分析研究。与未受化学溶液腐蚀的相同裂纹排列方式试件的试验结果比较,受化学溶液腐蚀与未受化学溶液腐蚀试件裂纹扩展破坏过程差异的主要原因为化学溶液对试件产生了腐蚀及软化作用,而未受化学溶液腐蚀试件的破坏则为脆性破坏。试验研究结果证明了该系统的科学性和先进性。

岩石破裂全程数字化细观损伤力学试验研究

设计基于扫描电镜(SEM)的岩石破裂全过程数字化细观损伤力学试验方案,实现了岩石破裂全过程的显微与宏观实时的数字化监测、控制、记录及分析的岩石力学试验。应用于四川锦屏大理岩预制裂纹试样中进行单轴压缩破坏全程的数字化试验,对微裂纹的萌生、生长及贯通过程进行数字化定量分析,得到试样在受荷过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据,从宏细观角度描述了岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制,并分析得出试样单轴受压破坏过程中虽然微裂纹在某些区域集中,但在整个试样中微裂纹的统计分布依然是服从某一指数分布的这一结论。试验研究结果证明了该试验方案的科学性和先进性。

水泥土细观破裂过程的实时观测试验

利用中科院武汉岩土力学研究所的岩石破裂过程细观力学实验系统,对不同水泥掺量的水泥土试件进行了单轴压缩细观实验,该试验系统可通过显微镜和数码视频装置实时观测水泥土试件的细观结构及其破坏的全过程,试验得到了水泥土破裂过程中的细观图像及其相应应力应变关系曲线。分析了不同水泥掺量的水泥土试件的细观破坏特征及其与宏观力学行为的关系,研究为水泥土细观损伤本构模型的建立提供了实验依据。

粗粒土渗透变形特性的细观数值试验研究

为深入探究渗透变形对粗粒土渗透特性的影响,基于室内粗粒土渗透变形物理试验成果分析,利用颗粒流软件PFC3D对粗粒土的渗透性演化全过程进行细观数值仿真试验。数值试验研究成果表明：随着试验水头升高,试件中的细小颗粒从渗流＂上游区＂向＂下游区＂逐渐迁移、汇聚,形成渗透挤密区;渗透挤密现象的产生导致试件整体渗透系数减小;随着试验水头持续升高,渗透挤密区中的细颗粒在不断增加的渗透力作用下随水流被陆续带出,渗透系数逐渐增大。颗粒迁移导致原有孔隙增大,土骨架结构发生变化,进而导致粗粒土渗透性越来越大,最终形成渗透变形现象。细观数值试验方法可以较好地再现粗粒土的渗透变形过程。

甘肃北山地区深部花岗岩的热开裂试验研究

通过岛津SEM全数字液压高温疲劳试验系统,实时观察不同温度下北山花岗岩的热开裂过程,获得北山花岗岩的热开裂临界温度为68℃～88℃。在较低温度时,北山花岗岩热开裂以沿颗粒热开裂为主;在较高温度时,热开裂以穿颗粒热开裂及沿颗粒穿颗粒混合热开裂为主。热开裂不仅受到矿物颗粒的热膨胀性质不匹配及热膨胀各向异性的影响,还受到矿物颗粒的物理、力学、热学性质及矿物颗粒形状结构的影响。而花岗岩内流体包裹体也可能是影响北山花岗岩热开裂的一种重要因素,这是种新的影响机制。在微细观层次对热开裂模式进行分类,并由热开裂的分形模型定量解释沿颗粒和穿颗粒热开裂等发生的难易程度。当温度升高超过250℃时,北山花岗岩有可能存在热熔效应,这导致热开裂裂纹数有减少趋势,并且温度与其对应的热裂纹数量的统计关系符合Gauss曲线关系。

土石混合体细观特性研究现状及展望

土石混合体作为一种介于土体与破碎岩体之间的特殊地质材料越来越多地受到工程界及学术界的关注。土石混合体细观结构特性及物理力学特性的深入研究是当今工程建设的需要,也是理论岩土力学、计算岩土力学、试验岩土力学及应用岩土力学发展的必然。在总结国内外有关土石混合体研究现状的基础上,分别从土石混合体的细观结构特征、细观结构模型和细观力学特性3个方面对当前的研究成果进行了概括。在此基础上,总结了土石混合体细观特性研究方面存在的不足,指出开展不同细观尺度的实时加载试验,从不同试验尺度上研究土石混合体的局部变形特征是未来的研究方向;建立土石混合体细观损伤演化方程和本构方程,加强土石混合体环境依赖性方面的研究,通过细观试验建立土石混合体三维精细结构模型,开展土石混合体开裂方面的仿真计算,加强细宏观力学特征的关系性分析,揭示实时加载条件下内部微结构的演化过程是未来研究的趋势。

温度循环作用下砂岩破裂过程的细观力学试验研究

利用岩石细观力学试验系统,对常温状态及200℃温度循环作用后的砂岩进行了单轴压缩破裂试验,获得了不同条件下砂岩裂纹的萌生、扩展直至破裂的实时图像,分析比较了温度循环作用对砂岩细观破裂过程以及破裂形态等的影响。试验结果表明:温度循环作用对砂岩的破裂形式有显著的影响,与常温试件相比,经过多次温度循环作用后试件,其破坏时的分支裂纹增多;常温状态下试件在达到峰值应力时才观察到裂纹萌生,峰值后裂纹很快贯通整个试件,试件失去承载力,表现出显著的脆性特征;而温度循环作用后试件,初始裂纹出现的时间提前,并且在峰值之后经历了一个相对较长的扩展演化过程才形成贯通整个试件的破裂面,呈现渐进性破坏特征,裂纹贯通后试件仍具有一定的残余强度。随着循环次数增加,砂岩试件的抗压强度大幅度降低。

适用于岩石力学细观实验研究的加载仪

根据岩石工程力学性质研究的需要 ,研制了岩石细观力学加载仪 (YXJY 5T)。该仪器设备配装在光学体视显微镜下 ,可以观察岩样在加载过程中 ,四个平面 (岩石试样为长方形柱体 )变形破坏的全过程 ,并获得岩样的应力