岩石空心圆柱扭剪试验系统研制

针对深部工程岩体开挖时围岩内部应力状态复杂变化的特点,研制了可实现主应力量值变化和应力主轴旋转等复杂应力路径的岩石空心圆柱扭剪试验系统,可用于开展复杂应力作用下岩石的强度、变形和破坏形态的室内试验研究。介绍了该试验系统的基本结构、工作原理及技术参数。该试验系统具有如下特点：（1）通过利用空心圆柱试样与上、下压头的特点,克服了岩石试样扭矩施加的技术困难,将施加轴向力和扭矩的两个加载轴合二为一,彻底解决了轴向力加载与扭矩施加机构之间相互影响的技术难题。（2）通过采用新型自平衡加载三轴室,实现了轴向力、扭矩、内围压和外围压4种荷载的独立施加和控制。（3）采用应力与流量的加载控制方式,并通过软件集成,实现了主应力量值改变和应力主轴旋转耦合应力路径的准确模拟以及加载过程的稳定控制。（4）该试验系统结构简单,功能多样,操作方便。采用该试验系统进行了初步试验,验证了试验系统的可行性与实用性,表明该试验系统具有实现应力主轴旋转及主应力量值改变的复杂应力路径的功能。     

动态围压下空心圆柱扭剪仪模拟主应力轴旋转应力路径能力分析

针对英国GDS公司动态空心圆柱扭剪仪（HCA）在主应力轴旋转试验中能够实现三向动态加载（轴力、扭矩、内围压或外围压）的功能,通过严格的数学推导,提出了3种易于实现又与实际工程背景相符合的应力路径加载方式。当三向动载满足相应的条件时,可以实现（1）平均主应力p和剪应力幅值q保持恒定的应力路径（应力路径1）;（2）中主应力参数b = 0.5、剪应力幅值q为常数的应力路径（应力路径2）;（3）平均应力p保持不变、主应力旋转角90º突变的应力路径（应力路径3）,其中应力路径1、2为模拟海洋波浪荷载作用下的应力路径试验提供了理论依据,应力路径3可用于模拟地震荷载作用下的土体动力特性。以上3种应力路径均不能在两向动态HCA仪中实现     

四向振动空心圆柱扭剪仪模拟主应力轴旋转应力路径能力分析

主应力轴旋转对土体的动力特性有着显著影响。利用GDS动态空心圆柱扭剪仪（HCA）能够实现内围压、外围压、轴力和扭矩四向动态加载的功能,提出了3种主应力方向变化的应力路径加载方式,分析了3种应力路径在实际工程中的应用,并进行了试验验证。当四向动载根据推导的波形函数加载时,可以实现：① 平均主应力p、中主应力系数b和偏应力q保持恒定,主应力轴循环旋转的应力路径;② 平均应力p和中主应力系数b保持不变,偏应力q循环变化,而主应力方向角? = 90°突变的应力路径;③ 平均主应力p、中主应力系数b保持不变,偏应力q、主应力方向角α连续变化的应力路径。应力路径①为模拟海洋波浪荷载作用下的应力路径试验提供了理论依据,应力路径②可用于模拟不同方向地震荷载的作用,应力路径③可以模拟波浪荷载作用下桩周土体的应力路径以及交通荷载作用下的应力路径。     

高应力卸荷条件下砂岩扩容特征及其剪胀角函数

为研究高应力水平条件下岩石卸荷扩容特性及其剪胀角变化规律,开展了若干不同初始围压水平的三轴峰前卸围压试验,同时进行了相应围压水平的常规三轴压缩试验。基于试验成果分析了卸荷应力路径对砂岩扩容的影响效应,总结了卸荷应力路径下剪胀角变化规律,进而提出了基于卸荷应力路径的剪胀角函数,并给出了其数值实现方法,最后通过对三轴峰前卸围压试验的数值模拟,验证了所提出的剪涨角函数的可行性与合理性。研究表明：（1）加载路径时,不同围压水平下峰前扩容体积应变值相差不大,而卸荷应力路径时,随着围压水平的增加,峰前扩容体积应变从最小值3.15×10?3增加到最大值9.65×10?3,卸荷路径下的峰前扩容体积应变约为加载路径的1.1～4.0倍;（2）卸荷应力路径下偏应力峰值对应的体积应变基本为0或接近于0,而加载应力路径下偏应力峰值对应的体积应变均为负值;（3）卸荷应力路径条件下峰前扩容体积应变在总扩容体积应变中所占比例显著大于加载路径;（4）两种应力路径下,剪胀角随塑性剪切应变增加均经历了先增加后减小的过程,并且低围压工况下偏应力峰值对应的剪胀角和最大剪胀角均大于高围压工况;（5）与加载路径相比,卸荷路径下的剪胀角更快达到剪胀角最大值,并且其偏应力峰值对应的剪胀角和最大剪胀角更大;（6）基于砂岩三轴卸荷试验成果,采用线性拟合方法得出了以围压和峰后塑性剪切应变增量为自变量的剪胀角函数,基于该函数与应变软化本构模型的砂岩三轴峰前卸围压试验的数值模拟结果与试验结果吻合较好,表明该函数能较好地描述三轴峰前卸围压条件下砂岩的扩容特性。以上结论可为深部地下工程变形预测、稳定性分析与支护设计提供理论基础。     

不同应力路径下英安岩声发射b值特征及破坏前兆

对英安岩岩样开展单轴、常规三轴加荷和三轴卸荷试验,并对试验过程进行声发射监测,研究在3种应力路径下英安岩变形破坏过程的声发射b值特征差异,探索声发射b值在岩石破坏前兆方面的规律。研究结果表明:英安岩岩样的声发射b值特征与加载的应力路径关系密切,加荷路径即单轴路径和常规三轴路径下b值变化规律相似,加荷与卸荷路径下b值变化规律差异较大。单轴和常规三轴加荷试验中,围压对声发射b值特征有较大的影响。围压越大,岩样在破坏前,b值的整体水平越高。岩样在破坏时,声发射b值下降幅度越大、降低速率越快,且b值达到整个过程中的最小值。三轴卸荷试验中,围压对声发射b值特征影响不明显。与常规三轴试验相比,三轴卸荷试验在卸荷至一定水平后,其b值整体水平更低,最终破坏时b值的最小值更小。提出当岩样峰值强度后存在明显的应力跌落,此时声发射b值的快速下降可以作为破坏前兆。b值的临界值要通过大量室内岩石声发射试验的统计结果来确定。将声发射b值快速下降、临界值突破0.6作为试验英安岩岩样的破坏前兆。     

不同围压下岩石广义应力松弛特性试验研究

实际工程中有些岩体发生的流变性既不是纯蠕变又不是纯应力松弛,表现为应力和应变同时发生变化。利用可视化三轴压缩伺服控制试验系统,研究了不同围压条件下岩石的广义应力松弛特性,试验结果表明,岩石存在应变及应力同时增大、应变增大而应力减小、应变及应力都减小的情况,岩石蠕变和应力松弛行为属于岩石广义应力松弛现象的特例;在不同情况下的广义应力松弛过程中围压对岩石广义应力松弛特性的影响不甚相同,岩石轴向应变增大时围压越高岩石试件轴向变形越困难,岩石应变减小时围压越高岩石试件变形越明显。采用广义应力松弛试验方法,开展单轴及三轴压缩荷载作用下岩石广义应力松弛试验研究,对不同情况下岩石广义应力松弛特性的围压效应进行对比分析,以期对后期开展更深入的三轴广义应力松弛试验研究具有一定的指导和借鉴意义。     

小主应力方向加载条件下的掺砾黏土真三轴试验

对土石坝心墙掺砾黏土开展模拟心墙单元小主应力方向加载的真三轴试验,首先对试样进行不同围压条件下等向固结,然后保持小主应力恒定,通过调整大主应力和中主应力,以模拟土石坝竣工后的初始三向应力状态。试验过程中保持大主应力和中主应力恒定,从小主应力方向单向加载,以模拟土石坝蓄水过程中心墙单元所经历的应力路径。试验结果与常规三轴试验以及复杂应力条件下大主应力方向真三轴加载试验结果都有显著不同。不同初始应力条件下,不同主应力方向的初始切线模量和初始切线泊松比的变化规律非常复杂,应力–应变显现出明显的各向异性。在心墙堆石坝施工过程及蓄水过程中,心墙单元所经历的应力路径明显不同,合理的土体本构模型应该对这种由于加荷路径不同所引起的不同方向模量和泊松比进行合理描述。     

砂质泥岩三轴卸荷流变力学特性试验研究

流变对工程岩体的长期变形稳定具有十分重要的影响,但目前关于卸荷流变的试验研究中通常只考虑恒轴压卸围压的应力路径,与隧洞开挖过程中围岩的应力调整过程存在一定的差距。以砂质泥岩为试验研究对象,设计进行了加轴压卸围压和恒轴压卸围压条件下的分级卸荷流变试验。试验结果表明：恒轴压卸围压和加轴压卸围压方案下岩样的流变变形趋势总体一致,但相同初始围压条件下,加轴压卸围压试样破坏的围压相对较高,偏应力相对较大,但长期强度与破坏应力的比值相对较小;在围压卸载至岩样临近破坏时,加轴压卸围压方案下岩样的流变应变增长速率明显较快,试样破坏的更加突然;恒轴压卸围压条件下岩样的破坏形态相对简单,一般只存在一条完整的剪切破坏面,而加轴压卸围压条件下岩样的破坏形态要复杂得多,除了控制性的剪切破坏面之外,还伴随有一定数量的次生剪裂纹和张拉裂纹,而且初始围压越大,试样的次生裂纹越多。因此,在隧洞围岩长期变形稳定分析过程中,单纯的恒轴压卸围压流变试验不能满足工程实际需求,应该尽量丰富岩石力学试验的应力路径,以便较好地模拟工程岩体应力的实际变化过程,研究成果为隧洞围岩的长期变形稳定性研究提供了较好的研究思路。     

不同应力路径下岩石三轴卸荷力学特性与强度准则研究EI北大核心CSCD

基于3种不同应力路径下花岗岩三轴卸荷试验,研究了岩石的应力-应变全过程曲线和变形特征及其强度准则。试验结果表明,卸围压过程中,侧向应变与围压先呈线性后呈非线性关系,且其增长速率约为轴向应变增长速率的3-5倍,表现出明显的侧向扩容,其扩容程度与卸载路径有关;从不同围压与体积应变曲线所围面积可以看出,卸荷前围压越大,卸荷释放的能量越大;变形模量随围压卸载而逐渐减小,且随初始围压增大,总体上呈负指数分布趋势,且同一种卸荷应力路径时,变形模量的减小量随初始围压增大有所增大,泊松比随围压降低而不断增大,两者之间呈现明显的非线性关系;岩石破坏特征以剪切破坏为主;采用幂函数型摩尔强度准则很好反应了岩石的强度特征。研究结果对地下金属矿深部开采具有一定的指导意义和参考价值。     

不同应力路径下岩石三轴卸荷力学特性与强度准则研究

基于3种不同应力路径下花岗岩三轴卸荷试验,研究了岩石的应力-应变全过程曲线和变形特征及其强度准则。试验结果表明,卸围压过程中,侧向应变与围压先呈线性后呈非线性关系,且其增长速率约为轴向应变增长速率的3～5倍,表现出明显的侧向扩容,其扩容程度与卸载路径有关;从不同围压与体积应变曲线所围面积可以看出,卸荷前围压越大,卸荷释放的能量越大;变形模量随围压卸载而逐渐减小,且随初始围压增大,总体上呈负指数分布趋势,且同一种卸荷应力路径时,变形模量的减小量随初始围压增大有所增大,泊松比随围压降低而不断增大,两者之间呈现明显的非线性关系;岩石破坏特征以剪切破坏为主;采用幂函数型摩尔强度准则很好反应了岩石的强度特征。研究结果对地下金属矿深部开采具有一定的指导意义和参考价值。     

Strength criterion for cross-anisotropic sand under general stress conditions

By incorporating the fabric effect and Lode’s angle dependence into the Mohr–Coulomb failure criterion, a strength criterion for cross-anisotropic sand under general stress conditions was proposed. The obtained criterion has only three material parameters which can be specified by conventional triaxial tests. The formula to calculate the friction angle under any loading direction and intermediate principal stress ratio condition was deduced, and the influence of the degree of the cross-anisotropy was quantified. The friction angles of sand in triaxial, true triaxial, and hollow cylinder torsional shear tests were obtained, and a parametric analysis was used to detect the varying characteristics. The friction angle becomes smaller when the major principal stress changes from perpendicular to parallel to the bedding plane. The loading direction and intermediate principal stress ratio are unrelated in true triaxial tests, and their influences on the friction angle can be well captured by the proposed criterion. In hollow cylinder torsional shear tests with the same internal and external pressures, the loading direction and intermediate principal stress ratio are related. This property results in a lower friction angle in the hollow cylinder torsional shear test than that in the true triaxial test under the same intermediate principal stress ratio condition. By comparing the calculated friction angle with the experimental results under various loading conditions (e.g., triaxial, true triaxial, and hollow cylinder torsional shear test), the proposed criterion was verified to be able to characterize the shear strength of cross-anisotropic sand under general stress conditions.     

冲击荷载作用下结构性软黏土力学特性试验研究

冲击荷载作用对土体力学特性影响较大,为了研究此特性,基于天津滨海结构性软黏土,以空心圆柱扭剪仪模拟冲击荷载作用,并在冲击荷载作用前后对土体进行不固结不排水三轴试验,对比研究不同试验条件下结构性软黏土力学特性。试验结果表明:低围压常规三轴剪切试验状态下,土体表现出弱应变软化现象,且土体抗剪强度包线不能用直线表示,而是可由两条直线近似拟合而成;冲击荷载作用时,在一定应力范围内,冲击荷载越大,土体轴向应变、孔隙压力以及主应力差峰值也越大;冲击荷载作用后三轴剪切试验各围压下土体都呈应变硬化型,主应力差峰值均大幅减小,且土体抗剪强度包线均可用直线表示,c、φ值也远小于未受冲击荷载时三轴剪切试验相应数值。最后,总结分析冲击荷载作用对软黏土强度的影响,并拟合得到强度折减与围压、冲击荷载的关系,为实际工程中承受冲击荷载的结构性软黏土强度确定提供参考。     

圆形应力路径下软黏土的动力特性试验研究

实际交通荷载作用下,路基土单元内的竖向应力和水平应力大小不断发生变化,剪应力幅值和方向也不断变化,从而导致土体中的应力路径呈现出主应力轴连续旋转的现象。通过GDS空心圆柱扭剪仪模拟类似交通荷载作用下的应力路径,开展不同围压和不同循环应力比下的主应力轴连续旋转试验,旨在研究在交通荷载类轴向纯压缩条件下主应力轴方向连续旋转时循环应力比与围压对原状软黏土的强度、累积应变、回弹应变、软化等因素的影响。试验结果表明：随着孔压的不断累积,原状饱和软黏土试样逐渐软化,轴向模量和剪切模量均随着循环应力比和围压的增加而逐渐降低,并在主应力轴旋转一定的循环次数后达到稳定。当循环应力比较小时,轴向和剪切应力-应变滞回曲线均呈线性,不同主应力轴循环旋转次数下的轴向和剪切应力-应变滞回曲线近乎重合。随着主应力轴循环旋转次数的增加,轴向和剪切应力-应变滞回曲线越来越表现出明显的非线性,不同循环次数下试样的轴向和剪切应力-应变滞回圈不再重合且滞回圈逐渐向x轴倾斜。随着循环应力比的增加,在主应力轴连续旋转初期,轴向模量和剪切模量迅速衰减,且随着循环次数的增加而达到稳定,并且试样的轴向模量和剪切模量达到稳定时的主应力轴连续旋转的循环次数随循环应力比和围压的增大而不断增大。     

三轴应力作用下岩盐溶蚀特性试验研究

通过大量的三轴应力作用下岩盐溶蚀特性试验,对岩盐溶蚀特性进行了研究,结果表明,对于岩盐溶解速率来说,三轴应力作用的影响不可忽略;采用宏观溶解速率（即溶蚀质量）与围压、塑性体应变和溶解时间之间的关系来定量描述三轴应力作用下岩盐溶解速率的变化,并在试验的基础上获得了宏观溶解速率与围压、塑性体应变和溶解时间之间的关系表达式;在相同的溶解时间、塑性体应变条件下,不同围压下岩盐试样溶蚀前后的形态差异较明显,应力影响质量变化较大,且随着围压的增加,试样溶蚀后形态的变化越小,应力影响质量越小;揭示了三轴应力作用下岩盐溶蚀特性变化机制,得出三轴应力作用下岩盐溶解速率变化与不同围压下表面裂纹的发育与扩展有着直接的联系。该研究成果为进一步研究岩盐应力-溶解耦合机制奠定了试验依据以及理论基础。     

GDS空心圆柱仪动力试验能力探讨

为更好地模拟多向应力和主应力轴旋转等复杂应力路径,与英国GDS公司合作研发了能施加轴向和扭矩动载的空心圆柱仪。文中介绍了该仪器的工作原理和性能,分析对比了其与传统单向动三轴仪试验结果,并探讨该空心圆柱仪所完成的5组典型动力荷载及一组不规则随机波动力试验能力。动力加荷时,通过调整设定刚度参数,实测波形与设定波形误差较小。该仪器能很好地模拟地震、波浪和交通荷载引起的应力,为研究复杂应力状态下土体动力本构关系提供了很好的工具。     

脆性岩石卸围压强度特性试验研究

岩样的承载能力由材料强度和围压共同确定,轴向压缩和卸围压二者都能导致岩样破坏,但由于应力路径不同,两种条件导致岩样的破坏过程并不相同。对取自位于雅砻江上的锦屏二级水电站辅助洞内的白山组大理岩进行了常规三轴试验和峰前、峰后卸围压试验,通过对试验曲线和岩样破坏特征的分析表明：无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现出脆性破坏的特征,而岩样破坏表现出的脆性峰前卸围压比峰后卸围压更为强烈;岩样在加、卸载条件下的变形均随主应力差的增大而增大,但在相同的主应力差下,卸载产生的扩容量比加载的扩容量更大;峰前卸围压试验当围压卸到初始围压值的60 %左右时,岩样发生破坏;峰后卸围压试验当围压卸到初始围压值的80 %左右时,岩样发生破坏。结论对相关工程稳定性分析、设计和施工具有一定的指导意义和参考价值。     

锦屏二级水电站大理岩复杂加卸载应力路径力学特性研究

地下洞室开挖围岩经历典型径向卸载、环向加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站高地应力赋存环境,对施工排水洞大理岩开展常规单轴全应变、三轴压缩、卸围压、卸围压-加载轴压等4种不同应力路径力学试验,得到应力-应变全过程曲线、变形破坏特征和极限储能变化规律。试验研究结果表明, （1）锦屏二级水电站大理岩破坏时轴向应变一般较小,为硬脆性材料,卸荷应力路径下该脆性特征更为明显;（2）卸围压同时加载轴压试验峰值强度对应轴向应变、环向应变及体积应变值一般高于单纯的卸围压值,而对应峰值强度则一般低于卸围压值;（3）卸荷速率较大时,变形模量越大,大理岩峰值强度越低。加载速率越大,变形模量越小,峰值强度越高。初始围压越高,变形模量值越低,峰值强度越高;（4）无侧限作用时试件主要为张拉破坏,低侧限作用时为剪切破坏为主,局部存在张拉破坏,较高侧限时,剪切面为典型X或Y型;（5）岩石试件具有极限储能值,该值受多种因素的影响。一般情况下试件破坏对应围压越高,极限储能值越高,卸载速率越大,极限储能值越小。研究结果对于岩爆孕育发生机制解释以及工程实际问题的解决均有参考价值。