粗粒土应力诱导各向异性真三轴试验研究

使用河海大学最新研制成功的真三轴仪,对粗粒土进行不同主应力方向上的单向加荷试验。结果表明,在σ1、σ2、σ3方向上单向加荷时,加荷向变形都为压缩,而侧向变形较为复杂。当在σ1或者σ2方向上单向加荷时,σ3方向上都是发生膨胀,而另一个侧向(即σ2或σ1方向上)没有明显变形;当在σ3方向上单向加荷时,两个侧向(即σ1、σ2方向上)都几乎没有变形。分析认为:剪切作用增强即应力状态接近破坏面,会发生侧向膨胀;反之,剪切作用减弱,则无侧向膨胀产生或侧向膨胀较小。对σ3方向单向加荷的情况研究表明,该应力路径下,p、q、b这3个量的变化都是使试样的应力状态远离破坏面,剪切作用减弱,因此侧向膨胀很小或没有。所试验的粗粒土在一般应力条件下各向异性性质显著。     

基于随机散粒体模型的堆石体真三轴数值试验研究

基于三维变形体离散单元法,模拟堆石体的真三轴试验,研究堆石体在三向不等应力状态下的强度和变形特性。真三轴数值试验装置采用六刚性板加荷方式,等中主应力比路径加载。数值试验结果表明：真三轴数值试验能较好反映堆石体在三向不等应力状态下的应力和变形规律,数值模拟得到宏观应力变形特性与试验规律相似;等中主应力比参数的大小对堆石在三向应力状态下应力和强度特性有显著的影响,堆石体在 3 个加载方向的变形也随该参数的变化而变化,应力比参数从 0 到 1 变化过程中中主应变方向先压缩后膨胀,小主应变方向一直处于压缩状态;堆石体的内摩擦角随着值的增加而增大,基本符合 Lade-Duncan 破坏准则;在细观层面上,围压越高,值越大,颗粒配位数越大; 加载过程中,颗粒接触法向和法向接触力各向异性程度加强,各向异性主方向角由水平向转向大主应变方向,试样各向异性系数的演化规律和试样的宏观应力变形曲线相对应,试样的宏观力学特性与细观组构存在内在的关联。     

砂土直剪力学性状的非圆颗粒模拟与宏细观机理研究

基于PFC2D非圆颗粒单元的二次开发,对砂土直剪力学过程进行了非圆颗粒仿真模拟,分析了数值试样的应力–剪胀关系并与实际砂土进行对比,探讨了颗粒位移与颗粒旋转特征及其与剪切带演化的内在关联,研究了主应力与主应变增量的非共轴效应,揭示了细观组构各向异性的演化规律及其与宏观剪切强度之间的宏细观关联。研究结果表明,数值试验能够较好的模拟实际砂土的应力–剪胀关系和剪切过程主应力与主应变增量的非共轴效应;剪切带的演化与颗粒位移和颗粒旋转密切相关,颗粒形状影响剪切带的厚度;试样宏观的剪切强度主要受控于粒间法向接触力的分布及其各向异性演化;整个加荷过程中,剪切带内大主应力的偏转方向与法向接触力各向异性的主方向保持了良好的一致性。     

粗粒料变形特性的大型真三轴试验研究

三维应力状态下粗粒料的变形性状对土石坝的沉降尤为重要。通过大型真三轴试验系统,对粗粒料开展了等小主应力等中主应力系数加载试验。试验结果表明:小主应力较小时,粗粒料的剪胀性较强,随着小主应力的增大,粗粒料的剪缩性逐渐增强。中主应力系数从0增大到0.5时,粗粒料的剪胀性基本上是逐渐减小的,而当中主应力系数增大到0.75时,剪胀性又有所增强。大主应变均表现为压缩变形,小主应变均产生膨胀变形,中主应变在一般三维应力状态下表现为压缩变形,而在常规三轴应力状态下中主应变则产生膨胀变形。     

三维空心扭剪试验的颗粒流模拟关键技术研究

空心圆柱扭剪仪是一种研究土在复杂条件下应力–应变关系的十分有力的工具。基于三维离散单元颗粒流理论,引入叠式刚性墙体模拟技术,模拟空心圆柱砂土试样在定向剪切条件下的三维应力–应变关系及微观参数的变化;并且对叠式刚性墙的优势进行探讨,表明叠式刚性墙能较好的捕捉到砂土试样的局部化效应。结合室内空心圆柱扭剪试验,对比三维颗粒体试样与室内试验的应力–应变关系曲线,再现试样的加载曲线,对剪切带的宏观和微观特性进行探讨。通过不同测试圆的参数变化,再现空心圆柱加载过程中局部效应,包括不同部位的应力、应变、孔隙率和接触数的变化,并对室内空心圆柱仪的适用性进行评价。最后给出由孔隙比和剪应变速率表征的剪切带在不同应变条件下的形成和发展的过程。通过三维颗粒流数值模拟空心圆柱扭剪试验,突破室内试验测试技术的局限性,使对砂土在复杂应力状态下宏细观参数的研究成为可能,为今后岩土工程的颗粒流模拟提供参考。     

不同中主应力条件下粗粒土应力变形特性试验研究

采用长江科学院大型真三轴仪,对粗粒土进行了一系列不同中主应力系数条件下的真三轴试验和平面应变试验,研究了中主应力对粗粒土的应力变形的影响规律。试验结果表明,中主应力比b一定时,应力–应变关系曲线的斜率和峰值强度随着固结压力的增大而增加,在低围压条件下,体变关系曲线在加载过程中表现为先剪缩后剪胀的特性,而在高围压下,整个加载过程中表现剪缩的特性;固结压力一定时,随着b值的增大,应力在峰值后的软化现象愈加明显,体变全过程曲线表现出剪胀特征对应的固结压力越来越低,小主应变–大主应变关系曲线的斜率绝对值增大。研究成果可为进一步研究粗粒土的本构模型奠定基础。     

大型微摩阻土工真三轴试验系统及其应用

介绍了长江科学院研制的大型土工真三轴试验系统,该试验系统具有如下功能:①能够稳定的开展粗粒土的真三轴试验;②可以提供的小主应力最大值为3.0 MPa,大主应力最大值为15.0 MPa;③试验尺寸为300 mm(长)×300 mm(宽)×600 mm(高);④可按任意设定的加载过程,采用应力或应变控制方式进行三向独立加载,实现复杂应力条件下的模拟试验;⑤能获得粗粒土试样的应力变形全过程线。通过一个典型工程案例,将该试验系统应用于粗粒土复杂应力条件下的力学特性研究,获得了粗粒土在不同应力水平下的应力变形规律;得到了试样在不同加载路径下的强度参数,并对其破坏准则的适用性进行了初步探讨。大型微摩阻土工真三轴试验系统的成功研制,为深入研究粗粒土在高应力和复杂应力路径下的强度与变形特性提供了技术手段。     

平面应变加、卸荷条件下考虑初始应力的原状黄土#br# 强度与变形特性试验研究

针对黄土工程中的众多平面应变加、卸载问题,利用平面应变改造后的西安理工大学真三轴仪,模拟黄土原位沉积方向及不同初始应力状态,在不同围压下对不同初始应力状态原状黄土进行竖向加载和侧向卸载平面应变试验,揭示不同初始应力状态原状黄土在加、卸载不同应力路径条件下的强度和变形特性。研究结果表明：两种应力路径条件下的应力应变曲线均呈硬化型,加载曲线均高于卸载,加载强度大于卸载强度,但卸载时,土的强度发挥较快。剪切过程中,黄土的侧向变形与竖向变形均呈非线性关系。竖向加载时,土的初始应力状态k值对土强度和变形的影响与固结围压的大小关系紧密;侧向卸载时,k值的增大可以限制侧向变形的发展。竖向加载条件下的体积应变均为剪缩,侧向卸载时均为剪胀。加、卸载条件下p-q平面内的破坏强度线基本一致,近似呈线性关系。侧向卸载条件下土体破坏时的应变远小于竖向加载和常规三轴试验。随着k值的增大,加、卸载应力路径时,黏聚力均线性减小,内摩擦角均线性增大。     

固有和诱发各向异性对击实粘性土强度和变形特性的影响

应用内外室压力不等的空心园柱扭剪仪，对击实粘性土进行了固有和诱发各向异性的试验研究。结果表明，击实粘性土具有明显的固有各向异性，它对土的应力应变关系、强度和变形特性都有不可忽视的影响；不同主应力方向的破坏强度最大差别可达３０％。试样的初始含水量和应力水平会影响固有各向异性程度。诱发各向异性可由卸载和主应力方向旋转产生，它对排水剪强度影响不大，但对应力应变关系和变形特性有较大影响。     

固有和诱发各向异性对击实粘性土强度和变形特性的影响

应用内外室压力不等的空心园柱扭剪仪，对击实粘性土进行了固有和诱发各向异性的试验研究。结果表明，击实粘性土具有明显的固有各向异性，它对土的应力应变关系、强度和变形特性都有不可忽视的影响；不同主应力方向的破坏强度最大差别可达３０％。试样的初始含水量和应力水平会影响固有各向异性程度。诱发各向异性可由卸载和主应力方向旋转产生，它对排水剪强度影响不大，但对应力应变关系和变形特性有较大影响。     

等效岩体技术在岩体工程中的应用

 以某露天矿边坡为工程背景,结合岩石力学参数室内和现场原位试验,基于颗粒流理论和PFC3D程序,运用等效岩体技术,建立充分反映节理分布特征并考虑细观破裂效应的等效岩体模型,采用Fish语言编制加卸载命令流,研究岩体的强度和力学效应。研究结果表明：(1) 等效岩体在单轴压缩时,轴向应力–应变曲线分为弹性变形阶段、非稳定破裂塑性阶段和破裂后阶段,抗压强度和弹性模量与标准岩块试样相比,有较大幅度降低;(2) 随围压增大,等效岩体抗压强度和残余强度明显提高,延性特征增强,逐渐向理想塑性过渡;(3) 等效岩体技术能有效地描述岩体受节理分布影响而表现的各向异性特征;(4) 等效岩体内部微裂纹主要沿节理走向分布并扩展,破坏形式受主导节理面产状及性质控制。     

粗粒土二维模型试验的组构分析

粗粒土的组构主要指土颗粒的几何排列方式,是决定粗粒土宏观力学性质的根本因素。为研究组构对粗粒土应力应变关系的影响,进行了粗粒土二维模型试验研究。应用计算机图像测量分析系统对模型试验图片进行分析,能定量地分析试验过程中颗粒的位移、转角、长轴的定向、配位数及枝向量的变化。图像处理结果表明,模型试验过程中颗粒的运动规律与三轴试验过程中颗粒的运动规律一致,说明模型试验能反映三轴试验过程。颗粒位移矢量图和颗粒错动矢量图分析说明,宏观应变均由颗粒调整得到,在变形的不同阶段均有颗粒错动发生,随着变形的发展发生错动的颗粒数量增多,并逐渐集中到剪切带上。颗粒长轴和枝向量的定向性与偏应力有很好的关系,定向性增强应力是增长的;反之,定向性减弱应力是衰减的。对于接触紧密的颗粒,随着变形的发展平均枝长的变化不是很明显。平均配位数与体变之间没有很好的关系,可能与模型试验中采用多边形颗粒及颗粒偏大有关。     

考虑初始各向异性的砂土弹塑性本构模型及试验验证

基于复杂应力条件下的试验结果,就针对不同主应力方向对应力–应变关系的影响进行了试验研究,并在此基础上结合状态概念提出了基于应力–剪胀关系和应力–应变拟双曲线关系的弹塑性本构模型。利用应力–应变拟双曲线关系描述了主应力方向对有效应力路径、应力–应变发展模式的影响,并通过常规三轴试验测定了试验参数,同时与试验结果进行对比,说明基于状态概念,引入状态参数,利用主应力方向对塑性模量的影响,能够同时描述初始物理状态及初始各向异性对砂土应力–应变关系的影响。     

砂土单调剪切特性的非圆颗粒模拟

针对纯圆颗粒模拟的缺陷,利用颗粒流"团颗粒"方法开发了形状近似椭圆的"椭圆团颗粒",研究了颗粒形状变化对数值试样宏观剪切特性的影响及其细观机理;分析了加荷过程中平均接触数的变化规律以及颗粒形状对临界接触数的影响;对比了纯圆颗粒和椭圆团颗粒的不同颗粒旋转特性,并初步探讨其机理;分析了剪切过程中椭圆团颗粒试样的组构各向异性演化规律。结果表明,颗粒形状对试样的强度和变形特性具有重要影响,其在细观机理上与平均接触数有关;剪切荷载作用下椭圆团颗粒试样呈现明显的组构各向异性,颗粒长轴逐渐趋于水平定向,接触法向逐渐偏于加荷的大主应力方向。     

土体的各向异性及近似模拟

通过真三轴仪试验 ,分别从 3个主应力方向加荷 ,研究产生的应变分量变化 ,从而较清楚地揭示了土体中显著的由应力引起的各向异性。在此基础上提出了土体应力应变柔度矩阵所具有的性质 ,即不同应力方向上加荷所引起的应变分量之间关系的规律 ,这些规律是检验土体本构模型合理性和适用性的重要标尺。依据这些性质 ,提出了一种以邓肯模型为基础修正的各向异性本构模型 ,对于不同的应力方向 ,采用不同的弹性模量和泊松比 ,模型参数与邓肯模型一致 ,由常规三轴试验确定 ,它是一个经验的、但实用性强的各向异性本构模型。     

等应力比路径下粗粒土湿化试验研究

采用古水面板坝玄武岩堆石料进行了等应力比路径下的粗粒土湿化试验。试验结果表明,在等应力比路径下的土体的湿化变形不仅受应力状态的影响还受加载应力路径的影响。在传统湿化变形公式中引入应力路径参量,并采用体积应力和参考应力水平描述应力状态对湿化变形的影响,建立了等应力比路径下的湿化变形公式。所建立的湿化变形公式能够很好地描述等应力比路径下的粗粒土湿化变形。