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。     

粗粒土的颗粒破碎耗能及剪胀方程研究

颗粒破碎对于粗粒土的应力变形性质有显著影响。在Rowe剪胀方程的基础上考虑颗粒破碎耗能的影响,并引入颗粒破碎的演化规律对颗粒破碎耗能进行计算,得到了一个简单实用且对粗粒土适用性较好的剪胀方程。主要结论如下：（1）通过粗粒土的三轴CD试验结果分析并证明了弹性应变对于剪胀比的影响较小,因此,可以将剪胀比 表示为 ,进而得到了剪胀方程表达式的一般形式。（2）将剪胀方程中的临界状态应力比Mc折减为摩擦系数M,并引入了颗粒破碎的演化规律,将M定量表示为广义剪应变的函数,从而使得所计算的破碎耗能在剪切过程中是递增的,且逐渐趋于稳定值,符合了颗粒破碎不可逆的规律。（3）试验表明,剪胀方程中的未知量 与摩擦系数M之间呈现显著的线性关系,将该关系代入剪胀方程即确定了方程的具体表达形式,并且利用堆石料的三轴CD试验证明了其对粗粒土的剪胀性预测效果较好。     

考虑土体剪胀性和应变软化性的K-G模型

在三轴试验中密实无粘性土具有剪胀性和应变软化性,广泛应用于工程计算的非线性弹性邓肯-张模型、常规的非线性弹性K-G模型等都不能反映土体的这些性质。根据紫坪铺面板堆石坝筑坝料的大量三轴试验研究,分析密实无粘性土的剪胀性和应变软化性,提出了考虑这种剪胀性和应变软化性的K-G模型和模型参数的求取方法;通过预测曲线与试验曲线对比说明模型的合理性。模型适应多种应力路径,参数可方便地求取,可以在有限元应力-应变分析中推广运用。     

K0固结粗粒土剪胀特性大型三轴试验研究

采用大型三轴剪切仪对不同相对密度的双江口心墙坝覆盖层料,进行了 固结及各向等压固结条件下的排水剪切试验,探讨了 固结及各向等压固结条件下粗粒土剪胀性的差异,并检验了修正Rowe剪胀方程对 固结粗粒土的适用性。结果表明：粗粒土在 固结条件下,较各向等压固结条件下的剪胀性明显,且这种差异性在密度较小的粗粒料中体现较为突出,而随着密度的增加,差异性逐渐减弱;对试验数据进行非线性拟合,总结出剪胀因子 与相对密度 、围压 之间的关系式,据此可分析不同紧密程度粗粒料剪胀性的强弱;对 固结粗粒土,修正Rowe剪胀方程能较好地描述其剪胀性。     

钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应研究

为研究钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应,开展了在不同粒径、不同相对密实度以及不同围压条件下的三轴剪切试验,并引入应力相对软化系数和剪胀系数对应变软化特征及剪胀特征进行了定量表征。试验研究表明,随围压的增大,不同粒径钙质砂试样应变软化特征及剪胀特征逐渐减弱,且围压与应力相对软化系数和剪胀系数均呈半对数线性相关。不同粒径钙质砂试样存在一强度临界围压和体变临界围压分别使得应变软化特征和剪胀特征消失。在粒径为5～0.075 mm范围内,对松样而言,围压对软化特征和剪胀特征存在显著影响,但与粒径不存在显著相关性;对密样而言,随粒径逐渐减小,围压对试样软化特征的影响逐渐增强,而对试样剪胀特征的影响逐渐减弱。在低围压（50 kPa）条件下,0.5～0.25 mm粒径组试样破碎最显著。     

粗粒土剪胀性大型三轴试验研究

剪胀性是土体显著区别于一般弹性材料的基本特性,与土体的强度和变形特性密切相关。通过4组不同初始密度的塔城砂砾石常规大型三轴试验,研究剪胀性对粗粒土强度和变形特性的影响。试验结果表明,（1）若体变速率（体变和轴向应变均以压缩为正）先从正值减小到负值并达到最小值,随后又有所增大但仍小于0,则应力-应变曲线为软化型,在比值为最小值时土体剪胀性最大,对应于峰值强度,若体变速率从某一正值单调减小并一直大于0,则应力-应变曲线为硬化型;（2）体变变化趋势取决于剪胀性和压缩性的大小,剪切后期若剪胀速率大于压缩速率,则体变先压缩后膨胀,应力-应变曲线呈软化型,反之若剪胀速率小于压缩速率,则体变一直是压缩的,应力-应变曲线呈硬化型。研究结果对于加深认识粗粒土的强度和变形特性具有重要意义。     

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。     

考虑含水率影响的结构性黄土临界状态模型

根据不同初始含水率原状黄土结构性演化规律,基于临界状态土力学理论,以应力、初始含水率和应变为基本变量,提出了一个可以反映原状黄土结构性演化规律及软化特性的临界状态本构模型。模型通过对比不同初始含水率下重塑与原状黄土等向压缩曲线,建立了不同含水率下原状黄土的结构性参数及其演化方程。此外,模型采用非相关联流动法则,以剪胀方程的形式来求解塑性偏应变。模型共计9个材料参数,均可由压缩试验和常规三轴剪切试验求得。通过与已有试验数据的对比发现,本模型不仅可以较好地体现初始含水率对原状黄土结构强度、变形特性以及结构破坏规律的影响,而且能较为合理地预测原状黄土的硬化及软化特性。所建立的结构性黄土临界状态模型为深化黄土力学特性研究提供了可能,同时为有效计算黄土地基湿陷变形提供了一定的理论依据。     

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。      

An elastoplastic constitutive model for rockfills incorporating energy dissipation of nonlinear friction and particle breakage

A new elastoplastic model is developed for rockfills within the general critical state framework incorporating the state parameter. Two state functions are proposed to characterize the evolution of volume dilation and strain softening of rockfills, and a modified breakage index based on the concept of Hardin's relative breakage is defined to describe the progressive crushing of rockfills. The nonassociated plastic flow rule is derived from a state dependent dilatancy equation, and it incorporates energy dissipation due to intrinsic nonlinear friction and particle breakage upon shearing. Thus, their couple effect on the plastic deviatoric and volumetric deformation of rockfills is taken into account in the current model. The numerical analyses are carried out for a series of drained triaxial tests on the modeled rockfills at various consolidation pressures and stress paths. The volume dilation/contraction and strain softening/hardening of rockfills are accurately predicted by the proposed model, and the particle breakage and nonlinear critical state shear strength of rockfills are also well captured. The research findings indicate that the current model is applicable to represent the complex stress–strain–volume change behavior of rockfills in general. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于状态参数的粗粒土应变软化和剪胀性模型研究

基于状态参数的概念,将粗粒土峰值应力比和剪胀比视为状态参数的函数,同时考虑初始模量随围压的变化,提出了一个弹塑性模型和模型参数的确定方法。该模型形式较简单,概念清晰,可以描述较大的密度和压力范围内粗粒土的应变软化和剪胀性,以及它们对物理状态和有效围压的依赖性。通过比较模型预测与粗粒土的三轴试验结果,证明了模型的合理性。     

单轴压缩非贯通节理岩石尖端塑性区及弹塑性断裂模型研究

基于Drucker-Prager（下简称D-P）准则,建立压缩载荷作用下的非贯通节理岩石的弹塑性断裂模型。针对节理岩石小范围屈服翼裂纹尖端塑性区,推导了D-P屈服准则的纯I、纯II及I、II复合型3种翼裂纹无量纲塑性区径长函数,并与Mises准则的塑性区进行对比;结果表明,D-P准则的I型和复合型塑性区较Mises屈服准则的塑性区大,且其II型及I、II复合型塑性区在翼裂纹上下表面不连续。进一步,引入断裂软化因子以表征节理岩石裂隙断裂扩展后的断裂软化规律,考虑非贯通节理岩石复合型断裂软化,是由于节理尖端翼裂纹应变能密度超过最小应变能密度导致其成核扩展引起的,提出用应变能密度的指数函数形式表征断裂软化变量的演化;塑性屈服函数采用Borja等的应力张量3个不变量的硬化/软化函数,反映塑性内变量及应力状态对硬化函数的影响;建立节理岩石的弹塑性断裂本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了弹塑性断裂模型的程序。以单轴压缩下非贯通节理岩石为例,分析岩石断裂韧度、节理摩擦系数和节理倾角等参数的影响,结果表明,所提出的弹塑性断裂模型与数值和试验结果比较吻合。     

Comparison of the characteristics of rock salt exposed to loading and unloading of confining pressures

Rock mechanical behaviors and deformation characteristics are associated with stress history and loading path. Unloading conditions occur during the formation of a salt cavity as a result of washing techniques. Such conditions require an improved understanding of the mechanical and deformation behaviors of rock salt. In our study, rock salt dilatancy behaviors under triaxial unloading confining pressure tests were analyzed and compared with those from conventional uniaxial and triaxial compression tests. The volume deformation of rock salt under unloading was more than under triaxial loading, but less than under uniaxial loading (with the same deviatoric stress). Generally, under the same axial compression, the corresponding dilatancy rate decreased as the confining compression increased, and under the same confining compression, the corresponding dilatancy rate increased as the axial compression increased. The dilatancy boundary of the unloading confining pressure test began with unloading. This is different from the dilatancy of the uniaxial and triaxial compression tests. The accelerated dilatancy point boundary stress value was affected by confining and axial compressions. The specimens entered into a creep state after unloading. The associated creep rate depends on the deviatoric stress and confining compression values at the end of the unloading process. Based on unloading theory and the experimental data, we propose a constitutive model of rock salt damage. Our model reflects the dilatancy progression at constant axial stress and reduced lateral confinement.     

高应力软岩巷道围岩与支护结构相互作用分析

基于Mohr-Coulomb应变软化模型,将收敛-约束法应用于高应力软岩巷道围岩-支护相互作用分析中,构建典型支护结构特征曲线。以FLAC3D数值模拟软件为工具,分析应变软化模型、剪胀角及不同巷道断面类型对围岩-支护相互作用的影响,并对支护系统稳定性进行评价。研究结果表明：考虑应变软化行为的围岩所需支护压力与Mohr-Coulomb模型计算结果相差较大,剪胀角对围岩应力释放过程及围岩-支护相互作用影响较小,巷道不同断面形式及断面不同位置点围岩所需支护压力有一定差异性;初期支护系统的稳定性是围岩与支护系统最终稳定的关键,采用收敛-约束法评价高应力软岩巷道初期支护系统的稳定性,对高应力软岩巷道的支护结构设计及施工具有一定指导意义。     

考虑渐近状态特性的超固结土本构模型

基于超固结土的UH模型,结合渐近状态概念,将适用于饱和砂土的渐近状态本构模型推广为考虑渐近状态特性的超固结土本构模型,用于描述土的超固结性和渐近状态特性。通过采用变换应力方法实现了模型的三维化。新提出的本构模型简单、参数较少,与剑桥模型相比,仅增加了一个材料参数,即伏斯列夫面斜率。该模型能够合理反映超固结土的硬化、软化、临界状态、剪缩、剪胀、应力路径依赖性、渐近状态等特性。     

超固结非饱和土本构关系的三维化方法

本构模型的三维化对反映材料在三维应力状态下的力学特性具有重要意义。在π平面上,广义Mises三维化方法不能反映应力洛德角对材料变形和强度的影响,g(θ)等方法不能合理地反映应力水平对变形和强度的影响。变换应力三维化方法考虑了应力洛德角影响,数学表达简洁,不增加模型参数,便于计算应用。将作者等人所提的超固结非饱和土本构模型与基于SMP（spatially mobilized plane）的变换应力方法结合,实现了超固结非饱和土的三维化,达到了从剪切屈服到剪切破坏的连续过渡。该模型能够描述不同应力洛德角下超固结非饱和土的硬化、软化、剪胀特性,并与试验数据进行了对比     

A constitutive model for unsaturated soil interfaces

A constitutive model based on the disturbed state concept is presented to describe the behavior of interfaces in unsaturated soil. The model is an extension of an existing model developed for a sand–steel interface. As opposed to the original model, the modified model incorporates two independent stress variables, which are the net normal stress and matric suction. The saturated and dry state of the interface can be modeled as a special case using the constitutive model presented in this paper. The modified model is capable of capturing the main features of unsaturated interfaces observed during laboratory testing, including increasing shear strength and strain softening with increasing suction and net normal stress and increasing dilatancy with increasing suction. Laboratory tests were carried out on unsaturated interfaces in a modified direct shear test apparatus. The observed behavior of interfaces between unsaturated soil and steel plates (rough and smooth) is presented in comparison with model predictions. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

Phenomenological fractional stress–dilatancy model for granular soil and soil-structure interface under monotonic and cyclic loads

The stress–dilatancy relation is of critical importance for constitutive modelling of geomaterial. A novel fractional-order stress–dilatancy equation had been developed for granular soil, where a nonlinear stress–dilatancy response was always predicted. However, it was experimentally observed that after a certain extent of shearing, an almost linear response between the stress ratio and the dilatancy ratio, rather than the nonlinear response, usually existed. To capture such stress–dilatancy behaviour, a new fractional stress–dilatancy model is developed in this study, where an apparent linear response of the stress–dilatancy behaviour of soil after sufficient shearing is obtained via analytical solution. As the fractional order varies, the derived stress–dilatancy curve and the associated phase transformation state stress ratio keep changing. But, unlike existing researches, no other specific parameters, except the parameter related to fractional order, concerning such shift are required. Then, the developed stress–dilatancy model is applied to constitutive modelling of granular soil and soil–structure interface, for further validation. A series of test results of different granular soils and soil–structure interfaces under different loading conditions are simulated and compared, where a good model performance is observed.

     

基于统一强度理论深埋圆形隧道围岩的剪胀分析

基于连续介质理论中岩体的剪胀角与围压和塑性剪切应变密切相关,隧洞周边岩体的应力状态因开挖卸荷而发生应力重分布,迫使其围压由原地应力逐渐衰减,塑性剪切应变不断增加,引起剪胀效应呈非线性变化。首先,基于统一强度理论和非关联流动法则,将潜在塑性区围岩按等围压释放划分为若干同心圆,提出了考虑中间主应力和非线性剪胀性的有限差分法,计算应变软化围岩的力学问题,并以实例验证其正确性。其次,通过参数分析,研究塑性区内岩体的剪胀角受中间主应力、临界软化系数和支护力的影响规律。研究结果表明,中间主应力主要影响剪胀角的峰值,随着中间主应力效应增加,剪胀峰值增加;临界软化系数主要影响剪胀角的变化率,随着临界软化系数的增加,剪胀角变化缓慢;中间主应力和临界软化系数共同影响塑性区剪胀角的变化;随着支护力的增加,洞壁处的剪胀角增加;双剪强度理论计算的位移值较小,应谨慎采用,同时采用Mohr-Coulomb强度准则时可以适当考虑围岩的承载潜力。