气饱和含CO2水合物砂的三轴压缩试验

在改造的高压低温三轴仪中采用过量气法制备了气饱和状态的含CO2水合物砂样,并进行了三轴压缩试验。以水合物饱和度为指标对过量气制样法的可重复性进行分析后发现,受孔隙阻隔效应的影响,虽然利用高的初始水饱和度的砂样可以制成高的水合物饱和度的含水合物砂,但是制样的可重复性低;试验表明,采用过量气法制取水合物饱和度低于40%的含水合物试样的可重复性较好。三轴试验结果表明,含水合物砂的剪切和变形特性与水合物饱和度和净围压密切相关：随净围压的增大,试样的强度、刚度、塑性和压缩性都增大,随水合物饱和度的增加,试样的强度和刚度增加,塑性和压缩性降低;黏聚力随水合物饱和度的增加而增加,但摩擦角并没有明显的变化。     

饱和粉土液化后变形特性试验研究

利用多功能静动液压剪切三轴仪,进行了一系列饱和粉土液化后变形特性试验,研究了干密度和液化程度对粉土液化后变形特性的影响,并考虑试验动加载前小幅预振和不规则动加载对粉土液化后变形特性的影响。试验结果表明,液化后变形可由两段应变 和 组成。干密度越小, 越大, 段剪切模量越低;液化越严重 越大,不同液化程度对 段剪切模量影响很小;动加载前小幅预振和不规则动加载对液化后变形影响较小。提出了饱和粉土液化后变形模型,给出了模型参数的推导。验证结果表明,该模型的计算值与试验值吻合较好,说明该模型能很好地描述这种变形行为。     

饱和砂土液化后大变形机制的离散元细观分析

采用颗粒流软件模拟了饱和砂土在不排水条件下的循环剪切试验,研究了不同因素对液化的影响,并进一步分析了饱和砂土液化后宏观变形的基本规律。在此基础上,从孔隙分布角度解释了砂土液化后的大变形的细观物理机制。通过自编程序对颗粒排列和孔隙分布的演化过程进行定量描述,给出孔隙率标准差作为液化后体积收缩势的度量,并研究了孔隙率标准差与液化后大变形的关系。离散元细观数值模拟再现了室内试验中的宏观现象,证实了室内试验中饱和砂土液化后的有限剪切大变形是客观真实的材料响应。土体体积收缩势的累积所导致的孔隙均匀化以及土颗粒间自由空隙增大正是饱和砂土液化后循环剪应变逐渐增大的细观机制。孔隙率标准差作为孔隙均匀化的量化指标,与循环剪应变各周次幅值有良好的相关性。     

多层加筋尾矿砂三轴压缩试验

分别对含筋层数为1、2、4层的尾矿中砂和细砂进行三轴压缩试验,给出了不同增强层数下尾细中砂的邓肯-张模型参数。2层以下加筋时,土工织物对尾矿砂的横向变形约束作用较小,尾中细砂均表现为剪切破坏特征;在2～4层增强时,尾中细砂均表现为拉应力破坏特征;拉破坏条件下和剪切滑移破坏条件下,均发现加筋后的尾矿,凝聚力随加筋层数非线性增大,而内摩擦角基本不变。定义了增强效果系数,层数与该系数呈非线性关系。轴向应变小于5%～8%时,尾矿砂处于弹性变形阶段;轴向应变大于8%时,出现弹塑性耦合变形。     

A unified plasticity model for large post-liquefaction shear deformation of sand

Based on previous experimental findings and theoretical developments, this paper presents the formulation and numerical algorithms of a novel constitutive model for sand with special considerations for cyclic behaviour and accumulation of large post-liquefaction shear deformation. Appropriate formulation for three volumetric strain components enables the model to accurately predict loading and load reversal behaviour of sand, fully capturing the features of cyclic mobility. Compliance with the volumetric compatibility condition, along with reversible and irreversible dilatancy, allows for physically based simulation of the generation and accumulation of shear strain at zero effective stress after initial liquefaction. A state parameter was incorporated for compatibility with critical state soil mechanics, enabling the unified simulation of sand at various densities and confining pressures with a same set of parameters. The determination methods for the 14 model parameters are outlined in the paper. The model was implemented into the open source finite-element framework OpenSees using a cutting-plane stress integration scheme with substepping. The potentials of the model and its numerical implementation were explored via simulations of classical drained and undrained triaxial experiments, undrained cyclic torsional experiments, and a dynamic centrifuge experiment on a single pile in liquefiable soil. The results showed the model’s great capabilities in simulating small to large deformation in the pre- to post-liquefaction regime of sand.     

风积沙地基装配式偏心基础抗拔试验研究

在毛乌素沙漠中开展装配式偏心基础在上拔、上拔+水平力组合荷载作用下的现场试验研究。根据试验加载过程中监测的基础顶部位移、地表竖向位移及基础底板土压力数据,分析基础顶部的荷载-位移特性,研究装配式偏心基础的抗拔承载机制。结果表明,（1）在上拔、上拔和水平力组合作用下,基础顶部上拔和水平位移曲线均呈二阶段的承载特性;（2）当仅受上拔荷载作用时,基础偏心引起的附加弯矩,使得基础底板产生偏转,基础及底板上覆部分沙土自重抵抗上拔荷载,而在上拔和水平力组合荷载工况下,基础偏心引起的附加弯矩小,与上拔荷载工况相比,基础极限抗拔承载力提高8.7％,即在组合荷载工况下装配式偏心基础能够发挥更多的沙土来抵抗上拔荷载;（3）根据装配式偏心基础的抗拔承载机制,引入外荷载合力作用线与支架作用线之间的夹角δ来反映水平荷载对装配式基础抗拔破坏因子的影响,其影响规律为装配式基础的抗拔破坏因子随δ增加而降低。     

DEM study of fabric features governing undrained post-liquefaction shear deformation of sand

In an effort to study undrained post-liquefaction shear deformation of sand, the discrete element method (DEM) is adopted to conduct undrained cyclic biaxial compression simulations on granular assemblies consisting of 2D circular particles. The simulations are able to successfully reproduce the generation and eventual saturation of shear strain through the series of liquefaction states that the material experiences during cyclic loading after the initial liquefaction. DEM simulations with different deviatoric stress amplitudes and initial mean effective stresses on samples with different void ratios and loading histories are carried out to investigate the relationship between various mechanics- or fabric-related variables and post-liquefaction shear strain development. It is found that well-known metrics such as deviatoric stress amplitude, initial mean effective stress, void ratio, contact normal fabric anisotropy intensity, and coordination number, are not adequately correlated to the observed shear strain development and, therefore, could not possibly be used for its prediction. A new fabric entity, namely the Mean Neighboring Particle Distance (MNPD), is introduced to reflect the space arrangement of particles. It is found that the MNPD has an extremely strong and definitive relationship with the post-liquefaction shear strain development, showing MNPD’s potential role as a parameter governing post-liquefaction behavior of sand.     

H-V加筋饱和砂土性状的三轴试验研究

进行了H-V（水平-竖向）加筋饱和砂土固结不排水三轴试验。加筋材料采用镀锌铁皮和有机玻璃两种不同材料,在不同竖筋高度、不同围压下共进行了44组试验,研究了加筋饱和砂土的应力-应变关系、孔压-应变关系、强度特性及破坏形态,探讨了不同加筋高度、不同围压及不同筋材对加筋饱和砂土强度的影响,同时比较了立体加筋与土工格室加筋的异同,对饱和紧砂的空化现象及其影响进行了分析。试验结果表明,相对于无筋土及传统的水平加筋土而言,其抗剪强度均有大幅度提高;尤其是镀锌铁皮加筋,不仅提高了饱和砂土的有效黏聚力,也提高了有效内摩擦角,同时改善了砂土的延性。     

基于高分子复合材料改良砂土三轴剪切试验研究

为研究剑麻纤维和高分子固化剂复合改良对砂土工程特性影响,通过一系列三轴剪切试验,对不同掺量和长度的剑麻纤维与高分子固化剂改良砂土的剪切强度特性进行了研究,从峰值偏应力、应力应变曲线特征和抗剪强度参数等方面分别对改良机理进行了研究。研究结果表明,纯高分子固化剂改良砂土的峰值偏应力和黏聚力明显提升,由于固化剂粘结砂土颗粒,限制了变形过程中颗粒的相对滑动,内摩擦角略微降低。随纤维掺量的增加,不同围压下固化剂改良土体的峰值偏应力明显增加,应力硬化特征愈加明显,土体的黏聚力和内摩擦角随纤维掺量的增加保持单调递增趋势。在单纯添加固化剂的情况下,土体强度与固化剂浓度呈正相关的关系;在给定0.4%的纤维含量下,随着纤维长度的加长,纤维和高分子固化剂复合改良砂土的剪切强度先增强后降低;在纤维长度为18 mm时,土体的剪切强度达到最大,黏聚力达到最大207.57 kPa;纤维长度的改变对试样破坏时的轴向应变和土体的内摩擦角基本没有影响。     

安哥拉Quelo砂场地渗透特性试验研究

安哥拉Quelo砂具有浸水后软化的特殊性质,研究其渗透特性具有重大工程价值。通过室内变水头渗透试验及现场双环注水试验测定了安哥拉Quelo砂天然土和击实土的渗透系数。基于试验结果,统计了Quelo砂渗透系数的范围,分析了渗透系数与孔隙比的关系,探讨了地表水的下渗浸润规律。试验研究结果显示,上部棕红色Quelo砂的渗透系数大,保水性差,地表水极易下渗,而下部杂色Quelo砂渗透系数小,具有形成上层滞水给工程带来危险的条件;棕红色Quelo砂渗透系数与孔隙比之间近似成对数函数关系,而下部杂色Quelo砂不具这种关系;压实后的棕红色Quelo砂渗透系数仍较大,防渗效果不佳。     

Cyclic triaxial tests on frozen sand

Strain-controlled cyclic triaxial tests were performed on a one-size silica (Ottawa) sand artificially frozen into 71.1-mm-diameter cylindrical samples. Ice-saturated samples with three different sand contents were tested under the following conditions: axial strains ranging from 3 × 10⁻³ to 3 X 10⁻²%, confining pressures from zero to 1.378 MPa, frequencies of 0.05–5.0 cps and temperatures from −1 to −10 °C.

Test equipment included (1) an MTS electrohydraulic closed-loop testing system which applies the load to the sample, (2) a triaxial cell completely immersed in a low-temperature coolant for temperature control, (3) a refrigeration unit for control of the coolant temperature and constant coolant circulation and (4) measuring devices including an LVDT and load cell, together with recording devices such as a digital multimeter, an oscilloscope, a strip-chart recorder and a minicomputer.

Test results indicate that the dynamic Young's modulus increases with increasing frequency, confining pressure and sand content, but decreases with increasing strain and temperature. The damping ratio decreases with increasing frequency, sand content and lower temperatures. The influence of confining pressures and axial strain on the damping ratio are less explicit for the ranges considered. The experimental results are compared with data from other sources.     

加筋膨胀土不同布筋型式三轴试验研究

基于三轴试验方法,对不同布筋方式的加筋膨胀土试样的强度特性和变形过程进行研究。室内三轴试验表明,非均匀加筋型式较适合低围压、变形小的加筋土体工程;高围压、大变形的加筋土体工程采用均匀布筋型式将会取得较好的效果。试样变形过程表明,加筋试样随着轴压的增加,将会形成多鼓状变形,并且中间土体最终变形将超过端部土体变形;该变形过程可较好地解释加筋挡土墙随着时间和外部荷载的作用出现中间部分突出的现象。试验结果对加筋土体施工将会起到一定的指导意义。     

Triaxial behaviour of a cemented gravely sand, Tehran alluvium

Cemented coarse-grained alluvium is present in a vast area of Tehran city, Iran including its suburbs. This deposit consists of gravely sand to sandy gravel with some cobbles and is dominantly cemented by carbonaceous materials. In order to understand the mechanical behaviour of this soil, a series of triaxial compression tests were performed on uncemented, artificially cemented and destructured samples. Hydrated lime was used as the cementation agent for sample preparation to model the Tehran deposit. The tests were performed on cemented samples after an appropriate time for curing. The tests on cemented samples show that a shear zone appears as the shear stress approaches the peak shear strength. During shearing these samples undergo dilation at confining stress lower than 1000kPa. However, the uncemented and destructured samples show contraction during shearing. Peak shear strength is followed by strain softening for all cemented samples. The shear strength increases with increasing cement content but the influence of the cementation decreases as the confining stress increases. With increasing cementation the stress-strain behaviour of samples tend towards the behaviour expected of high-density soils. Test results indicate that the failure envelope for cemented samples is curved and not linear.     

钙质砂声发射特征的三轴试验研究

钙质砂在低应力水平下就会产生颗粒破碎,并伴随有明显的声发射。在不同围压下,对不同初始孔隙比和级配的南沙群岛永暑礁钙质砂进行室内三轴排水剪切试验,同时监测其声发射信号。试验发现：当围压增加或初始孔隙比减小时,钙质砂偏应力峰值逐渐增加,但在某一界限围压时,声发射活动出现最强,在某一界限孔隙比附近时,声发射活动出现最弱;对于级配较差的钙质砂,试验前期声发射活动较弱,其偏应力峰值较小。     

Multiple Failure State and Strain Controlled Triaxial tests

SummaryMultiple Failure State and Strain Controlled Triaxial Tests In this paper new methods are reported for the determination of the triaxial compressive strength of rocks. The Multiple Failure State Test with several single failure states in the same specimen, represents an extension of the classical testing procedure. The Strain Controlled Test is based, however, on a new concept and permits the determination of the failure envelope for a single test specimen. This type of test yields in addition useful information concerning the influence of changing lateral pressures and the influence of plastic deformations on the ultimate strength. A large number of tests with the different experimental methods and on several types of rock show good agreement in the results for the peak strength of intact rock as well as for the residual strength in the broken condition.

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ZusammenfassungTriaxialversuche mit mehrfachen Bruchzuständen und Versuche mit gesteuerter Dehnung Es wird über eine neue Methode zur Ermittlung der triaxialen Druckfestigkeit der Gesteine berichtet. Die Versuche mit mehrfachen Bruchzuständen am gleichen Prüfkörper stellen eine Erweiterung der klassischen Versuchstechnik dar. Die Dehnungsgesteuerten Triaxialversuche gehen jedoch von einem neuen Konzept aus und erlauben die Bestimmung der Mohrschen Umhüllenden am gleichen Prüfkörper. Diese Versuche vermitteln außerdem wertvolle Hinweise über den Einfluß veränderlicher Seitendrücke bzw. über den Einfluß der plastischen Deformationen im Bruchprozeß. Eine größere Anzahl von Versuchen mit den verschiedenen Methoden an mehreren Gesteinsarten zeigen übereinstimmende Resultate für die Höchstfestigkeit des intakten Gesteines als auch für die Restfestigkeit im gebrochenen Zustand.

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RésuméEssais triaxiaux avec états de rupture multiples et essais avec déformation imposée Cet article décrit de nouvelles méthodes pour la détermination de la résistance des roches à la compression triaxiale. Les essais avec plusieurs états de rupture pour une même épouvette représentent une extension de la technique expérimentale classique. Les essais triaxiaux avec déformation imposée, par contre, sont d'une autre nature et permettent la détermination de l'enveloppe de Mohr avec une même éprouvette. De plus, les essais nous fournissent de précieuses indications sur l'influence de pressions latérales variables, resp. sur l'influence des déformations plastiques lors du processus de rupture. Le grand nombre d'essais effectués selon les différentes méthodes sur plusieurs types de roches montrent que les résultats concordent aussi bien pour la résistance maximale de la roche intacte que pour la résistance résiduelle de la roche fracturée.

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Study supported by the Swiss National Foundation for Scientific Research.

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With 15 Figures     

不同干密度非饱和膨胀土的三轴试验研究

重塑非饱和膨胀土的结构特征是影响其强度和变形等性质的重要因素。在不同初始干密度下击实的试样具有不同的初始结构。吸力和净围压的作用使得试样结构产生变化,从而呈现出不同的剪切特征。进行了一系列的控制吸力的三轴试验,试验结果表明,吸力和净围压的增加使得试样的抗剪强度提高,剪胀性减小;初始干密度大的试样也有更高的强度,且呈现出明显的剪胀现象。     

砂土液化大变形模型在FLAC3D中的开发与应用

通过FLAC3D二次开发平台,在VC++环境下实现了基于砂土液化大变形机制的变动映射中心边界面弹塑性模型的二次开发。基于饱和砂土液化大变形本构理论,该模型符合三维应力空间边界面映射规则,并引入临界状态变量,可实现对不同密度和围压状态下砂土液化大变形分析。针对FLAC3D程序混合离散技术与数据调用模式和模型的体积相容性条件,测试分析了将模型采用不同植入方案的计算稳定性,开发了在FLAC3D混合离散技术下不同子区共享映射中心,进入与离开液化状态保持同步的开发方案,并给出模型开发的关键技术与实施方法。利用开发的模型,对饱和砂土开展了不排水/排水/循环三轴试验与不排水循环扭剪试验模拟,及三维地基的动力反应分析。计算结果表明,模型及所开发程序具有很好的模拟与分析砂土液化后大变形的能力。     

常剪应力路径下含气砂土的三轴试验

天然气水合物完全分解时,产生的气体使得能源土孔隙压力急速增加,有效应力减小,进而引起土体液化破坏。此时深海能源土斜坡的应力状态与静力液化失稳过程可简化为含气土在常剪应力排水(或不排水)应力路径下的破坏问题。以此为背景,提出了制备含气砂土试样的改进充气管法,并开展了含气砂土的常剪应力路径三轴试验。22组试验结果表明:同一孔隙比的含气密砂在不同围压与常剪应力下具有相同的失稳线;含气砂土试样失稳时的应力比和体变均随初始相对密实度的增大而增大;含气密砂在常剪应力路径下饱和度对失稳特征影响的规律性在排水与不排水条件下均不明显,但在不排水条件下含气砂土的孔压(或体变)对变形的敏感性降低;含气密砂在常剪应力路径到达失稳点之后,排水条件下是瞬变的液化鼓胀破坏,不排水条件下是渐变的剪切破坏。     

不同压实度和基质吸力的粉煤灰三轴试验研究

粉煤灰的非饱和抗剪强度是准确分析非饱和状态灰坝的稳定性所必需的,但目前对其研究积累较少。通过控制不同压实度、不同基质吸力、不同净围压对粉煤灰进行一系列非饱和土三轴试验,探讨压实度和基质吸力对粉煤灰应力?应变关系曲线和强度参数的影响。研究结果表明,基质吸力较低时粉煤灰的应力?应变曲线没有峰值,呈硬化型;基质吸力逐渐增大时应力?应变曲线有明显的峰值,呈软化型;压实度越大,非饱和粉煤灰试样的应力?应变曲线的软化特征越明显,总黏聚力和内摩擦角均越大;非饱和粉煤灰的总黏聚力随着基质吸力的增大而逐渐增大,增大速率逐渐变缓,最后趋于稳定;不同基质吸力粉煤灰试样的内摩擦角变化不大,并且都近似等于饱和试样的内摩擦角;随着基质吸力的增大,吸力内摩擦角对粉煤灰试样的抗剪强度的贡献越来越小。研究得出的非饱和粉煤灰的抗剪强度特性对灰坝的设计和稳定性分析具有理论意义和工程实用价值。     

轻量砂变形及强度特性三轴试验研究

通过三轴试验系统研究了新型土工材料--轻量砂的变形及强度特性。结果表明,不同的配比、龄期使轻量砂具有不同的原生结构强度,围压使不同原生结构强度的土样处于剪胀或剪缩状态,导致发生应变硬化、应变软化以及相应状态下孔压的3种对应形态变化。变形模量随EPS（发泡聚苯乙烯）球粒掺入比的增大而线性减小,随水泥掺入比、龄期增大而线性增大,相同配比的土样变形模量与围压关系不大;三轴抗压强度随EPS球粒掺入比增大而呈负指数关系减小,随水泥掺入比、龄期、围压增大而线性增大,存在水泥掺入比阀值;土骨架转换效应对于土样强度的影响很大,造成了土体单轴、三轴抗压强度分带,高水泥掺入比能够大大弱化EPS颗粒的土骨架效应。结合前人成果,系统地研究了轻量砂密度、无侧限抗压强度的影响因素,引入材料学中比强的概念,提出了单价比强图结合配方公式的方法,对轻量土砂进行配方优化。分析了轻量土砂应力-应变关系转型问题,提出采用无侧限抗压强度来表征不同配比、龄期轻量土砂的原生结构强度。通过试验与数理统计,建立临界围压与原生结构强度的关系,为数值模拟计算与建立本构模型奠定了基础。