双向耦合剪切条件下砂土的变形特性

采用空心圆柱扭剪仪对粉细砂进行一系列偏应力幅值和大主应力角同步增大条件下的剪切排水实验,研究该双向耦合条件下饱和砂土的变形规律和非共轴特性,分析中主应力系数等因素对砂土变形特性的影响。结果表明:砂土在该椭圆应力路径条件下产生了一定的塑性变形,并表现出明显的非共轴特性;随着中主应力系数的增大,土体径向应变和体应变逐渐减小,而环向应变由压应变逐渐转变为拉应变;初始偏应力和偏应力增长幅度对土体变形也有明显的影响,随着这两者的增大,土体的剪应变明显增大,体应变也呈现出由体胀向体缩转化的趋势,非共轴角则呈现减小的趋势。     

考虑非共轴特性的吸力桶基础竖向荷载-变形特性研究

土体在剪切变形过程中会产生较为显著的主应力方向旋转,主应力方向与塑性主应变增量方向将呈现出显著的差异即非共轴现象.采用砂土非共轴弹塑性本构模型,以吸力式桶形基础为研究对象,研究土体主应力方向旋转和非共轴角度的变化规律,探讨非共轴特性对地基荷载-位移关系的影响.研究结果表明:在竖向荷载作用过程中,土体主应力方向处于单调旋转状态,吸力桶形基础高径比对土体主应力方向的旋转规律(方向、速率和极值)有显著影响.非共轴特性对荷载-位移关系的发展趋势有显著的减缓滞后作用,该作用在地基变形中期比较显著.随着高径比的增加,非共轴特性逐渐显著,该特性对地基竖向荷载-位移关系的影响逐渐明显.     

排水条件下饱和砂土单调剪切特性试验研究

应用大连理工大学研发的土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪,控制试验过程的平均主应力和中主应力系数保持恒定,改变主应力方向,针对相对密度为30%、60%的饱和福建标准砂,进行一系列排水单调剪切试验.主要探讨排水条件下主应力方向和相对密度对砂土应力-应变关系、有效内摩擦角及体变特性的影响.试验结果表明:主应力方向对饱和砂土的单调剪切特性具有显著影响;不同主应力方向对应的应力-应变关系所表现出的变化规律取决于水平面与竖直面上受到的剪应力作用,相变及峰值广义剪应力和有效内摩擦角与主应力方向角之间存在抛物线型关系.同时相对密度的影响也不容忽略;同中密砂相比,松砂的剪缩现象明显,其峰值抗剪强度降低.     

颗粒形状对交通荷载条件下砂土力学性能的影响分析

交通荷载长期作用下,软土地基的稳定性会受到很大影响;作为持力层的砂土也会因此受到影响。利用空心扭剪仪模拟交通荷载条件下主应力轴旋转角变化对砂土强度的影响进行研究。为了研究砂土颗粒形状对主应力轴旋转角的响应,利用三种不同砂土颗粒(丰铺砂、玻璃微珠和Ottawa砂)在不同应力加载路径下砂土试样强度进行对比分析。研究结果表明,不同形状的砂土颗粒非共轴现象差异较大,试样的强度也出现不同;形状相同但粒径不同的玻璃微珠的应力应变曲线也存在差异。     

颗粒形状对交通荷载条件下砂土力学性能的影响

交通荷载长期作用下,软土地基的稳定性会受到很大影响;作为持力层的砂土也会因此受到影响。利用空心扭剪仪模拟交通荷载条件下主应力轴旋转角变化对砂土强度的影响进行研究。为了研究砂土颗粒形状对主应力轴旋转角的响应,利用三种不同砂土颗粒(丰铺砂、玻璃微珠和Ottawa砂)在不同应力加载路径下砂土试样强度进行对比分析。研究结果表明,不同形状的砂土颗粒非共轴现象差异较大,试样的强度也出现不同;形状相同但粒径不同的玻璃微珠的应力应变曲线也存在差异。     

一种非共轴应变硬化本构模型数值应用及离心机试验验证

在土体的剪切变形过程中,当主应力方向产生旋转时,主应变增量方向与主应力方向之间存在显著的非共轴现象.同时,机动摩擦角、膨胀角随着累积塑性偏应变的增长而增加,土体具有应变硬化的特点.传统的弹塑性本构模型不能够反映上述现象对地基承载力特性的影响.为了能够对地基承载力问题进行合理的分析,建立了一种非共轴应变硬化模型,并将该模型运用到有限元计算中.通过与三轴试验和离心机模型试验结果进行对比,对该模型在数值应用中的合理性进行了验证.研究结果表明,该模型能够对不同围压下的应力-应变关系进行预测.对浅基础承载力问题进行研究时,非共轴应变硬化模型的计算结果比传统弹塑性本构模型更加接近于离心机试验结果,验证了该模型的数值应用合理性.     

主应力轴旋转下原状软黏土的变形及强度特性

为研究主应力轴旋转情况下饱和软黏土的变形及强度特征,采用先进的空心圆柱扭剪仪(HCA)对软黏土进行了一系列不排水剪切试验。试验采用等压固结模式对软黏土空心薄壁试样进行固结,并在3种不同中主应力系数情况下,对试样进行不同主应力轴旋转角度下的不排水剪切试验;剪切过程中保持平均应力、中主应力系数及主应力轴旋转角度不变,只增加偏应力,研究不同中主应力系数情况下主应力轴旋转角度对软黏土应力应变特征以及强度特性的影响。研究结果表明:不同主应力轴旋转角度下天然软黏土的变形及强度特征存在明显的差异,在中主应力系数b=0.5的非轴对称加载情况下,不排水剪切强度随着主应力轴旋转角度的增大呈勺形变化;在b=0的轴对称压缩条件及b=1的轴对称拉伸条件下,随主应力轴旋转角度的增加,不排水剪切强度均呈递减趋势。     

考虑中间主应力的粉砂岩侧向卸荷力学特性试验研究

利用TRW-3000型岩石真三轴试验系统开展粉砂岩真三轴侧向卸荷试验,研究不同中间主应力系数b条件下粉砂岩卸荷破坏、变形特征,并基于Mogi-Coulomb强度准则,探讨岩体强度特征。研究结果表明:在真三轴侧向卸荷应力条件下,随着中间主应力增大,粉砂岩试样卸荷破坏模式由剪切-张拉复合破坏转变为板裂破坏,剪切破断角随b增大呈线性增大;应力-应变曲线有较明显的阶段性,随着中间主应力增大,破坏时最大主应变ε1、最小主应变ε3增大,体积应变εV减小,扩容趋势更加明显;在卸荷过程中,变形模量随卸荷量增加呈负指数关系降低;采用Mogi-Coulomb准则对真三轴侧向卸荷试验强度进行拟合分析,回归方程满足显著性水平α=0.01的F检验要求,Mogi-Coulomb强度准则能够较好地用于描述不同中间主应力条件下的粉砂岩侧向卸荷强度关系。     

应力旋转条件下软黏土非共轴角计算方法

基于空心圆柱扭剪仪对软黏土开展主应力纯旋转、往复旋转及旋转同时增加剪应力这3类典型应力旋转路径下的不排水试验,重点分析应力旋转引起的应变增量方向的变化规律及其影响因素。研究结果表明:3类应力旋转路径引起的应变增量方向与主应力方向之间存在显著的非共轴现象;随着主应力轴的连续旋转,非共轴角基本以90°为周期波动变化,当旋转方向反向时,应变增量方向也跟随突变,应力旋转同时增加剪应力,非共轴角有减小的趋势;剪应力水平、应力旋转方向及应力路径对非共轴角的变化规律影响较显著,中主应力系数对非共轴角的影响则很小。基于Gutierrze提出的应力映射方法建立的非共轴角计算方法能较好地模拟应力旋转路径下软黏土非共轴角的变化规律,并能反映剪应力水平、应力旋转方向及应力路径的影响。     

竖向偏心荷载作用下吸力桶荷载-变形特性非共轴本构数值分析

在竖向偏心荷载作用下建立吸力式桶形基础数值分析模型,采用砂土非共轴弹塑性本构模型研究土体主应力方向旋转和非共轴角度的变化规律,探讨非共轴特性对吸力桶力学特性的影响.主要研究结论表明:在地基变形过程中,非共轴角度呈现先增大后减小的发展趋势.随着偏心距的增加,等效塑性应变在地基中的分布范围逐渐减小,非共轴特性也将减弱,非共轴特性对荷载-变形特性的影响逐渐减弱.对于桶壁端部阻力和桶壁外侧摩擦阻力,非共轴特性的影响随着偏心距的增加而减弱.对于桶体顶部阻力和桶壁内侧摩擦阻力,非共轴特性的影响随着偏心距的增加而逐渐显著.     

排水循环剪切条件下砂土体变特性试验研究

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,针对饱和福建标准砂,在各向均等与三向非均等固结条件下,进行了排水循环扭剪试验.通过试验讨论了初始主应力方向、相对密度和剪应变幅度对排水条件下饱和砂土体积变化特性的影响.研究表明:循环剪应变幅度和相对密度显著地影响饱和砂土体积变化规律,循环剪应变幅度越高,相对密度越大,越易于发生剪胀.在三向非均等固结情况下,饱和砂土在排水循环剪切条件下的体变特性密切地依赖于砂土的初始主应力方向.不同初始主应力方向时应力-应变关系表现出不同的变化模式,体积变化累积规律的具体模式取决于正应力水平与垂直平面上所存在的初始剪应力.     

应力旋转对TJ-1模拟月壤变形特性的影响

登月成功后月球车辆的行驶以及月球基地的建设均涉及到主应力轴旋转问题,为此采用空心圆柱扭剪仪进行了两个系列的主应力轴旋转试验,以研究中主应力系数和平均应力对主应力轴旋转条件下同济一号(TJ-1)模拟月壤变形及非共轴特性的影响.试验系列I中保持平均应力、偏应力比不变,进行了不同中主应力系数的主应力轴旋转试验;系列II则是保持偏应力比、中主应力系数不变,进行了不同平均应力下的主应力轴旋转试验.结果表明中主应力系数、平均应力均对主应力轴旋转过程中TJ-1模拟月壤的变形特性影响显著.着重分析了中主应力系数、平均应力对TJ-1模拟月壤在主应力轴旋转过程中各应变分量、体变的发展趋势以及非共轴特性的影响,以期为登月成功后与月壤相关工程的设计提供参考.     

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。     

非共轴特性对岩土材料应变局部化行为影响的数值研究

岩土材料的各向异性特征使其在主应力旋转的加载条件下出现主应力和主塑性应变率不共轴的现象,而传统的塑性流动理论默认两者是共轴的,导致无法正确预测应变局部化分叉的开始。另外,基于经典连续体理论的传统本构模型在模拟应变局部化边值问题时,由于没有任何内部长度参数,导致无法反映剪切带的宽度及发展演化。为此,本文建立了一个基于微极理论的非共轴弹塑性本构模型,研究岩土材料非共轴特性对剪切带的萌生、宽度和演化的影响,并与基于经典连续体理论的结果进行比较。发现基于微极理论的非共轴弹塑性模型不仅能够准确预测剪切带的萌生,而且能够很好地描述非共轴特性对剪切带宽度的影响。     

堆石体在真三轴应力状态下的非共轴性与剪胀特性

基于连续-离散耦合分析方法,发展随机颗粒不连续变形分析方法。采用不规则多面体模拟实际堆石颗粒,制备初始各向同性的堆石料数值试样,进行等平均静水压力p、等中主应力系数b应力路径的真三轴数值试验。分析堆石料在真三轴应力状态下的剪胀特性,以及应变增量与应力增量的非共轴性。研究结果表明:刚开始加载时,应变增量与应力增量共轴,随着加载的进行,应变增量的方向发生偏转,偏转量与中主应力系数b有关,在三轴压缩应力路径(b=0)和三轴拉伸应力路径(b=1)时,几乎不发生偏转;对比Rowe,Roscoe,改进的Roscoe以及Lagioia剪胀模型,改进的Roscoe剪胀模型预测的剪胀曲线与数值试验结果较吻合,在改进的Roscoe剪胀模型上引入1个角隅函数,以反映中主应力对剪胀特性的影响。     

围压和渗透压对花岗岩残积土抗剪强度影响的三轴试验研究

为研究渗流对花岗岩残积土抗剪强度衰减的影响,使用SLB型号三轴剪切渗透试验仪,分别进行了K0固结排水剪切试验、恒水头渗流剪切试验和恒流量渗流剪切试验,研究了围压和渗透压对试样应力-应变关系、峰值强度和抗剪强度参数的影响.研究结果表明:应力-应变曲线均为应变硬化曲线,随着轴向应变的增加试样的主应力差增加,且增加的趋势逐渐减小.试样在相同的应变情况下,主应力差值和峰值强度均随着土体试样围压的增大而增大;随着渗透压的增加,主应力差值和峰值强度均逐渐减小;随着轴向应变的增大,渗透压对应力-应变曲线的影响越明显.随着渗透压增加,有效黏聚力逐渐下降,但有效内摩擦角几乎不受渗透压的影响.     

粗砂与结构物接触面的剪切特性试验研究

利用同济大学研制的大型多功能界面剪切仪,对粗砂与结构物的剪切变形特性进行研究.采用在剪切盒内灌注彩色砂条的方法研究剪切带的空间分布特性.结果表明,彩色砂条的变形可以反映剪切带厚度和空间分布.剪切带厚度为6～11 mm,厚度随着法向应力的增加呈增加的趋势;剪切带厚度在空间上的分布呈现出不均匀性,在剪切方向(X轴方向)上呈现中间大两端小的趋势,在垂直剪切方向(Y轴方向)上离散性较小、分布近似均匀.剪切板凹槽的约束作用,使得凹槽内的砂土颗粒带动附近砂土颗粒运动,从而形成剪切带.土体的剪胀特性是由于剪切带内砂土的变形导致的,剪切初始时剪胀速率较快,达到抗剪强度后剪胀速率减慢.     

剪切速率对黄土力学性质及邓肯 张参数的影响

为探究加载速率对原状黄土强度和变形特性及其邓肯-张模型参数的影响,采用SLB-1型三轴剪切渗透试验仪,开展原状黄土在不同围压和剪切速率下的不固结不排水三轴剪切试验,并通过微观试验验证其宏观力学性质。结果表明：在试验参数设定范围内,剪切速率对原状黄土的力学性能有显著影响,不同剪切速率下原状黄土的偏应力－应变关系基本符合双曲线关系;初始变形模量随围压的增大而增大,随剪切速率的增大呈现先增大后减小的规律,原状黄土的黏聚力c、无因次基数K、应力破坏比Rf和破坏强度与剪切速率之间存在明显的临界剪切速率转折点1.7 mm?min-1,此时各参数均达到最大值,无因次指数n无明显规律可循;当剪切速率小于此临界值时,黏聚力c、无因次基数K、应力破坏比Rf和破坏强度随着剪切速率的增大而增大,当超过剪切速率临界值时又有一定程度的降低,总体上呈现先增大后减小的规律,而内摩擦角随着剪切速率的增大而逐渐增大且增大幅度甚微;试样的偏应力－应变曲线无明显的峰值点,呈应变硬化型;通过拟合曲线,得到了原状黄土试样的抗剪强度指标和破坏强度与不同剪切速率之间的拟合公式,以期更好地研究剪切速率的变化对西宁原状黄土力学性能的影响。     

剪切速率对黄土力学性质及邓肯-张模型参数的影响

为探究加载速率对原状黄土强度和变形特性及其邓肯-张模型参数的影响,采用SLB-1型三轴剪切渗透试验仪,开展原状黄土在不同围压和剪切速率下的不固结不排水三轴剪切试验,并通过微观试验验证其宏观力学性质。结果表明:在试验参数设定范围内,剪切速率对原状黄土的力学性能有显著影响,不同剪切速率下原状黄土的偏应力-应变关系基本符合双曲线关系;初始变形模量随围压的增大而增大,随剪切速率的增大呈现先增大后减小的规律,原状黄土的黏聚力c、无因次基数K、应力破坏比R_f和破坏强度与剪切速率之间存在明显的临界剪切速率转折点1.7 mm/min,此时各参数均达到最大值,无因次指数n无明显规律可循;当剪切速率小于此临界值时,黏聚力c、无因次基数K、应力破坏比R_f和破坏强度随着剪切速率的增大而增大,当超过剪切速率临界值时又有一定程度的降低,总体上呈现先增大后减小的规律,而内摩擦角随着剪切速率的增大而逐渐增大且增大幅度甚微;试样的偏应力-应变曲线无明显的峰值点,呈应变硬化型;通过拟合曲线,得到了原状黄土试样的抗剪强度指标和破坏强度与不同剪切速率之间的拟合公式,以期更好地研究剪切速率的变化对西宁原状黄土力学性能的影响。     

真三轴应力下低渗储层砂岩应力应变特征分析

为搞清楚低渗砂岩在复杂应力状态下的变形和破坏特征，以华庆地区三叠系延长组低渗砂岩为原型，根据相似原理做成相似模型，通过对相似模型应力-应变的分析来判断原型所发生的力学现象。利用新研制的YSZS-2000多功能电液伺服岩石真三轴试验机对相似材料进行了4个系列真三轴实验。研究表明：在真三轴应力作用下，峰值强度受中间主应力的影响显著，随着中间主应力的增大而增大；试样杨氏模量随中间主应力的增大有增加的趋势；在相同最小主应力条件下，随着中间主应力的增大，峰值应变逐渐减小。当最小主应力增大时，峰值应变降低的幅度减弱；黏聚力随着中间主应力的增大而增大，内摩擦角则随之减小。