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。     

主动围压状态人工冻结砂土SHPB试验与分析

为研究主动围压状态人工冻结砂土的动态力学性能,利用直径50 mm变截面分离式霍普金森压杆试验装置,以取自山东济宁某矿-94.52 m处冻结砂土为研究对象,对长径比为0.5的冻结砂土试件进行主动围压状态下的冲击压缩试验,分析了主动围压和应变率对冻结砂土动态力学性能的影响。研究结果表明,无围压状态下,冻结砂土动态应力-应变曲线可分为弹性阶段、塑性阶段、黏性阶段和破坏阶段,冻结砂土呈脆性破坏;主动围压状态下,应力-应变曲线塑性阶段明显增长,无黏性阶段,冻结砂土呈微裂破坏。相同条件下,主动围压状态下冻结砂土的动态抗压强度均高于无围压状态,且随着围压的增大,动态抗压强度逐渐增大;当应变率为220 s~(-1),温度为-15℃时,主动围压为0.5、1.0、1.5、2.0 MPa的动态抗压强度为无围压状态下的119%、140%、158%和181%。不同主动围压下的应力-应变曲线表现出汇聚现象,汇聚点趋向于无围压状态。冻结砂土的动态抗压强度随应变率的提高而增加。     

基于结构性的冻结黄土力学特性试验研究

通过对重塑冻结黄土和人工结构性冻结黄土（通过对重塑黄土添加水泥获取）进行室内三轴剪切试验,研究了围压、含水量、温度、水泥含量等因素对冻结黄土力学行为的影响. 结果表明：不同试验条件下,非饱和土试样和饱和土试样的应力-应变关系呈现不同的特点. 温度和围压是影响冻土体强度的主要因素,温度越低,其破坏强度越高;非饱和土样强度随围压增大而增大,饱和土体强度受围压影响很小. 初始含水量是影响冻土体强度的另一主要因素,对非饱和土样,随着含水量的增加土体强度逐渐增高,达到某一峰值之后随含水量继续增加而减小,饱和土体强度最低. 对非饱和土样,水泥含量越高,对应的破坏强度也就越大;但对饱和土样,水泥含量对冻土的应力-应变行为及强度影响不大. 最后,提出了与所试验土体强度参数相关的综合性系数M,通过回归分析,得出了其与c和tan φ的关系,并验证了其可靠性.     

试件形状对冻结粉土抗压强度影响的试验研究

在不同温度和应变率条件下,分别对圆柱体和正方体冻结粉土进行了单轴抗压强度试验,分析比较了二者的应力-应变关系、抗压强度及破坏应变.结果发现:单轴压缩下正方体与圆柱体冻结粉土的力学性质存在差异.正方体冻结粉土的应力-应变曲线有明显的弹性屈服点,屈服点后曲线呈线性硬化,而圆柱体冻结粉土的应力-应变曲线无明显弹性屈服,全应力-应变曲线呈抛物线型.相同温度和应变率条件下,圆柱体试样的应变软化程度比正方体试样大.相同试验条件下正方体冻结粉土的抗压强度及破坏应变大于圆柱体的抗压强度和破坏应变,二者抗压强度及破坏应变的差异程度与温度和应变率无关.研究结果可为冻结壁的设计提供重要依据和参考.     

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。     

冻结砂土的强度特性

本主要阐述在一定的加荷速率下，围压和温度对冻结兰州砂土应力－应变特性的影响。试验表明，围压的增大或温度的升高明显增强了冻结砂土的塑性及应变硬化性能。随着围压的增大，冻结砂土的极限偏应力强度和轴向破坏应变增大，随着温度的降低，极限偏应力强度增加，而轴向破坏应变减小，但是当围压为零时，轴向破坏应变不随温度变化，当平均法向应力σ≤６ＭＰａ时，冻结砂土抗剪强度近似服从库仓定律，此时粘聚力和内摩擦角随温度     

风化砂改良膨胀土的动力特性研究

风化砂与膨胀土结合作为路基具有操作工艺简单、环保友好、费用低廉等优点。通过GDS动三轴试验,研究不同围压、振动频率对风化砂改良膨胀土动强度、动弹性模量与等效阻尼比等动力特性参数的影响规律。试验结果表明,风化砂改良膨胀土的应力-应变骨干曲线及阻尼比与应变关系均可用双曲线函数描述;随着动应变增加,风化砂改良膨胀土动弹性模量减小,阻尼比增大;在循环动应力作用下风化砂改良膨胀土应力-应变关系曲线呈封闭滞回圈,滞回曲线轴线随动应力增加逐渐拉长且斜率减小,土样呈现出典型的应变软化特征;随着围压和加载频率增大,风化砂改良膨胀土动弹模增大,阻尼比减小;频率对动弹模影响集中在应变ε_d0.2%范围内,对阻尼比的影响集中在ε_d0.1%范围内。     

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。     

高含冰量冻结粉土单轴受压损伤特性试验分析

为了研究高含冰量冻结粉土的应力-应变关系及结构的内部损伤演化过程,利用SOMATOM-PLUS X射线螺旋CT机对-1、-2、-4℃下的冻结粉土进行了单轴压缩实时CT扫描试验,探讨了温度对高含冰量冻结粉土的宏观力学性能及微观损伤演化过程的影响。通过试验结果可以看出：冻结粉土的应力-应变关系曲线大致经历线弹性变形阶段、损伤演化阶段与峰后软化阶段;高负温下温度对冻结粉土初始弹性模量影响不是很明显,而对冻结粉土强度的影响则比较大;温度从-1℃降到-2℃,强度大约可以提高63%,而从-2℃降到-4℃,强度可以提高约为36%;CT扫描各层初始密度损伤并不完全相同,但各层密度随着应变变化的趋势大致相同,中环、全区的密度随着应变的增加而减小,外区密度则随着轴向应变的增加而增大。     

冻结盐渍砂土单轴强度特性研究

通过对兰州盐渍砂土重塑土添加不同量的盐分来模拟不同含盐量的盐渍土, 并对其进行单轴抗压试验, 分析其在不同含盐量、不同温度及不同速率的应变加载情况下, 冻结盐渍砂土的单轴抗压强度的变化规律, 重点讨论了盐分对土体力学参数的影响以及弹性模量与含盐量、温度的关系. 结果表明: 易溶盐含量的增加会导致单轴抗压强度逐渐降低, 试验温度越低抗压强度会越大; 应变加载速率的增加会增大土体的单轴抗压强度, 同时会缩短土体达到应力峰值的时间; 土体含盐量越大弹性模量越小, 温度越低弹性模量越大.     

水泥土芯样强度变形特性及本构关系试验研究

为了研究现场施工工艺下水泥土的强度及变形特性,对水泥搅拌桩钻孔芯样进行了无侧限抗压强度试验与三轴试验,分析了水泥掺量与围压对水泥土芯样强度、变形特性的影响规律。结果表明：随着水泥掺量的提高,水泥土芯样的强度明显增强,变形模量显著增大,但其破坏应变变小,脆性增大;水泥掺量超过18%的水泥土芯样其应力-应变关系表现为软化型,随着围压的提高,其强度增强,破坏应变增大,脆性降低,且应力-应变关系曲线有可能发生转型;不同围压下的水泥土芯样三轴试验先为体缩,后变化为体胀,发生剪胀的应变较破坏应变略小,是由剪切面上颗粒错动引起的,在颗粒错动达到一定程度后抗剪强度才发挥到峰值;水泥土的结构屈服应力比较大,在围压的作用下其胶结结构未发生破损,强度包线满足摩尔-库仑线性强度规律;根据水泥土的强度变形特征,应力-应变全曲线分弹性、塑性、软化3个阶段,可采用Popovics模型对其进行模拟,与试验结果较为吻合。     

冻土的单轴抗压、抗拉强度特性试验研究

在寒区工程建筑物设计中,冻土的抗压、抗拉强度是两个重要的力学指标.在负温条件下,对粉质黏土、黄土和砂土进行单轴抗压和劈裂抗拉试验,研究冻土破坏时的破坏形态、破坏机理、应力-应变曲线和拉应力与径向位移关系曲线的形式,分析单轴抗压强度和劈裂抗拉强度的差异以及这两种强度随土质特性和温度的变化规律.试验结果表明：单轴载荷作用下试样破坏后呈鼓状,且表现为应变软化型塑性破坏特征;劈裂作用下产生沿直径向试样两侧延伸的裂缝,不同土质破坏后裂缝扩展的宽度和深度不同;冻土的抗压强度与抗拉强度均与负温存在很好的线性相关性,随温度的降低而增大;在相同温度条件下,冻土的抗压强度大于其抗拉强度;对于同一种冻土,其抗压强度的温度效应比抗拉强度的温度效应显著.本试验分析结果可为寒区工程的实际应用提供参考.     

高围压下冻结砂土的强度特性

在高围压条件下，对冻结兰州砂土在不同温度和不同应变速度下进行三轴压缩试验，试验结果表明，围压的增大和应变速度的减小明显增强了冻土的塑性性能；同时，随围压的增大，冻土的抗剪强度增加，但随围压的进一步增加，它出现降低的趋势，存在一个临界 围压，此临界围压值随温度的变化而变化，但不随应变速率而变化。     

高温作用后花岗岩三轴压缩试验研究

为综合考察温度、围压对花岗岩力学性质及破坏方式的影响,在高温（25℃～1 000 ℃）作用后,利用MTS815.02电液伺服材料试验系统对花岗岩岩样进行不同围压作用下的三轴压缩试验。研究结果表明,（1）围压一定时,经历不同高温作用后花岗岩三轴压缩全应力-应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏、塑性流动5个阶段;（2）经历不同高温作用后岩样三轴抗压强度与围压呈非线性二次多项式增长关系,围压为40 MPa时的抗压强度比单轴抗压强度提高了382.30%;常规三轴压缩条件下,400 ℃是花岗岩力学参数的阀值温度;（3）经历高温作用后,岩样弹性模量随围压升高呈增大趋势,围压为40 MPa时的弹性模量比单轴时提高了90.26%;随温度升高呈二次非线性减小,1 000 ℃时的弹性模量比25℃时降低了57.16%;（4）花岗岩的失稳型式同时取决于围压和温度。单轴压缩状态下,随着温度的升高,岩样变形破坏型式由脆性破裂向塑性变形过渡,失稳型式在低温时为突发失稳、中高温为准突发失稳,温度高于800 ℃为渐进破坏;三轴压缩状态下,随着围压的增大,岩样破裂型式由脆性张拉破裂逐渐向剪切破裂过渡,岩样的失稳型式以突发失稳为主。在试验温压范围内,影响花岗岩力学性质的首要因素是温度,其次是围压。     

盐岩三轴卸荷力学特性试验研究

结合金坛地下盐穴储气库工程,以腔体围岩实际受力状态为研究依据,进行了盐岩卸围压力学特性试验,得到了盐岩卸围压过程的应力-应变关系、变形特征及其规律。试验结果表明,在卸围压初始阶段,试样的轴向和径向应变增加相对缓慢,且应变值和围压基本呈线性,随着围压继续降低,轴向与径向应变值急剧增加;卸载曲线与加载曲线相比,在最大主应力 相等的条件下,当卸载围压达到与常规三轴压缩围压相对应值时,对应的轴向和径向应变值较三轴压缩时应变值要大,表明卸荷试验能引起试样更大的变形,卸荷产生的扩容量比加载时扩容量更大,更容易导致试样变形破坏;盐岩卸围压表现为塑性变形特征,与其他硬岩卸围压属脆性破坏有较大区别。研究结果对盐穴储气库工程的稳定性评价和注采气过程具有一定的指导意义和参考价值。     

围压路径对冻结粉质砂土变形行为及强度的影响研究

目前关于冻土的室内三轴压缩试验研究多采用恒围压下的轴向加载方法,而实际工程中的受压土体基本处于围压、轴压同时发生变化的情况。以冻结粉质砂土为研究对象,进行了变围压和恒围压下的三轴剪切测试。根据试后试样变形情况,给出了试样面积的统一修正公式,研究结果表明：当含水量较小时,围压路径对应力-应变曲线的初始段和最终段没有显见影响,但在应力-应变曲线中间段,变围压下的应力-应变曲线明显在相应的恒围压曲线之下,且初始围压越小,曲线位置越低。当含水量不低于饱和值时,围压路径和含冰量共同影响着应力-应变曲线的发展趋势,且变围压曲线的最终段基本都在相应的恒围压曲线之上,中间段变化特点与含冰量和初始围压有关。围压路径对强度随围压变化趋势的影响跟含水量大小有关。当含水量较小时,两种围压路径下的强度值比较接近;当含水量不低于饱和值时,恒围压下的强度值低于相应变围压下的强度值。     

低围压下冻结粉质粘土的三轴强度及变形分析

高围压和低围压对冻土的变形性能及力学指标有不同的影响。对冻结粉质粘土进行了3种负温、4种围压下的三轴试验。试验结果表明：在温度相同时,不同围压、不同应变速率下的应力-应变曲线具有相同的形态,其三轴抗剪强度与围压及温度有明显的线性关系,与应变速率成指数关系;变形模量与围压没有明显的相关关系,但与温度成线性关系,与应变速率成指数关系。而且从冻土结构角度分析了冻土变形及其强度表现的内在原因。     

An elastoplastic constitutive model for frozen saline coarse sandy soil undergoing particle breakage

The mechanical property of frozen saline sandy soil is complicated due to its complex components and sensitivity to salt content and confining pressure. Thus, a series of triaxial compression tests were carried out on sandy samples with different Na₂SO₄ contents under different confining pressures to explore the effects of particle breakage, pressure melting, shear dilation and strain softening or hardening. The test results indicate that the stress–strain curves exhibit strain softening/hardening phenomena when the confining pressures are below or above 6 MPa, respectively. A shear dilation phenomenon was observed in the loading process. With increasing confining pressure, the strength firstly increases and then decreases. By taking into consideration the changes between the grain size distributions before and after triaxial compression tests, a failure strength line incorporating the influences of both particle breakage and pressure melting is proposed. In order to describe the deformation characteristics of frozen saline sandy soil, an elastoplastic incremental constitutive model is established based on the test results. The proposed model considers the plastic compressive, plastic shear and breakage mechanisms by adopting the non-associated flow rule. The breakage mechanism can be reflected by an index related to the initial, current and ultimate grain size distributions. The hardening parameters corresponding to compressive and shear mechanisms consider the influence of particle breakage. Then the effect of particle breakage on both the stress–strain and volumetric strain curves is analyzed. The calculated results fit well with the test results, indicating that the developed constitutive model can well describe the mechanical and deformation features of frozen saline sandy soil under various stress levels and stress paths. In addition, the strain softening/hardening, contraction, high dilation and particle breakage can be well captured.

     

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。