平面应变条件下原状黄土侧向卸载变形与强度特性分析

基于平面应变改造后的西安理工大学真三轴仪,在不同围压条件下对不同含水率黄土进行了侧向卸载平面应变试验,研究了平面应变条件下原状黄土的卸载强度、变形特性以及原状黄土的破坏方式。研究结果表明:不同固结围压条件下,各含水率原状黄土的侧向卸载应力-应变曲线均为硬化型,近似呈理想塑性曲线。剪切过程中,黄土的侧向与竖向变形呈非线性变化,侧向应变的发展要快于竖向应变,体积变形均为体胀。侧向卸载条件下土的破坏应变要比平面应变竖向加载和常规三轴试验小得多。黄土的卸载破坏强度与含水率、围压和球应力状态密切相关;随着含水率的增大,黏聚力衰减明显,内摩擦角略有减小。侧向卸载条件下,原状黄土呈剪胀滑移破坏形式。     

平面应变条件下原状黄土侧向卸载变形与强度特性分析EI北大核心CSCD

基于平面应变改造后的西安理工大学真三轴仪,在不同围压条件下对不同含水率黄土进行了侧向卸载平面应变试验,研究了平面应变条件下原状黄土的卸载强度、变形特性以及原状黄土的破坏方式。研究结果表明:不同固结围压条件下,各含水率原状黄土的侧向卸载应力-应变曲线均为硬化型,近似呈理想塑性曲线。剪切过程中,黄土的侧向与竖向变形呈非线性变化,侧向应变的发展要快于竖向应变,体积变形均为体胀。侧向卸载条件下土的破坏应变要比平面应变竖向加载和常规三轴试验小得多。黄土的卸载破坏强度与含水率、围压和球应力状态密切相关;随着含水率的增大,黏聚力衰减明显,内摩擦角略有减小。侧向卸载条件下,原状黄土呈剪胀滑移破坏形式。     

不同应力路径条件下原状Q_3黄土的强度特性及破坏方式试验研究

利用西安理工大学真三轴仪对不同含水率、围压条件下的原状Q_3黄土进行了轴对称三轴试验和平面应变试验,研究了原状Q_3黄土在两种应力路径条件下的强度演化特性,对比分析了两种试验条件下的强度差异及破坏方式。结果表明,低固结围压条件下低含水率原状黄土容易产生脆性破坏,其应力–应变曲线为软化型,固结围压增大后其应力–应变曲线呈硬化型;围压对原状黄土的强度起增强作用,含水率对原状黄土的强度起削弱作用,原状黄土的破坏应力与含水率、围压和球应力状态密切相关;随着含水率的增大,黏聚力衰减明显,内摩擦角略有减小,相同条件、平面应变条件下的强度要比轴对称三轴条件下的强度大1.1~1.4倍;轴对称三轴条件下土样呈单一剪切带的侧胀剪切破坏,平面应变条件下呈剪缩侧胀破坏。     

初始固结应力对平面应变黄土剪切破坏特性影响

针对黄土工程中大量存在的平面应变问题,在均压固结条件下研究的较多,但与土实际的应力状态不符,利用平面应变改造后的真三轴仪,模拟土体的实际应力状态,通过原状黄土在不同初始固结应力比、含水率和围压条件下的竖向加载平面应变试验,揭示不同初始固结应力比、含水率和围压对原状黄土强度特性影响及破坏时中主应力变化规律。研究结果表明:偏压固结原状黄土的强度随着初始固结应力比的增大而增大,且明显大于均压固结;抗剪强度及破坏时p、q随着初始固结应力比的减小或含水率的增大而减小;土体原生结构损伤程度随着初始固结应力比的增大而增大使得黏聚力减小;当次生结构形成土颗粒间挤密使得内摩擦角增大;破坏时刻的中主应力随初始固结应力比增大而增大;破坏时刻的中主应力系数范围在0.15~0.45之间;平面应变条件下原状黄土破坏时的固结围压及含水率对中主应力系数的影响较明显。研究结果对进一步完善原状黄土的平面应变试验研究,进而解决平面应变条件下的黄土工程建设问题,提供试验依据和理论基础。     

上海粘性土剪切带倾角的试验研究

采用可量测局部侧向应变的平面应变仪，对上海地区第（2）层褐黄色粉质粘土和第（6）层暗绿色粉质粘土的原状土样，进行固结不排水平面应变压缩试验，观察土样的局部化变形过程，量测剪切带倾角，研究剪切带倾角随固结压力的变化情况，计算剪切带倾角的传统土力学理论解并与实测值进行比较，根据剪切带内局部剪胀角的近似估算，初步研究剪切带内的变形机理，认为剪切带的形成与孔隙水的运动密切相关。     

强度参数对初始随机缺陷岩样全部变形的影响

在单轴平面应变压缩条件下, 采用FLAC模拟了初始内聚力及内摩擦角对具有随机材料缺陷岩样轴向、侧向、体积变形及由侧向应变及轴向应变计算得到的泊松比的演变的影响。采用编写的FISH函数于试样内部规定随机缺陷并计算其全部变形特征。密实的岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则, 破坏之后呈现应变软化—理想塑性行为。随着强度参数(初始内聚力及内摩擦角)的增加, 应力峰值及对应的侧向应变的值提高, 体积应变的峰值增加, 应力峰值所对应的计算得到的泊松比稍有增加。由于被剪切带所分割的毗邻块体之间的相对滑动, 纵然扩容角为零, 试样在峰后的变形阶段, 仍然可以观察到体积膨胀现象, 这与作者的理论分析结果一致。当强度参数降低时, 侧向应变—轴向应变曲线、体积应变—轴向应变曲线及计算得到的泊松比—轴向应变曲线的峰前非线性部分变得短暂。剪切带倾角的数值解的上限低于Coulomb理论, 下限在Roscoe理论附近波动, Arthur理论的预测结果与本文剪切带倾角的数值解更接近.      

西宁地区原状黄土强度各向异性试验研究

为了研究西宁地区原状黄土的各向异性特性,采用应力-应变控制式三轴仪对不同深度、与沉积方向呈不同角度土样进行室内固结不排水剪切试验,分析不同深度处偏差应力与取样角度之间的关系以及在不同应变下各向异性体现程度的规律。结果表明:黄土的应力-应变曲线在最优含水率附近呈应变硬化型,其破坏形式以胀鼓型为主;原状黄土的应力-应变曲线在不同方向上呈现很明显的不同,土样的轴向应变值相等时,偏差应力在竖直方向最大,在与竖直面呈45°或90°方向时最小;原状黄土的各向异性在不同应变下的体现程度与其所承受的应力历史有关,当其所承受的先期固结压力较小时,黄土的各向异性程度随应变的增加而降低,反之,则各向异性的程度随应变的增加而升高。     

应变软化扩容对含随机缺陷岩石的渐进变形及破坏前兆特征的影响

在单轴平面应变压缩条件下, 采用FLAC模拟了剪切扩容对含随机缺陷岩石破坏前兆及变形特征的影响。密实的岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则, 破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。缺陷在破坏之后经历理想塑性行为。随着轴向应变的增加, 试样内部破坏的单元数目增加, 直到达到一个常数, 该常数随着扩容角的增加而增加。当扩容角较高时, 计算得到的泊松比在峰前就可以超过0.5;剪切扩容于峰前发生; 变形后试样的最终体积大于初始体积。剪切局部化(导致了毗邻块体之间的相对滑动)及剪切扩容(发生于剪切带内部)是非零扩容角试样峰后体积膨胀的原因。在峰前, 通过观察剪切应变增量、破坏的单元数目、侧向应变、计算得到的泊松比及体积应变可以发现, 扩容角越高, 试样破坏的前兆越明显。在低扩容角时, 由于弯曲的剪切带边界, 试样内部充分发展的剪切带的倾角比较分散, 剪切带的倾角更接近Arthur理论。      

原状膨胀土剪切力学特性的应变速率效应

为研究应变速率对原状膨胀土力学性状的影响,通过GDS三轴试验系统进行了不同速率和围压下的固结不排水三轴剪切试验,分析了应力−应变曲线、孔隙水压力、剪切强度以及破坏模式随应变速率的变化规律。结果表明：不同应变速率下,膨胀土应力−应变曲线均呈应变硬化型。随着应变速率的增加,不排水剪切强度单调递增,引入应变速率参数ρ_0.9后发现,不排水强度增长率为14.3%～23.2%,平均值为18.4%。低围压下,应变速率对孔隙水压力影响较小,随着围压的增大,孔隙水压力的发展趋势由软化型转变为硬化型,孔隙水压力峰值随应变速率的增大而减小。原状膨胀土应变速率效应与其多裂隙性密切相关,破坏形式表现为小应变速率下主剪切带与次剪切带共存,大应变速率下仅有主剪切带,裂隙或多剪切带的出现强化了膨胀土强度的应变速率效应。     

加载速度对岩样全部变形特征的影响

利用编制的计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数,采用FLAC模拟了加载速度对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响。在峰前及峰后,本构模型分别取为线弹性及莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。加载速度较低及适中时,岩样发生单剪切破坏,剪切带倾角及宽度不受加载速度影响,应力-轴向应变曲线及应力与侧向应变曲线软化段的斜率不依赖于加载速度;高加载速度使岩样发生X型剪切破坏,两种曲线软化段较平缓;在相同的轴向应变时,高加载速度使剪切带长度降低。随着加载速度的增加,岩样失稳破坏的前兆越来越明显,当加载速度较高时,前兆反而不明显,这是由于应力存在较大的波动,导致不正确地估计了应力峰值所对应的轴向应变。在应变软化阶段,高加载速度使侧向应变与轴向应变曲线、泊松比与轴向应变曲线及体积应变与轴向应变曲线变平缓,也使体积应变与轴向应变曲线的峰值及对应的轴向应变增加。     

黄土动抗剪强度区域特征研究

基于摩尔-库伦破坏准则,以室内动三轴试验为手段,研究了西宁、兰州、西吉、西安等地原状黄土的动强度特性,分析了振动次数及天然条件下各地区原状黄土初始孔隙比、天然含水率、塑性指数与动抗剪强度的区域性特征.研究表明:含水率相同条件下,随着固结应力的增大,黄土的动抗剪强度也逐渐增大,这种增加趋势成非正比关系;随着振动次数的累积作用,研究区自西北向东南部,黄土的粘聚力呈降低趋势,内摩擦角变化趋势较离散;天然状态下:黄土的初始孔隙比自西北向东南大致呈增大趋势,其动粘聚力也呈逐渐增强的趋势,内摩擦角呈减小的趋势;含水率自西北向东南大致呈增大趋势,随着含水率的增长黄土的动粘聚力逐渐增强,内摩擦角大致呈减小的趋势;随着原状黄土粘粒含量基本呈自西北向东南增大趋势,动粘聚力也逐渐增大,内摩擦角呈减小的趋势,但幅值减小不具有相似性.     

固结与不固结条件下黄土-混凝土接触面剪切试验

黄土与结构物相互作用时其在法向应力下的固结程度和实际工况有关。控制土样初始含水率和排水条件,利用大型直剪仪开展黄土与混凝土接触面剪切试验。结果表明,固结条件下的剪应力比不固结条件下的剪应力大,且其差值随土样初始含水率的增加而增大;接触面剪应力-剪切位移关系呈弱软化、弱硬化和强硬化3种形式;固结条件下法向应力较低时接触面抗剪强度随土样初始含水率的增加先增大后减小最后趋于恒值,固结条件下法向应力较高时及不固结条件下接触面抗剪强度随土样初始含水率的增加而减小最后趋于恒值;随着土样初始含水率的增加,固结和不固结条件下接触面粘聚力均先增大后减小,而接触面内摩擦角均减小最后趋于恒值。因此,固结和不固结条件下黄土与混凝土接触面剪切性状具有明显不同,分析黄土与结构物相互作用时应根据实际工况选用不同固结条件下的参数。     

基坑土体侧向卸荷真三轴试验研究

对武汉地区具有代表性的粉质粘土,用基坑开挖过程中坑周土体的应力路径在真三轴上进行模拟试验,得到平面应变条件下固结不排水卸荷试验结果,将其整理成应力-应变关系曲线、孔隙水压力-竖向应变关系曲线、中主应力系数-竖向应变关系曲线和卸荷试验应力路径图。试验结果表明,竖向( )压力不变,侧向( )卸荷时,其应力-应变关系随固结压力的增加,由应变硬化型向应变软化型转化;固结压力较低时,表现为剪胀,固结压力较高时,表现为先剪缩,后剪胀;当中主应力( )始终大于但接近于侧向压力( ),按所定义的中主应力系数bd值较稳定;有效应力路径随固结压力增大产生偏转。这些结论为进一步研究粘性土中主应力的作用奠定了基础。     

弹性模量对岩样破坏前兆及全部变形特征的影响

利用FLAC内嵌语言编制的计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数,计算了弹性模量不同时单缺陷岩样的全部变形特征,研究了弹性模量对岩样的破坏过程及前兆的影响。在峰前及峰后,岩石的本构模型分别取为线弹性模型及莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。当弹性模量不是较高时,岩样自始至终仅出现一条倾斜的剪切带。当弹模较高时,最终剪切应变仅强烈集中于贯通岩样的剪切带内部。剪切带倾角在Arthur与Coulomb倾角之间,且随弹模的增加而降低,经典理论对此不能解释。随着弹模的增加,峰值应力增加,峰前的应力-轴向应变曲线变得陡峭,峰后的应力-轴向应变曲线的斜率几乎不变。随着弹模的增加,峰值强度所对应的轴向应变及侧向应变的大小均降低;应力-侧向应变曲线软化段变得陡峭。随着弹模的降低,侧向应变-轴向应变曲线、泊松比-轴向应变曲线及体积应变-轴向应变曲线在峰前发生转折（偏离线性状态）的程度越来越大;非弹性轴向应变增加;材料缺陷附近的最大剪切应变增量增加。岩样破坏的前兆随着弹性模量的降低而逐渐增强。     

不同先期固结压力下的错动带力学特性研究

针对白鹤滩大型水电站揭露的错动带,探索了一种反映原岩应力状态的错动带试样制备方法,采用替代法对错动带进行超粒径处理,同时控制先期固结压力和稳压时间进行静载固结,并基于不同先期固结压力、不同高围压下的不固结、不排水三轴试验,结合矿物成分分析试验和扫描电镜试验,分析了不同先期固结压力下错动带的力学和变形特性。试验结果表明,不同高围压、不同固结压力下错动带应力-应变关系曲线基本表现为有剪胀行为的应变硬化型力学行为,且多为腰鼓型塑性破坏;在相同固结压力条件下,随着围压升高,错动带试样破坏应力、变形模量和泊松比均呈增大趋势,扩容效应更明显;相同围压条件下,随着先期固结压力的增大,错动带破坏应力逐步提高,弹性模量逐渐增大,而泊松比略有减小,敏感性不大;同时黏聚力和内摩擦角随固结压力的增加而分别减小和增大,呈劣化趋势。错动带微观结构的定性和定量分析进一步揭示了错动带作为一种夹杂错动后残留有岩石碎屑(块)软弱物质的颗粒类材料,在高应力下其塑性变形主要来源于颗粒破碎和颗粒的定向排列。因此,先期固结压力是影响错动带性质的重要因素。     

硬脆性大理岩拉剪破坏特征与屈服准则研究

岩土工程中常用的屈服准则多以压缩剪切为其破坏机制,然而硬脆性岩体的脆性破坏包括拉伸破坏、张拉剪切破坏和压缩剪切破坏3类,且随着岩体工程向深部发展,张拉剪切破坏成为了洞壁围岩的主要破坏机制。针对此问题,开展了硬脆性大理岩的室内拉剪试验,分析了大理岩拉剪破坏特征,并结合压剪试验结果,建立了考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则。研究结果表明,硬脆性大理岩破裂面在拉剪应力状态和低正应力压剪应力状态下均具有张拉剪切破坏特征,高正应力压剪应力状态下则只具有压缩剪切滑移特征;拉剪应力状态下,大理岩破裂面张拉破坏特征明显,无明显剪切痕迹,剪切力固定时,剪切位移随着轴向拉力增加而增加;凝聚力和内摩擦角受应力状态影响,凝聚力随正应力增大先减小后增大,内摩擦角则随正应力的增大而减小;凝聚力、内摩擦角随正应力的变化趋势可分为4段,拉剪段、低压应力段、中压应力段和高压应力段,每段的凝聚力、内摩擦角与正应力皆可认为是线性关系,靠近抗拉强度处,内摩擦角趋近90°,凝聚力趋于无穷大;考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则曲线分为两部分,可采用二次抛物线进行拟合的拉剪段和考虑凝聚力、内摩擦角随正应力演化的压剪段,由此建立的Mohr-Coulomb准则更全面、精度也更高。     

减围压平面应变压缩试验条件下丰浦砂中剪切带特性研究

不同于常规土体单元试验中恒定围压的应力路径,进行了减围压（卸载）应力路径下丰浦砂的平面应变压缩试验,研究了初始围压和初始相对密度对砂土的剪切强度和剪切带特性的影响。结合二维数字图像（DIC）相关方法,分析剪切带的形成过程,对剪切带的厚度和倾角及其影响因素进行定量地分析。研究结果表明,剪切带形成于峰值剪切强度之前;对于密实丰浦砂试样,随着围压的增加,其剪切强度(最大有效主应力比)减小且峰值强度出现越晚,剪切带厚度减小而剪切带倾角变化不大;丰浦砂试样的相对密度越高,剪切强度越大且峰值强度出现越早,剪切带厚度越小而剪切带倾角越高。此外,基于峰值内摩擦角的Coulomb公式可以较好地预测平面应变试验条件下丰浦砂的最大剪切带倾角。     

结构性黄土的剪切带及强度特性的真三轴试验研究

采用西安理工大学自主研发的真三轴仪,对西安白鹿原黄土进行了不同中主应力比值、不同固结围压的试验研究,探讨了黄土剪切带形成与峰值强度、中主应变与大主应变关系曲线、体应变与大主应变关系曲线特征点之间的联系以及子午平面、 平面上的强度变化规律。分析了真三轴应力条件下黄土强度变形规律和试样剪切带破坏模式和黄土在复杂应力状态下剪切带形成的判断依据和原因,研究表明,真三轴压缩原状黄土具有明显的剪切带,围压和中主应力比值较小时表现为软化,围压和中主应力比值较大时则表现为硬化;中主应变、体应变与大主应变关系曲线较为一致的转折点反映了土变形性状发生变化;与中主应变方向一致的剪切带两侧土结构块体产生相对滑移,剪切带开始形成和发展;土应变曲线的转折点可以作为土固结结构内剪切带形成的判断依据;子午平面上强度线呈线性变化规律, 平面上呈曲边三角形非线性变化规律,并且与 -SMP强度准则较为接近。不同应力条件下剪切带变化复杂的破坏模式与黄土原生的结构特征和加载共同作用的变化有密切联系。     

古土壤力学特性及其对黄土滑坡的意义

对宝鸡地区野外滑坡灾害调查的结果显示,古土壤与黄土交界面对黄土滑坡滑带具有明显的边界效应。为了研究剪切过程中古土壤的力学特性,开展了饱和原状古土壤偏压固结不排水剪(ACU)和常剪应力排水剪(CQD)试验。ACU试验表明:古土壤应力应变曲线在峰后表现为理想塑性特征,较低围压(100 k Pa)条件下发生剪胀破坏,围压≥200 k Pa时发生剪缩破坏。CQD试验结果表明:古土壤在排水条件下发生剪缩破坏,破坏时轴向应变很小,且破坏速率随固结应力增大而减小。根据试验结果得到了q-p’平面内古土壤临界状态线(CSL),求得φ’为28.8°。同时,结合已有研究成果对黄土和古土壤交界面在涉水过程出现局部破坏进行了机理探讨,这些局部破坏控制了潜在滑动面的边界。     

不同应力路径下超固结黏土试样变形局部化分析

基于改进伏斯列夫面超固结黏土三维本构模型,利用有限元软件ABAQUS材料子程序接口,采用回映应力更新算法,实现了该模型在有限元分析中的应用。通过该模型与比奥固结理论的耦合,对超固结比为8的超固结黏土在三轴压缩、三轴伸长及平面应变应力条件下的变形局部化问题,进行了水-土耦合弹塑性有限元分析。分析结果表明：剪切带带内、带外点经历不同应力路径;剪切带带外单元经历了体缩、剪胀及被吸水体缩过程,而剪切带带内单元一直保持剪胀趋势;剪切带的形成伴随着剪胀,剪切带内、外出现了负的孔压,且孔压的分布也具有局部化特性。关于剪切带带内、外的孔隙水压及体变变化趋势与剪切速率有关,而平面应变介于三轴压缩与三轴伸长之间,但平面应变较早出现剪切带。孔隙水的迁移速度影响剪切带带内单元的剪胀,进而影响剪切带的形成及发展;而围压和弱单元位置也对剪切带的形成也有影响。