K0固结粗粒土剪胀特性大型三轴试验研究

采用大型三轴剪切仪对不同相对密度的双江口心墙坝覆盖层料,进行了 固结及各向等压固结条件下的排水剪切试验,探讨了 固结及各向等压固结条件下粗粒土剪胀性的差异,并检验了修正Rowe剪胀方程对 固结粗粒土的适用性。结果表明：粗粒土在 固结条件下,较各向等压固结条件下的剪胀性明显,且这种差异性在密度较小的粗粒料中体现较为突出,而随着密度的增加,差异性逐渐减弱;对试验数据进行非线性拟合,总结出剪胀因子 与相对密度 、围压 之间的关系式,据此可分析不同紧密程度粗粒料剪胀性的强弱;对 固结粗粒土,修正Rowe剪胀方程能较好地描述其剪胀性。     

材料状态对粗粒料力学特性影响的试验研究

粗粒料的力学特性与材料状态诸如围压、密度、岩性、级配等因素密切相关。通过粗粒料常规大型三轴各向等压固结排水剪切试验,研究了材料状态对粗粒料力学特性的影响,试验结果表明,初始干密度越小,应力–应变曲线硬化性越强,剪缩性越明显,随着初始干密度的增大,应力–应变曲线的软化性和剪胀性逐渐增强;岩性对粗粒料的力学特性也有明显影响,岩性越硬,应力–应变曲线的软化现象越明显,试样的剪胀性也越大,抗剪强度也越高;级配对粗粒料的力学特性也有重要影响,粗砂和细砾含量相同时,粗砾含量越低,粗粒料抗剪强度越小,体胀变形越大;不同围压的试样孔隙比随着剪切变形的发展逐渐趋向于临界孔隙比,且在平均正应力对数坐标系内呈较好的线性关系;围压、密度、岩性、级配等影响因素下,粗粒料的Rowe剪胀模型参数的归一性都较好,说明Rowe剪胀模型能反映粗粒料的材料状态对其力学特性的影响。     

冻结粉土三轴压缩变形破坏与能量特征分析

对不同温度和不同围压下的青藏冻结粉土进行了三轴压缩与加卸载试验,得到冻结粉土应力-应变关系曲线、抗压强度等力学参数随温度与围压变化的关系。结果表明,冻结粉土典型应力-应变曲线在低围压下大致可以分为线弹性、峰前塑性变形与峰后软化3个阶段。当? 3 < 3.0 MPa时,应力-应变曲线具有明显的峰后软化现象,随围压的增大,软化现象逐渐减弱,当? 3 达到14 MPa,应变软化现象重新变得明显;冻结粉土的强度与变形模量均随围压的增加先升后降;低围压作用下冻结粉土体积随轴向应变的增加先缩后胀,而高围压下体积变形只有体缩;低围压下冻结粉土体积塑性变形耗散能先是随着体积塑性变形增大而增大,之后由于剪胀而减少,高围压下体积塑性变形耗散能始终增加;剪切塑性变形耗散能与塑性剪应变之间近似成抛物线的关系。     

粗粒土的一种应变硬化模型

堆石料等粗粒土在经受剪切时不仅其强度和刚度随应力水平而变化,其体积变化特征也和应力水平密切相关。在Mohr-Coulomb模型的基础上,提出一个针对这类粗粒土剪切特征的应变硬化模型。模型以Mohr-Coulomb准则作为屈服准则,但考虑土体强度、刚度和体积变化特征均随应力水平而变化等重要特性。对Rowe剪胀理论的推导及其试验基础进行了深入讨论,指出该理论对于粗粒土的局限性,并在此基础上针对粗粒土的剪胀特性进一步发展给出其机动剪胀角的变化规律。与试验结果的计算对比表明,该模型能较为全面地反映粗粒土的主要剪切特性,特别是剪切时的体积变化特性,且相对简便实用。     

不同围压下煤岩变形与剪胀扩容模型

在RMT-150B岩石力学试验系统上进行了煤岩的变形和剪胀特性研究,获得如下结论:随着围压增加煤岩均质性明显提高,峰值前变形特性基本趋于一致,屈服阶段逐渐增长;煤岩体变扩容初始点发生在应变硬化阶段,最大扩容率在应变软化阶段,且随着围压增加体变对围压的敏感性减小;为了准确表达煤岩在破坏过程中的非线性体积变化行为,建立了同时考虑塑性剪切应变和围压影响的煤岩剪胀角模型,该模型表明在较小塑性剪切应变下剪胀角即达到峰值,之后不断缓慢回落,围压越小对应的剪胀角峰值越大,小围压下峰值剪胀角对应的塑性剪切应变也较小。     

基于状态参数的粗粒土应变软化和剪胀性模型研究

基于状态参数的概念,将粗粒土峰值应力比和剪胀比视为状态参数的函数,同时考虑初始模量随围压的变化,提出了一个弹塑性模型和模型参数的确定方法。该模型形式较简单,概念清晰,可以描述较大的密度和压力范围内粗粒土的应变软化和剪胀性,以及它们对物理状态和有效围压的依赖性。通过比较模型预测与粗粒土的三轴试验结果,证明了模型的合理性。     

水泥砾质土三轴试验研究

对某水泥砾质土进行了三轴固结排水剪切试验,研究在不同水泥掺入比下水泥砾质土应力-应变关系和强度特性。结果表明：随水泥掺入比的增加,水泥砾质土试样在不同围压下应力-应变关系曲线均表现出不同程度的软化和剪胀现象,尤其在低围压（200 kPa）和高水泥掺入比（8%）下,剪胀性比较明显;在相同水泥掺入比下,峰值强度 随围压的增加近似呈线性增长;与不掺水泥砾质土相比,水泥砾质土的内摩擦角 因掺入不同量的水泥而得到不同程度的提高,黏聚力 随水泥掺入比的增加呈增长趋势,且增幅显著;割线模量 和 均随围压和水泥掺入比的增加而增加。不同高度的心墙堆石坝三维有限元算例的计算结果表明：水泥砾质土作为心墙材料可以显著降低土石坝心墙沉降。     

粗粒土的颗粒破碎耗能及剪胀方程研究

颗粒破碎对于粗粒土的应力变形性质有显著影响。在Rowe剪胀方程的基础上考虑颗粒破碎耗能的影响,并引入颗粒破碎的演化规律对颗粒破碎耗能进行计算,得到了一个简单实用且对粗粒土适用性较好的剪胀方程。主要结论如下：（1）通过粗粒土的三轴CD试验结果分析并证明了弹性应变对于剪胀比的影响较小,因此,可以将剪胀比 表示为 ,进而得到了剪胀方程表达式的一般形式。（2）将剪胀方程中的临界状态应力比Mc折减为摩擦系数M,并引入了颗粒破碎的演化规律,将M定量表示为广义剪应变的函数,从而使得所计算的破碎耗能在剪切过程中是递增的,且逐渐趋于稳定值,符合了颗粒破碎不可逆的规律。（3）试验表明,剪胀方程中的未知量 与摩擦系数M之间呈现显著的线性关系,将该关系代入剪胀方程即确定了方程的具体表达形式,并且利用堆石料的三轴CD试验证明了其对粗粒土的剪胀性预测效果较好。     

颗粒破碎对钙质砂的应力-应变及强度影响研究

压力作用下颗粒发生破碎是引起砂土力学特性变化的重要因素之一, 对于钙质砂这种易破碎的材料更是如此。为进一步弄清颗粒破碎对钙质砂的应力-应变强度影响, 本文对钙质砂进行三轴固结排水剪切试验得到应力-应变曲线, 并筛分得到三轴试验前后钙质砂颗分曲线。通过引入Hardin定义的颗粒相对破碎率Br, 分析了相对密度、围压与颗粒破碎的关系及颗粒破碎对钙质砂应力-应变和抗剪强度的影响。结果表明:随围压的增大颗粒破碎增量逐渐减小, 直到破碎达到一个上限值, 此时围压和相对密度对颗粒破碎影响很小; 颗粒间的滑动标志着应力达到极限状态, 而颗粒破碎会阻碍应力达到极限状态, 在本实验中, 低围压时颗粒破碎少, 颗粒相对运动形式为滑移, 使应力-应变曲线为软化型, 高围压下颗粒破碎严重, 颗粒破碎在剪切过程中始终发生, 使应力-应变曲线呈应变硬化型; 颗粒破碎使体变从剪胀逐渐发展到剪缩, 且破碎越严重剪缩越严重; 在低围压下钙质砂强度主要由剪胀和咬合提供, 高围压下颗粒破碎严重, 剪胀消失, 咬合减小, 使峰值摩擦角减小, 抗剪强度降低。     

邓肯-张模型和沈珠江双屈服面模型的改进

邓肯-张非线性弹性模型和沈珠江双屈服面弹塑性模型已经被广泛地应用于高土石坝等土工建筑物应力位移分析中，但是邓肯-张模型存在不能反映土剪胀性的缺陷，沈珠江模型在高围压或较大剪应变条件下也存在模拟土剪胀性偏大的不足。笔者提出了一个能够统一模拟低围压到高围压条件下土剪胀特性的数学表达式，对上述两个模型进行了改进。采用粗粒土的大型三轴试验结果的初步验证分析表明，改进模型能较好地拟合粗粒土在低围压条件下剪胀以及高围压条件下剪缩的应-应变特性。     

粗粒料强度和变形的大型三轴试验研究

通过大型三轴试验,对高低围压下粗粒料的应力应变特性、抗剪强度、内摩擦角和颗粒破碎特性进行了对比分析,并探讨了不同泥岩含量对堆石坝料强度的影响。结果表明：中高围压下粗粒料表现出应变硬化特性和剪缩,强度包线和不同围压下的最大主应力比与剪胀率的关系近似为线性,而低围压下主要表现为应变软化和剪胀,抗剪强度包线等表现为非线性。随着围压的增加,主应力比降低、颗粒破碎率增大、内摩擦角减小。泥岩含量的增加使颗粒表面的摩擦阻力与粒间的咬合力减弱,导致抗剪强度降低。     

基于沈珠江双屈服面模型理论的土体弹塑性模型

由于常用的邓肯E-μ、E—B模型的经验公式不能同时很好地反映粗粒土三轴剪切试验结果低围压剪胀、高围压剪缩变形特点,邓肯E-μ、E-B模型基于的广义虎克定律不能反映土体剪胀剪缩特性,所以笔者应用笔者发现的三轴剪切体变规律和沈珠江双屈服面模型理论相结合建立了基于沈珠江双屈服面模型理论的弹塑性模型,该模型能够很好地反映土体的剪胀剪缩特性,能够准确地拟合等围压剪切试验结果,能够很好地预测等应力比路径,等平均主应力路径,等大主应力,小主应力减小路径,小主应力和剪应力同等减小的应力路径的试验结果。     

粗粒土剪胀性大型三轴试验研究

剪胀性是土体显著区别于一般弹性材料的基本特性,与土体的强度和变形特性密切相关。通过4组不同初始密度的塔城砂砾石常规大型三轴试验,研究剪胀性对粗粒土强度和变形特性的影响。试验结果表明,（1）若体变速率（体变和轴向应变均以压缩为正）先从正值减小到负值并达到最小值,随后又有所增大但仍小于0,则应力-应变曲线为软化型,在比值为最小值时土体剪胀性最大,对应于峰值强度,若体变速率从某一正值单调减小并一直大于0,则应力-应变曲线为硬化型;（2）体变变化趋势取决于剪胀性和压缩性的大小,剪切后期若剪胀速率大于压缩速率,则体变先压缩后膨胀,应力-应变曲线呈软化型,反之若剪胀速率小于压缩速率,则体变一直是压缩的,应力-应变曲线呈硬化型。研究结果对于加深认识粗粒土的强度和变形特性具有重要意义。     

考虑应变局部化的粗粒料剪切损伤力学机制

针对粗粒料的应变软化、剪胀等力学特性,通过考虑以剪切带为标志的应变局部化现象,建立了具有广泛适用性的剪切损伤力学模型。损伤模型采用了包体理论中的剪切带数学简化,基于应变等价原理、Weibull分布,推导了粗粒料的应力-应变关系方程。从剪胀作用的机制出发,提出可以描述剪胀弱化的轴向塑性应变和体积塑性应变的非线性函数关系。结合粗粒料三轴压缩试验中的伺服过程,提出了基于遗传算法的损伤模型参数确定方法。通过开展不同围压下的粗粒料三轴压缩试验,对剪切损伤力学模型进行验证,进一步分析了参数演化对粗粒料强度和变形特征的影响。研究结果表明,考虑应变局部化特征的剪切损伤力学模型可以高精度的模拟粗粒料的应变软化和剪胀等特征,有效揭示剪切带内部变形对试样整体宏观变形的影响机制,模型中剪切带参数和围压的关系与粗粒料细观机制一致,计算得到强度组成与颗粒破碎、重组特征较为吻合。     

基于损伤控制方法的大理岩非线性剪胀特性试验研究

剪胀角是描述岩石体积膨胀扩容的常用参数,在非关联流动法则中,连续介质理论通常假设剪胀角为0;在关联流动法则中,其值恒定且等于内摩擦角。岩石三轴压缩全过程体应变曲线表明,其体积剪胀性依赖于围压和塑性参量,破坏过程中不仅其特征强度随围压和塑性参量呈非线性变化,而且剪胀特性也表现出非线性特征。基于塑性力学理论,针对锦屏大理岩损伤控制的全过程三轴加、卸载试验,采用双参数非线性函数拟合方法建立了能同时考虑围压效应和塑性参量的非线性剪胀角模型。结果表明,对于大理岩、中硬岩,在破坏过程中扩容行为强烈依赖围压和岩石塑性参量,均表现出先快速增加至峰值后,随着塑性变形增加逐渐减小的非线性演化规律。提出的双参数非线性剪胀角模型很好地描述了岩石破坏过程中的体积扩容特性,其结果对于研究地下工程围岩应力变化诱发的围岩剪胀破坏机制、体积扩容膨胀区范围预测和围岩支护的合理设计均具有一定的理论和工程应用价值。     

巨粒土大型三轴试验研究

通过大型三轴试验,对巨粒土在低围压下的应力-应变特性、抗剪强度特性以及水对强度和变形的影响进行了分析。结果表明：在较低围压情况下,应力-应变曲线表现为弱应变软化型或应变硬化型,其形态主要决定于围压的大小,而其体变特征首先表现出体积收缩,随着轴向应变的增加,逐渐转为体积膨胀,随着围压的增大,剪胀逐渐减弱并过渡到完全体缩,但体缩率逐渐减小直至趋于稳定;巨粒土的抗剪强度随着应力水平的变化,表现出非线性特性,一般随着围压增大,强度参数 降低;水对巨粒土的压缩特性和剪切特性有重要影响,主要表现为压缩系数增大,抗剪强度降低。     

K0固结条件下粗粒土变形及强度特性研究

采用大三轴剪切仪对不同相对密度的双江口心墙坝覆盖层料,进行了K0固结及各向等压固结条件下的排水剪切试验,探讨了K0固结过程中粗粒土的变形特性。将K0固结与等压固结条件下的排水剪切试验的结果进行了对比分析。结果表明,K0固结加载阶段,平均主应力p与体应变? v之间、剪应力q剪应变? s之间的关系都可用幂函数形式表示。K0固结稳压阶段,? a-t关系呈指数关系。与等压固结试验相比,K0固结试样的排水剪强度略大。K0固结排水剪试验所得到的初始弹性模量Ei、初始泊松比vi均大于等压固结排水剪试验相同应力条件下的弹性模量、泊松比;且K0固结条件下试样的剪胀性也较为明显。