冻土空心圆柱仪的研发与应用

为研究复杂应力路径条件下冻土的力学特性,中国科学院冻土工程国家重点实验室与美国GCTS公司合作研发了新型冻土力学试验设备——冻土空心圆柱仪(FHCA-300),该设备通过独立施加内围压、外围压、轴向荷载和扭矩来改变3个主应力的大小和方向,从而更为真实地模拟冻土在地震荷载、交通荷载等多向应力和主应力轴旋转等复杂应力路径下的应力-应变行为.详细介绍了该仪器各部分的组成、传感器和动荷载频率的选取过程以及目前可实现的具体试验类型.此外,着重介绍了冻土空心圆柱仪温度控制系统的设计原理,并且对其控温能力进行了验证,结果证明该系统可以达到预期的降温能力和控温要求.最后利用冻土空心圆柱仪进行了主应力轴静态旋转和循环旋转测试试验,验证了仪器实现包括主应力轴旋转在内的复杂应力路径的能力,初步试验结果表明该设备能够准确再现冻土在复杂应力路径条件下的力学行为和变形行为,可为系统开展冻土在复杂应力条件下的强度、变形特性和本构关系等研究提供技术手段.     

动态空心圆柱扭剪仪模拟椭圆应力路径能力分析

为论证动态空心圆柱扭剪仪实现椭圆形应力路径的可行性,推导典型荷载加载曲线,通过试验与数值结合的方法予以分析。结果表明:双向加载时,保持内外围压恒定且相等,可实现椭圆应力路径;保持内围压恒定,三向变载时,可实现保持中主应力系数恒定或平均主应力恒定的椭圆应力路径加载;四向变载时,可实现对中主应力系数、平均主应力的同时控制。空心圆柱扭剪仪可以很好地实现椭圆形应力路径,且可以对主要应力参数进行控制。试样变形将引起实际应力误差,导致应力路径偏移,因此加载前应对试样刚度合理估计以提高加载质量。     

考虑中主应力系数影响的主应力轴旋转下 原状软黏土变形研究

用浙江大学空心圆柱扭剪仪对杭州原状软黏土进行了固结不排水主应力轴旋转试验,试验中保持平均主应力、中主应力系数和切应力不变,进行了应力路径和各应变分量可靠性分析,并在此基础上探讨纯主应力轴旋转对各应变分量、广义切应变和切变模量的影响.研究表明：当中主应力系数等于0.5时,径向应变数值很小,可以忽略不计;轴向应变变化特征与环向应变刚好相反;在各应变分量中扭切应变占主导地位.在低切应力作用下,纯主应力轴旋转产生的应变很小;随着切应力增加,应变分量显著提高;广义切应变在高切应力下才适合选用.主应力轴旋转中切变模量呈“勺”形变化说明土体刚度逐渐降低.研究发现前期主应力轴旋转和高切应力作用对土体后期主应力轴旋转产生的变形有很大的影响.     

空心圆柱试样真三轴仪应力路径的控制

介绍了新研制的空心圆柱试样真三轴仪内外腔加载压力独立控制的机电液光一体化电液伺服加载装置,以及由步进电机独立控制沿试样轴向方向的载荷和为实现主应力旋转在试样端面上施加设定的控制扭矩的加载装置。采用卡尔曼滤波及预报递推控制算法,克服步进电机加载系统与电液伺服加载装置响应速度不一致的问题,从而在连续加载试验中,使尽可能多的离散点遵循设定的加载应力路径。     

主应力方向和中主应力系数对冻结黏土性状的影响

为研究复杂应力路径下冻土的力学特性,利用冻土空心圆柱仪对饱和冻结黏土开展了定向剪切试验,重点研究了大主应力方向和中主应力系数对饱和冻结黏土应力应变性状的影响.试验结果表明:定向剪切路径下饱和冻结黏土应力-应变曲线基本呈现应变硬化特征,且广义剪应力-应变曲线受扭剪分量的主导.不同大主应力方向下冻结黏土应力-应变曲线水平存在一定差异,当中主应力系数b为0.5和1时广义剪应力-应变曲线水平随着大主应力方向角α的增加而降低.中主应力系数b对冻结黏土扭剪分量的应力应变性状影响相对较小,而对轴向分量与广义剪应力应变性状影响显著.     

GCTS空心圆柱扭剪仪实心试样的饱和试验分析

GCTS空心圆柱扭剪仪是模拟土体在主应力轴旋转下的理想试验仪器,不但可以进行空心试样的扭剪试验,也可以完成实心试样的动、静三轴试验,而空心试样的反压饱和方法不适用于实心试样．本文基于GCTS仪进行了多组实心试样的饱和试验,提出了抽真空饱和与反压饱和相结合的饱和方法,结果表明该方法不但提高了试验效率,亦使后续试验结果更加精确．     

不同平均主应力条件下重塑黄土的应力应变特性

利用GDS空心圆柱扭剪仪,在不同平均主应力条件下对青海重塑黄土进行一系列定向剪切试验,研究平均主应力对青海重塑黄土应力应变特性的影响。试验保持中主应力系数b不变,在不同平均主应力条件下,将重塑黄土试样分别进行主应力轴未发生旋转和旋转45°两种剪切破坏应力路径的剪切试验。结果表明：平均主应力和主应力方向角对重塑黄土的强度和变形有着显著影响;重塑黄土在大主应力方向角等于45°剪切破坏时峰值八面体剪应力与平均主应力呈线性关系,重塑黄土破坏时所产生的八面体剪应变发展趋势基本相同;剪切过程中,重塑黄土的大主应变和小主应变成对称发展,破坏时中主应变只有小幅度增长。当八面体剪应力-应变曲线没有出现峰值时,建议采用八面体剪应变为15%对应的八面体剪应力作为重塑黄土的破坏标准。     

列车移动荷载在地基中引起的主应力轴旋转

利用移动荷载作用下地基的应力解答,计算列车移动荷载在弹性半空间地基内产生的动应力.根据计算土单元与列车的相对位置,将动应力曲线分为3个阶段,分别对这3个阶段的土单元应力路径和主应力轴旋转进行分析.在每一个循环中,土单元应力路径变化规律和主应力轴旋转规律与单个轮轴荷载引起的主应力轴旋转相似,但轮轴荷载的相互叠加使得应力路径变化和主应力轴旋转都更加复杂.单个轮轴荷载引起的主应力轴旋转一直为顺时针方向,而在一个循环中由列车引起的主应力轴旋转则会发生摆动,尤其是大主应力旋转到z轴附近时.     

不同初始状态软黏土在主应力轴耦合旋转下的孔压及3维变形规律

土体在受波浪、地震以及交通荷载等荷载作用时,其相应的应力状态较为复杂,以致于偏应力和主应力轴方位角同时变化的情况普遍存在于实际工程中,目前关于这种应力条件下原状软黏土的物理力学特性的研究尚处于起步阶段。主应力轴耦合旋转即是指在主应力轴方向旋转的同时,偏应力不断增大,而平均主应力、中主应力系数均保持不变。本文为了研究主应力轴耦合旋转时原状软黏土的变形和孔压特性,基于空心圆柱扭剪系统（HCA）对原状软黏土进行了一系列不同初始状态的扭剪试验,探讨了不同固结倾角、中主应力系数在主应力轴耦合旋转条件下对原状软黏土的变形、孔压等特性的影响。结果表明：不同初始固结状态对软黏土的变形特性有明显的影响;主应力轴耦合旋转过程中软黏土试样在b = 0和b = 0.5时的轴向变形以受压为主,在 b = 1时试样的轴向变形在主要表现为受拉状态;不同固结倾角下,主应力轴耦合旋转下试样的轴向、环向和剪切变形趋势均有明显的不同,径向应变值差别不大,在b = 0.5时试样的径向应变值接近0;不同初始固结倾角条件下试样的孔压峰值对应的大主应力方位角也不同,孔压累积与应变开展并不一一对应;应力和应变的变化与偏应力和主应力方位角的增加不同步,即存在明显的非共轴现象。     

主应力旋转条件下粉细砂的非比例加载变形特性

对粉细砂进行一系列空心圆柱扭剪试验,研究土体在经历含主应力轴偏转的非比例加载路径时的变形特性,重点分析偏应力水平、中主应力系数对土体变形产生的影响。试验中发现弹性剪应变在总剪应变中所占比例较大。在此基础上重新定义了非共轴角,并对饱和粉细砂的变形特性及其影响因素进行研究。结果表明,纯主应力旋转过程中,不同偏应力比、中主应力系数的土体,广义剪应变的整体发展规律相似,偏应力比与中主应力系数对加载末期的土体应变硬化产生较大影响;偏应力比与广义剪应力相同时,中主应力系数的差异使得土体的各向异性在变形响应中得以体现,从而表现出广义剪应变的差异;主应力旋转将使粉细砂产生明显的塑性变形,相较于中主应力系数,偏应力比对于砂土非共轴变形特性的影响更大。     

石膏颗粒材料的破碎演化规律

为分析石膏颗粒材料在荷载作用下破碎的分形演化规律,对其进行了等围压、等平均主应力和各向等压固结3种应力路径下的三轴试验,并通过筛分法对试验后石膏颗粒材料的粒径分布进行了分析。试验结果表明,石膏颗粒材料在荷载作用下的破碎程度随初始围压的增大而增大,初始为分形分布的石膏颗粒材料在受荷破碎后,其粒径分布亦具有分形特征。表征粒径分布的分维值与围压和平均主应力之间均呈良好的双曲线关系,分维值渐近值约为2.5。分维值与相对颗粒破碎指数存在显著的线性关系,可作为表征颗粒破碎程度的指标。     

主应力轴旋转对压实黄土动残余变形的影响

通过对DTC-199型周期扭转荷载三轴仪的简单改造,研究了主应力轴旋转对压实黄土在周期动荷载作用下轴向残余变形和动剪切残余变形的影响.结果表明:随着初始主应力方向角的增大,轴向残余变形由压缩状态的正值逐渐过渡到伸长状态的负值.振动次数对剪切残余变形影响较大,剪切变形随振次的增多而增加,且随初始主应力方向角的增大呈现增大...     

Undrained response of reconstituted clay to cyclic pure principal stress rotation

A series of monotonic and rotational shearing tests are carried out on reconstituted clay using a hollow cylinder apparatus under undrained condition. In the rotational shearing tests, the principal stress axes rotate cyclically with the magnitudes of the principal stresses keeping constant. The anisotropy of the reconstituted clay is analyzed from the monotonic shearing tests. Obvious pore pressure is induced by the principal stress rotation alone even with shear stress q0=5 k Pa. Strain components also accumulate with increasing the number of cycles and increases suddenly at the onset of failure. The deviatoric shear strain of 7.5% can be taken as the failure criterion for clay subjected to the pure cyclic principal stress rotation. The intermediate principal stress parameter b plays a significant role in the development of pore pressure and strain. Specimens are weakened by cyclic rotational shearing as the shear modulus decreases with increasing the number of cycles, and the shear modulus reduces more quickly with larger b. Clear deviation between the directions of the principal plastic strain increment and the principal stress is observed during pure principal stress rotation. Both the coaxial and non-coaxial plastic mechanisms should be taken into consideration to simulate the deformation behavior of clay under pure principal stress rotation. The mechanism of the soil response to the pure principal stress rotation is discussed based on the experimental observations.     

全自动静-动三轴剪切仪的功能分析及应用

针对北京工业大学新引进的全自动静一动三轴剪切仪的设备功能进行了系统分析,该设备既能完成普通的静动三轴剪切试验,还能完成径向-轴向耦合剪切试验,可实现各种特殊复杂应力路径及分级加卸载静态剪切试验,此试验剪切过程均可通过计算机自动控制.并对利用全自动静-动三轴剪切仪实测得到的试验结果进行了分析.试验结果表明,该仪器测试精度较高,在土工试验中具有较广泛的应用性,为研究复杂应力条件下的实际土体强度与变形特性的研究提供了试验技术条件.