钢纤维混凝土压-剪复合性能及损伤本构关系

为研究钢纤维混凝土的压-剪复合受力性能及损伤模型,以钢纤维体积率、压应力比为参数,完成了60个钢纤维混凝土试件的直剪和压-剪试验,分析了各参数对剪切强度和峰值剪切位移的影响,推导了钢纤维混凝土在压-剪复合受力下的损伤全曲线模型,分析了损伤演化规律,提出了压-剪强度计算式。结果表明:剪切强度和峰值剪切位移均随压应力比的增大而增大。随着钢纤维体积率的增加,剪切强度呈现先增后减的趋势,峰值剪切位移规律不明显。压应力比的增大显著减缓了损伤发展;提出的损伤本构模型和压-剪强度公式计算结果与试验值吻合较好。

一种新的软-硬节理峰值剪切强度模型

岩体中常存在强度不同的界面,其剪切强度影响岩体稳定,剪切强度的评估较为重要。利用3D技术打印的树脂节理板,浇注含不同粗糙度软-硬节理的不同强度水泥砂浆试样,在常法向应力下进行直剪试验和数值模拟研究,得到的剪切应力-位移的试验曲线与模拟曲线相一致。基于试验结果,引入比例系数T表征软-硬节理的组合壁面强度CCS,引入影响因子μ描述节理粗糙系数JRC、节理壁面强度JCS和法向应力σ_(n)对软-硬节理峰值剪切强度τ_(p)的综合影响效果,利用数值分析方法推导出一种估算软-硬节理峰值剪切强度的模型。试验发现:软-硬节理的残余剪切强度τr主要由JCS较低侧控制,且这种控制作用随JRC增大而增强;CCS值小的剪切应力-位移曲线率先达到峰值和进入残余阶段。研究表明:软-硬节理峰值剪切强度模型综合了JRC、JCS和σ_(n)对节理τ_(p)的影响机制,可用来评估粗糙软-硬节理的峰值剪切强度。

岩石节理峰值抗剪强度新模型

Grasselli提出的形貌参数充分反映了节理表面粗糙度的三维特征,Xia模型、Yang模型、Tang模型采用Grasselli提出的三维形貌参数,但Xia模型峰值抗剪强度公式不满足边界条件,Yang模型材料项不能反映节理剪切受拉破坏机制,Tang模型预测精度较低且剪胀角与法向应力关系未能体现粗糙度参数的作用,文中提出一个新的峰值抗剪强度公式弥补了上述各模型的不足之处。根据Grasselli、唐志成等、Yang等发表的63组数据对新模型进行验算,结果表明,Tang模型预测精度较低,新模型和Xia模型、Grasselli模型预测精度较为接近。此外发现,关系函数f(sn)考虑形貌参数的作用时可以有效地提高模型的预测精度。新模型公式形式较为简洁、物理意义明确、符合摩尔-库仑准则、量纲统一,可以为相关的工程研究提供参考。

节理峰值后归一化位移软化模型

切向荷载作用下贯通节理岩体峰值强度后的剪切应力、位移变形规律一般呈双曲线形式发展,即峰值后强度衰减速率逐步变小而趋于0,到达残余强度。直剪试验表明,非贯通节理岩体峰值后剪切应力、位移呈"S"型趋势发展,即强度衰减速率先是逐步增大,到达一定程度后逐步减少,最后趋于稳定达到残余强度值。贯通节理岩体峰值强度后的本构关系并不适合于描述该特征。提出一个新的非线性归一化位移软化本构模型,通过归一化剪切应力R与归一化剪切位移D的指数函数关系体现峰值后剪切应力、位移的发展趋势,即模型采用无量纲表达式。归一化剪切应力R是峰值后强度降τp-τ与峰值强度、残余强度差值τp-τr的比值;归一化位移D是峰值后剪切位移、峰值位移差值δ-δp与残余位移、峰值位移差值δr-δp的比值。对含不同起伏角的非贯通节理岩体在常法向荷载条件下的直剪试验数据进行拟合分析,模型预测结果与实测值具有相当高的吻合度,验证了模型的正确性。

3DEC中红砂岩节理模型开发及数值模拟

利用人工劈裂的红砂岩节理进行直剪试验,研究了红砂岩节理三维形貌与节理峰值抗剪强度的关系。基于节理形貌参数提出了劈裂节理峰值抗剪强度模型,采用新模型和Barton强度模型计算了红砂岩节理的峰值抗剪强度,并与试验结果进行对比。分析表明:采用Barton模型计算的误差平方和为0.67;而新模型计算的误差平方和为0.05,能更好地描述岩石节理峰值剪切强度。结合Barton对节理剪切变形的研究和Bandis提出的节理法向双曲线模型,采用C++语言编写了3DEC离散元程序的自定义节理模型。通过节理单轴压缩试验及直剪试验的模拟分析,验证了新节理模型可以合理反映红砂岩节理力学特性。

砂岩在热湿循环作用下的卸荷损伤本构模型研究

针对在夏季高温多雨季节库岸边坡岩体的强度和稳定性下降问题,较多学者对干燥—饱水两种极端状态的循环作用进行了研究,这与实际情况相差较大。以三峡库区重庆段某典型边坡砂岩为研究对象,采用烘干—浸泡循环作用方式模拟岩石热湿循环过程,在前期进行的热湿循环试验方案及数据分析的基础上,定量对砂岩的劣化程度进行划分,对热湿循环作用下砂岩的卸荷损伤本构模型进行研究。研究结果表明:热湿循环10次内砂岩各力学参数的劣化效应比较明显,10～50次逐渐减弱并趋于平缓;基于热湿循环和卸荷相互作用,建立了完整砂岩在不同热湿循环次数下的卸荷损伤模型并绘制模型曲线;经过验证,模型曲线与试验所得的三轴卸荷应力-应变曲线吻合度较高,认为该模型具有较好的适用性。

不同剪切速率下节理面剪切特性分析

岩质边坡的动力响应在很大程度上受到节理面的制约,研究节理面的动力剪切特性是进行岩质边坡动力反应分析的重要前提。为了探究节理岩体在不同动态剪切速率下的剪切力学行为,本文将在应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪上对两种不同粗糙度的白砂岩节理试件开展剪切试验,施加的剪切速率分别为0.6 mm/min、1.8 mm/min、5.4 mm/min、10.8 mm/min。根据直剪试验结果对不同剪切速率以及不同粗糙度节理面的峰值抗剪强度及剪胀角进行分析。此外,本文从细观角度构建静态抗剪强度模型,在此模型的基础上基于试验数据,提出一种考虑剪切速率的动态抗剪强度模型。

充填节理宏细观锚固破坏机理分析

为分析充填节理的宏细观锚固破坏机理,利用颗粒流程序(PFC2D)生成6种上下面具有不同粗糙度的充填锚固节理面模型,探究其在剪切过程中宏细观破坏变化以及粗糙度对锚固充填节理抗剪强度的影响。研究结果表明:加载过程中充填物两侧颗粒位移差明显,首先发生破坏,而锚杆在节理面与胶结物之间发生剪切滑移后才开始发挥抗剪作用。6种充填节理面组合锚固后其峰值剪切强度均比锚固前增高,但增量不同。当节理面上下粗糙度接近时,充填物形状规则,齿状起伏小,锚固效果较好,峰值剪切强度增加量在40%左右;当节理面上下粗糙度相差较大时,充填物齿状起伏大,易剪碎,锚固效果较差,峰值剪切强度增加量约为20%。

充填水泥浆岩石节理峰值剪切强度模型

通过理论分析和室内直剪试验,对充填水泥浆岩石节理的峰值剪切强度模型进行研究。首先,建立考虑三维形貌特征的充填水泥浆岩石节理峰值剪切强度模型;其次,采用建立的强度模型计算充填水泥浆节理的峰值剪切强度并与直剪试验结果进行对比;最后,对模型计算值和试验值之间的误差进行分析。研究结果表明,建立的充填水泥浆节理峰值剪切强度模型描述了三维形貌、充填度、节理岩壁与水泥结石强度比对充填节理峰值剪切强度的影响;模型计算的充填水泥浆节理峰值剪切强度与试验结果吻合较好,验证了模型的合理性;模型预测的峰值剪切强度与试验值之间存在一定误差,造成误差的主要原因包括模型本身缺陷和试件制备导致的节理黏结缺陷。充填水泥浆岩石节理峰值剪切强度模型的建立具有一定的理论意义,为进一步建立充填水泥浆节理本构理论奠定了基础。

黄土边坡原位直剪与抗滑桩模型试验

为揭示黄土公路高陡边坡的稳定性状,选取黄土塬开挖平台非扰动黄土为试样,制作试样模型进行原位试样直接剪切试验,设计进行不同工况下埋入式与悬臂式抗滑桩模型试验,研究获取公路路堑边坡黄土土样应力-应变关系曲线、土样峰值强度及残余强度参数变化规律,并基于支挡抗滑桩和黄土边坡坡体内受力与变形状态,揭示桩-土相互作用过程与变形机理。试验结果表明:黄土试样在直接剪切时,随着法向应力增大,其应力-应变关系曲线逐渐由软化型向硬化型转变,且曲线逐步升高但未出现交叠;相同的剪切次数下,黄土试样峰值强度和残余强度均随法向应力增大而增大,残余强度较峰值强度有一定衰减,且垂直强度愈大,衰减愈明显;随着水平推力达到极限承载力,埋入式模型抗滑桩桩身土压力分布呈现上大下小的变化趋势,且在滑动面位置上部附近出现桩前最大土压力,桩体发生弹性变形,弯矩值沿桩身分布总体呈'S'形规律;悬臂式桩体不发生刚性转动,桩身土压力总体呈上下小、中间大的分布态势,桩后最大土压力出现在滑动面附近,而桩前最大土压力则随着现场试验中单排模型桩根数增多,自模拟滑动面逐渐过渡到新的剪出滑动面,桩身弯矩呈'D'形分布。

粉土基泡沫轻质土三轴力学特性

引入黄泛区粉土作细集料,介绍一种新的路基填料:粉土基泡沫轻质土。为研究粉土基轻质土的压缩及剪切性能,进行了三轴试验,并考虑围压、湿密度和粉土掺量对力学性能指标的影响。结果显示:三轴试验下的粉土基轻质土的应力-应变曲线符合典型的弹塑性模型,曲线整体上可分为线弹性段、弹塑性段及应力平台阶段;粉土基轻质土的破坏形态在低围压下符合典型的剪切破坏特性,但是当围压较高时多呈端部压碎破坏;围压的增大使得峰值应力增大,但粉土掺量的增大则会降低峰值应力,密度与峰值应力可以近似用指数函数模拟。通过摩尔-库伦强度准则研究粉土基轻质土的抗剪强度,结果显示,粉土基轻质土是一种抗剪性能良好的材料,其内摩擦角与黏聚力随密度提高很大,但是粉土的掺入会降低抗剪性能。基于试验数据,采用椭圆屈服面拟合粉土基轻质土的屈服点,建立了屈服面参数与湿密度与粉土掺量的经验性关系。