基于大三轴试验的土石混合体强度特性与影响因素

为更为详细地探讨山区土石混合体的力学特性,综合考虑含石量、含水量与岩石完整性等因素的影响,采用正交试验方法对土石混合体填料的大型三轴剪切试验进行设计,并运用邓肯-张模型对得到的三轴试验参数进行反演研究。结果表明:土石混合体中影响内摩擦角的因素从大到小分别为含石量、含水量、岩石完整性;试件在各围压下剪切时,开始阶段偏应力与轴向应变近似成比例关系;当轴向应变超过2%时,偏应力增长速率减小,呈现出明显的应力-应变非线性;当混合体达到最大偏应力之后,仍可以保持在增加轴向应变的同时,偏应力不减小,表明土石混合体材料的软化特性不明显;含石量对试样体应变的影响较含水量与岩石完整性更显著,在含石量较低时体现为剪缩性,含石量较高时更多体现为剪胀性;邓肯-张模型的拟合结果与大三轴试验数据的相似度较好,表明邓肯-张模型能模拟土石混合体在不同围压下的应力-应变关系。     

考虑孔隙率和不均匀系数的土石混合体颗粒流分析

为研究低含石率情况下,由土体主导的土石混合体的力学特性,采用分层欠压和随机生成多边形相结合的建模方法,建立土石混合体颗粒流模型,提出不均匀系数作为衡量土石混合体非均质性的指标。通过室内试验校核了颗粒模型的细观参数,并开展双轴数值模拟试验,研究在低含石率情况下,含石率、土体孔隙率和不均匀系数3个因素对土石混合体力学特性的影响。结果表明:在低含石率情况下,土石混合体的强度受土体孔隙率影响较大,随着土体孔隙率的减小,土石混合体的强度有较大提高;块石的存在破坏了土体的均匀性和连续性,反而在低含石率情况下,随着含石率增大,土石混合体整体强度有微小减小的现象;土石混合体的不均匀系数对体应变影响较大,不均匀系数越大,体应变的膨胀现象越明显。     

土石混合体粒度分形特性及其与含石量和强度的关系

利用分形理论论证土石混合体的层次性,建立土石混合体的二维分形结构模型,提出粗、细料无标度区间粒度分维值的概念;通过100组筛分析实验分析土石混合体的粒度分形特征并分析其与含石量的关系;通过大型三轴试验分析土石混合体的粒度分维值与抗剪强度的关系。研究结果表明:土石混合体具有统计意义上的自相似性,一般存在2个粒度无标度区间,具有2个粒度分维值,但对于最优级配土石混合体是一维分形;土石混合体粒度分维值与含石量及强度之间均呈抛物线性关系,对于只具一维分形的土石混合体具有最大的密实度和抗剪强度。     

三轴围压下土受冲击荷载的试验研究

对在不同速率冲击荷载下,原状粉土、粉砂土及粉质粘土在不同围压下的三轴试验进行了说明,对在一定围压下不同加载速率对土样强度特性的影响进行了研究。结果表明,对于粉土及粉砂土,在一定围压下,土样的应力-应变曲线随冲击荷载速率的增大而升高,表现为强度的增大;对粉质粘土,在一定的围压下,土样的应力应变曲线随冲击荷载速率的增大而降低,表现为强度的降低;对不同种类的土,在相同的冲击荷载速率下,土样的抗剪强度都随围压的增大而增大。     

土石混合填料大型三轴剪切试验研究

为研究土石混合填料在不同土石混合比情况下的力学响应,以国道316旬阳至安康二级公路改建工程中的填石高路堤工程为依托,利用大型三轴剪切试验仪,在4种不同围压条件下,分别对土石混合质量比为3∶7和3∶2的试样进行固结不排水剪切试验。发现当土石混合比为3∶7时,在低围压(200 kPa)条件下,试样应力-应变曲线为应变硬化型,在高围压(400,600和800kPa)条件下,试样应力-应变曲线在达到峰值应力后有所下降,表现为弱应变软化。在4种围压条件下,试样体应变均表现为随轴向应变先增大后减小,即试样先剪缩后剪胀,且表现为随着围压的增大,剪缩量不断增大,然后达到峰值,随后体应变减小,表现出剪胀趋势,且随着围压的增大,剪胀趋势减弱。当土石混合比为3∶2时,在4种围压条件下,试样应力-应变曲线均表现为应变硬化,无明显的峰值强度。试样体应变均随轴向应变增大而增大,即试样一直表现为剪缩,且围压越大,剪缩趋势越明显,剪缩量越大。体变速率(dεv/dε1)能较好地反映试样变形特性和应力-应变特性。结果表明:土石混合比的变化对土石混合料剪胀性影响很大,对应力-应变特性的影响主要体现在加载后期。     

冻融循环下土石混合体强度劣化特性研究

针对冻融作用下不同含水率土石混合体的强度劣化问题,通过直剪试验及核磁共振(NMR)测试,探究了不同冻融循环次数和含水率下土石混合体剪切强度及孔隙结构的变化特征,并揭示了其强度劣化机制.研究结果表明:试样的剪切强度参数随冻融循环次数的增加均呈现先减小后增大再减小的规律.在第3次冻融循环后出现"反翘"现象.根据孔隙率及孔隙...     

土石混合体原位试验的颗粒流数值模拟分析

基于颗粒流理论和PFC程序,解决了不规则碎石(clump)的生成、恒定法向荷载施加、剪切面的含石量等问题后,建立了土石混合体原位试验的颗粒流数值模型,对不同含石量、法向应力下土石混合体的直剪试验进行模拟,并与原位直剪试验的结果进行比较.结果表明：随着含石量增加,剪切应力及其峰值增大,剪切应力峰值对应的剪切位移减小;在低法向应力条件下,土石混合体表现为剪胀;在高法向应力下,土石混合体表现为先剪缩而后剪胀,并呈现出压剪破坏特征;剪切面附近分布的不规则碎石在剪切过程中出现挤压滑动与滚动,使得剪切破坏面出现凹凸,而且剪应力、法向位移、应变能随剪切位移增加而出现波动和平缓段;数值试验所得剪切应力峰值略高于其试验值,减小模型颗粒半径,可以有效降低计算的剪切应力峰值.     

云雾山隧道围岩力学性质研究

对宜万铁路云雾山隧道灰岩进行室内三轴压缩试验研究,分析与比较了自然状态和饱和状态试样在不同围压下应力-应变关系曲线,结果表明,含水状态和围压对岩石的峰值强度、轴向应变及弹性模量均具有一定影响.在主应力空间内,利用线性莫尔-库伦强度准则拟合试验数据得到岩石的强度参数C,φ值,为该隧道工程的计算分析提供参考.对岩样的破坏特征进行分析后得出:在较低围压下,试样基本上为宏观单一断面的剪切破坏,随着围压的增大,试样有向两个相交的剪切面发展的趋势.     

海口软土中细砂复合效应试验研究

针对海口软土掺中细砂形成复合土的复合效应进行系列试验研究。研究三轴试验中在不同围压下,不同配合比的复合土与原状软土的强度、应力应变关系、压缩性、渗透特性和有效应力路径特性。同围压下,随着中细砂掺量增加,复合土的抗剪强度越高,剪胀现象越明显。低围压下,复合土表现出一定的应变软化;而在高围压下,无论是复合土还是原状土都表现为应变硬化现象,其有效应力路径随着砂掺入量的增加由斜线或弧形向"S"形过渡。复合土渗透系数随着孔隙比的增大而减少。     

土石混填体变形力学特性大型三轴试验研究

为了进一步研究土石混填体的变形力学特性,全面考虑含水量、含石量、岩性及土性等因素的影响作用,采用YS30-3型应力路径三轴剪切试验机,基于正交试验方法进行了一系列土石混填体大型三轴压缩研究.试验结果表明,在三轴受力条件下,土石混填体在低围压下的应变软化特征不明显,试样的粘聚力普遍较低而内摩擦角则比较高,且内摩擦角更容易受其他因素的影响而发生显著变化.含石量对土石混填体的抗剪强度影响程度最大,随试样中的含石量从25%增加到70%,其内摩擦角从34.54°近似线性增长至46.39°.含石量和围压分别是影响土石混填体体变特性最主要的内因和外因,即在含水率、岩性、土性相同的情况下,含石量越低试样高压剪缩性越明显,含石量越高其低压剪胀性越明显.     

考虑水-力耦合和不同应力路径的砂岩卸荷力学特性试验

为研究不同渗透压力条件下的岩石卸荷力学特性,选取砂岩为研究对象,开展了不同渗透压力和不同应力路径下的三轴卸荷试验,并与常规三轴试验进行对比,比较了不同应力路径下的岩石强度特性,分析了渗透压力对岩石变形和强度参数的影响。试验结果表明：渗透压力的增大会弱化岩石强度,岩石的峰值强度随渗透压力的增大而降低,而轴向变形随渗透压力增大而增加,渗透压力越大,岩石的压密段特征越明显;针对两种不同的卸荷应力路径,恒轴压卸围压路径条件下,岩石的黏聚力不断降低,内摩擦角不断增加,而加轴压卸围压路径条件下,岩石的黏聚力不断增加,内摩擦角逐渐降低。     

围压作用下TBM双刃中心滚刀破岩特性研究

为了研究不同围压作用下双刃中心滚刀破岩规律,运用颗粒离散元建立其破岩数值模型,分析不同围压与刀间距对双刃中心滚刀破岩过程中裂纹扩展、比能耗等规律的影响.研究结果表明:双刃中心滚刀侵入破岩时,围压增加会抑制裂纹沿岩体垂直方向扩展.刀间距不同,围压增加对双刃之间的裂纹扩展影响不同;岩石破碎存在三种破碎模式且刀间距适中时,围压增加会促进破碎模式转变;存在最优刀间距使比能耗最小且最优刀间距随围压增加而增加;实验观测不同围压下双刃中心滚刀破岩过程裂纹扩展、破碎模式转变规律与数值模拟结果具有很好的一致性.     

不同加载路径下盐岩蠕变特性试验

为了研究加载路径对盐岩蠕变特性的影响,利用RLW-2000岩石流变试验机对盐岩试件进行了3种不同加载路径的蠕变试验,分析了盐岩在不同加载路径下的蠕变变形规律。结果表明,在恒围压、分级增加轴压加载路径下,随着轴向应力增加,盐岩瞬时应变、蠕变应变和蠕变速率均逐渐增大,衰减蠕变阶段持续的时间也逐渐延长;在恒轴压、分级卸围压加载路径下,当围压小于某个特定值时,围压的变化对盐岩蠕变特性产生一定的影响,当围压高于该值时,盐岩的蠕变特性似乎与围压无关,且从试验结果来看,该值应在4 MPa以上;在恒轴压、循环围压加载路径下,围压及其循环周期对盐岩蠕变特性的影响非常大,降围压阶段盐岩蠕变速率明显高于升围压阶段,且围压循环周期越小,降围压阶段蠕变速率与升围压阶段蠕变速率的比值越大,周期越大,该比值越小。     

包含岩石临界状态的Mohr-Wedge准则适用性研究

Mohr-Wedge(MW)岩石强度准则是基于岩石楔形破坏力学模型及主应力间的偏微分方程等的理论性公式推导.利用量纲分析整理该准则所含的多个参数,并赋予参数相应的物理意义,可使该准则简单易懂.为分析包含岩石临界状态的MW准则适用性,选取Mohr-Coulomb准则、Hoek-Brown准则和指数准则为比较对象,以平均绝对误差MAE为评价指标,量化比较4个准则预测岩石强度的准确度.结果表明:当围压小于岩石临界状态围压σ_○cr-M时,MW准则具有一定的适用性;当围压大于σ_○cr-M时,4个准则预测的岩石强度因岩石临界状态围压不同而发生偏差.基于此,提出了不同岩石临界状态围压预测岩石强度的方法,可为岩石临界状态围压的取值提供一定的借鉴意义.     

不同卸荷路径下的页岩蠕变特性试验研究

地下硐室围岩流变现象显著,对硐室开挖与运营造成巨大威胁。以某深埋矿井巷道页岩为例,参照地下硐室实际开挖情况设计轴压与围压等比卸荷应力路径,同时开展恒轴压卸围压、等比卸荷两种应力路径下的蠕变试验,研究页岩在不同卸荷路径下的蠕变力学特性。试验发现：(1)页岩在两种卸荷路径下的蠕变特性十分明显,轴向应变量值始终高于侧向应变;(2)岩石在破坏应力水平下的轴向应变增长程度小于侧向应变,岩石的侧向扩容较为明显;(3)等比卸荷和恒轴压卸围压条件下的岩石长期强度分别为47.69MPa和62.85MPa,等比卸荷应力条件下岩石更易屈服破坏。研究成果可为地下硐室长期稳定性研究提供一定参考。     

砂岩蠕变特性试验及三维非线性力学模型研究

为了描述岩石的蠕变力学行为,开展不同围压条件下的砂岩三轴压缩蠕变试验。研究表明：岩石稳定蠕变阶段是岩石微裂纹不断发育和扩展的过程,稳态蠕变速率与围压呈幂函数增长关系;砂岩在围压5 MPa、10 MPa和15 MPa下的长期强度分别为19.8 MPa、22.3 MPa和24.7 MPa,长期强度随围压的增强而递增。基于岩石蠕变的非线性特征,定义了一个与围压相关的黏弹性模量E（p）,经过推导变换得到了可反映岩石蠕变受时间和围压影响的E（p,t）,应用于改进后的Burgers模型,从而得到新的一维蠕变本构模型。将其拓展到三维应力状态,得到新的三维非线性力学模型,识别蠕变试验数据,对比分析预测效果,证明所建模型的可行性和合理性。研究成果为岩石三维应力状态下蠕变行为模拟提供一定参考。     

火山岩力学特性试验研究

对取自松南气田营城组的流纹岩和凝灰岩开展室内岩石力学试验研究,得到了流纹岩不同亚相和凝灰岩在不同围压下的应力-应变曲线;在此基础上分析火山岩变形破坏的特征。火山岩的CT图像显示,随着流纹岩亚相的变化,岩石内的孔隙和微裂纹发育程度发生变化,上部亚相气孔较发育、中部亚相次之、下部亚相气孔发育较少。试验结果表明上部亚相、中部亚相和下部亚相的单轴抗压强度、弹性模量依次增大。凝灰岩在围压下的岩石力学特性遵循脆性岩石的普遍规律;但是由于非均质性、各向异性的影响,凝灰岩的抗压强度和弹性模量随着围压的增大出现波动。流纹岩在单轴条件下表现为沿轴向的劈裂破坏;凝灰岩在围压下的微裂纹起裂方向与轴向存在夹角,最终形成与轴向存在一定夹角的宏观破坏面。火山岩在压缩破坏过程中所产生的应变很小;而且岩石强度和弹性模量较高,这会造成水力压裂过程中的破裂压力梯度高,难以形成裂缝。