压实黏土单轴拉伸变形特性试验研究

为了研究土体的拉伸变形特性,进而更好地分析与解决土体由于拉伸破坏而引起的裂缝与地表塌陷等工程问题,本文以压实黏土为研究对象,基于自主研发的新型土工单轴拉伸试验装置开展了系统的试验研究,探讨了压实黏土的破坏形式与影响因素,以及峰值位移随试验变量的变化规律与拟合公式。研究结果表明:压实黏土单轴拉伸破坏形式不固定,包括拉伸断裂面形状不固定;断裂面为试样薄弱面,断裂面唯一,但薄弱面不一定唯一;断裂面的位置受试样尺寸与拉伸速率影响;拉伸破坏不是纯脆性破坏,而是存在软化阶段。另外,压实黏土的峰值位移受试验条件的影响明显,具体表现在:峰值位移随拉伸段长度的增加而增大,二者呈现出较好的对数关系;峰值位移随拉伸速率的增加而增大,二者呈现出较好的线性关系;峰值位移随压实度的增加而增大,二者表现出较好的线性关系;峰值位移随含水率的增加而增大,二者表现出较好的线性关系。     

压实度对黄土填方边坡变形破坏特征的影响及细微观试验研究

压实度是影响黄土填方边坡稳定性的重要因素。目前很少有学者将宏观（模型试验）、细观（三轴试验）以及微观（扫描电镜试验）等手段联合起来研究压实黄土。为此开展了不同压实度下模型试验、等压固结不排水试验（ICU）和扫描电镜试验（SEM）。分析了不同压实度下压实黄土的饱和强度、临界状态、u~qmax关系,同时也分析了不同压实度下微观孔隙结构特征,统计了不同孔隙类型个数、面积以及孔隙的平均面积、孔隙率和概率熵等。研究结果表明:饱和强度、M值、u~qmax关系均随压实度的增大而增大。随着压实度增大,试样的孔隙个数增大,但孔隙面积减小,且微小孔隙决定了压实黄土的孔隙结构;平均孔隙面积、孔隙率随压实度增大而减小,而概率熵则随压实度增大而增加。黄土填方边坡中,增大填料的压实度一是可以提高土体的强度,二是可以减缓水分的入渗速率。在降雨情况下,增加土体压实度能在一定程度上提高黄土填方边坡的稳定性。     

叠片墙边界下土体结构应变破坏过程的模拟

为了揭示考虑土体横向变形条件下三轴试样内部的破坏过程,采用叠片墙边界,实现了三轴试样的横向变形,在此基础上,研究不同围压下三轴试样的位移矢量和接触力链,结果表明:叠片墙边界可实现三轴试样的横向变形,有效模拟其破坏过程。土体破坏可分为三个阶段:弹性变形阶段、塑性发展及强度峰值阶段以及峰后破坏阶段。高围压下颗粒主要表现为轴向位移,随围压的增大横向变形出现迟滞现象,而且最终出现的横向变形也更小。即使高围压下试样内部颗粒之间的接触网络产生大量破坏,横向变形大,颗粒间仍存在较大的接触力,即表现为存在较高的残余强度。     

玄武岩纤维土工格栅加筋膨胀土三轴试验

采用玄武岩纤维双向土工格栅加筋膨胀土,分层压实成直径101 mm、高200 mm的试样,进行加筋与不加筋、饱和与非饱和的膨胀土试样在不同围压下的固结不排水三轴试验,研究其强度特性的变化。结果表明:饱和试样破坏模式表现为塑性破坏,非饱和试样破坏模式表现为偏脆性破坏;非饱和试样达到峰值强度时的轴向应变(5%以内)明显小于饱和试样(11%左右),同时峰值强度显著增加;同种加筋类型下,非饱和试样黏聚力远远大于饱和试样,而内摩擦角提高相对较小;无论饱和试样还是非饱和试样,与未加筋土相比,加筋膨胀土初始屈服应力增大,峰值强度提高,且随加筋层数增多,其提高值增大;无论饱和试样还是非饱和试样,加筋使膨胀土的内摩擦角略有提高,而黏聚力提高值相对明显。     

桂林压实红粘土抗剪强度与含水率关系

红粘土是一种典型的特殊土, 其强度特性较普通粘土复杂. 为了探讨影响红粘土强度的因素, 对干密度相同而含水率不同的压实桂林红粘土试样进行了一系列固结快剪试验, 得到了粘聚力和内摩擦角与初始含水率的关系. 试验结果表明, 峰值凝聚力和残余粘聚力都随试样初始含水率的增大而减小, 峰值内摩擦角和残余内摩擦角均随试样初始含水率增大先增大后减小. 另外, 探讨了剪切过程中桂林红粘土的剪胀性. 最后, 将试验结果与Bishop和Fredlund非饱和土强度公式的计算值进行比较, 指出目前非饱和土强度公式无法预测非饱和桂林红粘土的强度.     

循环荷载作用下绿泥石千枚岩弹性模量演化规律试验研究

对取自四川西北部典型的绿泥石千枚岩进行常规单轴压缩试验和循环加卸载试验,分析不同加载速率下的强度特征,研究循环加卸载条件下千枚岩弹性模量的演化规律。研究结果表明:千枚岩峰值强度表现出明显的速率依赖性,即峰值强度随加载速率的增加而增大;循环加卸载时,峰值强度表现出明显的"弱化"特征;随着循环次数增加,裂纹损伤强度阈值呈现先增大后降低的变化规律,这种变化不受加载速率的影响;千枚岩弹性模量的变化规律与加卸载路径的变化规律一致,呈现出有规律的"波浪形";单个滞回环内切线弹性模量随应力水平增加呈现出先增大后减小的趋势;在同一应力水平下,切线模量随循环次数增加呈现出增大—平缓—降低的变化规律。     

不同高径比石膏试样破坏特性及其能量耗散

采用RMT-150B岩石力学试验机,对七种不同高径比的石膏试样进行了单轴压缩试验,分析其力学特性及其破坏特征.根据单轴压缩力学试验结果,利用能量耗散理论,分析其能量耗散特性.研究结果表明:随轴压应力的增加,石膏试样内部微裂隙先闭合,而后在其尖端产生了新裂隙;新裂隙随轴压应力的增加而逐渐地扩展、贯通、形成破裂面,最终发生剪切滑移破坏;石膏试样的体积应变随轴压应力的增大,经历了先压缩后增加,最后急剧膨胀,表现出明显的非线性变形;石膏试样的峰值应力、弹性模量随高径比的减小而增大;轴向应变和横向应变随高径比的减小而减小;变形模量与高径比之间的关系不明确,不能用其表征石膏试样的变形特性;高径比越大的石膏试样受压后容易发生剪切破坏,破坏时吸收的能量增量越快,属于脆性破坏,而高径比越小的石膏试样则发生压酥破坏,属于塑性破坏.     

含水率对黄岛地区花岗岩残积土抗剪强度的影响

含水率是影响土体抗剪强度的重要因素。以直接取得的黄岛地区某挡土墙后填土为试样,进行了颗粒级配试验。同时,利用TCK-1室内三轴试验控制仪进行三轴剪切试验,研究含水率对黄岛地区花岗岩残积土抗剪强度的影响。试验结果表明:黄岛地区土壤颗粒粒径集中在2～5 mm,占比40%左右。抗剪强度在含水率较低时随含水率增大而增强,达到峰值强度(含水率8%时)后随含水率增大而减小。粘聚力c随含水率的增加呈先增加后降低的趋势,峰值点为12.5%左右;内摩擦角φ随含水率的增加而减小。     

离散元对加固尾砂在干湿循环作用下的细观力学分析

为探究加固尾砂在干湿循环作用影响下力学性能、力链和尾砂颗粒运动的变化,通过对加固尾砂进行三轴试验和离散元颗粒流(PFC2D)模拟试验,分析其力学性能变化趋势,并且探究尾砂颗粒间受力传力和颗粒运动的演变。试验结果表明:加固尾砂峰值应力随着干湿循环次数增加而逐渐递减,但是其峰值应力相较于原状尾砂至少提升2.13倍;在干湿循环作用下,加固尾砂内部力链逐渐加粗,网状粗力链区域增多,且网状粗力链区域发生位置变化;试样破坏碎片数量随循环次数增加而增加,碎片集中区随着循环进行,从试样下部向上部移动;干湿循环造成尾砂颗粒位移情况发生改变,颗粒不同位移区域增加,并在试样上端产生大量不同位移区域,造成试样上端更容易被破坏。     

基于离散元弹性边界模拟的砂土剪切行为分析

采用二维离散元方法开展数值双轴试验研究砂土剪切力学行为。将室内试验中橡皮膜对砂土试样的柔性包裹效应抽象为作用在试样边界颗粒上的指定法向压力,对传统离散元数值双轴试验进行了改进。改进后的离散元双轴试验能有效模拟室内试验中砂土试样剪切破坏后的侧向不均匀变形现象,并以此开展参数研究,探明了围压、颗粒摩擦因数等参数对砂土剪切行为的影响规律,最后从细观角度得到了剪切带形成过程与相关机理。研究结果表明:砂土应变软化与剪缩现象均随围压的增加而增强,剪胀效应则随围压增加而减弱;砂土变形模量随围压增大而增大,但增幅不明显;砂土残余强度基本不受围压影响,但峰值强度受围压影响明显,砂土峰值强度和对应的轴应变均随颗粒摩擦因数增大而增大,围压和颗粒摩擦因数对试样峰值强度的贡献是有限的;剪切带两侧的砂土颗粒均沿相反方向平移,接触力链主要沿加载方向分布,表现出卸载特性;剪切带内部的砂土颗粒出现相互错动,同时绕自身形心转动角位移较大,接触力链相应发生水平向偏转,出现明显的应变局部化现象,应变局部化首先发生在试样中心,此后迅速贯穿整个试样,同时砂土试样到达峰值强度。剪切带内部砂土颗粒结构疏松,颗粒间接触减弱,颗粒配位数减小,土体孔隙率增大。     

裂纹长度对裂隙岩体力学特性及破坏模式的影响

采用伺服控制岩石力学试验机对水泥砂浆材料制备的类岩石试件进行单轴加载,利用颗粒流离散元软件对岩体进行单轴加载数值模拟试验,研究不同预制裂纹长度下裂隙试件的力学特征及破坏规律.结果表明:随着裂纹长度的增加,裂隙试件的峰值强度、峰值应变和弹性模量均减小,裂隙模型脆性减弱,延性增强,且随着裂纹长度的增加,弹性模量的降幅逐渐增大,敏感度增强;引入强度劣化系数来定量分析裂隙试件的劣化特征,当裂纹长度从10 mm增加到15 mm时,劣化系数增长迅速,试件强度下跌明显,强度敏感度最大;裂纹长度影响裂隙试件的最终破坏模式,在0°原生裂纹下,随着裂纹长度的增加,裂隙试件的破坏模式由剪切破坏为主变为剪切、张拉复合破坏再转化为出现宏观裂纹的张拉破坏.     

击实粘土Ⅰ型断裂韧度测试新方法研究

为研究击实粘性土断裂韧度,研制了土体断裂韧度测试新仪器,通过新仪器对粘性土进行了断裂韧度测试,讨论了试验方法的合理性,并结合前人的研究成果探讨了土体断裂韧度与抗拉强度之间的关系。结果表明,击实粘性土中的裂缝扩展规律符合线弹性断裂特性,可采用线弹性断裂理论对其进行研究;击实粘性土断裂韧度与抗拉强度之间存在线性关系,但土体颗粒性质、颗粒机配、试样含水量、试验方法等均对土体断裂韧度有影响,需进行更深入的研究。     

加载速度对TiAl基合金断裂机理的影响

通过拉伸、拉伸卸载实验及扫描电镜(SEM)断口观察,研究了在位移控制加载方式下,加载速度对具有全层(FL)组织和双态(DP)组织的TiAl基合金断裂机理的影响.实验结果表明:全层组织断裂应力随着加载速度的上升略有上升趋势;加载速度比较慢(如0.007 5 mm/min)时,断口上显示出较多的沿层断裂面及沿晶断裂面.加载速度在7.5 mm/min时,断口呈现出更多河流纹走向的解理断口.双态组织的断裂应力随加载速度的上升而增加,微裂纹面密度随加载速度的增加明显下降;随着加载速度的加快,河流纹断裂形态逐渐变得明显,同时断口形貌变得更加粗糙.     

三轴压缩条件下单裂隙岩样裂隙扩展研究

为研究岩石中裂纹的起裂、扩展和破坏规律，采用PFC2D数值模拟软件结合室内试验对预制单裂隙岩样进行分析。结果表明：（1）当围压为7MPa时，以剪切-拉伸复合破坏模式为主；当围压为14MPa时，试样以“Y”型剪切破坏、单一斜剪破坏模式为主；当围压为21MPa时，试样以“X”型剪切破坏模式为主。（2）试样的破坏模式与围压的大小密切相关，当裂隙长度一定时，随着围压的增大，试样的破坏越明显；当围压一定时，随着裂隙长度的增加，裂纹扩展的规模越大。（3）随着裂隙长度的增加，岩样的峰值强度、弹性模量、起裂应力与损伤应力均呈下降趋势；随着围压的增大，各力学参数均增大，裂隙长度越大时更易诱发新生裂纹，试样强度特性降低。（4）剪切裂纹在整个模拟加载过程中占主导地位且数量始终占比较大；随着围压的增大，拉裂纹逐步占据主导地位，且当围压为21MPa，裂隙长度为39mm时，拉裂纹是剪裂纹的2.73倍；当围压一定时，随着裂隙长度的增加，拉裂纹占比也逐渐减少。     

击实土单轴抗拉强度试验研究

黏性土体内的裂缝产生与其抗拉强度有关.在分析土石坝心墙水力劈裂、地基裂缝等问题时,考虑抗拉强度对深入研究土体应力变形特性有重要意义.对3种不同土料的击实试样进行了抗拉强度试验,其中,1种土料为塑性相对较高的黏土,另2种为砾质黏土.通过试验,研究了各种土料在不同击实功、试样由非饱和变化到饱和状态、不同制样含水率时的抗拉强度.结果表明,黏性土的抗拉强度随着击实功的增大而增大;试样由非饱和变化到饱和状态后,其抗拉强度大幅降低;在同一击实功下,土体的抗拉强度随着制样含水率的增加而减小.     

基于颗粒流法研究混凝土的劈裂拉伸破坏特性

基于二维颗粒流程序,构建了包含水泥砂浆、不规则多边形骨料和水泥砂浆与骨料的交界面的二维混凝土细观模型,采用标定后的平节理模型参数,对混凝土破坏的裂纹演化和破坏机理进行研究. 模拟结果表明:宏观破坏的细观机制是水泥砂浆、骨料以及交界面内的裂纹扩展和演化造成的;随机骨料的分布会对混凝土的峰值应力和破坏模式有一定的影响;巴西圆盘试件内的裂纹起始于加载端,随着载荷增加裂纹向中心扩展,混凝土试件呈现出劈裂拉伸破坏的模式;随着加载速度的提高,沿加载方向上的主裂纹及其他次生裂纹相互作用,使混凝土试件出现大量的碎块;裂纹统计结果显示,在细观层次上,拉伸型裂纹主导了混凝土试件的劈裂破坏,少量的剪切型裂纹主要集中在试件加载端的骨料附近.      

筋材布设方式对加筋土挡墙动力响应的影响

针对目前加筋土挡墙设计和施工中筋材布设方式大多为等长形的问题,提出一种倒梯形的筋材布设方式,并基于挡墙位移分区理论和有限差分Flac^3D数值模拟,建立加筋土挡墙三维分析模型,探讨不同峰值加速度下3种加筋土挡墙对位移、水平土压力、筋材拉应力及潜在破裂面的影响。结果表明,随峰值加速度增大,挡墙位移逐渐增大,同一荷载作用下,改变筋材布设方式,侧向水平位移减少9.3%,竖向沉降减少5.3%;3种形式挡墙水平土压力相差不大,最大水平土压力分布在挡墙的中下部;筋材拉应力随峰值加速度的增大,沿墙高从单峰型转化为双峰型分布,最大值位于挡墙中下部;潜在破裂面填土区破裂带的形状与筋材的布设方式有关。所提出的倒梯形筋材布设方式对加筋土挡墙的抗震效果更好,可为施工设计中加筋土挡墙筋材布设提供参考。     

低应力下膨胀土的压缩与剪切行为

以相同初始密度和含水率的荆门弱膨胀土原状样和压实样及其泥浆固结样为研究对象,采用一维压缩-卸荷试验(0～4000 kPa)获得压缩行为,采用覆盖低(≤50 kPa)、中(50～400 kPa)、高(400～800 kPa)应力水平的直剪试验获得峰值、完全软化与残余强度。结果表明:(1)原状、压实、泥浆固结样压缩曲线相交于压力1200 kPa对应点;压实样压缩曲线总位于原状样与泥浆固结样之间。泥浆固结样压缩曲线与固有压缩线ICL经验公式几乎重合;原状与压实样压缩曲线均穿越ICL,并向下弯曲;原状样膨胀敏感性大于压实样,表明原状样颗粒间胶结更强。(2)低应力下原状样峰值强度主要受土体结构性控制。峰值与残余强度比可作为反映土体结构性强弱的一个显性指标。整个低中高应力水平,原状、压实、泥浆固结样峰值强度线均为线性,且有效内摩擦角基本一致(25.0°～25.7°)。原状与压实样的结构性体现于峰值强度有效凝聚力,分别为29.6 kPa与15.2 kPa。整个低中高应力水平原状与压实样残余强度基本相同;低应力水平下残余强度线表现出强烈非线性;采用幂函数可很好描述低中高应力水平下的残余强度特征。     

皖西压实膨胀土膨胀特性试验研究

依托周集-六安高速公路,采集典型弱、中膨胀土样开展了系统的试验研究,探讨了膨胀土的膨胀性指标随含水率和干密度的变化规律.试验表明,膨胀土的膨胀性取决于土样的初始含水率和密度.在常见的压实度范围内,50 kPa荷载下膨胀量随含水率的增加而近似线性降低;弱膨胀土无荷膨胀量随干密度的增加而近似线性增加,而中膨胀土无荷膨胀量随含水率的增加而线性降低;膨胀力则随干密度的增加而近似线性增加.利用回归分析得到了皖西中、弱膨胀土膨胀性指标随含水率和干密度变化的关系式.     

不同厚度充填体-围岩组合体力学性质及损伤本构

为探究充填体厚度变化对充填体-围岩组合体力学性能的影响规律,开展了5种不同厚度充填体-围岩组合体试件单轴压缩试验,结合数字散斑技术对试件破坏模式的变化进行分析,建立考虑峰后应变软化阶段的分段式损伤本构模型对全过程应力—应变关系进行描述。分析结果表明,充填体厚度变化对组合试件力学性能与破坏模式影响显著。随着充填体厚度由0 mm增加至100 mm,试件峰值强度由94.6 MPa呈指数关系下降至10.1 MPa、峰值应变由0.30下降至0.06,弹性模量呈先下降后上升变化趋势;利用数字散斑技术分析发现,随着充填体厚度增加,破坏模式逐渐由脆性剪切破坏过渡为拉剪复合破坏,最终发展为由充填体内部发生 X 型剪切破坏而引起的拉伸劈裂破坏;通过改变分段式损伤本构模型的分布参数与修正系数,可较好的表征不同充填体厚度试件的全过程应力—应变曲线,利用文献[26]数据进行验证,发现模型适用性较好;充填体厚度越大,由充填体存在而引起的试样初始损伤越大,达到峰值应变时,损伤变量 D未达到1,试件延性破坏特征越明显,破坏后残余强度越高。