法向刚度对土与结构接触面三维特性影响的试验研究

运用80 t大型三维接触面试验机,对不同法向刚度下粗粒土与结构接触面三维静动力学特性进行了试验研究,重点分析了法向刚度对接触面力学特性的影响规律。法向常刚度条件下,接触面在单调剪切时均先剪缩再剪胀、法向应力先减小后增大;循环剪切时接触面不可逆性剪切体变呈单调增长、可逆性剪切体变峰值逐渐减小后趋于稳定,切向应力峰值不断减小,抗剪强度逐渐减小,主应力比峰值则基本保持不变。法向刚度主要影响剪切体变、可逆性剪切体变、切向应力、主剪应力等接触面力学性能参数的大小;法向刚度越大,单调剪切时法向应力变化越大、切向应力峰值越大、剪缩和剪胀量越小;循环剪切时不可逆性剪切体变增长越慢、最终值越小,抗剪强度减小越快、达到0时对应的循环周次越少。法向刚度对剪切体变、可逆性剪切体变、主剪应力、主应力比等性能参数与切向位移的关系形式及接触面摩擦角基本没有影响。     

高压正融土与结构接触面剪切力学特性试验研究

为探究高压条件下正融土与结构接触面剪切力学特性,利用改进的DRS-1高压直剪试验系统开展了正融土-结构面直剪试验研究。结果表明,高压正融土-结构接触面剪切强度受法向压力和解冻程度等因素影响显著,接触面峰值剪切强度和残余剪切强度均随法向应力的增加而增大,其中峰值剪切强度变化速率与解冻温度相关性较小(介于0.36~0.46,平均值为0.43),而残余剪切强度变化速率随解冻温度升高增大明显(试验条件下解冻温度T_(thaw)=-10、-5℃,平均斜率为0.26;T_(thaw)=-2、+0~3℃,平均斜率为0.49)。高应力下接触面峰值剪切强度随法向应力的增大速率约为低应力水平下的2/5,高、低应力水平的分界应力范围为1~3 MPa。接触面剪切应力-位移关系曲线形态随解冻温度升高由具有明显剪切应力峰值点的应变软化特征转变过渡至应变硬化特征,且解冻温度较低时归一化接触面峰值剪切强度也逐渐降低,而随着解冻温度的进一步升高,归一化峰值剪切强度不同法向应力结果之间差异减小,有汇聚的现象。     

粗粒土与结构接触面特性的离散-连续耦合数值研究

三维变形体离散元法能够自动检索接触关系,并对具有不规则形状的粗粒土颗粒和结构物进行有限差分网格离散,因此,具有模拟离散-连续耦合问题的先天优势。采用随机模拟技术生成粗粒土三维数值试样,基于变形体离散元进行粗粒土与结构接触面特性的数值试验,研究了不同接触面粗糙程度的接触面力学特性,对比了粗粒土与结构物在单剪和直剪状态下的接触面力学特性,从宏观和细观两个层面分析了数值试验结果。结果表明,数值试验能较好地反映粗粒土与结构接触面的力学特性,其剪应力-相对剪切位移曲线与试验结果规律相似;接触面粗糙程度对接触面的强度和变形特性影响较大,其机制在于剪切对试样的扰动程度不同;直剪和单剪状态下试样剪应力-相对剪切位移均为双曲线,单剪试验的初始剪切刚度低于直剪试验,两种试验得到接触面抗剪强度指标比较接近。     

法向应力对接触面循环单剪力学特性的影响研究

法向应力对土与结构接触面循环单剪力学特性的影响研究具有重要意义。运用80 t大型三维接触面试验机,进行了不同法向应力下粗粒土与结构接触面单剪试验,分析了法向应力对接触面循环单剪力学特性的影响规律。试验结果表明,法向应力对接触面变形位移、滑动位移、切向应力、可逆性剪切体变和不可逆性剪切体变以及抗剪强度等接触面性能参量的数值有显著影响,但对参量间关系形式影响较小。法向应力越大,接触面变形位移在初始几个循环内越大,随循环剪切的进行,其减小速率越快,最终稳定值越小;切向刚度越大,切向应力稳定值也越大,初始几个循环内切向刚度系数越小;不可逆性剪切体变越大,可逆性剪切体变峰值和稳定值越小,相变位移和相变应力比越小;抗剪强度越大,其异向程度则先增大后减小。不同法向应力下,接触面循环抗剪强度与法向应力符合摩尔-库仑准则;切向应力比-切向位移关系、不可逆性剪切体变和剪切功密度关系均具有良好一致性,基本不受法向应力影响,可用双曲线模型描述,这将大大简化接触面本构描述。     

粗粒土与结构接触面的可逆性与不可逆性剪胀规律

进行了粗粒土与结构接触面的单调和往返剪切试验,研究了接触面的剪胀特性。试验结果表明,接触面的剪胀体应变是由一个完全可逆性的体应变分量和一个不可逆性的体应变分量构成的。不可逆性剪胀体应变反映了接触面内的土颗粒破碎和剪切压密两种物态变化,其变化规律与接触面的应力相对位移关系的演化规律具有相似性,是接触面力学特性演化的一个重要量度。可逆性剪胀体应变存在相变点,并表现出明显的剪切异向性,该异向性的主要内因是由于剪切引起的结构面附近土的结构异向性。基于接触面受力变形机理分析,引入有效剪应变等概念,建立了剪胀方程。     

初始静剪应力对粗粒土与结构接触面循环力学特性的影响

运用80 t大型三维接触面试验机,对初始静剪应力存在时粗粒土与结构接触面循环力学特性及初始静剪应力大小的影响进行了研究。循环剪切时,接触面沿初始静剪应力方向产生了明显的切向位移,且该位移与正交切向的剪切路程基本呈直线关系,该直线与初始静剪应力的夹角和初始静剪应力水平关系可用二次多项式描述。初始静剪应力大小对接触面抗剪强度、正交切向应力-应变关系形式影响较小,主要影响正交切向应力峰值、接触面剪切体变数值及剪切体变与切向位移关系等。初始静剪应力越大,该方向产生的切向位移越大,其正交切向应力峰值越小,该应力峰值对应的切向位移亦越小,接触面剪切硬化程度越高;初始剪切时接触面剪胀量越大,而后期循环剪切时剪缩量和剪胀量则越小。     

不同粗糙度的节理直剪颗粒流分析

利用二维颗粒流程序生成5种不同粗糙程度的节理模型,并对5种节理模型进行了5种不同法向恒定荷载作用下的直剪试验,从细观角度分析了不同粗糙程度的节理模型在法向荷载下的形貌损伤情况和裂纹演化机制。与此同时,分析了节理JRC值和节理面颗粒摩擦系数对节理抗剪强度影响,并反推出了节理面抗剪强度参数Cj与?j与JRC值的关系。结果为：法向恒定荷载越大时,节理峰值抗剪应力越大,剪胀现象越小,节理形貌损伤范围越大。随着剪切的进行,上下节理面接触范围减小,微裂纹开始主要沿节理面产生,随着剪切位移的继续增加微裂纹数量显著增加,并且不局限于节理面附近而深入到模型内部。随着节理粗糙程度（JRC值）和节理面颗粒摩擦系数的增加节理峰值抗剪应力也增大。节理抗剪强度参数Cj与?j随着JRC值的增大而增大。所得结果可以为室内试验和工程应用提供参考和依据。     

混凝土桩-泥皮-砂土接触面力学特性试验研究

为研究泥皮、粗糙度对桩-土接触面力学特性的影响规律,根据灌注桩成孔后的孔径-深度曲线,应用统计分析法获得了桩侧凸出尺寸和粗糙度的分布频率规律,以此构建了表面光滑和梯形凹槽混凝土板来模拟实际桩侧表面粗糙度。在此基础上,开展了不同泥皮厚度、粗糙度条件下的混凝土-砂土接触面大型直剪试验。其研究结果表明：无泥皮条件下粗糙接触面,其剪切应力-切向位移关系曲线呈软化型;泥皮厚度为5、10 mm条件下,呈硬化型。剪切模量G0.02随泥皮厚度增加而衰减。对光滑混凝土板,其接触面峰值剪切强度和峰值摩擦角随泥皮厚度的增加呈指数关系衰减;对粗糙混凝土板,峰值剪切强度和峰值摩擦角随泥皮厚度的增加近似呈线性衰减。初始泥皮越厚,试验后的泥皮土和泥皮越厚,接触面剪切强度越低。无泥皮条件下粗糙度对接触面峰值剪切强度的影响规律：存在一个临界粗糙度Icr =10 mm,当混凝土板的粗糙度I< Icr时,接触面峰值剪切强度和峰值摩擦角随粗糙度的增大而增大;当I≥Icr时,二者随着接触面粗糙度的增大而减小,泥皮存在会影响改变这一规律。     

基于多尺度直剪试验的岩石模型结构面抗剪强度特征研究

开展岩石模型结构面抗剪强度特征的多尺度（尤其大尺寸）直剪试验研究对于理解岩石结构面力学特性具有重要的理论价值和实践意义。首先,基于多尺度直剪试验仪(MSJ-DST),对20 cm×20 cm、40 cm×40 cm、60 cm×60 cm、80 cm×80 cm和100 cm×100 cm的岩石模型结构面试样采用法向应力分别为200～1 000 kPa进行直接剪切试验;然后,研究不同尺寸岩石模型结构面抗剪强度的特征。结果表明：不同法向荷载作用下模型的受力变形特点相近,峰值剪切位移总体上随着某一数值附近上下浮动;在同一法向应力作用下,不同尺寸结构面试样的峰值抗剪强度表现出在某一数值附近上下浮动的特征,残余抗剪强度则表现出随尺寸的增加有小幅度增加;5级法向应力作用下,不同尺寸的峰值抗剪强度和残余抗剪强度随着法向应力的变化规律均近似相同,抗剪强度残余值与峰值的比值随着法向应力的增大逐渐增大并趋于稳定。     

基于离散元法的砂土破碎演化规律研究

颗粒破碎是影响砂土宏-微观力学性质的重要因素。采用改进型的可破碎颗粒生成方法,通过设置不同强度的平行黏结键模拟不同强度的可破碎颗粒,并借用基于离散元方法（DEM）的双轴压缩试验详细研究了可破碎性土在剪切过程中颗粒破碎率/平均破碎程度、微观尺度上的能量耗散分配机制、剪切破碎带形成以及断裂键各向异性的演化过程。结果表明,颗粒破碎强烈地影响砂土在宏观尺度上的力学响应、颗粒尺度上的能量分配机制以及剪切过程中的颗粒的组织结构演化。颗粒破碎主要影响小应变阶段各能量耗散元的分配机制,而在临界状态下剪切带内的颗粒摩擦以及破碎耗能是消耗外界功的主要因素。数值结果亦表明,颗粒的破碎伴随着整个剪切过程,但破碎率的增长速度却随着剪切应变的发展逐渐降低。另外,在剪切过程中,对于低破碎性土,在临界状态下剪切破碎带基本形成,带内的原有组织结构被打乱,断裂键的各向异性也随之弱化。     

孔隙水压力对锯齿状结构面剪切蠕变特性的影响

为探究孔隙水压对岩体结构面剪切蠕变特性的影响,自主研制了结构面一体化制作模具和多功能剪切流变仪,开展了孔隙水压力下锯齿状结构面的剪切蠕变试验,分析了孔隙水压对结构面蠕变变形、蠕变速率和长期强度的影响。试验结果表明：不同孔隙水压力下的结构面先后经历了瞬时变形阶段、减速蠕变阶段和稳定蠕变阶段,并且孔隙水压力的增大促进了结构面非线性特征的发展;随着孔隙水压力的增大,结构面瞬时位移、蠕变位移和稳态蠕变速率逐渐增大,而蠕变时长、破坏应力和长期强度均呈现明显降低的趋势。根据试验结果,考虑孔隙水压力对模型参数的影响,将蠕变模型中的瞬时剪切模量、黏性剪切模量以及黏性系数替换为孔隙水压力的函数,构建了能够反映孔隙水压力影响的结构面蠕变模型,并对模型参数进行辨识,将试验曲线和理论模型曲线进行对比,验证了模型的正确性和适用性。研究成果对富水区岩体长期稳定性分析提供一定的理论指导。     

颗粒破碎对钙质砂的应力-应变及强度影响研究

压力作用下颗粒发生破碎是引起砂土力学特性变化的重要因素之一, 对于钙质砂这种易破碎的材料更是如此。为进一步弄清颗粒破碎对钙质砂的应力-应变强度影响, 本文对钙质砂进行三轴固结排水剪切试验得到应力-应变曲线, 并筛分得到三轴试验前后钙质砂颗分曲线。通过引入Hardin定义的颗粒相对破碎率Br, 分析了相对密度、围压与颗粒破碎的关系及颗粒破碎对钙质砂应力-应变和抗剪强度的影响。结果表明:随围压的增大颗粒破碎增量逐渐减小, 直到破碎达到一个上限值, 此时围压和相对密度对颗粒破碎影响很小; 颗粒间的滑动标志着应力达到极限状态, 而颗粒破碎会阻碍应力达到极限状态, 在本实验中, 低围压时颗粒破碎少, 颗粒相对运动形式为滑移, 使应力-应变曲线为软化型, 高围压下颗粒破碎严重, 颗粒破碎在剪切过程中始终发生, 使应力-应变曲线呈应变硬化型; 颗粒破碎使体变从剪胀逐渐发展到剪缩, 且破碎越严重剪缩越严重; 在低围压下钙质砂强度主要由剪胀和咬合提供, 高围压下颗粒破碎严重, 剪胀消失, 咬合减小, 使峰值摩擦角减小, 抗剪强度降低。     

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。     

胶结充填体三轴压缩变形破坏及能量耗散特征分析

充填体的变形破坏、能量耗散与围压的变化密切相关,通过开展不同灰砂配比、浓度的充填体单轴、三轴压缩试验,基于系列试验结果,研究了不同围压加载阶段充填体的变形特征、破坏模式及能量耗散与围压的内在关系。结果表明,随着围压的增加,充填体的峰值应变随之增大,且两者呈线性相关;低围压时充填体呈现脆性破坏,表现为应变软化特征,随着围压增大,充填体由脆性向应变硬化转化,灰砂比越大、浓度越高,充填体发生脆-延性的临界围压值越大。充填体的破坏裂纹发展形式各异,大致可分为单一、平行、交叉和复合4种类型;宏观破坏表现主要呈“X”状、“Y”状剪切模式,破坏面的类型主要分为：直线式光滑摩擦面、圆弧式破碎摩擦面、直线式破碎摩擦面以及台阶式破碎摩擦面。充填体的峰值强度与围压也呈正线性相关,内摩擦角对灰砂比的敏感性要高于浓度。围压的增大能够相当程度上提高充填体各阶段的应变能,峰前、峰后能耗量、单位体积变形能以及总能耗与围压皆呈正相关性。     

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。     

钙质砂颗粒破碎对临界状态影响的试验研究

钙质砂的颗粒易碎性是造成其变形和强度特性不同于石英砂的重要性质。本文基于临界状态理论,通过一系列试验定量地描述钙质砂临界状态线随颗粒破碎的演化规律。本文试验分两个阶段进行:第1阶段研究了60~2000 kPa围压条件下钙质砂的力学特性和颗粒破碎特征;第2阶段以不同破碎率的试样为母本重塑制样,在100~300 kPa围压条件下,剪切至破碎临界状态线。试验结果表明:在较小围压(<300 kPa)条件下,松砂和密砂均表现出明显的剪胀和应变软化特性;而高围压(>1 MPa)条件下,显著的颗粒破碎会造成试样的持续剪缩;颗粒破碎存在明显围压阈值,对于松砂而言,在围压小于300 kPa条件下,颗粒基本不发生破碎;在e-lg p'平面内,破碎临界状态线的截距Δe_Γ和斜率λ_c均会随着修正相对破碎率B_r*的增大而减小,即颗粒破碎会使临界状态线发生下移和逆时针转动;而在q-p'平面内,钙质砂的临界状态点落在同一条直线上,即存在唯一的临界状态应力比M_cr和临界摩擦角φ_cr。     

Anisotropic mechanical properties and brittleness evaluation of layered phylliteEI北大核心

为了研究层状千枚岩的力学特性与各向异性特征,开展了不同层理倾角与不同围压下的千枚岩力学试验。对比分析了千枚岩试样强度、变形、脆性与破坏模式等各向异性特征。结果表明:(1)随着层理倾角β增加,岩样的强度、变形特征曲线形状呈U型;随围压增加,岩样强度及塑性增强,各向异性度逐渐减弱稳定。(2)采用多种强度准则描述岩样强度各向异性,其中Saeidi准则和改进Ramamurthy准则能很好地预测岩样在不同层理倾角下的抗压强度。(3)基于岩样峰前应力-应变曲线与能量特征提出了综合脆性评价指标,在层理倾角β=45°左右时,岩样脆性指标较低,更易发生剪切滑移破坏,得出脆性下降顺序为:沿层理面拉伸劈裂>穿层理面拉伸劈裂>沿层理面剪切>穿层理面剪切。(4)千枚岩的破坏模式与层理倾角和围压有关,单轴条件下,岩样劈裂破坏后易形成复杂裂纹网络;高围压下,岩样破裂后多形成单一的沿层理面或贯穿多层理面的剪切破坏。     

高低压下不同力学特性的砂土统一模型

为构建能够反映砂土高低压下不同力学特性的统一模型,分析了砂土在较大的压力范围内的力学试验结果并获取其强度、等向压缩以及临界状态特性参数。通过引入应力路径相关因子来修正塑性应变增量中与应力路径相关的部分,从而使得模型硬化参量能够反映密实砂土在常压下的剪胀特性。同时,基于砂土的临界状态特性提出能够与砂土内部状态相对应的潜在状态面概念,由屈服面与潜在状态面间的动态关系确定加载过程中的动态密实参数及潜在强度,进而使得硬化参量也能够反映密实砂土在常压下的软化特性及高压下的剪缩、硬化特性。分析模型屈服面及潜在状态面间的演化规律并对不同压力等级下的砂土受荷力学行为进行模拟预测,证实了该模型能够反映密实砂土常压下剪胀软化及高压下剪缩硬化的特性。     

含二阶规则起伏体结构面的剪切试验研究

通过常法向应力直剪试验研究了含不同二阶规则起伏体高度结构面的剪切特性。试验结果表明:与只含一阶起伏体结构面不同,含二阶起伏体结构面会有多峰值剪应力和波浪状的变形曲线,会出现多次剪断破坏或一次剪断破坏的破坏特征,随着二阶起伏体高度的增大,结构面剪切强度增大。     

颗粒破碎对绢云母片岩强度和变形影响的试验研究

为进一步弄清颗粒破碎对软岩粗粒料强度、变形的影响,开展2组不同初始干密度下的绢云母片岩粗粒料的固结排水三轴试验,分析了绢云母片岩粗粒料颗粒破碎规律,并探讨了颗粒破碎对绢云母片岩粗粒料力学性质的影响。结果表明,绢云母片岩粗粒料相对破碎率随围压的增加而增大,但颗粒破碎增幅速率受初始干密度影响较大,颗粒破碎与围压之间的关系可用线性关系描述;由于初始孔隙率的影响,使得试样在同一应力水平下高密度试样颗粒破碎明显高于低密度试样;颗粒破碎对高密度试样抗剪强度降低的影响高于低密度试样,导致两种干密度试样的应力-应变曲线在某处出现相交,最终出现初始密度低的试样抗剪强度大于初始密度高的试样抗剪强度的现象;高密度试样孔隙率较小,其剪胀因子一直保持在1附近,而低密度试样孔隙率较大,受颗粒破碎和剪胀的影响迟缓一些,低密度试样体变较高密度要大些,但整体上由于颗粒破碎和剪胀的影响,绢云母片岩粗粒料的体变均不大。