单轴加载过程中砂岩声学特性研究

岩体的声学特性与应力状态和破坏程度密切相关,通过岩体声学特性的变化来分析岩体应力状态进而评价工程稳定性是一种行之有效的工程措施。针对砂岩开展了单轴压缩试验,并在加载过程中同步进行3个方向的声波测试,获得了砂岩加载过程中3个不同方向声波波速与应力的演化规律。试验结果表明：随着应力的增加,轴向波速逐渐增大,横向波速表现出先增后减的趋势。考虑到不同方向声波测试结果的差异性,采用含不同倾角裂隙的石膏试样进行声波试验。结果表明,当裂隙方向与声波传播方向一致时,波速最大,与声波传播方向垂直时,波速最小;此外,为分析岩样波速与应力状态的相关性,建立了波速与体应变的关系,结果表明,随着体应变的增加,平均波速逐渐增大,在体应变达到最大值附近时,平均波速达到最大值,在体应变下降阶段,波速开始下降;根据轴向波速与应力的变化规律,得到了应力与波速的指数函数拟合公式,据此可以通过现场测试获得的波速预测现场岩体的应力范围,进而评价工程岩体稳定性。     

二维粒状材料双轴压缩试验研究

为了研究粒状材料的各向异性力学行为与细观组构演化之间的关系,采用自主研发的双轴压缩试验系统,以圆形和椭圆形截面的金属棒状材料组成的二维堆积体为试验对象,对不同大主应力方向角?（沉积面与大主应力作用面的夹角）的试样进行了各向等压、常侧向压力、等p剪切3种应力路径试验,并通过分析试样在不同变形阶段的数字照片得到了其细观组构演化规律。发现对于椭圆形截面的试样存在一个卓越剪切方向,随剪应变增大,颗粒长轴呈现出向该方向偏转的趋势,并且在大变形条件下沿该方向形成剪切带;卓越剪切方向与沉积面方向关系不大,而与大主应力作用面方向夹角约为45°+ /2, 为残余内摩擦角;随卓越剪切方向与沉降方向夹角的不同,颗粒偏转程度的不同是导致剪胀特性和峰值强度各向异性的主要原因     

不同应力条件下砾石土防渗料和反滤料联合抗渗试验研究

利用自行研制的可提供高水压、高应力的粗粒土大型高压渗透仪,对双江口砾石土心墙堆石坝防渗料和反滤料进行了联合抗渗试验,研究不同应力状态下防渗料和反滤料的渗透变形特性。结果表明：（1）单向压缩条件下,防渗料的渗透系数随应力的增加而减小,且渗流稳定时的渗透系数与应力的关系满足Louis负指数方程;试样发生破坏的临界坡降随应力的增加而增大。（2）水平加荷、竖向自由变形条件下,试样的渗透系数随水平应力的增加先减小后增大。试样发生破坏的临界坡降随水平应力的增加先增大后减小。在达到峰值之前,反滤料越松或越细,临界坡降随水平应力增大的幅度越大;在达到峰值之后,反滤料越密或越细,临界坡降随应力减小的幅度越大。     

初始组构各向异性对砂土力学特性及临界状态的影响

采用离散元方法,利用半径扩展法和重力沉积法分别生成具有初始各向同性和各向异性内结构的试样,并开展三轴不排水压缩和拉伸试验,研究不同制样方法产生的初始各向异性对砂土宏微观力学特性及其临界状态的影响。运用组构张量对砂土的各向异性进行量化,分析不同初始组构各向异性对组构张量演化的影响并确定了组构张量的临界值。试验结果表明：初始组构各向异性对试样的剪胀性有重要影响,由于受重力影响形成初始各向异性,其各向异性程度越大、组构方向与加载方向越一致,剪胀性越显著;初始组构各向异性对试样的临界状态没有影响,砂土的组构张量具有唯一的临界状态值。     

基于应变响应包络的颗粒材料增量力学行为研究

砂土的力学响应具有显著的增量非线性特征,这与离散颗粒的微观结构,即组构特性密不可分。采用应变响应包络可以较好地获得材料在不同加载方向上的增量力学响应。在物理实验中无法同时获得同一试样在不同加载方向下的宏微观响应,故采用离散元方法,对具有不同应力历史、不同应力状态和不同级配的试样在Rendulic平面上的增量力学响应进行了系统研究和分析。离散元模拟结果表明,传统的塑性理论不能很好地描述具有复杂应力历史试样的增量力学响应,而基于颗粒间接触法向的组构增量与剪应变增量之间在多种不同的工况条件下均具有较强的线性相关性。当砂土的相对密实度相同时,该线性系数主要与围压的大小有关,对颗粒级配,应力历史以及应力比的变化均不敏感。由于组构的大小可以较好的量化砂土的内结构各向异性程度,进而表征应力历史的作用,上述模拟结果为在本构建模中引入组构演化机制,综合反映外荷载和内结构各向异性对砂土增量本构关系的影响提供了较好的微观物理依据。     

基于应变响应包络的颗粒材料增量力学行为研究

砂土的力学响应具有显著的增量非线性特征，这与离散颗粒的微观结构，即组构特性密不可分。采用应变响应包络可以较好地获得材料在不同加载方向上的增量力学响应。在物理试验中无法同时获得同一试样在不同加载方向下的宏、微观响应，故采用离散元方法，对具有不同应力历史、不同应力状态和不同级配的试样在Rendulic平面上的增量力学响应进行了系统研究和分析。离散元模拟结果表明，传统的塑性理论不能很好地描述具有复杂应力历史试样的增量力学响应，而基于颗粒间接触法向的组构增量与剪应变之间在多种不同的工况条件下均具有较强的线性相关性。当砂土的相对密实度相同时，该线性系数主要与围压的大小有关，对颗粒级配、应力历史以及应力比的变化均不敏感。由于组构的大小可以较好地量化砂土的内结构各向异性程度，进而表征应力历史的作用。上述模拟结果为在本构建模中引入组构演化机制，综合反映外荷载和内结构各向异性对砂土增量本构关系的影响提供了较好的微观物理依据。     

循环荷载作用下斜长花岗岩弹性模量演化规律

通过MTS815岩石力学试验机开展斜长花岗岩循环荷载试验,揭示循环次数、围压、含水率对斜长花岗岩弹性模量变化规律的影响,分析饱和与天然试样应力功、弹性应变能、耗散能随循环次数的演化规律。根据能量演化规律将岩石压缩变形破坏过程划分为4个阶段,研究各阶段切线模量与耗散能之间的关系。试验结果表明:（1）同一个应力水平切线模量随循环次数呈先增大后降低的趋势,其降低幅度随循环次数与应力水平增加而增大。（2）围压抑制了裂纹扩展,随围压增加切线模量弱化幅度减小。（3）饱和试样比天然试样切线模量弱化幅度大,说明水的存在加剧饱和试样内部结构损伤。（4）耗散能增加是引起切线模量弱化的内在因素,两者的变化规律呈现出很好的相关性。     

龙马溪组层状页岩微观非均质性及力学各向异性特征

层状页岩的微观非均质性及力学各向异性对研究井壁稳定以及水力裂缝扩展形态具有重要意义。为了向页岩优化钻井、压裂工艺参数提供一定的理论和试验依据,对沿不同角度取心的页岩试样开展单轴压缩实验,配合场发射扫描电镜、原子力显微镜观测实验和波速测试等,研究龙马溪组层状页岩微观非均质性及力学各向异性特征,并讨论这些物理力学特征对水力裂缝形态的影响规律。结果表明:受层理面的影响,龙马溪组页岩呈现出较强的微观非均质性和宏观力学各向异性特征。具体的,微观孔隙结构特征方面,随着观测方向与层理方向之间夹角β的增大,微观孔隙结构的发育程度逐渐增加,说明气体的储集和空间呈增加趋势;宏观力学特征方面,单轴压缩条件下,随着加载方向与层理方向间夹角θ的增加,页岩试样的破坏模式从贯穿层理面的张拉破坏,先转变为剪切破坏,再变为劈裂-剪切混合破坏;龙马溪组层状页岩的单轴抗压强度、泊松比随着θ的增加呈现出先减小后增大的"U"形各向异性模式,弹性模量、横纵波速则逐渐减小,胶结程度较弱的页岩层理面会先于基质体发生破坏,进而显著影响岩石整体的力学性质;页岩微观非均质性及力学各向异性特征在一定程度上影响压裂过程中水力裂缝的扩展行为,以及停泵后压裂液的渗流路径。研究结果可为页岩压裂工艺参数优选提供一定依据。     

考虑转速比影响的砂土中螺旋挤扩钻具成孔特性宏细观模型试验

以福建标准砂为材料,采用宏细观模型试验方法,分析了转速比对松砂和密砂地基中螺旋挤扩钻具成孔特性的影响。宏观上,研究了竖向阻力、扭矩和土体应力随贯入深度的变化规律;细观上,结合环氧树脂砂土固化方法与数字图像分析技术,探讨了孔周土体相对密实度变化及其组构演化规律。试验结果表明,无论松砂还是密砂,钻具贯入时的竖向阻力、扭矩及孔周土体最大径向应力均随着转速比的增加而减小;钻具贯入导致松砂地基中钻头深度和孔周土体均发生挤密,而对于密砂则均发生不同程度的体胀;无论松砂还是密砂,孔周砂土切块环向面上的接触法向各向异性程度均随着转速比的增加而减小,而转速比对其径向面上的接触法向各向异性分布影响不大。该试验结果有助于提升对螺旋挤土桩成孔过程宏细观机制的认识。     

非饱和土中Rayleigh波的传播特性分析

基于对非饱和多孔介质的研究成果,考虑孔隙中液相和气相的相互影响,研究了非饱和土地基中Rayleigh波的传播特性。通过非饱和土中固相、液相和气相的质量平衡方程、动量平衡方程和非饱和土有效应力原理,建立了问题的弹性波动方程。通过引入势函数及考虑自由透水（透气）的边界条件,经过理论推导给出了非饱和土中Rayleigh波的弥散特征方程。通过数值算例分析了Rayleigh波的波速和衰减系数随饱和度、频率和固有渗透系数等因素的变化规律。结果表明：不同饱和度下波速随频率和固有渗透系数的变化均是先不变,然后小幅下降,再急剧增加,最后趋于一致;衰减系数在不同饱和度下随频率的增大而增大,随固有渗透系数的增大而先增大后减小。     

中主应力与大主应力方向角对软黏土排水变形特性影响

为研究中主应力系数和大主应力方向角对各向异性软黏土变形特性的影响,利用GDS空心圆柱扭剪仪对温州原状软黏土进行了一系列不同中主应力系数和大主应力方向角的排水定向剪切试验。试验过程中在大主应力方向角和中主应力系数不变的条件下,逐渐增加剪应力直至试样破坏。分析了中主应力系数和大主应力方向角对温州原状土偏应力与大主应变关系、体应变、中主应变和小主应变与大主应变关系的影响。试验结果表明：试样的应力-应变关系在中主应力系数和大主应力方向角不同时表现出明显的各向异性。当中主应力系数为0.00和1.00时,大主应力方向角对应力-应变关系的影响较小;而当中主应力系数为0.50时,应力-应变关系中的割线剪切模量随大主应力方向角变化明显。当大主应力方向角为30°时,随着中主应力系数从0.00增加到0.50,中主应变由压缩状态变为拉伸状态;当大主应力方向角为45°时,随着中主应力系数从0.00增加到1.00,中主应变由压缩状态变为拉伸状态。     

裂隙岩体中弹性波传播特性试验及宏细观损伤本构模型研究

以不同加载方式下裂隙岩体中弹性波传播特性试验为基础,首先通过对比试验中弹性波波速、波幅与岩体宏观损伤的关系,给出了采用弹性波波幅来表征的裂隙岩体宏观损伤变量;其次利用统计强度理论定义了岩石的细观损伤变量,并基于连续损伤理论建立了宏、细观裂隙耦合的裂隙岩体损伤本构模型;最后结合试验数据对该模型进行了验证与分析。研究表明:完整岩体中细观裂隙的起裂和扩展对岩体中传播弹性波的波幅和波速的影响较小,而裂隙岩体中宏观裂隙的张开和闭合对弹性波波幅和波速的影响较大。裂隙岩体在外力作用下时,弹性波波速和波幅的变化规律类似,相较于弹性波波速,弹性波波幅对裂隙岩体宏观损伤的变化表现的更敏感,可用来定义裂隙岩体的宏观损伤变量。不同加载方式下裂隙岩体的损伤特性与宏、细观裂隙以及其所处的应力状态相关,基于宏、细观裂隙耦合的裂隙岩体损伤本构模型可以较好地反映不同加载方式下裂隙岩体的损伤力学特性。在三轴压缩试验中,宏观裂隙对岩体轴向压应力方向上损伤的影响主要体现在试验的中后期阶段,在三轴拉压试验中,宏观裂隙对岩体轴向拉应力方向上损伤的影响贯穿于试验全过程中。     

干密度及冻融循环对黄土渗透性的各向异性影响

黄土作为特殊土之一广泛分布于我国中西部季节性冻土地区,以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象,采用GDS三轴渗透仪测量不同干密度原状黄土竖直向及水平向渗透系数。结果表明,原状黄土水平向渗透系数大于竖直向渗透系数,水平向渗透系数和竖直向渗透系数均随干密度增大而减小;原状黄土渗透各向异性随干密度增大而增强。在封闭系统下用冻融循环箱对干密度相同而初始含水率不同的原状黄土进行冻融试验,结果表明冻融后试样水平向及竖直向渗透系数均随冻融时试样初始含水率的增大而增大;冻融后黄土渗透各向异性随冻融时试样初始含水率的增大而减弱。随着冻融次数增加,黄土水平向及竖直向渗透系数先增大然后趋于稳定;黄土渗透各向异性随冻融次数增加而显著改变,表现在黄土的水平向渗透系数与竖直向渗透系数比值随着冻融循环次数的增加而减小。最后通过观测黄土的微观结构分析了其对黄土渗透性的重要影响。     

各向异性结构性砂土离散元分析

天然沉积砂土力学特性受各向异性及结构性影响明显,实际工程中不能忽视。为探究二者的影响,首先在二维离散元程序NS2D中采用椭圆颗粒模拟了重力场中颗粒长轴主方向为水平的各向异性净砂样,随后基于结构性砂土胶结厚度分布规律及室内试验提出了一个新的微观胶结接触模型并将其引入各向异性净砂样以模拟天然各向异性结构性砂土,最后对该离散元试样进行了双轴试验模拟,将模拟结果与室内试验结果对比以验证该模型的适用性,并对其微观力学特性变化进行研 究。分析结果表明,随着剪切进行,各向异性结构性砂土呈明显应变软化及剪胀现象;胶结接触逐渐减少,且主方向始终为竖向方向;胶结破坏速率及胶结破坏率变化情况与宏观力学响应较一致,且胶结物多为拉剪破坏;土颗粒排列主方向始终为水平向,且水平向排列颗粒所占比例略微增大。     

循环荷载下砂土液化特性颗粒流数值模拟

利用PFC2D常体积循环双轴试验条件,对砂土在不排水循环荷载作用下的液化特性进行了颗粒流数值模拟,数值模拟按等应力幅加荷方式进行。颗粒流数值模拟的优点在于得到试样液化宏观力学表现的同时,通过不同循环加荷时刻试样内细观组构参量（包括配位数、接触法向分布、粒间法向接触力、粒间切向接触力）的演化规律,分析砂土液化过程中细观组构变化与宏观力学响应之间的内在联系,从而可进一步探讨砂土液化的细观力学机制。数值模拟研究结果表明,砂土液化现象在宏观力学表现上反映为超静孔隙水压力的累积上升和平均有效主应力的不断减小,在细观组构上对应于配位数的累积损失和粒间接触力的不断减小。砂土液化细观机制分析表明,试样配位数的减少与循环加荷过程中组构各向异性滞后于应力各向异性有关。     

水与微观结构对片岩波速各向异性特征的影响及其机制研究

选取3类不同宏观特征的武当群片岩岩样,分别制取不同片理角的标准圆柱试样。采用波速测试获取烘干、浸水处理后的试样的纵波速度,分析不同含水状态下武当群片岩波速各向异性特征,并结合偏光显微镜、扫描电镜下3类岩样的矿物组成与微观结构特征,探讨内外影响因素下的波速各向异性机制。结果显示:武当群片岩主要矿物为硬质粒状石英、长石与软质片状白云母,硬质矿物含量越高、孔隙率越小,则片岩纵波速度越大,反之越小;干燥样的纵波速度表现出显著各向异性,传播方向由垂直片理面向平行片理面变换时,波速逐渐增大,不同方向的波速值可用波速圆公式进行预测;波速各向异性本质上是微裂隙的定向展布、间隔分布的结果,可间接用白云母定向系数δ_2评价各向异性程度k,k~(1/2)与δ_2呈线性正相关,武当群片岩的k值上限为2.90;浸水后试样的纵波速度普遍增大,这是水充填空隙后对片岩等效体积模量的增加起主控作用的结果,片岩吸水后的波速增长效应受其孔隙率与微裂隙分布特征影响,引起不同类片岩间的纵波速度差异,导致同类片岩的波速各向异性程度与浸水时长呈负相关。     

南沙群岛珊瑚礁灰岩弹性波性质的研究

利用弹性波法对南沙群岛永暑礁南永一井的珊瑚礁灰岩岩芯和其它礁砂土样品进行了弹性波测量,根据测量结果,绘出了礁灰岩弹性波波速随深度变化的关系曲线,并结合永暑礁的发育演化历史、岩石学、地层学、沉积旋回以及古地磁测年,深入研究了弹性波纵波波速的变化规律,以及它与礁灰岩年龄、结构、岩石类型、孔隙度、沉积环境、地质事件的关系。研究结果表明,看似异常的弹性波纵波波速值恰是以上诸因素综合作用的结果。弹性波特性的研究在珊瑚礁地质研究中具有重要的意义,并可应用于珊瑚礁结构及稳定性研究之中。     

基于离散元法的静止土压力系数分析

采用三维离散元法（DEM）对不同初始孔隙比的粒状土进行一维压缩 试验模拟。对比了传统定义静止土压力系数 以及增量型定义静止土压力系数 ,分析了静止土压力系数的影响因素（初始应力状态、初始孔隙比和应力历史）,检验了Jaky公式及Mayne和Kulhawy公式的适用性。结果表明,对于初始等向围压试样,随着竖向压力的增大, 减小,则 先增大到峰值后再减小;对于初始 状态试样, 、 随着竖向压力的增大均减小。 、 分别在竖向压力达到初始等向围压6～10倍及4倍左右达到稳定值,即真实的 值; 、 随孔隙比减小而明显减小。应力历史对 有显著影响,对于相同应力状态的加载和卸载阶段 差别很大。Jaky公式及Mayne和Kulhawy公式计算结果与数值模拟结果有一定差 异,采用峰值摩擦角比采用残余摩擦角的公式计算结果更接近数值模拟结果。     

不同含水率下黏土弹性参数的弯曲-伸展元试验研究

用GDS弯曲-伸展元系统对不同含水率的低液限黏土进行波速试验,根据波动理论测得黏土的剪切模量、侧限模量和泊松比,研究不同含水率、不同试验有效围压、不同信号输入频率对试验结果的影响,并对S波(剪切波)与P波(压缩波)的输出波型信号特征进行分析,将不同信号分析方法所测得结果与共振柱结果进行对比。试验结果表明,(1)在低液限黏土中的剪切波速V_s、压缩波速V_p均随输入频率增大而增大,且增幅随频率增加而减小;在黏土材料中S波的近场效应随含水率和激发频率的提高而减弱;(2)剪切模量G_0和侧限模量M_0均随试验围压的增大而提高,G_0随试样含水率的提高而降低;(3)泊松比随含水率的提高而增大,且随着含水率的增大试验围压对泊松比的影响减弱。     

节理岩体超声测试及单轴压缩试验研究

为了获取节理岩体各向异性力学特性和声波传播规律的相互关系,通过制作圆柱形单一预制贯通节理试件,开展了7种不同倾角节理试件的超声波波速测试和单轴压缩试验。试验结果表明：（1）节理试件波速测试值离散性较大,但总体服从正态分布,波速平均值介于石膏试件和完整试件之间,波速随节理倾角增大呈线性递减;（2）不同倾角的节理面对节理试件力学特性的影响很大,在应力-应变关系、变形特征、强度特征和破坏模式上均表现出显著的各向异性特征;（3）节理试件的力学性质和超声波传播特性变化规律区别很大,采用超声波波速确定节理试件的力学参数会存在很大误差。