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。     

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。     

考虑硬化软化和剪胀特性的绿泥石片岩力学模型

绿泥石片岩是一种典型的软岩,开挖过程中出现的围岩大变形和塌方对工程安全危害极大。为了深入研究绿泥石片岩的力学特征并建立其合理的力学模型,首先进行了不同围压下的三轴压缩试验,并考虑应力状态对塑性演化的影响,定义了新的内变量;分析了凝聚力和内摩擦角随内变量的演化规律,结果表明,凝聚力先近似呈线性减小,而后近似呈抛物线递减至残余破坏;而内摩擦角一直近似呈抛物线递增;研究了绿泥石片岩的剪胀特性,分析了剪胀角随内变量演化规律,结果表明,剪胀角与内摩擦角呈相反的演化趋势。考虑硬化、软化和剪胀特性,建立了绿泥石片岩的力学模型,对室内三轴压缩试验结果的模拟分析表明,该力学模型可以较好地描述绿泥石片岩的硬化、软化规律和剪胀等性质,为工程安全性分析提供了基本的力学模型,对于类似软岩力学性质的研究也具有重要的参考意义。     

大理岩弹性参数的围压效应与弹塑性耦合模型

以锦屏二级水电站 和 深埋大理岩循环加、卸载试验结果为基础,对不同围压下大理岩弹性参数的演化规律进行研究,得出其弹性模量随围压和内变量的变化显著,而泊松比随围压则变化不明显。基于试验结果确定了锦屏大理岩弹性模量与围压和内变量的定量关系,建立了考虑弹性参数围压效应的大理岩弹塑性耦合模型,并在有限差分软件FLAC3D中进行了数值实现,用于模拟分析大理岩室内三轴压缩试验结果,并将模拟结果与不考虑弹性参数围压效应的计算结果进行对比,结果表明：考虑大理岩弹性参数围压效应的数值模拟与试验结果更吻合。研究方法和结果对于提高深部工程围岩（特别是具有小变形破坏特性的硬脆性围岩）变形计算的准确性具有重要的参考价值和借鉴意义。     

基于微观胶结厚度模型的深海能源土宏观力学特性离散元分析

首先,引入蒋明镜等提出的考虑水合物胶结厚度的深海能源土粒间微观胶结模型,用以反映能源土颗粒之间水合物微观胶结接触力学特性;其次,采用C++语言将模型程序化,并将其引入离散单元法中;然后,对选定的水合物饱和度经过实际二维离散元模拟调算,得出相应的水合物胶结尺寸,以修正水合物临界胶结厚度、最小胶结厚度及胶结宽度,进而确定水合物微观胶结参数;最后,根据所确定的胶结参数,针对不同水合物饱和度试样进行能源土宏观力学特性离散元双轴试验模拟,并从应力-应变、体变、剪胀角等方面与Masui等所进行的能源土室内三轴试验进行对比分析。结果表明：采用考虑粒间胶结厚度的水合物微观胶结模型,能够定性反映深海能源土的宏观力学特性,能源土试样的峰值强度、黏聚力和剪胀角均随水合物饱和度的增加而增加,但水合物饱和度对内摩擦角的影响规律不明朗;能源土试样的峰值强度、残余强度及体积剪缩量随着有效围压的增大而增大;剪胀角随有效围压的增大而减小。     

硬脆性大理岩拉剪破坏特征与屈服准则研究

岩土工程中常用的屈服准则多以压缩剪切为其破坏机制,然而硬脆性岩体的脆性破坏包括拉伸破坏、张拉剪切破坏和压缩剪切破坏3类,且随着岩体工程向深部发展,张拉剪切破坏成为了洞壁围岩的主要破坏机制。针对此问题,开展了硬脆性大理岩的室内拉剪试验,分析了大理岩拉剪破坏特征,并结合压剪试验结果,建立了考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则。研究结果表明,硬脆性大理岩破裂面在拉剪应力状态和低正应力压剪应力状态下均具有张拉剪切破坏特征,高正应力压剪应力状态下则只具有压缩剪切滑移特征;拉剪应力状态下,大理岩破裂面张拉破坏特征明显,无明显剪切痕迹,剪切力固定时,剪切位移随着轴向拉力增加而增加;凝聚力和内摩擦角受应力状态影响,凝聚力随正应力增大先减小后增大,内摩擦角则随正应力的增大而减小;凝聚力、内摩擦角随正应力的变化趋势可分为4段,拉剪段、低压应力段、中压应力段和高压应力段,每段的凝聚力、内摩擦角与正应力皆可认为是线性关系,靠近抗拉强度处,内摩擦角趋近90°,凝聚力趋于无穷大;考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则曲线分为两部分,可采用二次抛物线进行拟合的拉剪段和考虑凝聚力、内摩擦角随正应力演化的压剪段,由此建立的Mohr-Coulomb准则更全面、精度也更高。     

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。     

堆石料的剪胀特性与广义塑性本构模型

以三轴试验成果为基础,考虑颗粒破碎引起堆石料剪胀比与应力比之间的非线性关系,提出了能够反映堆石料低围压剪胀、高围压剪缩特性的剪胀方程。在广义塑性理论框架内构造堆石料的塑性流动方向向量和加载方向向量,引入依赖于密实度与平均应力的压缩参数,构造随平均应力、剪应力比和密实度变化的塑性模量,建立了一个考虑颗粒破碎的堆石料弹塑性本构模型。阐述了该模型10个参数的确定方法,并通过模拟不同围压和不同应力路径下堆石料的三轴压缩试验资料验证了模型与参数的合理性。     

硬岩弹塑性变形破坏过程中强度参数及剪胀角演化模型研究

根据大量试验资料,研究硬岩弹塑性变形破坏过程中强度参数及剪胀角演化规律,并建立相应演化模型。分析26例硬岩临界塑性应变与围压之间的关系,提出一种具有广泛适用性的3参数幂函数型围压函数,并将其引入塑性内变量中。基于Mohr-Coulomb屈服准则,分析塑性强化-软化变形过程中强度参数及剪胀角随塑性内变量的演化规律,并建立高斯型强度参数演化模型和考虑围压及塑性内变量的剪胀角演化模型。考虑到工程应用中往往将硬岩峰前视为线弹性变形,进一步研究提出峰后强度参数及剪胀角演化模型。对比多组硬岩试验结果与模拟结果,发现应用所建塑性强化-软化变形过程中强度参数及剪胀角演化模型,可正确模拟不同围压下硬岩塑性强化-软化变形过程中轴向变形及环向变形规律;应用所建峰后强度参数及剪胀角演化模型,也可合理模拟不同围压下硬岩峰后塑性软化变形过程中轴向变形及环向变形规律。上述力学模型对不同种类硬岩均适用,具有良好的应用前景。     

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。     

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。     

基于大三轴试验的粗粒土剪胀性研究

采用大三轴剪切仪对3种不同相对密度的双江口心墙坝覆盖层料进行固结排水剪切试验,重点研究粗粒土的剪胀特性,分析粗粒土的剪胀性与围压、相对密度之间的关系,并检验修正剑桥模型的剪胀方程、Rowe剪胀方程对粗粒土的适用性。结果表明,粗粒土在低围压下表现出明显的剪胀趋势,随着围压的增加,逐渐由剪胀向剪缩过渡;随着密度的增大,粗粒土的剪胀性明显增强;相变应力比是粗粒土剪胀强弱的一个重要影响因素,其随密度的增加而增加,随围压的增大则呈线性减小趋势;粗粒土的剪胀性与相对密度、围压关系密切,根据试验数据得出最大剪胀率 与相对密度 、围压 之间的关系式;修正剑桥模型的剪胀方程不能反映粗粒土的剪胀性;Rowe剪胀方程在一定程度上能反映粗粒土的剪胀性,但高围压下在压缩阶段低估了其压缩性,而在剪胀阶段则高估了其剪胀性。     

高温冻结粉土力学特性试验研究

为了探讨高温冻结粉土的力学特性,进行了一系列常规三轴压缩和三轴压缩加卸载试验。结果表明：（1）随着围压的增大,应力应变曲线先表现为应变软化,后应变硬化,最后又应变软化。（2）体积应变曲线均表现为先体缩后体胀,且围压越大,体胀越弱。（3）通过引入改进的双曲线模型,能较好地模拟应变软化和硬化特性。在q-p平面内建立了一个新的强度准则,并利用修正Mohr-Coulomb屈服准则,探讨了黏聚力c和内摩擦角φ的变化规律。根据试验结果,确定了不同围压及不同加卸载循环次数下高温冻结粉土的回弹模量及其损伤变化规律。最后,建立了塑性体积变形和塑性剪切变形之间的关系式和表达式,进一步探讨了高温冻结粉土的剪胀特性。     

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。     

Long-term strength attenuation characteristics and yield criterion of frozen soil北大核心CSCD

Frozen soil is generally regarded as a strongly rheological geomaterial. The strength attenuation of frozen soil is an important inducement for disease and instability in subgrade engineering, pile engineering and artificial freezing construction. Few efforts have been made to investigate the attenuation characteristics of strength envelope surface for frozen soil under complex stress states experimentally and theoretically. Considering this, at a temperature of -6 ℃, a series of triaxial stress relaxation tests under various confining pressures were carried out on the frozen subgrade soil specimens at strength points. The degeneration of strength parameters and stress attenuation process of frozen soil under complex stress states were systematically studied. The degradation law and mechanism of cohesion and internal friction angle are synchronously revealed in the stress relaxation process. Testing results indicate that the stress relaxation process of compacted frozen soil is significantly influenced by confining pressure. The stress relaxation ratio is increasing linearly with the rise of confining pressure if the confining pressure is beyond 1. 5 MPa. The anti-relaxation ability of frozen soil is greatly reduced during high confining pressure conditions:the stress relaxation ratio of frozen soil is only 41. 94% under 1. 5 MPa, but exceeds 90. 30% under 16 MPa. The strength of frozen soil attenuates linearly with time in the semi-logarithmic coordinate system. When the confining pressure is higher than 1. 5 MPa, the strength attenuation rate of frozen soil increases with the rise of confining pressure. As the development of stress relaxation of frozen soil, cohesion decreases linearly but internal friction angle increases linearly with time in the semi-logarithmic coordinate system. It manifested that the cementation in frozen soil shows evident rheological features and it is a key inducement for strength attenuation. Moreover, the attenuation law and value of cohesion in frozen soil which is measured by triaxial stress relaxation test are similar to the spherical template indenter test results. This may provide a new test method for obtaining the long-term strength and cohesion of frozen soil. On the basis of test results, the stress states of frozen soil in all stress relaxation curves at 12 relaxation durations were captured, and the rate-dependent variation characteristics of strength envelope in p-q stress space were analyzed in detail. Under high confining pressures, the strength envelope of frozen soil shows different geometric features as time goes on. In addition to the decline of level, the strength surface exhibits clockwise rotation with time, and the third stage sharply decreases at first and then becomes flat. Based on the analysis of characteristics of experimental strength surface and evolution law of strength parameters during the stress relaxation process, a rate-dependent strength theory for frozen soil considering the stress relaxation effect is established in this paper. © 2022 Science Press (China). All rights reserved.     

考虑颗粒破碎的冻结砂土非线性本构模型研究

颗粒破碎是粒状材料在高应力状态下的一种基本现象。为了研究冻结砂土中颗粒破碎对应力应变关系的影响,将冻结砂土视为复合颗粒材料,忽略冰的压融,考虑内摩擦角随应力状态的变化,构建一个适用于冻结砂土的考虑颗粒破碎的非线性本构模型。构建过程分为三步,首先是基于三轴剪切前后颗粒分析对冻结砂土颗粒破碎模式和产生机理进行探讨;其次是基于考虑颗粒破碎的能量平衡方程,对冻土在三轴剪切试验过程中的颗粒破碎耗能进行分析,结果表明颗粒破碎耗能随轴向应变呈双曲线变化趋势;最后应用考虑颗粒破碎的剪胀方程修正沈珠江三参数非线性模型中的体积切线模量ν_t,得到一个考虑颗粒破碎的非线性本构模型,模型参数可以通过单轴压缩试验和常规三轴试验确定。将原模型和修正后模型的计算结果与控制温度为-6℃,围压为1 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa和10 MPa时冻结砂土的试验结果进行对比,结果表明该模型能够较好的模拟冻结砂土从低围压到高围压的应变软化特征与剪胀特征。