考虑中主应力变化的原状黄土变形特性研究

为研究在高围压条件下考虑中主应力变化的原状黄土变形特性,利用西安理工大学真三轴仪对原状黄土进行了控制固结围压和中主应力b值的等b等p(p为球应力)剪切试验,试验给出了高围压条件下各主应变之间的关系,得到了不同高围压条件下的破坏应变与不同b值阶段的影响规律。结果表明：高围压条件下,所有b值阶段的ε₃均为膨胀变形;b=0.2为中主应变变形临界点,0≤b<0.2为中主应变膨胀变形,0.22)、小主应变的b值敏感度K(ε₃)和广义应变的b值敏感度K(ε_s)在b值为0～0.7之间均增长,0.7～0.9之间受b值变化影响减弱,0.9～1.0受b值变化影响最大。K(ε_v)基本在0～5范围内,说明在不同中主应力阶段破坏体应变受b值变化的影响程度较小。     

饱和砂砾料振动孔压与轴向应变发展模式研究

利用自行研制、开发的高精度中型动三轴仪,对文选定的砂砾料液化过程中的孔隙水压力增长和轴向应变发展模式进行了研究。同时,对剔除粒径大于5 mm后的模拟料,采用相似级配法,运用DS-2T型动三轴仪进行了一组平行试验。着重比较了砂砾料和模拟料在振动荷载作用下孔压、应变发展模式的区别。结果表明：在均压固结条件下,砂砾料在循环应力作用下,其孔压的发展模式与模拟料不同,可以用修正的反正弦进行拟合,而模拟料振动孔压的发展模式可用反正弦拟合;二者振动孔压均达不到初始有效固结围压,约为初始围压的90 %左右。模拟料与砂砾料在振动荷载作用下,应变发展模式不同。前者在初始液化前应变幅值较小且无明显增长,临近初始液化时应变大幅度增加导致试样突然破坏;后者在循环荷载作用过程中应变幅值一直稳定增加。     

循环围压对饱和软黏土永久变形的影响

通过对温州典型饱和软黏土进行一系列不同应力路径下的部分排水循环动三轴试验,研究了部分排水条件下循环围压对饱和软黏土变形特性的影响。试验结果表明：部分排水条件下,与常规的围压保持恒定,偏应力单独循环作用下的三轴试验结果相比,循环围压的存在对饱和软黏土的永久体应变和永久轴向应变均产生了的显著的影响。在相同循环应力比和循环次数下,试样的永久体应变和永久轴向应变均随着循环围压幅值的增大而增大,说明常规的恒定围压循环三轴试验会低估高速交通荷载作用下路基土体的沉降。基于试样第10 000圈的永久体应变和永久轴向应变,分别建立了可以量化部分排水条件下循环围压对饱和软黏土永久体应变和永久轴向应变影响的经验公式,并用于预测饱和软黏土在交通荷载这种包含循环偏应力和循环围压耦合作用的复杂应力条件下产生的永久变形。     

压实黏土三轴压缩变形过程中的渗透性变化规律

对某高坝心墙黏土进行了三轴压缩过程中的轴向渗透试验,观测了不同压实密度的试样在不同围压下轴向渗透系数随轴向应变的变化过程以及试样的变形形态。试验发现,三轴压缩过程中试样的渗透系数的变化趋势与压实密度和围压有关。当围压大于试样的前期固结压力时,试样在三轴压缩过程中一直呈现体缩,变得更密实,因而渗透系数随着轴向应变的增加而减小,最后趋于稳定。当围压远小于试样的前期固结压力时,试样产生了对抗渗不利的集中剪切带,集中剪切带成为渗流通道,使得试样的表观轴向渗透系数随轴向应变的增加而显著增大。重度压实的黏土在低围压下的大剪切变形下会产生高渗漏性的集中剪切带的试验事实,可以用来解释土石坝心墙的局部渗漏现象。     

堆石料应力-应变特性大型三轴试验研究

通过对水布垭筑坝堆石料进行0.2~3.5 MPa围压下的大型三轴固结排水剪(CD)试验,分析了不同围压下堆石料的偏应力-轴应变关系及体应变-轴应变关系的变化规律;引入破坏强度和体变与围压的关系,采用临界偏应力σ_(cre)和临界体应变ε_(vcre)作为归一化因子对不同围压下的应力-应变关系试验结果进行归一化处理,建立了不同围压下的应力-应变关系表达式,并将计算预测与试验结果进行对比验证。研究表明:对于颗粒级配确定的密实堆石料,初始变形期存在一定的弹性增长阶段,且该直线段的斜率受围压的影响较大;低围压时表现为应变软化,先剪缩后剪胀为主的力学特性,且围压越低,剪胀效应越明显;高围压(0.8 MPa≤σ_3≤3.0 MPa)时表现为应变硬化、剪缩为主的特性;剪胀消失的临界围压处于0.45~0.8 MPa之间;超高围压(σ_33.0 MPa)条件下,虽表现为应变软化、剪缩的特性,但其应变软化的机制与低围压下不同;分析认为,超高围压下剪切过程中颗粒的相对破碎率达15%以上,颗粒破碎引起的堆石料强度降低大于围压的增大对堆石料强度的提高。峰值主应力比随围压的增大而降低,且随轴应变的增大而趋于一致。堆石料的破坏强度与围压呈线性相关。最后,通过计算预测结果证明了该应力-应变关系表达式的正确性。     

部分排水时饱和粉质黏土变围压循环三轴试验研究

围压循环变化将引起土体孔压累积,加剧土体累积塑性应变,导致地基灾变事故。为研究围压循环变化对饱和粉质黏土变形特性的影响,利用GDS双向振动三轴仪,进行部分排水时饱和粉质黏土的变围压循环三轴试验,研究不同应力路径斜率和循环动应力比时饱和粉质黏土的孔压、轴向累积塑性应变和体应变发展规律,建立部分排水条件时考虑循环围压和循环动应力耦合作用的地基粉质黏土累积应变数学模型。试验结果表明：部分排水时饱和粉质黏土孔压、轴向累积塑性应变和体应变均随循环动应力比和应力路径斜率的增大而增大;动孔压比随着振动次数的增加明显分为急剧增加、快速下降和持续平稳3个阶段;轴向累积塑性应变和体应变均随振动次数的增加而增大。当加载次数超过2 500次时,粉质黏土孔压趋于平稳,变形速率略有降低,但变形持续增加。补充试验结果表明,所建立模型与试验结果具有较高的一致性。研究结果将为交通循环荷载导致的地基灾变控制技术提供理论依据。     

低应力条件下高液限红黏土湿化变形特性研究

针对我国南方地区高液限红黏土低路堤存在工后沉降变形的问题,采用自主设计可测试低应力条件下岩土体湿化变形的试验装置,研究了不同围压、轴压与围压之比和压实度条件下高液限红黏土竖向湿化应变、侧向湿化应变的变化规律,建立了可以考虑围压、轴压与围压之比、压实度影响的高液限红黏土竖向湿化应变峰值预估模型,并对预估模型进行了验证。研究得到的主要结论为：渗流与应力耦合作用下,高液限红黏土侧向湿化应变与竖向变形均先增大、后趋于稳定,高液限红黏土试样在湿化变形稳定后呈现上部大、下部小的特点;高液限红黏土侧向湿化应变开始响应至达到峰值所需时间、侧向湿化应变峰值、竖向变形量峰值与围压、轴压与围压之比呈正相关;高液限红黏土侧向湿化应变峰值、竖向变形量峰值与压实度呈负相关,侧向湿化应变开始响应至达到峰值所需时间与压实度呈正相关;高液限红黏土侧向湿化应变可以分成由增湿引起的侧向湿化应变和由膨胀性矿物吸水引起的侧向湿化应变两部分;不同因素对高液限红黏土竖向湿化应变峰值的影响程度为：压实度>轴压与围压之比>围压;本研究对高液限红黏土低路堤工后沉降变形预测与控制具有重要的工程意义。     

盐岩三轴卸荷力学特性试验研究

结合金坛地下盐穴储气库工程,以腔体围岩实际受力状态为研究依据,进行了盐岩卸围压力学特性试验,得到了盐岩卸围压过程的应力-应变关系、变形特征及其规律。试验结果表明,在卸围压初始阶段,试样的轴向和径向应变增加相对缓慢,且应变值和围压基本呈线性,随着围压继续降低,轴向与径向应变值急剧增加;卸载曲线与加载曲线相比,在最大主应力 相等的条件下,当卸载围压达到与常规三轴压缩围压相对应值时,对应的轴向和径向应变值较三轴压缩时应变值要大,表明卸荷试验能引起试样更大的变形,卸荷产生的扩容量比加载时扩容量更大,更容易导致试样变形破坏;盐岩卸围压表现为塑性变形特征,与其他硬岩卸围压属脆性破坏有较大区别。研究结果对盐穴储气库工程的稳定性评价和注采气过程具有一定的指导意义和参考价值。     

围压与含水率对冻结砂土破坏应变能密度影响特性研究

基于一系列不同围压、不同含水率条件下的冻结砂土的三轴压缩试验,在一个宽泛的含水率范围内,研究了围压与含水率对冻结砂土破坏应变能密度的影响特性。试验结果表明:含水率为30.6%的冻土试样容易发生塑性破坏,其他含水率的冻土试样容易发生脆性破坏。围压对破坏应变能密度的影响可以分为低围压阶段、中围压阶段、高围压阶段,并且含水率对临界围压有重要影响。含水率对破坏应变能密度的影响也可以分为两种类型:当围压较低时(50 k Pa),随着含水率的增大,破坏应变能密度有一个初始增加的阶段,在含水率约为30.6%时破坏应变能密度达到最大值600 k Pa,之后随着含水率的继续增大,破坏应变能密度转而减小,达到60 k Pa后含水率的进一步增大不再影响破坏应变能密度,即此时冻土的破坏应变能密度接近于冰的破坏应变能密度;当围压较高时(大于等于500 k Pa),与低围压阶段相比,破坏应变能密度没有初始增加的阶段。     

考虑应变率效应的广义Hoek-Brown动态强度准则

岩石强度特性具有明显的围压效应和应变率效应,研究复杂应力状态下动态强度准则对于岩石动力学分析至关重要。利用10~(-5)~10~(2.32) s~(-1)应变率范围内砂岩静动态间接拉伸和单、三轴压缩强度试验数据,进行了广义Hoek-Brown强度准则预测砂岩动态强度的适用性研究,分析了材料参数的应变率效应。结果表明,广义Hoek-Brown强度准则能够较好地描述同一应变率下较低拉应力区到较高压应力区砂岩强度规律,低应变率区单轴抗压强度c_s和参数a变化不大,高应变率区随应变率的增加非线性增大,而参数m几乎不受应变率影响。基于分析建立了单轴抗压强度c_s和参数a的应变率效应函数关系,提出了由低应变率到高应变率下的广义Hoek-Brown动态强度准则统一表达式,进一步探讨了岩石强度依赖应变率效应和围压效应的物理机制。     

剪切-体积应变耦合的孔压增量模型试验

以南京细砂为对象,通过共振柱试验及应变控制的排水/不排水分级和单级加载循环三轴试验的系统性研究,建立了能够描述饱和砂土孔压增长规律的新模型。该模型遵循Martin和Byrne提出的基本理论框架,孔压的增长是由循环剪切作用下体积改变所引起的。提出的孔压模型属于应变控制的孔压增量模型。基于排水循环单级加载试验,通过引入体积门槛剪应变γ_(tv)的概念,以具有代表性的15周体应变(ξ_(vd))15为基准点,归准化体应变发展与循环剪应变之间的关系,建立了三参数的体应变增量模型及其参数标定方法。基于排水和不排水循环单级加载试验结果,揭示了体应变与孔压比之间的内在联系,进而导出回弹模量表达式。通过耦合新的体应变增量模型及回弹模量公式,建立了新的剪应变-体应变耦合的孔压增量模型。验证性试验表明,新的孔压增量模型的预测值与试验结果的吻合度较高。     

圆柱孔破损膨胀土强度和变形特性的CT-三轴试验研究

通过8组不同孔径破损膨胀土的CT-三轴试验,研究了圆柱孔破损重塑膨胀土的变形、强度特性以及破损结构的演化规律。试验结果表明：圆柱孔破损对膨胀土的强度有明显的弱化作用,但破损孔径大小的影响不大。吸力一定时,圆柱孔面积变化随着净围压的增加而减小;净围压相同时,吸力大的试样圆柱孔面积减少得越大。净围压在破损重塑膨胀土结构演化中发挥重要作用,随着净围压从50 kPa增加到200 kPa,CT图像的均值（ME值）提高幅度增大,试样内部的平均密度变大;相应地,CT图像的标准差（SD值）降低的幅度也增大,试样结构趋于均匀化。     

多功能水合物沉积物三轴试验系统的研制与应用

研制了新型多功能水合物沉积物三轴试验系统,系统由供-排气模块、应力加载模块、温控模块、数据采集模块和辅助模块组成。利用泵驱动高压液体施加围压和轴压,加载方式有恒压、恒流、梯度增压、跟踪气压模式,可以实现不同条件下的水合物合成、三轴剪切。围压跟踪气压的功能使水合物生成过程中净围压不变,保证了试样初始条件一致性。根据围压液体积变化测量试样体积变形,通过设置回压泵压力变化方式控制水合物气压,可以模拟不同降压速率条件下的水合物沉积物分解变形。以泥质粉细砂和二氧化碳为材料制作了三轴试样,进行了水合物合成、三轴剪切和降压分解试验,检验了仪器的可靠性。     

钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应研究

为研究钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应,开展了在不同粒径、不同相对密实度以及不同围压条件下的三轴剪切试验,并引入应力相对软化系数和剪胀系数对应变软化特征及剪胀特征进行了定量表征。试验研究表明,随围压的增大,不同粒径钙质砂试样应变软化特征及剪胀特征逐渐减弱,且围压与应力相对软化系数和剪胀系数均呈半对数线性相关。不同粒径钙质砂试样存在一强度临界围压和体变临界围压分别使得应变软化特征和剪胀特征消失。在粒径为5-0.075 mm范围内,对松样而言,围压对软化特征和剪胀特征存在显著影响,但与粒径不存在显著相关性;对密样而言,随粒径逐渐减小,围压对试样软化特征的影响逐渐增强,而对试样剪胀特征的影响逐渐减弱。在低围压(50 kPa)条件下,0.5-0.25 mm粒径组试样破碎最显著。     

循环荷载下加筋砾性土填料的动三轴试验分析

为探究循环动载作用下加筋砾性土填料的动力特性,在不同加筋层数和围压下对加筋砾性土进行了固结不排水动三轴试验,研究加筋层数和围压对加筋砾性土动力特性的影响,并进一步分析了加筋砾性土轴向累积应变发展机制。研究表明:加筋层数增加时,轴向累积应变减小,回弹模量增大,且加筋作用的影响幅度逐渐衰减;增大围压时,土体轴向累积应变减小,回弹模量和动孔压均随之增大;随着加筋层数和振次的增加,滞回曲线逐渐向应力轴靠近,滞回圈面积逐渐减小,土体耗能作用减弱。基于安定理论和间接影响带理论,揭示了加筋作用对轴向累积应变发展的影响机制。建立了能够反映加筋层数的加筋砾性土轴向累积应变预测模型,其条件参数a、b、g与加筋层数呈线性关系,可有效预测循环荷载下加筋砾性土路基沉降变形规律。     

花岗岩全风化土湿化变形及强度的试验研究

基于某高速公路路基花岗岩全风化土浸水湿化的情况,采用GDS非饱和三轴仪进行了接近实际应力路径下三轴“单线法”湿化变形试验,研究了试样在不同围压、不同湿化应力水平下的湿化情况,得到了试样在湿化前后应力-应变曲线,轴变与体变间的变化规律,经成果分析表明,试样在湿化过程中均产生了轴变与体变,并且经湿化变形后产生了各向异性。当初始有效围压相同时,各湿化应力水平下的抗剪强度指标c、? 值近似相等,与干样相比,湿样的黏聚力c值减少明显,内摩擦角? 值变化不大。在初始有效围压较低情况下,试样约在轴向应变达10%左右时体积变形由剪缩变为剪胀,而在初始有效围压较高的情况下则没发生类似的现象。     

围压路径对冻结粉质砂土变形行为及强度的影响研究

目前关于冻土的室内三轴压缩试验研究多采用恒围压下的轴向加载方法,而实际工程中的受压土体基本处于围压、轴压同时发生变化的情况。以冻结粉质砂土为研究对象,进行了变围压和恒围压下的三轴剪切测试。根据试后试样变形情况,给出了试样面积的统一修正公式,研究结果表明：当含水量较小时,围压路径对应力-应变曲线的初始段和最终段没有显见影响,但在应力-应变曲线中间段,变围压下的应力-应变曲线明显在相应的恒围压曲线之下,且初始围压越小,曲线位置越低。当含水量不低于饱和值时,围压路径和含冰量共同影响着应力-应变曲线的发展趋势,且变围压曲线的最终段基本都在相应的恒围压曲线之上,中间段变化特点与含冰量和初始围压有关。围压路径对强度随围压变化趋势的影响跟含水量大小有关。当含水量较小时,两种围压路径下的强度值比较接近;当含水量不低于饱和值时,恒围压下的强度值低于相应变围压下的强度值。     

不同围压及应变速率下页岩变形及破损特性试验研究

为揭示围压及应变速率对页岩力学特性的影响规律,对志留统龙马溪组页岩试样开展了不同围压及不同应变率下的三轴压缩力学试验研究。结果表明,围压和应变率对页岩的弹性模量、峰值强度及破裂形态等均具有显著影响,弹性模量和峰值强度均随围压的升高而增加,峰值强度增加的幅度明显大于弹性模量,峰值强度呈线性增加趋势,低围压时应变率从低到高,弹性模量和峰值强度都呈逐渐升高的趋势,两者与应变率对数的关系可用二次多项式描述;随着围压增大,页岩的应变率效应逐渐减弱,在较高高围压(50 MPa)下峰值强度和弹性模量随应变速率增加而增加现象均变得极不显著。对试验后岩样的破坏模式进行分析可知,页岩在低围压高应变率状态下主要是劈裂–剪切破坏,随着围压的增加和应变率的减小,试样的破坏由脆性劈裂–剪切破坏向单一剪切破坏转变,再逐渐向延性破坏过渡。研究结果对于合理确立页岩力学参数及设计压裂方案具有较好的参考。     

部分排水时饱和粉质黏土变围压循环三轴试验研究

围压循环变化将引起土体孔压累积,加剧土体累积塑性应变,导致地基灾变事故。为研究围压循环变化对饱和粉质黏土变形特性的影响,利用GDS双向振动三轴仪,进行部分排水时饱和粉质黏土的变围压循环三轴试验,研究不同应力路径斜率和循环动应力比时饱和粉质黏土的孔压、轴向累积塑性应变和体应变发展规律,建立部分排水条件时考虑循环围压和循环动应力耦合作用的地基粉质黏土累积应变数学模型。试验结果表明:部分排水时饱和粉质黏土孔压、轴向累积塑性应变和体应变均随循环动应力比和应力路径斜率的增大而增大;动孔压比随着振动次数的增加明显分为急剧增加、快速下降和持续平稳三个阶段;轴向累积塑性应变和体应变均随振动次数的增加而增大。当加载次数超过2500次时,粉质黏土孔压趋于平稳,变形速率略有降低,但变形持续增加;补充试验结果表明,所建立模型与试验结果具有较高的一致性。研究结果将为交通循环荷载导致的地基灾变控制技术提供理论依据。