应变率和含水率对冻土破坏应变能密度影响特性试验研究

在-2.0℃和-5.0℃情况下, 通过一系列不同应变率和含水率条件下的冻结砂土的单轴压缩试验, 分析了应变率和含水率对冻土破坏应变能密度的影响特性。试验结果表明:在较小含水率条件下, 随着应变率的增大, 破坏应变能密度非线性增大, 但当应变率增大到210-3s-1之后, 应变率的改变不再对破坏应变能密度产生大的影响, 并且含水率的增大使破应变能密度随着应变率的增大有了减小的趋势, 破坏应变能密度先随着含水率的增大而急剧增大到最大值, 然后含水率的继续增大使破坏应变能密度急剧减小到最小值, 再随着含水率的进一步增大, 破坏应变能密度变化幅度很小, 基本稳定在0.05MPa, 破坏应变能密度变化的力学机制与强度变化的力学机制并不完全相同。     

初始含冰量对冻结粉质砂土变形与强度的影响

基于一系列同一温度、不同初始含冰量和应变率条件下的高含冰冻结粉质砂土的单轴压缩试验,开展了高含冰量对冻结粉质砂土变形行为和强度特性的初步研究。结果表明：随着试样中初始含冰量的增加,冻结粉质砂土的塑性增强,当初始含冰量超过210.1%后,应力-应变曲线趋近于冰的特性,可用修正的Duncan-Chang双曲线模型较好地描述其单轴压缩应力-应变关系;当应变率为0.083×10-3 s-1和0.467×10-3 s-1时,其初始切线模量呈非线性增大,但当应变率为0.667×10-3 s-1时,初始切线模量增大到一最大值之后转而减小,并且影响程度与应变率大小有关;当初始含冰量从32.9%增加到304.0%,冻结粉质砂土强度也是先非线性增大,然后逐渐趋于稳定,两者可用对数函数关系很好地描述。其研究结果可为开展高含冰冻土区路基的稳定性评价提供基础。     

含水量对冻结含盐粉土单轴抗压强度影响的试验研究

采用取自甘肃省白银市平川区黄河岸边的天然盐渍土,用蒸馏水洗去土中的盐分,配制成NaCl/Na2SO4含量为1.5%,含水量不同的试样,研究了冻结条件下含水量对冻结含盐粉土单轴抗压强度、破坏应变的影响.结果表明:当含水量较小时,随着含水量的增加,冰的胶结作用增强,并与土颗粒、盐晶体一起承受荷载,冻结含盐土的单轴抗压强度不断增大;当含水量超过某一值时,试样更多地呈现出冰的性质,而冰的强度远远小于矿物颗粒的强度,单轴抗压强度随含水量的增加而减小.随着含水量的变化,含盐土的破坏应变与单轴抗压强度有相似的变化规律.     

围压与含水率对冻结砂土破坏应变能密度影响特性研究

基于一系列不同围压、不同含水率条件下的冻结砂土的三轴压缩试验,在一个宽泛的含水率范围内,研究了围压与含水率对冻结砂土破坏应变能密度的影响特性。试验结果表明:含水率为30.6%的冻土试样容易发生塑性破坏,其他含水率的冻土试样容易发生脆性破坏。围压对破坏应变能密度的影响可以分为低围压阶段、中围压阶段、高围压阶段,并且含水率对临界围压有重要影响。含水率对破坏应变能密度的影响也可以分为两种类型:当围压较低时(50 k Pa),随着含水率的增大,破坏应变能密度有一个初始增加的阶段,在含水率约为30.6%时破坏应变能密度达到最大值600 k Pa,之后随着含水率的继续增大,破坏应变能密度转而减小,达到60 k Pa后含水率的进一步增大不再影响破坏应变能密度,即此时冻土的破坏应变能密度接近于冰的破坏应变能密度;当围压较高时(大于等于500 k Pa),与低围压阶段相比,破坏应变能密度没有初始增加的阶段。     

三轴循环加卸载条件下高含冰冻结砂土变形特性试验研究

基于一系列同一温度、同一应变率、不同含水率和围压条件下的高含冰冻结粉质砂土的三轴循环加、卸载试验,开展了高含冰量冻结粉质砂土的能量耗散与剪切模量特性研究。试验结果表明:随着含水率的增加,冻土的塑性先增加,然后减小,并且30.6%的含水率可以作为一个塑性破坏点;随着剪应变的增加,偏应力的变化主导着能量耗散的变化,并且在试样变形过程中克服冰颗粒之间的作用所耗散的能量值很小;随着剪应变的增加,冻土的剪切模量一直减小,且小含水率条件下减小的速率会有一个明显的转折点,并且含水率对剪切模量的影响可分为3类。该研究结果可为高含冰冻土区工程设计中参数的选择提供重要的依据。     

高含冰(水)量冻土的单轴抗压强度变化特性研究

沿用已有的制样方法, 在统一了制样过程中冰、水比例及冰颗粒尺寸的基础上, 开展了高含冰(水)量粉质砂土的单轴抗压强度系统性测试. 结果表明: 高含冰(水)量冻土的单轴抗压强度随应变率的增加而非线性增大; 随温度升高而减小, 减小趋势与总含水量有关. 随含水量的增加, 强度先是非线性增大, 然后逐渐趋于重塑冰的强度, 这有别于早期类似研究的结果. 同时, 也对试样中加入冰颗粒以保证试样高含冰(水)量的制备方法合理性产生了质疑.     

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。     

黑龙江东宁地区季冻土抗压抗剪强度试验研究

以牡丹江市东宁地区土层(粉土、粉质黏土、黏土)为研究对象, 通过工程钻探等技术手段实地采取原状土样, 筛选不同含水率、不同土质的样品, 经过室内试验设置不同负温条件对原状土单轴抗压强度和三轴剪切强度等物理力学性质进行研究.结果显示, 原状土在不同负温条件下冻结后单轴抗压强度随着温度的降低而增大, 黏聚力随着含水率的增加呈指数型增大, 内摩擦角随含水率的增加先增加后趋于稳定; 在试验负温条件下, -20℃为变化界限, 小于-20℃时, 冻结土体的单轴抗压强度随含水率的增加呈现先增加后减小的变化规律, 黏聚力随着冻结温度降低而增大, -10℃、-20℃条件下冻土的内摩擦角有相似的规律, 未随含水率增减发生明显变化, 此时冻土抗剪强度随着冻结温度的降低而增加; 大于-20℃时, 冻结土体的单轴抗压强度随含水率的增加而增加, 黏聚力不随冻结温度降低而增加, 内摩擦角随着冻结温度的降低而增大, 冻土抗剪强度随着冻结温度的降低缓慢增大趋于冰的剪切强度.     

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。     

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     

高温后砂岩动力特性应变率效应的试验研究

利用MTS652.02高温炉与φ50 mm分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统,对800 ℃加热后的砂岩试样进行单轴冲击压缩试验,分析17.904～62.600 s-1应变率范围内砂岩动力特性的变化规律。结果表明：800 ℃后砂岩动态应力-应变曲线大致经历压密、近似线弹性变形、微裂纹演化、裂纹非稳定扩展、应变软化以及卸载6个阶段;随着应变率提高,砂岩动态弹性模量、峰值应力随应变率的提高基本呈对数形式逐渐增加,峰值应变近似呈对数形式逐渐降低;较低应变率下,砂岩破坏为典型的张拉破坏,随着应变率的升高,剪切破裂面所占比例逐渐升高,砂岩破坏型式具有从张拉破坏向剪切破坏的变化趋势;800 ℃热处理后,砂岩破坏程度随应变率的提高逐渐提高,并且高应变率下破坏程度的应变率敏感性更加显著。     

万福煤矿不同含水率砂岩蠕变力学特性试验研究

为研究深部巷道围岩在地下水作用下的长期蠕变力学特性,采用自主研制的深部软岩五联流变试验系统,开展不同含水率(0%、0.8%、1.6%、2.4%、3.3%)下砂岩吸水软化单轴压缩试验及单轴蠕变试验。通过试验结果研究表明：砂岩的单轴抗压强度、弹性模量和蠕变破坏应力与含水率呈指数下降关系,蠕变破坏应力与单轴抗压强度的比值在0.76～0.84之间;砂岩衰减蠕变阶段时间随着含水率的增加而减少,随应力水平的增加而增加。径向应变比轴向应变先进入稳态蠕变阶段,破坏应力下径向应变的加速蠕变阶段开始时间要先于轴向应变;基于稳态蠕变速率曲线确定了砂岩的长期强度,径向稳态蠕变速率确定的值略小于轴向,长期强度与含水率之间满足负指数关系;将蠕变试验中径向应变与轴向应变之比定义为μ_c,提出了基于μ_c值的岩石长期强度确定方法且μ_c值与含水率无关,对于本次砂岩样品可以认为μ_c值大于0.3时样品会在一定时间内发生加速蠕变破坏;随着含水率的增加,样品破坏形态由单斜面剪切破坏逐渐演变至X状共轭斜面剪切破坏。研究结果为地下水作用下巷道长期稳...     

不同含水率冻融后红砂岩剪切蠕变特性

为研究粉砂质泥岩在冻融循环作用下的强度劣化特性及细观机理,开展了不同冻融循环次数下的粉砂质泥岩试样单轴压缩试验和压汞试验,并对单轴压缩试验后的岩样破碎断口开展电镜扫描,得到了冻融循环次数对粉砂质泥岩的强度特性、破坏模式以及孔隙率的影响规律,进一步探讨了冻融循环下粉砂质泥岩强度劣化机理。研究结果表明：(1)随着冻融循环次数的增加,粉砂质泥岩单轴抗压强度与弹性模量均下降,单轴抗压强度的衰减速率不断降低,岩样破坏时应变不断增大,弹性模量衰减速率增大,粉砂质泥岩破坏形式由脆性向塑性转变。(2)随着冻融循环次数的增加,大孔孔隙率、中孔孔隙率与总孔隙率呈指数增加,并以中孔孔隙率的增加为主;随着冻融循环的继续进行,部分微孔转变为中孔,微孔孔隙率呈先增加后减小的趋势。(3)冻融循环下粉砂质泥岩单轴抗压强度与弹性模量下降的机理为水-冰相交替作用使岩体内部孔隙率增加,其中部分微孔连通转化为中孔,导致中孔孔隙率增加;可见对于冻融循环下的粉砂质泥岩而言,中孔孔隙率增加是导致其强度劣化的最主要因素。     

不同冻结条件下辽西风积砂土动力参数试验研究

为研究不同冻结条件对辽西风积砂土动力参数的影响, 以京沈客运专线阜新段路基为研究背景, 利用GDS冻土动态三轴测试系统对不同温度、 水分、 冻融次数下风积砂土的动弹性模量及阻尼比进行了测试, 获得了土体动弹性模量及阻尼比的变化规律, 提出了风积砂土动力参数的修正系数。结果表明： 随着环境温度的降低, 土体动弹性模量逐渐增大, 阻尼比逐渐减小, 温度与动弹性模量之间近似呈线性关系, 与阻尼比呈指数关系; 随着含水率的增加, 土体动弹性模量逐渐增大。存在着一个含水率敏感区间, 在此区间内动弹性模量变化较为明显, 含水率与阻尼比之间关系不明显, 随着含水率的增加阻尼比稍有降低; 随着冻融循环次数的增加动弹性模量逐渐降低, 阻尼比逐渐增大, 前5次冻融循环对土体动力参数的影响较大, 之后影响逐渐减小。在此基础上, 建立了风积砂土动力参数的修正系数, 能够较好的反映不同冻结条件下土体动力参数的变化规律, 为季冻区铁道工程建设提供参考。     

反复冻融条件下粉砂土动力学参数试验研究

在大量冻融试验和动三轴试验的基础上,深入研究和分析了经历多次冻融循环后粉砂土动模量和阻尼比的变化规律。研究结果表明：同一动应变水平下,动应力大小与冻融次数、含水率呈负相关性,而与围压、加载频率、压实度呈正相关性;粉砂土的动应力-动应变关系存在明显的非线性,且随动应变水平的提高,动模量成倍减小,而阻尼比则成倍增大;随冻融次数的增加,动模量降低而阻尼比则增大,且经历6次冻融后均趋于稳定,建议将6次冻融后的力学特性作为设计与计算指标;围压和压实度的提高有效增强了土颗粒之间的骨架作用,动模量随围压和压实度的增减而增减,阻尼比则随围压和压实度的增加而降低;含水率的变化对阻尼比的影响不大,而当土样达到饱和状态时,动模量成倍降低;加载频率对阻尼比的影响较大,并随频率的提高而迅速降低。     

高含水量冻粉黏土应力-应变曲线特性的试验研究

为研究青藏高原粉质黏土在高含水量条件下的应力-应变特性,本文对粉质黏土试样开展了较高含水量（15%,30%,50%）、不同温度（-2℃,-4℃）及围压（0.5,1.0,2.0,4.0 MPa）条件下的三轴剪切试验,分析了冻粉黏土试样应力-应变曲线的形态和强度规律,并给出了机理性解释。试验结果表明:冻粉黏土试样的应力-应变曲线均为应变软化型。高含水量下（50%）,试样的初始切线模量随围压增大呈幂函数形式增大。随着含水量的增大,试样的破坏过程渐呈脆性。试样强度方面,含水量的增大使冻粉黏土强度呈先减小后增大的规律,即存在一个强度最不利含水量。此最不利含水量主要是由于土骨架与冰相的组合使系统处于“最弱结构”以及各组分在承受荷载时的主次地位变换而引起的。围压增大使冻粉黏土强度线性降低,但降低幅度不大。结合Mohr-Coulomb准则的分析表明,黏聚力是冻粉黏土强度的主要指标,其值在最不利含水量时取得最小值,围压对冻粉黏土强度的削弱作用也在此时得以突显。     

弹性模量对岩样破坏前兆及全部变形特征的影响

利用FLAC内嵌语言编制的计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数,计算了弹性模量不同时单缺陷岩样的全部变形特征,研究了弹性模量对岩样的破坏过程及前兆的影响。在峰前及峰后,岩石的本构模型分别取为线弹性模型及莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。当弹性模量不是较高时,岩样自始至终仅出现一条倾斜的剪切带。当弹模较高时,最终剪切应变仅强烈集中于贯通岩样的剪切带内部。剪切带倾角在Arthur与Coulomb倾角之间,且随弹模的增加而降低,经典理论对此不能解释。随着弹模的增加,峰值应力增加,峰前的应力-轴向应变曲线变得陡峭,峰后的应力-轴向应变曲线的斜率几乎不变。随着弹模的增加,峰值强度所对应的轴向应变及侧向应变的大小均降低;应力-侧向应变曲线软化段变得陡峭。随着弹模的降低,侧向应变-轴向应变曲线、泊松比-轴向应变曲线及体积应变-轴向应变曲线在峰前发生转折（偏离线性状态）的程度越来越大;非弹性轴向应变增加;材料缺陷附近的最大剪切应变增量增加。岩样破坏的前兆随着弹性模量的降低而逐渐增强。