非饱和原状Q2黄土屈服硬化过程的细观结构演化分析

利用和CT机配套的多功能土工三轴仪,对非饱和原状Q2黄土在三轴剪切过程中内部结构的变化进行了动态、定量和无损地量测,得到了屈服硬化土样内部结构演化的CT图像和相应的CT数据,从细观上解释了屈服硬化过程。试验结果表明:原状Q2黄土内部存在大量孔隙、裂隙、姜石等结构缺陷,初始结构具有各向异性,姜石的存在对CT数和方差影响较大。非饱和原状Q2黄土屈服硬化细观变形可大致分为微压密阶段、结构微调整阶段和压密快速发展阶段3个阶段。剪切过程呈现良好的以均匀变形为主的细观变形特点。提出利用CT数随偏应变或偏应力的关系确定屈服应力的新方法。宜用CT数来描述原状Q2黄土屈服硬化过程的结构演化规律,相同吸力下,随着固结净围压的增大,CT数变化率越大;相同净围压下,随着吸力的增大,CT数变化率越小。     

应力路径对饱和黄土孔压的影响研究

利用SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪,对陕西杨凌Q3饱和黄土进行了常规三轴压缩、减压三轴压缩和等p应力路径的各向等压固结不排水三轴试验,探讨和分析了应力路径对饱和黄土孔隙压力的影响,试验结果表明:不同应力路径作用下,饱和黄土的孔隙压力随着轴向应变的增大而不断增大;当土体的轴向应变较小时,孔隙压力基本上不受初始固结围压的影响,而当轴向应变超过5%之后,饱和黄土所受的初始固结围压越大,主应力差越大,其孔隙压力也会越大。     

原状Q2黄土CT-三轴浸水试验研究

利用后勤工程学院研制的CT-多功能土工三轴仪,研究非饱和原状Q2黄土三轴浸水变形特性,并在浸水过程中利用CT技术对内部结构的变化进行无损的量测,得到内部结构演化的CT图像和相应的CT数据,从细观上解释了三轴浸水过程。基于CT数据定义结构性参数和结构演化变量;分析浸水过程中结构演化变量与净围压、偏应力和吸力的关系,浸水前的固结净围压、偏应力和吸力越大,浸水过程中结构演化越快。建立非饱和原状Q2黄土三轴浸水过程的结构演化方程,该方程为结构演化变量与偏应变、体应变和饱和度增量的关系,能同时反映净围压、偏应力和吸力等对结构演化的影响。利用提出的结构演化方程对试验数据进行拟合,拟合结果较理想。CT技术使土的细观结构研究达到定量阶段,为建立土的结构演化方程和结构性本构模型提供了试验基础。     

干湿循环效应下花岗岩残积土结构损伤的多尺度研究

为了明晰炎热多雨气候对花岗岩残积土结构的损伤特征，对0～8次的干湿循环过程中的原状样开展三轴固结不排水剪切(CU)、计算机层析识别(CT)、核磁共振(NMR)与扫描电子显微镜(SEM)试验，从宏观–细观–微观尺度分析土体的损伤机制。结果表明：干湿循环损伤效应在宏观上表现为强度的衰减，细观上表现为裂隙的发展，微观上表现为颗粒与孔隙结构的演变；有效黏聚力和有效内摩擦角随着循环次数增加呈指数型的衰减规律，但黏聚力的衰减幅度明显更高；细观裂隙的发展过程可以划分为萌发期(0～1次循环)、发展期(2～5次循环)和稳定期(5～8次循环)；孔隙体积分布曲线呈双峰分布，根据孔径大小将孔隙分为4个类别，随着循环次数增加，微孔的体积占比降低，中孔和大孔的体积占比增加；黏土颗粒在干湿循环过程中逐渐疏松，粒间孔隙不断扩张、贯通，形成连通裂隙；在干湿交替过程中，浸水时亲水性黏土矿物发生膨胀，干燥时微观拉应力增加，同时胶结物质分解流失，3种因素共同驱动细观裂隙的扩展和连通，引起结构的疲劳损伤，最终导致宏观力学性能的衰减。该研究成果可为花岗岩残积土力学特性与环境损伤效应的认识提供有益参考。     

炎热多雨气候下花岗岩残积土的强度衰减与微结构损伤规律

对花岗岩残积土开展反复干湿循环下的三轴固结不排水(CU)剪切试验与核磁共振成像(MRI)扫描试验,通过应力–应变关系、抗剪强度参数、孔隙体积含量等指标,评价炎热多雨气候对土体性质的损伤效应。研究结果表明:经历0～2次干湿循环的残积土的应力–应变关系曲线在低围压下表现为应变软化型,在高围压下表现为弱应变硬化型,经历3次以上干湿循环的土体应力–应变曲线均为弱应变硬化型;随着循环次数增加,残积土的有效黏聚力和有效内摩擦角逐渐减小,且有效黏聚力的衰减幅度明显更大;通过求解表面弛豫系数,经由T_2分布曲线获得了孔隙体积分布曲线,并根据直径将孔隙划分为微孔隙和裂隙;微孔隙的含量随干湿循环次数增加略有减小,裂隙的含量大幅增长;孔隙体积含量与有效抗剪强度指标呈负相关的线性关系,表明力学性能与孔隙结构的演化特征具有同步性;干湿循环对花岗岩残积土的损伤效应主要是由脱湿时的基质吸力增长、吸湿时的孔隙壁膨胀及胶结物分解、流失引起的。     

贵阳红黏土的应力-应变软化模型及参数研究

通过对不同含水量和不同围压下的贵阳红黏土进行三轴固结不排水试验,系统地研究了贵阳红黏土的软化特性及孔隙水压力的变化规律。试验结果表明:贵阳红黏土破坏形态具有明显的剪切带;应力-应变曲线出现了带有驼峰的应变软化现象,固结过程中孔隙水压力与时间呈指数函数关系,剪切过程中孔隙水压力与轴向应变呈双曲线型。研究认为,土体的结构屈服应力和固结不排水试验中产生的孔隙水压力是造成贵阳红黏土软化的主要因素。根据沈珠江、张尔齐等人的软化模型,对贵阳红黏土进行拟合,求解模型参数及置信区间,为贵阳红黏土进一步的数学模型建立提供理论基础。     

论土体应力应变关系曲线类型和临界状态

为探讨应力历史对土体本构关系的影响,进行了一系列正常固结土和超固结土的排水剪切常规三轴压缩试验,对比具有不同应力历史的土体应力应变关系曲线发现,对于体应变,超固结比是决定性因素,而体应变对固结压力不太敏感。对于抗剪能力,固结压力是决定性因素,超固结比的影响也不可忽略,超固结比决定了是应变强化还是应变软化,且决定了应变软化的程度,但试样最终会达到一个统一的临界状态,具有大体相同的残余强度。根据塑性体应变与塑性剪应变之间的相互作用原理阐明,土体变形过程中,塑性体应变的变化控制了剪切抗力的升降,从而决定了土体应力应变关系曲线的类型;临界状态实际上是一个纯粹剪切变形过程,其中不发生塑性体应变与塑性剪应变之间的相互作用,压硬性、剪胀性、应力路径相关性统统消失,它与以前所经历的应力历史无关。     

基于数字图像测量技术的粉煤灰三轴试样剪切带研究

以粉煤灰作为试验土体,充分利用数字图像测量技术的面场特性,研究三轴试样剪切带的形态、出现剪切带试样的应力应变特性以及剪切带的形成条件和影响因素。试验在改进的高精度三轴仪上进行,为了分析比较,选择不同密度、围压、试样高度和饱和度的三轴试样,共进行了20组固结排水剪切试验。结果表明,粉煤灰三轴试样中出现的剪切带形态各异,没有可以遵循的规律。在试验过程中出现剪切带的土体,其应力应变有明显峰值,剪切带初始形成时刻位于峰值强度之前,剪切带完全形成后,土体强度趋于残余强度。粉煤灰三轴试样出现剪切带的必要条件是土样具有较大的相对密度和相对较小的周围压力,相对较高的试样和饱和状态的试样比较容易出现剪切带。利用数字图像测量技术还可以成功记录三轴试样剪切带发育的全过程,比较容易地确定剪切带开始出现和完全形成的时刻。     

干湿循环对云南饱和重塑红土固结不排水剪切特性的影响

以云南红土为研究对象,以反复的低温脱湿、浸泡增湿为干湿循环控制条件,考虑干湿循环次数、干密度和围压等影响因素,利用TSZ-2型全自动三轴仪,开展干湿循环作用下饱和重塑红土的固结不排水剪切试验,研究不同影响因素对干湿循环饱和重塑红土三轴剪切特性的影响。试验结果表明:固结不排水条件下,饱和重塑红土的应力-应变关系表现出应变软化的特征,孔压曲线呈S形变化。随着干湿循环次数的增多,饱和重塑红土的峰值应力、峰值应变、峰值孔压均出现减小,固结排水量、残余应力变化量、残余应变变化量均出现增大;随着干密度的增大,峰值应力、残余应力增大,饱和重塑红土的固结排水量、峰值应变、残余应变、峰值孔压减小;随围压的增大,饱和重塑红土的固结排水量、峰值应力、峰值应变、残余应力、残余应变、峰值孔压均出现增大。饱和重塑红土的总应力强度指标和有效应力强度指标随干湿循环次数的增多呈波动减小的变化趋势。反复的干湿循环对饱和重塑红土的微结构产生了损伤,影响了固结过程中的排水情况和试样的密实状态,相应地改变了剪切过程中的受力特性。     

全风化花岗岩强度特性与微观孔隙特征试验研究

以厦门市翔安区轨道交通4号线某段工程为研究对象,对全风化花岗岩样进行了三轴不排水剪切试验和核磁共振试验,分析了不同围压下全风化花岗岩样的强度变化规律和加载前后全风化花岗岩样的孔隙大小、孔径分布变化特征。研究结果表明:岩样的剪切强度随围压的增大而增大,且随着围压差值的增加,剪切强度增加幅度也呈增大的趋势;不同围压作用下孔隙水压力的发展情况较为一致,均呈“急剧上升—缓慢减小—趋于稳定”的规律;围压与岩样的平均孔径近似呈线性分布,且岩样的平均孔径随围压的增大而增大;荷载作用下全风化花岗岩样内部孔隙结构发生重新排列,表现为大孔隙转化为小孔隙;岩样的平均孔径与轴向应变之间存在负相关性。该研究成果可为宏、微观理论的研究提供一定参考。     

超静孔隙水压下软土卸荷蠕变特性试验研究

考虑超静孔隙水压作用的软土卸荷力学特性对富水软土地区地下空间开挖变形和稳定性分析具有重要作用。以深圳地区淤泥质软土为研究对象,开展不同初始超静孔隙水压作用下的K_0固结不排水三轴卸荷强度试验和卸荷蠕变试验。试验结果表明:初始超静孔隙水压越大,固结围压越小,软土卸荷破坏越具有突然性;软土卸荷强度应力-应变曲线大致呈双曲线型,其双曲线函数拟合结果表明,卸荷强度随着初始超静孔隙水压的增大而大致线性减小。卸荷蠕变对初始超静孔隙水压敏感性很大,卸荷蠕变破坏时的偏应力约为卸荷强度试验中偏应力的90%。UU0.5应力路径相对于UU0.0应力路径更容易发生卸荷强度破坏和卸荷蠕变破坏,在实际工程中,应尽可能控制软土侧向卸荷比和超静孔隙水压的大小。     

饱和软粘土的循环蠕变特性

本文介绍对上海淤泥质饱和粘土在长期循环荷载作用下的变形特性的试验研究结果。考虑到土的各向异性性质,在三轴试验中,在K0固结条件下把土试样恢复到天然的K0应力状态,然后进行排水及不排水单向循环加载蠕变试验。从试验结果可以观察到一些重要的现象:(1)当循环轴向应力小于初始固结压力的50%时,饱和粘土的循环蠕变可分成三个阶段;(2)循环应变可分成不可逆的累积应变与可逆应变两部分,可逆应变的大小与循环应力幅值近似成线性关系;(3)孔压增长较为滞后,不排水试样孔压增长稳定时其值约为应力幅值50%,而排水试样的残余孔压约为应力幅值的20%。     

不同加载路径下砂岩破坏模式试验研究

 鉴于以往对岩石不同加载路径下破坏模式综合研究的成果较少,采用MTS815刚性伺服试验机,对砂岩岩样分别进行单轴压缩、常规三轴压缩和三轴峰前、峰后卸围压4种不同加载路径下的试验,研究砂岩岩样在不同加载路径下的破坏模式,并对砂岩岩样破坏前、后各能量指标进行计算,采用能量耗散分析的方法探讨不同加载路径下砂岩岩样存在多种破坏模式的原因。研究结果表明,在单轴压缩试验中,砂岩岩样的破坏模式以劈裂破坏为主,单剪破坏为辅。常规三轴压缩和峰后卸围压试验,围压较低时砂岩岩样多发生单一剪切或劈裂破坏;围压较高时,砂岩岩样多发生二者组合破坏。三轴峰前卸围压,围压相对较低时,砂岩岩样多发生剪切与横向剪切组合破坏;围压相对较高时,砂岩岩样多发生劈裂与剪切组合破坏。随着围压的增加,常规三轴压缩试验中,砂岩岩样更易发生剪切破坏;而对于三轴峰前、峰后卸围压试验,砂岩岩样发生剪切破坏呈先增加后降低的趋势。不同加载路径下岩样破坏模式与岩样破坏前、后能量指标数值存在一定的对应关系,各能量指标数值较小时,岩样多发生单一破坏模式,且破坏后形成的块体相对较完整;各能量指标数值较大时,岩样多发生组合破坏模式,且破坏后形成的块体相对较破碎。     

制样方法对非饱和土力学特性的影响

以一种非膨胀性黏土为试验材料,对孔隙比相近的非饱和压实试样和预固结试样进行一系列等吸力控制下的等向压缩试验和三轴剪切试验,研究了制样方法对非饱和土的压缩特性和剪切特性的影响。由等吸力等向压缩试验结果表明:初始孔隙比相近的预固结样和压实样在等向净应力20 k Pa条件下进行等吸力平衡,平衡过程中预固结试样的孔隙比明显减小而压实样的变化不大;其原因是两种试样的初始吸力和土结构存在差异。此外,预固结样和压实样在吸力150 k Pa条件下,预固结样的含水率随着等向净应力的增大而减小,而压实样的含水率几乎不变。上述变形特性可用SFG弹塑性模型说明。在净围压和吸力相同条件下对剪切前孔隙比相同的两种试样进行了三轴剪切试验,试验结果表明:在剪切前的密度、剪切时的吸力和净围压相同条件下,预固结样的偏应力–应变曲线和强度明显高于压实试样的曲线和强度。其原因可用两种试样的孔隙尺寸分布不同来解释。     

玄武岩纤维加筋黏土三轴试验研究

按纤维与干土质量的百分比0.0%,0.1%,0.2%,0.3%和0.4%配制了玄武岩纤维加筋黏土试样,在控制干密度的条件下,对试样进行了一系列三轴固结不排水剪试验。试验结果表明:(1)玄武岩纤维加筋黏土试样的破坏形态均呈鼓胀型,为明显的塑性破坏;(2)采用玄武岩纤维加筋,能够显著增加黏土的有效黏聚力,但对有效内摩擦角影响不大,当纤维掺量为0.3%时,土体的有效黏聚力最大;(3)玄武岩纤维加筋黏土的应力–应变关系总体表现为弱硬化型,可以用双曲线来拟合,在纤维掺量相同时,其拟合结果的参数b随围压的增大而减小,在围压相同时,参数b随掺量的变化规律与围压大小有关。     

三轴压缩下含瓦斯煤样蠕变特性试验研究

 介绍自主研制的含瓦斯煤岩三轴蠕变试验系统。利用三轴蠕变试验系统对含瓦斯煤样进行一系列三轴蠕变试验,得到不同蠕变载荷、不同围压和不同瓦斯压力条件下的蠕变结果。试验结果显示,蠕变载荷、围压和瓦斯压力是影响含瓦斯煤样蠕变特性的重要因素;含瓦斯煤样的蠕变行为可以表现出衰减蠕变和非衰减蠕变2种形态;减速蠕变阶段是弹性后效的结果;稳态蠕变速率受蠕变载荷、围压和瓦斯压力的影响,并且随蠕变载荷和瓦斯压力的增大而增大,随围压的增大而减小;加速蠕变阶段是含瓦斯煤样破坏的开始。基于试验结果,详细分析含瓦斯煤样的减速蠕变和稳态蠕变阶段的蠕变速率,给出能分别描述减速和稳态蠕变阶段蠕变速率的幂函数和指数函数方程。利用规范化方法建立能反映稳态蠕变速率、蠕变载荷、围压和瓦斯压力之间关系的数学方程,利用该方程可以很容易地预测各种应力状态下稳态蠕变速率的大小。     

膏岩三轴压缩声发射特征及损伤演化研究

利用MTS 815岩石力学测试系统对膏岩进行不同围压下的三轴压缩试验,配合AE系统进行全过程声发射监测,展开了膏岩变形破坏过程的力学特性及声发射特征进行研究,并进一步探讨膏岩变形破坏过程损伤演化规律。试验结果表明:(1)膏岩是一种致密低渗岩石,气体孔隙度在1.30%~3.50%之间;(2)三轴加载条件下,膏岩的力学性质与声发射参数对围压的响应效果强烈,50 MPa围压较5 MPa围压下膏岩强度提高110.67%。高围压下声发射信号表现出明显的“滞后”效应,声发射集中分布区不断向后推移;(3)膏岩的临界围压为20 MPa。低围压下膏岩呈脆性破坏,破坏后形成宏观剪切面;临界围压下呈塑性破坏,破坏后形成共轭Y型剪切;高围压下呈延性破坏,破坏形态为鼓胀破坏;(4)膏岩损伤演化过程可分为初始损伤期、损伤快速发展阶期与损伤平稳期,能够与膏岩变形破坏阶段对应;损伤快速发展期为膏岩内部裂隙发展、贯通的主要阶段。     

原状Q_3黄土湿陷特性的CT-三轴试验

利用应力控制式CT-三轴仪及CT-湿陷性三轴仪,在控制吸力的条件下,试验研究原状Q3黄土的浸水湿陷特性。做了2组共15个三轴试验,包括均压浸水试验和以双线法进行的侧向卸荷浸水试验,试验中利用CT机进行无损断面扫描,并用得到的CT数定量分析原状Q3黄土的结构性对湿陷的影响。结果表明:对于双线法湿陷试验,同一吸力和偏应力下,固结净围压大的试样湿陷变形大于固结净围压较小的试样湿陷变形,包括体应变、轴应变及偏应变量;均压浸水湿陷试验时,在试样饱和前,随着浸水量的增加CT数与浸水量之间基本呈线性关系;当试样趋于饱和时,CT数增大减缓;均压浸水湿陷试验中,在同一吸力下,固结净围压大的湿陷体应变较大,结构演化变量值也越大。     

三轴压缩载荷作用下单裂隙扩展的CT实时扫描试验

 为研究岩石裂隙在三轴加载作用下的扩展规律,精选出一种与岩石物理力学性质相似的陶瓷制作试件,并在试件中部预置一条圆币状裂隙,进行三轴加载过程中的CT实时扫描试验。采取3种不同区域划分方案,通过对不同层、不同阶段的CT数、CT方差、CT图像的对比分析,获得裂隙被压密、自相似扩展、翼裂纹扩展、微裂纹扩展、裂纹加速扩展直到试件破坏的整个裂隙扩展过程。试验结果表明,在三轴压缩荷载作用下,裂隙被压密较为明显,翼裂纹扩展缓慢,自相似扩展更大,而且翼裂纹的扩展是从自相似扩展后的边缘开始的。总之,预置裂隙的扩展受围压影响很大,扩展过程相当艰难,试件破坏类似于延性破坏。     

软硬互层岩体卸荷蠕变力学特性试验研究

 利用岩石全自动三轴蠕变仪对锦屏二级水电站辅助交通洞典型灰白色细晶大理岩与绿片岩软硬互层岩样开展卸荷蠕变试验,得到岩样轴向、侧向典型的蠕变全程曲线。蠕变试验结果表明：围压较高时,试样的轴向与侧向变形随时间的推移变化不大,蠕变现象不明显;随着围压逐渐减小,试样的蠕变变形越来越显著,在最后一级出现了典型的蠕变3个阶段并发生了非线性加速蠕变现象直至试样破坏。软硬互层岩样三轴卸荷蠕变破裂形式主要以剪切破坏为主,局部伴随着一定程度的张拉破坏,主裂纹与水平面大致呈45°角,剪切破裂面较为单一平整,且破坏面基本是沿着强度较低的绿片岩层理内部并平行于层理面产生和扩展贯通而形成的。在加速蠕变阶段之前,其侧向蠕变变形比轴向蠕变变形小,但试样处于加速蠕变阶段时,侧向蠕变变形量与蠕变速率均要高于轴向蠕变;这表明随着时间的增长和围压的降低,岩样的侧向蠕变比轴向蠕变更为灵敏,而且体积扩容效应显著。卸荷条件下,蠕变力学参数表现出较为显著的非定常性规律,当外荷载小于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数与卸荷量有关,随着卸荷量的增大逐渐弱化;当外荷载大于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数不仅与卸荷量有关,而且还与蠕变时间有关。