高温-高含冰量冻结黏土强度试验研究

为研究高温-高含冰量冻土的强度特性,分别开展了不同温度、不同含水率的冻结黏土单轴无侧限抗压强度试验。分析了高温-高含冰量冻结黏土在单轴压缩试验过程中的破坏类型、应力-应变关系;单轴抗压强度与温度、含水率之间的关系以及饱和冻结黏土单轴抗压强度对温度的敏感性-含水率关系。研究结果表明：当温度低于-0.9 ℃时,高温-高含冰量冻结黏土存在最不利含水率,在相同的温度条件下,该含水率状态下冻土抗压强度最小;当温度高于-0.6 ℃时,高含冰量冻土随含水率的增加,单轴抗压强度增大。     

考虑沉积角影响的冻结砂土单轴压缩试验研究

寒区工程中的土颗粒在重力作用下沿优势方向沉积排列而形成横观各向同性冻土材料。不考虑沉积方向与荷载方向之间沉积角的影响可能会错误估计实际工程中冻土的变形特征与承载力。然而,现有文献尚未探究沉积角对冻土工程特性的影响。针对这一问题,开展了不同温度条件下沉积角对冻土单轴压缩变形与强度特性影响的试验研究。通过所研发的制样模具制备了具有4种不同沉积角δ的冻土试样（δ=0°、30°、60°和90°）,在设定的4种不同温度T条件下（T=-5、-10、-15℃和-20℃）对具有不同沉积角δ的冻土试样开展了单轴压缩试验,分析了T与δ对冻土的变形模式、破坏特征以及单轴抗压强度的显著影响。根据冻土应力-应变曲线的归一化结果及其软化段斜率的变化规律,将冻土单轴压缩变形模式在T与δ影响下分为变形模式I、II和III。根据结果可知,随着T降低以及δ趋于60°,冻土的变形模式趋于由变形模式I过渡到变形模式III,试样破坏模式由鼓胀的X形剪切带破坏趋于破坏范围较小的单剪切面破坏,而冻土单轴抗压强度随T降低而增大的同时,随δ增加表现出先减小后增大的趋势。     

冻土旁压试验与单轴试验对比

为了认识冻土旁压试验结果与常规试验结果之间的关系,在室内分别开展了冻结重塑黏土的旁压试验和单轴压缩试验,并对试验结果进行了对比分析。结果表明,在各级荷载作用下旁压曲线一般都呈现应变速率衰减的趋势,而单轴曲线在冻土破坏时会出现渐进流动阶段。旁压试验的应力-应变曲线呈现应变硬化型,而且出现初始拟弹性阶段;而单轴试验的应力-应变曲线则属于应变软化型,并在轴向应变大约为10%时达到剪应力峰值。温度相同时,旁压试验的剪切强度以及初始弹性模量都要大于单轴试验,且温度越低差值越大。     

干密度和温度对冻结膨胀土单轴压缩特性影响的试验研究北大核心CSCD

膨胀土是一种特殊的黏土,具有明显的胀缩性和多裂隙性,在寒区渠道工程中极易诱发各种冻害。单轴压缩特性是冻土物理力学特性的重要分支,为研究冻结膨胀土的单轴压缩特性,开展了不同干密度和温度下冻结膨胀土单轴压缩试验。试验结果表明:随着干密度的增加,各温度工况下试样的应力-应变关系曲线均由弱应变软化转为应变硬化形态,且试验温度越高,曲线的软化特征越显著。不同温度工况下试样的破坏模式差异明显。当试验温度为-2℃时,试样破坏时其表面出现明显的局部坍塌与剥落,而-5℃、-10℃和-15℃工况下试样的最终破坏形态均为“鼓状”破坏,试样表面无明显的裂缝和剪切面。冻结膨胀土试样的单轴抗压强度随干密度的增加而线性增大,亦随温度的降低而增大,但在不同的温度区间内增幅不同,其变化幅度主要与试样内部含冰量密切相关。此外,试样的弹性模量随着干密度的增大和温度的降低均线性增大。     

基于动态CT识别的冻土单轴压缩损伤本构模型

采用连续介质力学与热力学方法,建立了冻土单轴压缩损伤本构模型。以兰州冻结黄土为例,基于冻土单轴压缩动态CT试验,对冻土附加损伤的2个阶段,即塑性损伤和微裂纹扩展损伤分别采用硬化曲线法和动态CT识别方法进行了损伤计算,在此基础上给出了冻土附加损伤与弹性应变的对应关系,建立了基于试验的冻土损伤演化方程,并进行了有效应力的计算。     

月球极区冻结模拟月壤物理力学特性研究

近年来越来越多的探测结果表明,月球极区永久阴影区月壤中存在水冰。水是人类赖以生存的化学物质,也是理解月球独特的形成与演化过程的关键环节。因此,各航天大国均将月球极区作为探月工程的重要目标。冻结月壤的导热系数和单轴抗压强度是月球极区原位探测取样的基础和关键参数。本研究采用低温试验研究了冻结模拟月壤的导热系数和单轴抗压强度。结果表明：冻结模拟月壤导热系数随含水率增大而线性增大,冻结模拟月壤的导热系数为0.2~1.3 W?m^-1?K^-1。冻结模拟月壤单轴压缩过程中发生脆性破坏,5%含水率冻结模拟月壤单轴抗压强度约为5 MPa,10%含水率冻结模拟月壤单轴抗压强度约为13 MPa。在初始加载阶段,干密度相同、含水率不同的冻结模拟月壤试样因微裂纹压密导致的应变量基本相同;在线弹性阶段,冻结模拟月壤有效弹性模量随含水率增大而增大,其主要原因是含水率增大使得月壤颗粒间的冻结强度增大;在破坏阶段,含水率较高的冻结模拟月壤表现出脆性破坏特征,含水率较低的冻结模拟月壤表现出更显著的塑性特征。研究结果将为月球永久阴影区水冰探测方案制定、探测器研制等提供基础的科学数据支撑。     

冻融作用下裂隙类砂岩断裂特征与强度损失研究

寒区裂隙岩体中经常发生水冰相变产生冻胀力,冻胀力的反复作用会驱动岩体裂隙扩展、贯通甚至断裂破坏。通过在类砂岩试样中预制不同倾角的单开口裂隙,分别进行预冷和不预冷饱水裂隙冻融循环试验及冻融后的单轴压缩试验,探究冻结方式和裂隙倾角对裂隙冻胀扩展过程、断裂破坏特征及单轴强度的影响机制。试验结果表明,裂隙冻胀力是驱使裂隙冻融扩展的主要动力且与裂隙水的冻结方式密切相关,采用预冷方式冻结会引起绝大部分裂隙水挤出而难以形成冻胀裂纹;在非预冷冻结方式下冻胀裂纹一般先沿着预制裂隙共面方向扩展,但由于边界效应而逐渐转向短边,共面扩展长度与裂隙倾角呈正相关;当预制裂隙倾角在60°～90°时,岩体容易沿着冻胀裂纹方向发生压缩破坏,从而引起岩体单轴抗压强度降低。研究结果可为揭示裂隙岩体冻融损伤机制及开展寒区岩体工程建设提供借鉴。     

不同温度下冻土单轴抗压强度与电阻率关系研究

为了研究青藏铁路路基在载荷下的力学行为,探索新型手段快速准确地估计冻土的单轴抗压强度参数,采用北麓河粉质黏土在室内进行了不同温度的冻土单轴压缩试验,并全过程监测土样电阻率的变化,得到了冻土的应力-应变-电阻率全过程曲线。试验结果表明,在干密度 1.71 g/cm3且含水率 17.83 %下,冻土的单轴抗压强度随温度降低而线性增加;初始电阻率 随温度降低逐渐增大,从-20℃对温度的敏感性开始显著增强;冻土单轴抗压强度与初始电阻率之间满足半对数线性关系,相关性很好,因此测定初始电阻率可准确估算冻土的 。从应力-应变-电阻率全过程曲线来看,冻土在单轴载荷作用下经历的压密、弹性变形、塑性屈服、破裂后各阶段对应电阻率变化趋势是快速减小至最小、稳定增加、剧烈增加,这种关联的变化关系也说明用电阻率法来研究冻土强度及载荷下的变形问题是可行的。     

高围压下冻结粘土的抗压强度试验研究

以取自华东某地的深部粘土为研究对象,根据室内单轴和三轴压缩试验的试验结果,分析了高围压下冻结粘土的应力-应变行为与单轴压缩条件下应力-应变行为的异同,并讨论了围压和温度对冻结粘土强度的作用.     

冻结土石混合体在单轴压缩下的变形和声发射特征研究

冻结土石混合体具有明显的各向异性和结构效应,相比于冻土,其物理力学行为更加复杂。为了研究冻结土石混合体受压条件下的破坏过程和声发射特征,本文对含石量分别为30%、40%、50%的人工冻结土石混合体试样和不同含水量青藏公路冻结路基砂土石混填物试样进行单轴压缩下的声发射试验。结果表明：（1）与常温土石混合体相比,冻结土石混合体试样受冰晶和冻土的蠕变作用,在单轴压缩过程中表现出轴向应力峰后裂纹发育的变形模式。（2）受冰晶体破裂的影响,冻结土石混合体在加载初始压密阶段就出现一定数量的声发射事件,轴向应力峰后阶段也存在明显的声发射活动,呈现声发射活动的多峰特征。含石量越大,峰后声发射活动越强,且基质土为黏质粉土的土石混合体峰后声发射活动要强于基质土为砂土的冻结土石混合体。（3）冻结黏质粉土的蠕变性质和含石量的大小共同影响试样内部的变形特征。冻结土含量越高,土体越易裹挟块石做整体运动,不利于裂隙的发育,试样多见鼓胀变形,声发射活动较少;当含石量较大时,土石界面数量多,土体与块石差异运动明显,试样以裂隙扩展为主,声发射事件增多,整体变形不明显。     

黄泛区地铁渣土制备高流动土试验研究

利用黄泛区地铁工程废弃土制备不同配比的高流动土,并对其工程特性及应用进行研究,提高工程废弃土的利用率,为实现工程低碳排放具有重要意义.取用郑州地区地铁工程废弃粉黏土、粉砂土作为原料,掺入一定比例的水泥和水,配制了24组不同土类、不同配合比、不同预拌时间等影响的流动土试样.利用流动性试验、泌水试验测试时间对流动土流动特性的影响,推荐了粉黏流动土流动性随时间变化经验公式.通过图像三轴仪,测试了粉黏流动土固化后的无侧限强度及变形特征,分析了不同破坏模式.试验结果表明,粉砂土流动土的流动性强于粉黏流动土,泡沫能增加流动土的流动性.大部分流动土在2小时内流动性能满足工程的要求,当需要增加预拌时间时,需要综合考虑强度和流动性需求.粉黏流动土试样剪切后有剪切破坏、压缩破坏、劈裂破坏等3种破坏模式,其受水泥掺量不同而改变.通过流动损失率、强度、变形等分析了该地区高流动土的工程应用控制指标和对策,对于指导该地区地铁废弃渣土的工程应用提供试验依据.      

基于GDS的黏土非线性渗透特性试验研究

基于黏土渗透性与孔隙比的非线性关系,讨论和总结了4种渗透模型,即 渗透模型、 渗透模型、 渗透模型和 渗透模型。来用GDS高级固结仪,对萧山黏土8个试样进行了一维固结渗透联合试验,使用直接法整理固结压力作用下渗透系数等试验结果,分析了对应于4种非线性渗透模型的土性参数。试验与分析结果表明,萧山黏土渗透性随固结压力增加呈现非线性减少,在50～1 600 kPa压力作用下其的渗透系数从8 ? 10-8 cm•s-1减少为8×10-9 cm•s-1;4种非线性渗透模型对萧山黏土都是适用的。     

深部人工冻结黏土三轴蠕变试验研究

通过将试样等向固结再冻结, 然后保持轴压不变进行径向卸载的实验方法, 获得深部冻结黏土在复杂应力状态下的蠕变变形规律. 对冻黏土进行了大量的三轴蠕变试验, 得到了在冻结温度不同和固结围压不同条件下的蠕变试验结果. 结果表明: 在较低的偏应力水平下, 试样只发生前两个阶段的蠕变变形, 且蠕变变形量超过总变形量的70%; 当试样偏应力值高于某一临界值时会出现加速蠕变阶段, 蠕变变形量超过总变形量的80%. 可以用改进的Zienkiewicz-Pande抛物线型屈服准则来描述加速蠕变阶段的临界应力.     

Experimental study of mechanical and hydraulic properties of bedded rock salt from the Jintan location

A series of triaxial compression tests, triaxial extension tests, and triaxial compression creep tests were conducted to evaluate the strength, deformability, and permeability of rock salt from the Jintan location. Based on a previous analysis, the measured data can be physically modeled very well as shown by the constitutive model Hou/Lux and indicate that China’s representative bedded rock salt from the Jintan location is characterized by good ductility and deformation properties, similar to the European high-purity rock salt. Based on a comparison of compression as well as extension failure strength determined at rock salt from Jintan location, a similarity of compression and extension failure strength could be demonstrated. Permeation flow seems to be an anisotropic process because the permeability measured at samples prior to failure by compression tests differs to those measured at samples prior to failure by extension tests. The anisotropy of damage and destruction of rock salt has a significant influence on permeability. In case of triaxial compression tests, the measured permeability increases two to six orders of magnitude because of consistent direction of injection and cracks. In case of triaxial extension tests, however, the permeability increases less with a maximum of two orders in magnitude. The test results are significant for understanding the load-bearing behavior of rock salt from Jintan location and investigations with reference to the stability and tightness of underground caverns.     

Strength of two structured soils in triaxial compression

Oil sands are dense granular materials with interlocked structure and clay shales are heavily overconsolidated clays. They are classified as structured soil or weak rock, exhibiting high peak strength with severe softening and dilation, particularly at low confining stress. The triaxial compression test results indicate that both materials yield linear Mohr–Coulomb envelopes with an apparent cohesion for peak and residual strengths. However, the strength components mobilized from these two materials are very different. This paper investigates if these strength parameters are intrinsic properties or responses derived in triaxial compression conditions. Computer tomography scanning technique is used to aid in examining the micro‐structural features of the sheared specimens such as shear banding pattern, shear band thickness, spatial porosity distributions inside and outside shear bands. These micro‐structural features are used to explain the macro‐deformation response observed in the triaxial compression tests. Mobilization of strength components derived from interlocked structure, cementation, dilation, rolling and critical state are analysed for pre‐, post‐peak softening and residual stages. It is found that the empirical correlation such as Mohr–Coulomb failure criterion based on triaxial compression test results does not necessarily reflect the intrinsic properties of the test materials. Testing conditions are embedded in the empirical correlation. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

定向剪切应力路径下冻结黏土变形特性试验

为研究复杂应力路径下冻土的强度与变形特征,采用冻土空心圆柱仪（FHCA-300）对不同负温状态下的饱和冻结黏土开展定向剪切试验,基于不同剪切方向下冻结黏土的轴向和扭剪分量的应力-应变关系,探讨土样的剪切变形特征、各向异性属性以及剪切带的演变规律,并考察温度、大主应力方向角、平均主应力以及中主应力系数等因素对冻结黏土强度的影响。结果表明：平均主应力p值对冻结黏土的应力-应变关系影响显著,尤其是p=4.5 MPa时具有较高的剪切强度,且该值可能为压融临界p值;大主应力方向变化会诱发冻结黏土的各向异性,随着大主应力方向角的增加,冻结黏土剪切强度逐渐降低,并有明显的剪切带产生;中主应力系数的增加使得轴向强度有逐渐降低的趋势,但对剪切强度影响不明显;随着温度的降低,冻结黏土强度逐渐增大,试样发生脆性破坏并出现剪切破裂面,其剪切强度主要取决于冰颗粒和土颗粒的胶结力。     

应变率与含水率对冻土单轴压缩特性影响研究

通过对泥浆制样法制备的冻结粉质砂土的单轴压缩试验,系统地研究了冻结砂土在一个宽泛应变率以及含水率范围内的单轴压缩破坏应变特性和线弹模量特性。结果表明：随着应变率的增加,当含水率为12.0%,破坏应变逐渐增大;当含水率在16.7%～24.0%范围内时,破坏应变先增大后减小;当含水率大于等于30.6%时,破坏应变逐渐减小,3种情况下破坏应变最终都逐渐趋于稳定。破坏应变随含水率增加而先急剧增大到一个最大值,然后急剧减小,当含水率超过41.5%时,基本趋于冰的破坏应变。线弹模量先随着应变率的增大而非线性增大到一个最大值,然后应变率的继续增大使线弹模量逐渐减小,线弹模量与应变率的关系满足二次抛物函数规律。在温度为 2.0 ℃,应变率小于4.67×10-3 s-1的条件下,线弹模量随着含水率的增大而非线性增大,直至最后趋于冰的线弹模量;而在大于等于该应变率的条件下,随着含水率的增大,线弹模量先增大到一个最大值,然后减小趋于冰的线弹模量。当温度为 5.0 ℃时,类似的应变率临界值为1.00×10-2 s-1。     

Investigation of a Limestone Pillar Failure Part 1: Geology, Laboratory Testing and Numerical Modeling

Summary A pillar failure at shallow depth of overburden, featuring the recent formation of subvertical open cracks in the rock was observed. An extensive laboratory test program including Brazilian tests, uniaxial and triaxial compression tests for obtaining strength and deformation characteristics of the limestone was executed. Strength from single and multiple failure triaxial compression tests on intact rock and from tests on small scale rock mass specimens were obtained. Classification of the rock mass was conducted for use with the Hoek-Brown strength criterion. Numerical analysis shows that the strength of the rock mass exceeds by far the applied stress, suggesting a stable pillar. This typical rock engineering approach to assess rock mass stability is shown to be inadequate.