基于GCTS空心圆柱扭剪仪的四向振动模拟SV波斜入射动力分析

利用GCTS空心圆柱扭剪仪,采用四向振动模拟SV波斜入射,模拟地震荷载引起的复杂应力状态下土体的动力特性.通过理论计算给出了单位周期内主应力方向角的变化曲线,进而比较不同频率、不同入射角等不同应力路径下动变形的响应,分析该仪器以及加载方式在实现复杂应力状态下土体的动力特性的可行性.

GCTS空心圆柱扭剪仪实心试样的饱和试验分析

GCTS空心圆柱扭剪仪是模拟土体在主应力轴旋转下的理想试验仪器,不但可以进行空心试样的扭剪试验,也可以完成实心试样的动、静三轴试验,而空心试样的反压饱和方法不适用于实心试样.本文基于GCTS仪进行了多组实心试样的饱和试验,提出了抽真空饱和与反压饱和相结合的饱和方法,结果表明该方法不但提高了试验效率,亦使后续试验结果更加精确.

四向振动空心圆柱扭剪仪模拟主应力轴旋转应力路径能力分析

主应力轴旋转对土体的动力特性有着显著影响。利用GDS动态空心圆柱扭剪仪(HCA)能够实现内围压、外围压、轴力和扭矩四向动态加载的功能,提出了3种主应力方向变化的应力路径加载方式,分析了3种应力路径在实际工程中的应用,并进行了试验验证。当四向动载根据推导的波形函数加载时,可以实现:1平均主应力p、中主应力系数b和偏应力q保持恒定,主应力轴循环旋转的应力路径;2平均应力p和中主应力系数b保持不变,偏应力q循环变化,而主应力方向角?=90°突变的应力路径;3平均主应力p、中主应力系数b保持不变,偏应力q、主应力方向角α连续变化的应力路径。应力路径1为模拟海洋波浪荷载作用下的应力路径试验提供了理论依据,应力路径2可用于模拟不同方向地震荷载的作用,应力路径3可以模拟波浪荷载作用下桩周土体的应力路径以及交通荷载作用下的应力路径。

岩石空心圆柱扭剪仪试验能力

针对自行研制的岩石空心圆柱扭剪仪可独立控制4个加载参数(轴力、扭力、内围压和外围压)的功能,通过数学和力学分析,系统地整理出几种易于实现且符合实际工程的应力路径及加载方式:在轴力与内围压满足一定关系的前提下,可以获取岩石的抗拉强度,提供一种新型测量岩石抗拉强度的方法;通过控制内外围压及轴力,可以进行常规三轴试验与真三轴试验,克服了现阶段岩石真三轴试验中试验装置复杂、试样加载面摩擦大的缺点;在轴力与内、外围压分别满足一定关系时,可以分别实现平均应力p不变与中主应力系数b不变的应力路径,用于研究应力主轴旋转对岩石力学性质的影响。上述应力路径的实现对岩石力学性质的研究以及现阶段岩石室内试验的发展具有重要意义。

空心圆柱扭剪仪的改进及应用

英国GDS公司的中型空心圆柱扭剪仪动力加载功能强,测试精度高,但其研究对象仅限于砂土和黏性土。为开展砂砾土动力特性试验,对扭剪仪进行改进:用实心不锈钢板置换扭剪仪底座中铜芯透水石,得到实心底座,适合扭剪仪试验的土样中最大颗粒粒径由2 mm增大至10 mm。对改进后扭剪仪开展了性能验证试验,结果表明:改进后的实心底座与工作室底座接触较好,在应力控制和应变控制条件下,输出波形完整,幅值稳定,孔压计、轴向位移计等传感器都发挥其功能且测试结果正常,可完成砂砾土动力特性试验。

动态围压下空心圆柱扭剪仪模拟主应力轴旋转应力路径能力分析

针对英国GDS公司动态空心圆柱扭剪仪(HCA)在主应力轴旋转试验中能够实现三向动态加载(轴力、扭矩、内围压或外围压)的功能,通过严格的数学推导,提出了3种易于实现又与实际工程背景相符合的应力路径加载方式。当三向动载满足相应的条件时,可以实现(1)平均主应力p和剪应力幅值q保持恒定的应力路径(应力路径1);(2)中主应力参数b=0.5、剪应力幅值q为常数的应力路径(应力路径2);(3)平均应力p保持不变、主应力旋转角90o突变的应力路径(应力路径3),其中应力路径1、2为模拟海洋波浪荷载作用下的应力路径试验提供了理论依据,应力路径3可用于模拟地震荷载作用下的土体动力特性。以上3种应力路径均不能在两向动态HCA仪中实现。

空心圆柱扭剪仪重塑样击实器的研制

动态空心圆柱扭剪仪(HCA)是目前国内外公认的最复杂、最尖端的室内土动力学试验设备。为了配合空心圆柱扭剪仪重塑样的制样,依据传统三轴重塑样击实器的原理,研制了空心圆柱重塑试样的击实器,来控制重塑样的相对密度和均匀度。实践证明,击实器可以满足重塑样制样的需要。

岩石空心圆柱扭剪仪研制的重点问题及研究进展

随着深部岩体工程的发展,开挖卸荷导致的应力主轴旋转问题引起了广泛关注。首先,分析总结了岩体工程中存在的应力主轴旋转问题及其对岩体工程稳定性的影响;其次,介绍了土体空心圆柱扭剪仪的发展现状及其特点,从荷载的施加方式、试样尺寸两个方面指出了研制岩石空心圆柱扭剪仪的关键问题,并与土体空心圆柱扭剪仪进行了对比,提出了新的扭矩施加技术和合理的岩石空心圆柱试样尺寸;最后,总结概括了考虑应力主轴旋转的土体本构模型的研究成果,并对考虑应力主轴旋转的岩石本构关系的研究进行了展望。该工作将对岩石空心圆柱扭剪仪的研制和相关理论的研究提供一定的参考和指导。

空心圆柱扭转仪定向剪切试验离散元模拟

为分析砂土在复杂应力条件下的剪切力学特性,采用商业离散元软件PFC3D对单粒组中密砂的空心扭剪试验进行了仿真模拟,分析了数值试样的应力-应变关系,研究了不同剪切方向下离散介质的强度、体积应变特性以及中主应力比对它们的影响,再现了力链在加载过程中的演化,并对剪切带的倾角做了深入分析。同时,从细观上看,以颗粒接触数和纯转动率变量为中心,观察了试样内部颗粒的运动状态,对比了不同剪切方向下剪切带内外颗粒接触数与纯转动位移的变化。最后,将数值试验结果与已有的室内试验结果进行了对比。此研究实现了复杂应力条件下空心扭剪试样的三维离散元模拟,加深了对空心扭剪试验过程和结果的理解和解释。

气动式四向控制空心圆柱扭剪仪的研制与应用

上海交通大学既有的空心圆柱扭剪仪只有扭矩可以进行动态控制,可进行动剪应力扭剪试验。为了研究应力主轴旋转对土体力学特性的影响规律,在仪器采用应力控制模式和考虑经济性的前提下,对既有空心圆柱扭剪仪进行气动化改造,使之具备轴力、扭矩和内外围压都可以独立自动控制的四向振动能力。首先介绍改造后仪器（SJTU-HCA）的组成和技术参数,梳理了气动控制相比于液压控制的优点,推导了进行主轴固定单调剪切试验和纯应力主轴循环旋转试验的基本公式,并且设计了仪器控制程序和自动控制算法。通过对砂土任意主应力角的主轴固定单调剪切试验,初步验证了仪器的静态加载能力。通过保持偏应力q、平均主应力p和中主应力参数b这3个控制参数下的纯应力主轴循环旋转试验,验证了仪器的动态加载能力,说明了改造后仪器具备各种复杂应力路径的工作能力。气动式改造经验可为今后研发土工仪器设备提供参考。

岩石空心圆柱扭剪试验系统研制

针对深部工程岩体开挖时围岩内部应力状态复杂变化的特点,研制了可实现主应力量值变化和应力主轴旋转等复杂应力路径的岩石空心圆柱扭剪试验系统,可用于开展复杂应力作用下岩石的强度、变形和破坏形态的室内试验研究。介绍了该试验系统的基本结构、工作原理及技术参数。该试验系统具有如下特点:(1)通过利用空心圆柱试样与上、下压头的特点,克服了岩石试样扭矩施加的技术困难,将施加轴向力和扭矩的两个加载轴合二为一,彻底解决了轴向力加载与扭矩施加机构之间相互影响的技术难题。(2)通过采用新型自平衡加载三轴室,实现了轴向力、扭矩、内围压和外围压4种荷载的独立施加和控制。(3)采用应力与流量的加载控制方式,并通过软件集成,实现了主应力量值改变和应力主轴旋转耦合应力路径的准确模拟以及加载过程的稳定控制。(4)该试验系统结构简单,功能多样,操作方便。采用该试验系统进行了初步试验,验证了试验系统的可行性与实用性,表明该试验系统具有实现应力主轴旋转及主应力量值改变的复杂应力路径的功能。

空心圆柱扭剪试验中广义应力路径的控制与实现

针对国内外动态空心圆柱扭剪仪(HCA)在设置广义应力路径时大都需要人为假设外荷载加载形式的现状,指出了这种假定对HCA仪模拟广义应力路径能力的局限。考虑到GCTS公司HCA-100能够独立地控制轴力、扭矩及内外围压独立地加载,通过缜密的数学推导,提出了由目标广义应力路径直接确定外荷载加载方式的计算公式,据此可以实现对任意形式的广义应力路径的模拟并通过试验验证了其可行性。在三维应力坐标系b-?-?中,探讨了典型广义应力路径的表示方法,以q恒定的主应力轴连续旋转的应力路径为例,讨论了内、外围压与广义应力路径之间的关系。简化并完善了HCA仪的控制过程,为后续试验研究提供了理论依据。

半空间SV波斜入射在土体中的应力路径及空心圆柱动扭剪试验模拟

根据半无限弹性空间中地震波的传播理论,给出了SV波斜入射时土体中的应力场计算公式。以天津滨海软土场地为例,分析了不同入射角、不同频率SV波入射下,不同深度土层的应力差异,并以动强度指标理论分析了SV波斜入射下的的最不利情况。利用GCTS空心圆柱扭剪仪对土样进行四向加载,模拟了SV波斜入射时的应力路径,并与理论计算值进行对比,验证加载方式的可行性。结果表明:试验得出的应力路径不管是横轴方向还是纵轴方向都偏小于理论计算值,应力路径的长轴方向比较符合理论计算,短轴方向存在一定误差。

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)。

基于离散元法的空心圆柱扭剪试验模拟研究

该文简要介绍了空心圆柱扭剪仪的实验原理,并利用基于离散元单元法的PFC3D软件模拟不同剪切角度方向下的空心扭剪定向剪切试验,对数值模拟中的参数设置和加载条件的实现给出了相关具体介绍,并发现经过笔者改进的固结和加载阶段的伺服函数能更精确地再现室内试验的应力应变关系曲线,从而为今后相关室内试验数值模拟提供相关的参考。

GDS空心圆柱仪动力试验能力探讨

为更好地模拟多向应力和主应力轴旋转等复杂应力路径,与英国GDS公司合作研发了能施加轴向和扭矩动载的空心圆柱仪。文中介绍了该仪器的工作原理和性能,分析对比了其与传统单向动三轴仪试验结果,并探讨该空心圆柱仪所完成的5组典型动力荷载及一组不规则随机波动力试验能力。动力加荷时,通过调整设定刚度参数,实测波形与设定波形误差较小。该仪器能很好地模拟地震、波浪和交通荷载引起的应力,为研究复杂应力状态下土体动力本构关系提供了很好的工具。

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.

交通动载下饱和软黏土累计变形的不排水循环扭剪试验

饱和软土地基上长期往复交通动载将诱发显著的路基运营沉降。交通移动荷载下场地应力路径下呈现心形旋转路径,然而现有路基长期运营沉降分析是建立在循环三轴试验基础上,忽略交通移动荷载下地基土单元主应力轴的旋转效应。利用动态空心圆柱扭剪仪模拟心形循环加载路径,并在动态空心圆柱仪上模拟了传统的循环三轴加载路径。对饱和软黏土开展试验研究,对比观察一系列心形循环加载和三轴循环的不排水累计变形行为。试验研究发现,心形循环加载将诱发更大的累计轴向应变和累计孔压,伴随着初始动应力比的增加,二者差异性更为明显。循环加载过程有效动应力比随着循环次数而增大,循环增量破坏时对应的有效动应力比近似为常数。大数目循环加载下,传统塑性安定行为可渐变为循环塑性蠕变状态。

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。

动态空心圆柱扭剪仪模拟椭圆应力路径能力分析

为论证动态空心圆柱扭剪仪实现椭圆形应力路径的可行性,推导典型荷载加载曲线,通过试验与数值结合的方法予以分析。结果表明:双向加载时,保持内外围压恒定且相等,可实现椭圆应力路径;保持内围压恒定,三向变载时,可实现保持中主应力系数恒定或平均主应力恒定的椭圆应力路径加载;四向变载时,可实现对中主应力系数、平均主应力的同时控制。空心圆柱扭剪仪可以很好地实现椭圆形应力路径,且可以对主要应力参数进行控制。试样变形将引起实际应力误差,导致应力路径偏移,因此加载前应对试样刚度合理估计以提高加载质量。