应力路径对砂土变形特性影响的细观机制研究

在对已有试验结果进行分析基础上,从细观角度研究了砂土变形机制。通过对简化的颗粒单元体的受力及变形分析,推导了主应力比与θ的关系以及孔隙比与θ的关系。结果表明,颗粒单元体变形过程中主应力比与孔隙比有着对应的关系,这与"应力路径对塑性体应变的影响主要是由应力比引起的"的试验结论是一致的。从细观角度分析了应力路径(主要是主应力比)影响砂土变形的过程。研究表明,砂土体中存在着大孔隙以及两种基本状态的颗粒单元体结构孔隙,它们是控制砂土变形特性的关键因素,大孔隙受应力路径影响不大,而颗粒单元体结构孔隙则与应力路径密切相关,主要表现为主应力比对塑性体应变的影响;从细观角度分析了峰值应力比与相变应力比的关系,即初始孔隙比越小,相变应力比越低,峰值应力比越高,这与宏观试验结果是一致的。     

不同密度粗粒料强度特性的大型真三轴试验

干密度对粗粒料的强度特性有重要影响,特别是三维应力状态下影响更为显著。通过不同密度粗粒料大型真三轴等小主应力等中主应力系数（b=0.25）加载试验和大三轴试验研究了干密度对粗粒料强度特性的影响。结果表明,大型真三轴试验的应力曲线基本呈爬升型,高于和陡于大三轴应力曲线,表现出较强的硬化性;粗粒料强度基本随初始干密度的增大或小主应力的增大呈线性增大;大型真三轴试验强度比大三轴试验强度增大20%～97%,且小主应力越小,强度增大幅度越大;令粗粒料黏聚力为0,则内摩擦角随初始干密度的增大基本呈线性增大,随小主应力的增大而减小;破坏应力比随初始干密度的增大呈线性增大,随小主应力的增大而呈线性减小,大型真三轴试验的破坏应力比小于大三轴试验的破坏应力比。     

颗粒粒径对微生物固化砂土强度影响的试验研究

微生物固化技术（MICP）是岩土工程领域新兴起的一种不良地基处理技术,不同地基土体之间的颗粒粒径并不相同,其固化效果也可能存在一定差别。选用3种不同颗粒粒径范围的砂土进行微生物固化处理,并基于无侧限抗压强度试验、孔隙体积测量和洗酸处理,从宏观角度分析颗粒粒径对微生物固化效果的影响。结合扫描电镜测试,从细观角度对微生物固化机制进行了初探。研究结果表明,微生物固化砂土中碳酸钙晶体以颗粒簇形式堆积在砂土颗粒表面及颗粒间接触处,其尺寸随碳酸钙晶体堆叠程度的增加而增大;对于颗粒粒径较小的砂土,颗粒间孔隙较易被碳酸钙晶体填充密实,固化试样内有效碳酸钙晶体比例较大,“结构性”较强,无侧限抗压强度较高。     

孔隙填充型能源土的宏微观力学特性真三轴试验离散元分析

天然气水合物沉积物因其作为绿色新型能源且具有广阔的开发前景而备受全球瞩目。水合物在水合物沉积物（俗称能源土试样）中有不同的赋存型式,如孔隙填充型和胶结型等。针对孔隙填充型水合物的赋存形态,生成特定饱和度的能源土试样。开展了同一 平面上不同中主应力系数（b = 0、0.25、0.50、0.75、1.00）的真三轴排水试验的三维离散元模拟,将微观参数接触组构及剪切滑移率的演化规律与材料的宏观力学响应相结合,分析了中主应力对孔隙填充型能源土的宏微观力学响应的影响。结果表明：强接触处组构张量的大、中、小主值随b的变化规律与大、中、小主应力及大、中、小主应变随b的变化规律表现出良好的相关性。三向应力状态下的破坏强度接近Lade-Duncan破坏准则。能源土试样剪切滑移率随着中主应力系数的增大而增大;当处于三轴拉伸状态时,试样的剪切滑移率最大。     

定轴排水剪切试验中各向异性砂土的力学响应

南京云母砂主要由片状颗粒组成,具有较为明显的各向异性特性。采用香港科技大学的自动控制空心圆柱扭剪仪进行了应力主轴方向角分别为10°、30°、60°、80°的密实云母砂定轴剪切试验,研究云母砂的初始各向异性规律。为研究中主应力的影响,又对同一密度的试样在中主应力系数b＝0.1、0.5、1.0三种不同情况下进行定轴剪切试验。试验结果表明,在大主应力方向角从0°～90°的变化过程中,强度先减小后增大,且随着b值的增加强度增大;变形表现出明显的各向异性,随着b值的增加体变增大     

中主应力系数影响下的冻结砂土损伤本构模型

人工冻结法是饱水砂层开挖过程中常用的止水和临时支护方法,通过冻土损伤特性研究为冻土力学特性和冻结体稳定性分析奠定基础。为研究冻结砂土的损伤力学特性,在-5℃下进行了不同中主应力系数的冻结砂土三维室内试验。从冻土微元破坏服从Weibull随机分布的特点出发,将Drucker-Prager强度准则作为冻土微元统计分布变量,利用应变等价性假说,建立了三维应力状态下冻结砂土损伤本构模型;在此基础上,讨论模型参数F₀与m和中主应力系数的关系,对模型参数进行合理修正,建立中主应力系数影响下的冻结砂土损伤本构模型,并与试验结果进行对比。分析结果表明:参数F₀和m随着中主应力系数的增大呈现先减小后增大的趋势;参数F₀反映了冻结砂土的强度特性,参数m代表了冻结砂土的延性及脆性特征,考虑中主应力系数影响的冻结砂土损伤本构模型能很好地模拟冻结砂土应力-应变全过程曲线。研究成果为人工冻结法工程设计提供一定的理论依据。移动阅读      

应力状态对粗粒料力学特性影响的大型真三轴试验

土石坝所处的应力状态较接近平面应变应力状态或三维应力状态,而常规三轴试验低估了粗粒料的力学性能。应用大型真三轴仪对常规三轴应力状态、平面应变应力状态和真三轴应力状态（ 0.25, 为中主应力系数, 、 、 分别为大、中、小主应力）下粗粒料的力学特性进行了压缩试验研究。试验结果表明：相同小主应力下,常规三轴试验、平面应变试验、真三轴试验的大、小主应力之差与大主应力方向应变的关系曲线依次变高变陡。某一试验加载条件下,体应变随球应力的增大而增大,初始剪切阶段增加较慢,随后呈线性增大,不同小主应力的体应变曲线较为接近。平面应变试验强度和真三轴试验强度比常规三轴试验强度有较大增长,真三轴试验强度增加百分比大于平面应变试验强度增加百分比。初始弹性模量随小主应力的增大呈线性增大。平面应变状态下中主应力系数随大主应力方向应变的增大而增大,初始剪切阶段增长较缓,之后近似呈线性增大。相同小主应力下,从常规三轴应力状态至平面应变应力状态再到真三轴应力状态,小主应力方向应变均为膨胀变形,且膨胀变形依次增大。同一试验加载条件下,小主应力较小时,应力比（偏应力与球应力之比）与偏应变的关系曲线位于上方。     

循环荷载下人工结构性土变形与强度特性试验研究

针对长期动载作用下天然沉积结构性黏土地基强度和刚度循环软化问题,分别以水泥和食糖为模拟粒间胶结和大孔隙的材料,制备了不同胶结强度和初始孔隙比的人工结构性土,开展了人工结构性土与相应重塑土的动三轴试验,分析了土体胶结强度、初始孔隙比、围压和动应力幅值对累积变形和动强度的影响规律。试验结果表明：累积应变-振动次数曲线以临界循环应力为界分为：塑性安定型、临界型和破坏型;临界循环应力随胶结强度增大、初始孔隙比减小而增大;土体胶结强度越高,脆性破坏越明显,累积应变曲线转折点对应的应变越小。动强度的应变破坏标准采用转折点应变值更符合土性变化规律;动强度随胶结强度增大、初始孔隙比减小而增大;动黏聚力cd随破坏振次增大而降低,而动内摩擦角?d基本不变。试验结果可为软弱土地基动力灾变控制提供有益参考。     

定向剪切应力路径下冻结黏土变形特性试验

为研究复杂应力路径下冻土的强度与变形特征,采用冻土空心圆柱仪（FHCA-300）对不同负温状态下的饱和冻结黏土开展定向剪切试验,基于不同剪切方向下冻结黏土的轴向和扭剪分量的应力-应变关系,探讨土样的剪切变形特征、各向异性属性以及剪切带的演变规律,并考察温度、大主应力方向角、平均主应力以及中主应力系数等因素对冻结黏土强度的影响。结果表明：平均主应力p值对冻结黏土的应力-应变关系影响显著,尤其是p=4.5 MPa时具有较高的剪切强度,且该值可能为压融临界p值;大主应力方向变化会诱发冻结黏土的各向异性,随着大主应力方向角的增加,冻结黏土剪切强度逐渐降低,并有明显的剪切带产生;中主应力系数的增加使得轴向强度有逐渐降低的趋势,但对剪切强度影响不明显;随着温度的降低,冻结黏土强度逐渐增大,试样发生脆性破坏并出现剪切破裂面,其剪切强度主要取决于冰颗粒和土颗粒的胶结力。     

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。     

水泥土应力-应变特性真三轴试验研究

采用研制的真三轴仪对水泥土进行等小主应力 、等中主应力参数b真三轴试验,研究中主应力参数、小主应力对水泥土应力-应变特性的影响。试验结果表明,相同?3条件下,水泥土应力-应变曲线的初始切线模量、破坏强度均随b的增大而增加,破坏时的大主应变则随b值的增大而减小;水泥土破坏强度与中主应力参数b近似呈线性关系,直线斜率随?3的增加而增大。对于相同b值,水泥土的应力-应变曲线初始切线模量、破坏强度、破坏时的大主应变均随?3的增加而增大;水泥土破坏强度与?3近似呈线性关系,且随b值的增大,线性关系更加明显。随着中主应力和?3的增大,水泥土应力-应变曲线逐渐由软化型向硬化型过渡。破坏应力比则随?3的增加和b值的增加而逐渐降低。获得了水泥土的广义Tresca准则和广义Mises准则模型参数,对比分析表明广义Tresca准则更适用于水泥土。     

三维应力作用下岩体层面效应分析

为得到层状岩体在真三轴压缩情况下的强度变形特征,利用数值分析方法建立计算模型,得到不同结构面倾角? 下试样的应力和变形响应,结果表明,(1) 加载初期,结构面倾角? = 0°和? = 90°试样对应的初始弹性模量最大;随着试样变形的增大,对应的弹性模量以? = 90°、60°、0°的顺序逐渐减小;? = 90°和? = 0°试样发生破坏的脆性特征比较明显;(2) 随着围压? 3 = σ2的增大,压缩强度? 1不断增大;围压对强度极值发生的位置影响不大;(3) 最小主应力与结构面走向平行情况下,随着中间主应力? 2的增大,试样压缩强度呈现先增大后减小的趋势;随着最小主应力? 3的增大,? 1逐渐增大;当? 3较小时,二者符合线性关系;随着? 3的增大,二者的关系逐渐呈现非线性特征;并且结构面滑移破坏型试样的非线性特征更加明显;(4) 最小主应力与结构面走向垂直的情况下层状岩体的压缩强度与中间主应力和最小主应力的关系均呈现显著的线性特征。     

三维应力状态下粗粒料强度特性试验研究

粗粒料所处的应力状态具有随时间和空间而变的特点,往往处于较复杂的三维应力状态下。通过粗粒料大型真三轴各向等压固结等比例加载试验,研究了不同中主应力系数条件下粗粒料的强度特性。试验结果表明：中主应力对粗粒料的强度有重要影响,三维应力状态下,粗粒料的强度比常规三轴应力状态下有较大提高,大小主应力之差与大主应变关系曲线也更加陡峭;中主应力系数b从0增大到0.25时,破坏时大小主应力之差增加了39%～50%;摩尔–库仑强度参数咬合力c和内摩擦角? 均随着中主应力系数b的增大而增大,其中咬合力c的增长较为显著,特别是b从0增大到0.25时;相同小主应力条件下,b = 0时,破坏偏应力与球应力之比最小,b = 0.25时,破坏应力比达到最大值,随着b的增大破坏应力比又有所减小;相同中主应力系数条件下,随着小主应力的增大,破坏应力比逐渐减小。     

基于颗粒流程序的真三轴应力状态下堆石体的变形和强度特性研究

采用三维颗粒流程序,模拟了堆石体的真三轴试验,不仅研究了堆石体在三维应力条件下的宏观应力变形特点,而且将细观与宏观参数联系起来,进一步完善了对堆石体的研究。试验过程采用等中主应力比路径加载。通过比较堆石体真三轴颗粒流模型试验和室内真三轴试验结果,表明颗粒流程序能较好地模拟堆石体的力学特性。颗粒流数值试验结果表明,中主应力对堆石体在三向应力状态下的强度和变形特性均有显著的影响。应力比参数b从0～1变化过程中,中主应力面先压缩后膨胀,小主应力面一直处于压缩状态;中主应力对内摩擦角、弹性模量和泊松比也均有影响。从细观上看,围压越高,b值越大,颗粒配位数越大,孔隙率越小,故从细观角度解释了堆石体的宏观应力变形现象。     

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。     

复杂应力条件下饱和砂土排水剪切强度的试验研究

针对相对密度为30 %的福建标准砂,利用土工静力－动力液压－三轴扭转多功能剪切仪,在不同初始固结条件下控制试验过程的平均主应力保持不变,改变中主应力系数和主应力方向,进行了应力控制式单调排水剪切试验,着重探讨中主应力系数和主应力方向对砂土剪切强度的耦合影响。试验结果表明：在相同的试验条件下,中主应力系数对饱和标准砂的应力-应变关系具有影响,但对体变特性的影响并不明显。上述现象同初始固结应力比的大小无关。平均主应力一定,广义剪应力随中主应力系数增大而降低的趋势同时依赖于主应力方向的作用。中主应力系数对内摩擦角的放大效应同样受到主应力方向的影响。基于广义双剪应力准则,引入考虑主应力方向影响程度的权重系数,结合试验结果给出了考虑中主应力系数和主应力方向耦合影响的强度指标表达式。