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。     

中尺寸岩样真三轴试验系统研制与应用

 目前国内外岩石真三轴试样尺寸倾向于两极,且尺寸跨度大、应力大小不同,不便于研究岩体三轴强度的尺寸效应和高应力环境复杂应力路径岩石的变形与强度特征,为了解决这个问题,研制LWZ–10000型中尺寸岩石真三轴试验系统,详细介绍该系统的设计思路、结构特点、技术指标及功能,该系统具有以下特点：(1) 自动伺服控制与变形破坏全过程数据采集,且精度高、性能稳定;(2) 试样尺寸介于室内和现场三轴试样尺寸之间,且尺寸可变;(3) 侧向和轴向载荷高,且三向独立控制;(4) 可同步进行超声波和声发射跟踪测试。采用该系统对锦屏大理岩进行大量的不同应力路径真三轴试验,对加载和卸载路径真三轴试验的应力–应变全过程曲线及与波速对应关系进行分析,结合大理岩不同尺寸卸载路径的真三轴试验成果,初步研究大理岩卸载路径下强度参数的尺寸效应。该系统的成功研制为研究多向复杂应力路径下不同尺寸深部岩体的变形及强度参数提供了新手段。     

多功能真三轴流固耦合试验系统的研制与应用

为了更真实地模拟地下煤岩体所处的三向不等主应力状态,同时揭示真三轴流固耦合条件下煤岩的力学特性与流体在其中的渗流规律,自行研制多功能真三轴流固耦合试验系统,该系统主要由框架式机架、真三轴压力室、加载系统、内密封渗流系统、控制和数据测量、采集系统及声发射监测系统组成。该系统的先进性和创新性如下:(1)可实现多种复杂应力路径下单轴、双轴、真三轴应力状态下煤岩力学特性与流体渗流规律研究;(2)为了实现多轴联动保证试件中心点不变,设计3种新的加卸载控制方式(追踪力Trace-F、追踪位移Trace-D、追踪位移修正Trace-Df);(3)特殊设计的内密封渗流系统配合伺服增压系统,首次实现了真三轴应力条件下气液的自由渗流控制与监测;(4)试验系统采取两向刚性+一向柔性或刚性加载方式,尽量减小了端部摩擦效应的影响,同时整个加载系统动态控制,频率高,输入信号多样,可完成多种特殊试验;(5)特殊设计了一种多功能加卸载压头,可完成真三轴应力条件下的水力压裂试验;(6)试验系统可在2个方向分别提供6 000 k N,1个方向提供4 000k N的载荷,同时通过伺服增压系统,最大可提供60 MPa的流体压力。利用一系列测试方法和试验对该系统的准确性和可靠性进行验证,结果表明试验系统准确可靠。该试验系统的研制为研究真三轴流固耦合条件下煤岩的力学特性与流体渗流规律提供新手段,可推进二氧化碳地质储存、油气高效开采和深部岩土工程等问题的深入研究。     

不同应力路径下砾石土力学特性的宏细观研究

 利用空心圆柱仪对砾石土进行三轴压缩、扭剪、三轴–扭剪联合3种单调加载路径试验以及应力主轴旋转路径试验。通过设计新型加载路径,实现应力主轴在不同应力水平下往复旋转,并在旋转时保持广义剪应力不变。试验结果表明,随着应力水平的增加,主轴旋转产生的广义剪应变呈现先增大、后减小、再增大的规律;主轴旋转会造成试样强度明显下降,内摩擦角显著减小,其破坏时刻的应力圆位于三轴–扭剪联合加载路径应力圆的内部。对三轴压缩和扭剪2种路径试验进行离散元细观分析,发现扭剪力作用下试样会形成水平滑动面。最后,对应力主轴旋转造成试样强度下降的原因进行分析和讨论。     

饱和重塑网纹红土恒应力比路径下应力应变特性

针对土体在恒应力比路径下应力应变的复杂性问题,本文采用应力控制式全自动GDS静三轴仪对几组含水率相同、干密度相同的饱和重塑网纹红土试样分别进行了不同恒应力比路径下三轴固结排水试验,通过试验结果探讨了应力应变之间的关系。试验结果表明:当加载速率保持恒定时,不同恒应力比路径下的轴向应变与加载时间关系曲线、轴向应力与轴向应变关系曲线均呈直线型;通过拟合试验结果得到了轴向应变与时间、应力比的关系及轴向应变与轴向应力、应力比的关系,这可以很好地预测实际工程中的沉降量。     

应力路径和颗粒级配对砂土变形影响的细观机制

利用GDS应力路径三轴试验系统与颗粒流程序PFC2D,对2种不同颗粒粒径与级配的青岛海砂进行不同应力路径下的室内三轴试验与数值模拟试验,探研应力路径和颗粒级配对砂土影响的细观机制。首先,进行青岛粗细砂在不同密实度与3种应力路径下的室内三轴试验,获得青岛粗细海砂的宏观力学响应,并进行初步地机制分析;然后,进行与室内试验匹配和补充的PFC2D数值模拟试验,挖掘室内物理试验中难以得到的细观信息,如颗粒配位数,转动速度,颗粒位移等,定量地解释不同级配的砂土在不同路径下力学响应的细观原因;最后,进行不同颗粒级配砂土在循环加载路径下力学性质的PFC2D数值试验,从细观角度分析砂土在该路径下的变形机制。     

STX-050电-气式动三轴测试系统的测试及其土样实验数据分析

基于东北大学985工程引进的STX-050电-气式动三轴测试系统,利用现场采集土样,对系统的功能进行了测试和二次开发。该系统不仅可做土样的静动三轴剪切试验,还能进行各向同性和各向异性固结,UU,CU,CD三轴试验,可以测量体变或孔压,应力／应变路径测试,K0固结,循环加载包括循环应力路径,动态剪切强度和变形,回弹模量,液化势分析,剪切模量和阻尼比,以及其他用户自定义的测试任务,加载频率可以达到5Hz,系统也可以进行柔性墙的渗透测试。在上述功能调试的基础上,利用现场采集的土样开展系列实验,对实验结果进行了后续分析,实验结果表明,该仪器测试精度较高,在土工试验中具有较广的应用性,为研究复杂应力条件下的实际土体强度与变形特性提供了试验技术条件。     

实时高温真三轴试验系统的研制与应用

高温和应力耦合下的岩石力学特性是深部资源开发研究热点之一,自主研制实时高温真三轴试验系统,该系统主要由以下3个子系统构成:全刚性力学加载系统、高温温控系统和伺服控制与数据采集系统。该系统可真实模拟岩石在深部地层中温度应力场耦合环境,采用50 mm×50 mm×100 mm的标准岩石试样最高可在460℃(岩样表面温度)温度下进行单轴、常规三轴、真三轴、蠕变与循环加卸载等多种应力路径试验;3个方向(σ1,σ2,σ3)独立加载控制,其中σ1方向最大输出应力为1 000 MPa,σ2与σ3方向最大输出应力为200 MPa;高温温度控制系统由六回路可拆卸式柔性加热组件与气凝胶保温套组成,采用温控箱对每一回路进行单独温度监控,实现对岩样的实时加热和监控;热塑模具钢和水冷循环系统可保证高温下试验系统的整体刚度与工作稳定性,高精度闭环伺服控制系统和磁制位移传感器,可在实时高温下实现多种应力路径试验中3个方向位移与压力的精准伺服监测。通过对比实时高温真三轴试验系统与常规三轴试验系统的试验结果,验证实时高温真三轴试验系统的准确性和稳定性。然后,进行花岗岩实时高温真三轴试验,研究温度和中间主应力(σ2)对花岗岩的力学性质的影响,400℃高温对花岗岩的强度和弹性模量具有增强作用,中间主应力(σ2)对400℃高温下花岗岩的强度和峰值应变有增加作用,对室温(RT)下花岗岩的强度有增强作用和第三主应力方向峰值应变(ε_3~p)有减小作用。相关研究结果可为干热岩资源的开发利用、核废料处置库建设以及深部岩体工程提供理论和技术支持。     

可视化三轴压缩伺服控制试验系统的改进和应用

可视化三轴压缩伺服控制试验系统主要由轴压加载系统、围压加载系统、可视化三轴压力室、加载控制系统、数据采集系统、图像采集系统等组成,其最大轴向荷载500 kN、最大围压10 MPa、试件尺寸为ф25 mm×50 mm。经改造后该系统有以下特点:(1)能够实现较大范围内的荷载速率控制,用以研究围压条件下岩石的荷载速率依存性;(2)实现伺服液压控制加载功能,可进行多种加载路径下的岩石力学试验,且改进后的油源取消了冷却系统;(3)设有触发预警装置,提高试验的安全性;(4)设计有图像采集系统,通过数字图像处理,可以精确测量试样的变形,并消除端部效应的影响;(5)基于采集的图像资料,可对岩石在三维应力条件下的裂纹演化特点进行详细描述。     

可视化三轴压缩伺服控制试验系统的改进和应用EI北大核心CSCD

可视化三轴压缩伺服控制试验系统主要由轴压加载系统、围压加载系统、可视化三轴压力室、加载控制系统、数据采集系统、图像采集系统等组成,其最大轴向荷载500 kN、最大围压10 MPa、试件尺寸为ф25 mm×50 mm。经改造后该系统有以下特点:(1)能够实现较大范围内的荷载速率控制,用以研究围压条件下岩石的荷载速率依存性;(2)实现伺服液压控制加载功能,可进行多种加载路径下的岩石力学试验,且改进后的油源取消了冷却系统;(3)设有触发预警装置,提高试验的安全性;(4)设计有图像采集系统,通过数字图像处理,可以精确测量试样的变形,并消除端部效应的影响;(5)基于采集的图像资料,可对岩石在三维应力条件下的裂纹演化特点进行详细描述。     

不同应力路径下灰砂岩力学特性与强度参数研究

基于常规岩石力学试验设备与自行研制的岩石空心圆柱扭剪试验系统,开展灰砂岩直剪试验、常规三轴压缩试验与空心圆柱三轴压缩(内外压相等与内外压不等)试验,研究不同应力路径下岩石的力学特性和强度参数。通过比较常规三轴压缩试验与空心圆柱三轴压缩(内外压相等)试验结果,验证了岩石空心圆柱扭剪试验系统以及采用空心圆柱试样进行试验的可行性,内外压不等的空心圆柱三轴压缩试验可以反映中间主应力对强度参数的影响。通过比较不同类型试验获取的灰砂岩强度参数,认为按D-P准则整理的岩石空心圆柱三轴压缩(内外压不等)试验数据,获取的强度参数能合理地反映应力状态和应力路径的影响。     

一种新型真三轴仪的研制与开发

真三轴仪是一种真实模拟主应力状态,且在任意应力路径下测试土力学特性的试验仪器。介绍了研制的一种新型真三轴仪,它具有轴向刚性板加载、侧向双轴液压柔性囊加载的三向加载方式;侧向双轴相邻液压囊之间采用径向弹性伸缩、平面弹性转动的薄壁钢板有效隔离技术;伺服步进电机驱动滚珠丝杆推进活塞产生压力的液压/体变控制器独立施加三向主应力的自动控制系统。真正实现了三向独立加载、互不干扰。经测试分析,仪器系统性能稳定。新型真三轴仪具有结构简单,操作方便,应力状态真实,应变测试准确,试验过程易于控制的特点。     

等应变增量比试验控制功能的开发与实现

研究砂土在沿着应变增量比(侧向应变增量与轴向应变增量的比值)为常数的路径加载时的力学响应具有十分重要的意义。对常规三轴试验设备进行了改造,增加量测试样体变的传感器,通过改变围压的大小来控制试样加载过程中的应变增量比,使其保持为常数。研制开发的试验设备可用于研究砂土在等应变增量比加载条件下的应力应变响应。针对砂土进行了等应变增量比的三轴试验,对试验结果的分析与比较表明系统具有足够的控制精度,从而验证了设备的有效性。     

不同加载路径对岩石变形特性的影响

以往在研究岩石的力学特性时，大都采用持续加载的方法进行试验。三向压缩试验也不例外。就绝大多数工程而言，所遇到的却是在某种应力状态下由于开挖而产生一个方向应力减小、其他几个方向应力增大的现象。根据工程对岩体稳定性评价的要求，应该模拟不同加载路径的应力状态下的试验条件，以便掌握在该试验条件下岩石所作出的力学响应。通过对红砂岩在不同加载路径条件下的三轴试验。分析了不同加载路径所得到的应力，应变曲线及其对岩石的变形影响，得出了在不同加载路径条件下，岩石变形表现与常规试验有较大差异，有着较明显的非线性特性的结论。     

一室四腔刚–柔加载机构真三轴仪的改进与强度试验——西安理工大学真三轴仪

土的真三轴仪是研究不同应力路径等复杂应力条件下土力学性质的重要仪器。与国内外已有真三轴仪的加载机构比较,西安理工大学真三轴仪具有一室四腔、竖向和水平面内正交两向分别呈刚性和柔性加载机构的特征。试样的竖向采用刚性板加载,侧向正交双轴分别采用两组内置于压力腔的液压囊加载。针对试样上下端部刚性板的约束作用,增大了试样的竖向尺寸,研制了高宽比为2∶1的压力室;针对立方体试样侧面正交双轴的液压囊体积变化量测侧向变形的不足,研制了穿越液压囊的变形量测机构;针对自动控制系统信号波动变化较大,稳定性差等不足,开发了自动控制系统及多种应力路径和控制方式的控制程序。通过饱和砂土、非饱和土和原状黄土的试验,测试了各种土的强度变化规律,验证了改进真三轴仪的性能。     

一室四腔刚-柔加载机构真三轴仪的改进与强度试验——西安理工大学真三轴仪

土的真三轴仪是研究不同应力路径等复杂应力条件下土力学性质的重要仪器。与国内外已有真三轴仪的加载机构比较,西安理工大学真三轴仪具有一室四腔、竖向和水平面内正交两向分别呈刚性和柔性加载机构的特征。试样的竖向采用刚性板加载,侧向正交双轴分别采用两组内置于压力腔的液压囊加载。针对试样上下端部刚性板的约束作用,增大了试样的竖向尺寸,研制了高宽比为2∶1的压力室;针对立方体试样侧面正交双轴的液压囊体积变化量测侧向变形的不足,研制了穿越液压囊的变形量测机构;针对自动控制系统信号波动变化较大,稳定性差等不足,开发了自动控制系统及多种应力路径和控制方式的控制程序。通过饱和砂土、非饱和土和原状黄土的试验,测试了各种土的强度变化规律,验证了改进真三轴仪的性能。     

天然软黏土屈服特性及主应力轴旋转效应的本构模拟

为合理模拟主应力轴旋转等复杂加载应力状态,对已有的结构性黏土的各向异性边界面模型中屈服面在π平面上的形状函数M(θ)进行修正,使其适用范围更加广泛,并将模型由三轴应力空间拓展到一般的三维应力空间。通过对天然沉积上海软黏土的一维压缩试验、等压及偏压固结三轴不排水剪切试验 、 一系列 K ₀ 固结三轴排水应力路径试验以及不同中主应力系数和主应力轴旋转角度下的空心圆柱不排水剪切试验,对上海软黏土的屈服特性和主应力轴旋转效应进行了系统的研究。试验研究表明天然沉积的上海软黏土具有明显的结构屈服特性和塑性各向异性,初始状态边界面在 p′-q平面上呈并非以 K ₀ 线为对称轴的 倾斜椭圆形状,临界应力比随中主应力系数的增大而减小,验证了模型中所用的三维边界面方程的合理性;主应力轴旋转对天然沉积软黏土的应力应变关系及强度均有着重要的影响。通过天然沉积上海软黏土等压及偏压固结不排水三轴试验结果对模型参数进行标定,并对应力路径三轴排水试验以及主应力方向旋转的空心圆柱剪切试验结果进行计算,初步验证了拓展后模型在模拟复杂加载路径及主应力轴旋转效应的合理性和有效性。     

应力水平及加载路径对盐岩时效的影响

通过对单轴、三轴盐岩变应力路径的应力松弛与蠕变试验结果分析 ,研究了应力状态及加载路径对盐岩时间相关性特征的影响。分析结果表明 :盐岩稳态蠕变率仅是应力状态的函数而与加载历史无关 ,初始蠕变极限可以表示成稳态蠕变率的线性函数     

不同加载路径饱和岩石力学特征的试验研究

不同加载路径对岩石强度特征、变形特征和破坏特征存在影响。据此，探讨饱和岩石在排水、非排水、比例加载、侧向卸载、在不同偏应力状态下注水和非排水（但在不同偏应力状态下水压力卸载）等加载情况下以及在常规三轴试验和拥有循环加载的三轴试验等试验方式下，岩体的强度特征、各向异性变形特征和破坏特征。试验结果表明：循环加载、饱和岩石在不同偏应力状态下注水、非排水但在不同应力状态下水压力卸载、比例加载和侧向卸载等具有降低岩石强度、增加岩体变形以及水压力对岩石具有劈裂破坏作用等特征，这些力学特征对岩土工程具有现实意义。     

堆石料的亚塑性边界面模型及其验证

 基于高莲士教授针对天生桥面板堆石坝灰岩所进行的堆石料在不同应力路径下的大型三轴试验结果, 提出亚塑性理论边界面模型参数的简捷确定方法。通过编制调参程序, 对堆石料典型三轴试验进行数值模拟, 与试验成果的对比表明, 模型能较好地反映各种复杂加载路径下堆石料变形性状。进而对恒应力比转折、恒应力比加卸载、平面应变试验等土体单元可能出现的复杂应力路径进行了预测, 对深入了解高围压下摩擦型材料的屈服及应力路径相关等特性具有一定意义。同时合理的模型参数为进行面板堆石坝的变形预测和数值仿真模拟奠定了基础。