不同卸荷速率下变质石英砂岩力学性质试验分析

为研究不同卸荷速率下岩石力学特性,以锦屏一级大奔流沟料场特高边坡变质石英细砂岩为例,开展不同卸荷速率和不同围压下的卸荷试验,得到了应力-应变曲线,重点分析了卸荷速率对应力-应变关系、破坏特征、破坏应力差、强度参数的影响规律.结果表明:卸荷作用对岩石脆性破坏特征明显;常规加载试验为压剪破坏,卸荷试验为张剪破坏;随着围压的降低,弹性模量不断降低,卸荷速率越快,非线性关系越明显;卸荷速率越快,泊松比增加越慢;卸荷条件下岩石的黏聚力减小,内摩擦角增大.     

平面应变条件下土体变形的试验研究

取武汉地区具有代表性的粉质粘土进行了一系列卸荷应力路径试验,对其应力应变性状进行了较深入的研究。研究表明,土体卸荷试验的初始切线模量远大于加荷试验的初始切线模量,其破坏的主应变却远远小于常规三轴试验的破坏主应变,土体在复杂受力状态下的应力应变关系曲线表现出应变软化特性,其广义剪应力与广义剪应变关系曲线呈明显的非线性,且更真实地反映开挖卸荷条件下土体的应力应变特性,并探讨了这种特殊路径下的卸荷模量的计算。     

层理黄砂岩三轴循环加卸载力学特性模拟研究

层理黄砂岩为隧道工程建设中常见的一种岩石，隧道开挖及后期运行导致围岩长期处于循环荷载作用下.为了探究层理黄砂岩循环加卸载损伤破裂特征，借助PFC^2D开展了不同围压不同倾角层理黄砂岩常规三轴循环加卸载研究，分析了应力-应变曲线及损伤破裂过程，得到1组可以反映层理黄砂岩常规三轴压缩力学特征的细观参数，数值试样强度及破裂特征与室内试验结果吻合较好.数值模拟循环加卸载应力-应变曲线可以一定程度上反映力学行为，同时循环加卸载曲线和单调加载曲线变化形态吻合较好.不同倾角层理砂岩循环荷载下试样破裂特征不同，当α=0°时试样发生贯穿基质的剪切破坏，循环荷载与单调加载破裂特征相似.而当α=60°时，层理发生剪切破坏，并伴随层理两侧基质的破坏，循环荷载相对于单调加载裂纹宽度有所增加.     

基坑土体侧向卸荷变形特性的研究

利用GDS三轴仪对深基坑周边主动区粉质黏土进行了平面应变条件下的k0固结侧向卸荷试验和常规三轴压缩试验,试验结果表明:两种应力路径试验的应力–应变关系曲线均呈双曲线型,均表现为非线性,且全部呈应变硬化现象;卸荷破坏主应力差均小于加载破坏主应力差。针对卸荷产生的侧向应变采用有限元软件模拟土样的侧向卸荷,确定了粉质黏土Δε22和Δε32之间的比例范围,进一步推导出侧向卸荷条件下切线弹性模量的计算公式。     

模拟K0固结后不同初始围压下冻土应力-应变特性研究

通过对经历K0固结后再冻结的冻结兰州黄土进行三轴压缩试验,分析了K0固结后冻土在轴向加载直至破坏过程中的应力-应变行为,并利用Duncan-Chang双曲线模型研究了K0固结后冻土的初始切线模量和偏主应力最大值与围压、温度的关系.结果发现:围压和温度的变化是影响深部冻土抵抗变形能力的主要因素;初始切线模量随围压的升高而线性增大,但受温度影响不太明显;当温度恒定时,偏主应力最大值随围压的升高而线性增大;当围压恒定时,偏主应力最大值又随温度的降低而增高.最后,对模型预测曲线与实测曲线进行了对比,验证了应用Duncan-Chang双曲线模型对K0固结后冻结土体在轴向加载直至破坏过程中的应力-应变行为进行预测的可靠性.     

基坑土体侧向卸荷条件下的变形性状研究

在ZSY-1型真三轴仪上控制ε2≈0进行基坑土体的k0固结-侧向卸荷的平面应变试验研究,得出土体侧向卸荷时侧向应力与其应变之间关系.根据其应力应变曲线性状,运用Duncan-Chang模型的建模思路来描述平面应变条件下土体侧向卸荷的侧向应力应变之间关系,并由此得出卸荷土体的初始切线弹性模量及其变化规律,推导出反映坑侧土体侧向卸荷实际应力路径下土样的非线性切线模量表达式.     

加卸载下原煤力学特性及渗透演化规律

基于自主研发的煤岩热流固耦合试验系统,在考虑实际开采方式的条件下,进行轴压升高和围压降低的加卸载试验,分析研究不同加卸载速率下原煤的力学特性和渗透演化规律.结果表明:加卸载过程中,轴向应力的加载速率越大,峰值应力附近的曲线平台越长,峰值应力、轴向应变和环向应变也越大,体应变则越小.不同加卸载速率比下含瓦斯煤变形模量均先迅速减小后缓慢减小,到破坏时再迅速降低,而后逐渐保持稳定趋势;在相同轴向应变时,加卸载速率比越小,煤样的变形模量越大.加卸载过程中,煤样的偏应力、渗透率与应变的关系可分为三个阶段:初始压密与弹性阶段、屈服破坏阶段和破坏后阶段.加卸载速率比越小,煤样达到峰值应力时,含瓦斯煤的渗透率和体积变形越大.     

基坑开挖对侧边土体变形性质的影响

针对当前基坑开挖土体变形的问题,利用工程中较常用的邓肯-张模型,推导出基坑分层开挖引起应力路径变化与切线模量的关系式,进而得出卸载状态下土体变形模量与切线模量的关系.再利用数值软件和室内试验,模拟研究基坑开挖过程.结果表明:基坑开挖对土体的应力路径有明显影响,应力路径的不断变化使得土体的应力状态也随之改变;排水条件不同,相同部位土体的应力-应变关系不同;应力路径和排水条件是土体变形的主要影响因素.     

基于数字图像测量技术的基坑开挖卸荷试验研究

以原状粉质黏土为试验土体,采用三轴数字图像测量技术为基础的测试仪器,对基坑开挖卸荷过程的土体应力路径进行模拟,研究不同应力路径条件下的土体应力-应变关系,分析侧向卸荷对基坑土体抗剪强度指标的影响.试验结果表明,经历侧向卸荷应力路径的土体抗剪强度指标与常规三轴加载试验明显不同.数值计算验证了不同应力路径的试验结果对基坑稳定与变形的影响.为了准确地分析基坑的稳定与变形情况,有必要在试验时尽可能模拟基坑的侧向卸荷应力路径.     

土体小应变刚度特性的试验研究

土体的小应变刚度在深基坑或隧道开挖等以变形控制为主的工程中是起决定性作用的参数.利用固结仪、应力路径三轴仪和共振柱联合测定江苏常州地区3个典型土层原状土的小应变刚度特性,得到了土体小应变硬化模型(HSS)的相关参数,包括土体的初始剪切模量、模量退化曲线、土体强度参数、加卸载模量等.分析了土体有效应力对土体小应变刚度特性的影响,并对如何选择合适的小应变模型参数提出了初步建议.     

基于近场动力学的岩石不同应力路径损伤演化

加卸载效应普遍存在于各类岩土工程中,为研究岩体在不同应力路径下加卸载的力学响应和损伤演化规律,通过在传统键型近场动力学本构模型中引入键的损伤变量函数,以反映岩石材料应力应变曲线中先应变硬化再应变软化的非线性阶段,采用改进键型近场动力学模型数值模拟与室内细砂岩加卸载试验对照的方法研究了细砂岩在不同加卸载路径下的力学、损伤演化规律。结果表明：改进的键型近场动力学本构模型能够较好地模拟岩石材料先应变硬化再应变软化力学性质和在不同应力路径下的力学响应及损伤发展趋势;在常规三轴路径下,岩石的抗压强度与围压呈较严格的正相关变化;定义的损伤值可直观的对比出不同加卸载路径与常规三轴压缩下岩石的损伤发展情况,相对常规三轴压缩,卸荷路径加快了岩石材料的破坏,且升轴压破坏程度>恒轴压破坏程度>卸轴压破坏程度。     

基于颗粒流离散元的黏性土三轴剪切试验数值模拟

通过对黏性试样进行室内三轴固结排水试验,研究黏性土体的工程力学性质,得到了试样土体的应力-应变关系曲线以及强度指标,基于颗粒流离散元法的原理,利用PFC3D软件建立三轴试样模型,并设定颗粒间的接触为接触黏结模型,通过颗粒流数值试验对细观参数进行标定,从细观角度对黏性土的工程力学特性做了一定的研究。对比了不同围压下数值试验与室内试验的应力-应变关系曲线,得到了较好的模拟效果。分析细观参数的变化对黏性土的应力-应变关系曲线的影响,得出边界条件、孔隙率、黏结强度、摩擦系数、接触刚度等细观参数的取值对黏性土的宏观力学性质有着显著的影响并对影响规律做了探讨,为今后的三轴试验颗粒流数值模拟提供了有价值的参考。     

木材径向反复受压应力-应变模型研究

通过木材小清材试样的单调加载和反复加卸载试验,研究了木材径向全表面受压试样在单调加载和反复加卸载作用下的应力-应变关系.试验结果表明:单调加载应力-应变曲线和反复加卸载骨架曲线在应变小于0.16时基本重合,在应变大于0.16时,两者数值差异逐渐增大,但仍可由同一数学模型进行描述;木材反复卸载、再加载过程中,再加载路径与卸载路径分别由线性和双折线模型表达.综合考虑木材单向横纹受压以及反复加卸载过程中的典型特征,建立了反复荷载作用下木材径向全表面受压应力-应变模型.基于所建模型编写了MATLAB程序,对比分析了模型计算结果与试验结果,两者吻合较好.     

三轴试样高径比对试验影响的颗粒流数值模拟

基于离散元软件PFC3D,通过编制可破碎的颗粒簇单元,模拟三轴试验中不同高径比试样应力应变特性的差异,通过比较强度和变形参数差异探讨适合粗粒土的高径比。研究结果表明:高径比越小,试验得到的内摩擦角越大,围压越大,由于颗粒破碎导致的内摩擦角越小;满足莫尔-库仑准则破坏面的最小高径比随着围压的增加而减小,但都大于现在室内试验常用的高径比;峰值强度随着高径比的增加而减小,随着围压的增大,不同高径比之间峰值强度相对误差减小;割线模量与高径比呈折线形关系;不同高径比之间割线模量的差异随高径比范围的不同而不同,且最小高径比的割线模量与现在室内试验常用高径比的割线模量在低围压下差异较大。依据模拟结果,认为粗粒土的三轴试样高径比应大于2.5。     

红粘土侧向卸荷真三轴试验及其力学特性分析

采用刚柔复合型真三轴仪,模拟基坑实际开挖过程,进行了三向主应力不同的单面侧向卸荷真三轴试验,分析了侧向卸载和竖向加载条件下红粘土的应力应变关系、变形破损过程及其强度参数随基坑开挖的变化特点。根据红粘土强度参数在基坑开挖过程中的变化特点和工程实践确定强度折减系数,采用双强度折减法对土体强度参数进行分步折减,并选用FLAC 3D程序和摩尔库伦模型对红粘土深基坑工程开挖的力学过程进行数值模拟。结果表明,加卸载条件下红粘土变形破损的力学机制完全不同,土体强度参数随基坑开挖深度的增大而减小,变化的范围、幅度和速度以递增方式变化。在相同竖向荷载条件下,开挖过程的土体较受压过程的土体更易变形破损而失稳。     

FRP约束混凝土短柱在重复轴压作用下的力学性能

为了研究纤维增强复合材料(FRP)约束混凝土短柱在重复轴压荷载作用下的力学性能,对其进行试验和理论研究.共对6个FRP约束混凝土短柱试件(含3个单调加载和3个重复加载试件)进行竖向轴压试验.基于试验结果,分析讨论试件的破坏模式、应力-应变曲线、塑性残余应变、应力退化和极限状态.试验结果表明,重复荷载作用下试件的包络曲线略低于对应的单调荷载作用下试件的应力-应变曲线;卸载应变和塑性残余应变存在线性关系;FRP约束混凝土在重复荷载作用下的应力退化系数基本保持不变.根据国内外学者提出的理论模型,对重复加载试件的卸载路径曲线、再加载路径曲线和全过程应力-应变曲线进行预测.通过与试验结果比较,证明这些模型具有准确性和合理性.     

侧向卸荷条件下不同含水率原状黄土变形特性分析

为研究原状黄土的侧向卸荷变形特点,选取陕西地区具有代表性的不同含水率Q₃原状黄土,进行不同固结压力下的分级侧向卸荷试验。试验结果表明：原状黄土在侧向卸荷下应力应变曲线为硬化型;初始固结压力较低的试样无明显破坏且轴向应变最终趋于稳定,固结压力较高的试样则发生破坏且轴向应变持续增加,对于低固结压力试样,含水率越高,最终稳定时的轴向应变越大;提出原状黄土的临界轴向应变比值,并通过拟合得出指数函数表达式,以计算各种情况土体卸荷达到塑性破坏时的围压值;根据试验结果拟合得到初始切线模量的经验公式,从而推导出不同含水率原状黄土在卸荷时的变形模量计算公式。     

被动围压下早龄期补偿收缩钢纤维混凝土冲击压缩性能试验

为了研究被动围压约束条件下早龄期混凝土动态力学性能,利用直径74 mm分离式霍普金森压杆进行试验。在不同加载气压钢质套筒被动约束条件下,测试7 d龄期补偿收缩钢纤维混凝土试件轴向或径向的应力和应变变化趋势。结果表明:补偿收缩钢纤维混凝土材料在被动围压下,延性和抵抗破坏能力显著加强,试件轴向应力-时间历程曲线和轴向应力-应变曲线可知,整个加载过程分为三个阶段。第一阶段为弹性阶段,由于试件刚性所致,应力增幅快;第二阶段为弹塑性阶段,试件逐步压缩变形,应力增长缓慢,应变增幅大;第三阶段为试件塑性破坏阶段,应力直线下降;在0.6 MPa、0.7 MPa和0.8 MPa气压作用下,试样典型轴向应力峰值为无围压条件单轴压缩SHPB实验时的1.5~1.8倍;试件破坏应变高达(23~27)×10-3,是无围压SHPB试验试件破坏应变的4~6倍;从试件破坏形态看,由于钢纤维掺入,试件仍保持较好的整体性,裂缝分布表征试件为压剪破坏。     

饱和重塑黄土动力反应的数值模拟

将具有粉质黏性的马兰黄土重塑后制成饱和试样,进行了一系列的固结不排水动三轴剪切试验,得到不同动应力幅值下的应力应变曲线.以双曲线型骨干曲线为基础,以动态骨干曲线假设为条件,推导了复杂动荷载下用轴向动应力应变表示的卸载、再加载曲线方程.从应力应变曲线和能量消耗两方面对固结不排水动三轴试验进行了数值模拟分析,并与试验结果进行比较,结果表明:当动应力幅值与固结围压之比在一定范围内时,两者的阻尼比接近;当动应力幅值较大时,两者的卸载曲线较为一致.提出的数值方法能较好地模拟重塑饱和马兰黄土的固结不排水动力反应,可为马兰黄土地区的土动力反应分析提供参考.     

济南济泺路穿黄隧道典型粉质黏土HSS模型参数获取及适用性

盾构施工过程中土体大部分区域处于小应变状态,与常用的本构模型的土体性质有所不同。因此,为研究济南济泺路穿黄隧道区域内典型粉质黏土的的静动力行为特性及工程适用性,通过室内基础土工试验、侧限固结试验、标准三轴固结试验以及动三轴试验,确定了粉质黏土基本物理性质参数以及切线刚度 、割线模量 、卸载/重加载参考刚度 , 并将所得参数应用于济南济泺路穿黄隧道工程下穿北岸大堤沉降分析中,同时通过对比应用HSS小应变硬化本构模型、M-C 摩尔库伦本构模型的模拟结果与现场实测结果,验证了HSS本构模型在该地区变形分析中的准确性。结果表明：围压一定时,该地区粉质黏土试样竖向应变以塑性应变为主,且随动应力的增加,土体达到稳定所需时间越长;循环荷载一定时,增大土体围压可提高土体的稳定性;基于室内试验获取的HSS本构模型参数模拟的济南济泺路穿黄隧道下穿大堤工程地层变形结果与现场实测值吻合良好,验证了基于本文提出的室内试验获取岩土小应变相关参数方法的适用性。研究成果可以丰富济南黄河地区粉质黏土地层参数研究,并为该地区岩土工程数值模拟分析的本构模型与地层参数选取提供参考。