岩石空心圆柱扭剪仪试验能力

针对自行研制的岩石空心圆柱扭剪仪可独立控制4个加载参数（轴力、扭力、内围压和外围压）的功能,通过数学和力学分析,系统地整理出几种易于实现且符合实际工程的应力路径及加载方式：在轴力与内围压满足一定关系的前提下,可以获取岩石的抗拉强度,提供一种新型测量岩石抗拉强度的方法;通过控制内外围压及轴力,可以进行常规三轴试验与真三轴试验,克服了现阶段岩石真三轴试验中试验装置复杂、试样加载面摩擦大的缺点;在轴力与内、外围压分别满足一定关系时,可以分别实现平均应力p不变与中主应力系数b不变的应力路径,用于研究应力主轴旋转对岩石力学性质的影响。上述应力路径的实现对岩石力学性质的研究以及现阶段岩石室内试验的发展具有重要意义。     

岩石空心圆柱扭剪试验系统研制

针对深部工程岩体开挖时围岩内部应力状态复杂变化的特点,研制了可实现主应力量值变化和应力主轴旋转等复杂应力路径的岩石空心圆柱扭剪试验系统,可用于开展复杂应力作用下岩石的强度、变形和破坏形态的室内试验研究。介绍了该试验系统的基本结构、工作原理及技术参数。该试验系统具有如下特点：（1）通过利用空心圆柱试样与上、下压头的特点,克服了岩石试样扭矩施加的技术困难,将施加轴向力和扭矩的两个加载轴合二为一,彻底解决了轴向力加载与扭矩施加机构之间相互影响的技术难题。（2）通过采用新型自平衡加载三轴室,实现了轴向力、扭矩、内围压和外围压4种荷载的独立施加和控制。（3）采用应力与流量的加载控制方式,并通过软件集成,实现了主应力量值改变和应力主轴旋转耦合应力路径的准确模拟以及加载过程的稳定控制。（4）该试验系统结构简单,功能多样,操作方便。采用该试验系统进行了初步试验,验证了试验系统的可行性与实用性,表明该试验系统具有实现应力主轴旋转及主应力量值改变的复杂应力路径的功能。     

动态围压下空心圆柱扭剪仪模拟主应力轴旋转应力路径能力分析

针对英国GDS公司动态空心圆柱扭剪仪（HCA）在主应力轴旋转试验中能够实现三向动态加载（轴力、扭矩、内围压或外围压）的功能,通过严格的数学推导,提出了3种易于实现又与实际工程背景相符合的应力路径加载方式。当三向动载满足相应的条件时,可以实现（1）平均主应力p和剪应力幅值q保持恒定的应力路径（应力路径1）;（2）中主应力参数b = 0.5、剪应力幅值q为常数的应力路径（应力路径2）;（3）平均应力p保持不变、主应力旋转角90º突变的应力路径（应力路径3）,其中应力路径1、2为模拟海洋波浪荷载作用下的应力路径试验提供了理论依据,应力路径3可用于模拟地震荷载作用下的土体动力特性。以上3种应力路径均不能在两向动态HCA仪中实现     

四向振动空心圆柱扭剪仪模拟主应力轴旋转应力路径能力分析

主应力轴旋转对土体的动力特性有着显著影响。利用GDS动态空心圆柱扭剪仪（HCA）能够实现内围压、外围压、轴力和扭矩四向动态加载的功能,提出了3种主应力方向变化的应力路径加载方式,分析了3种应力路径在实际工程中的应用,并进行了试验验证。当四向动载根据推导的波形函数加载时,可以实现：① 平均主应力p、中主应力系数b和偏应力q保持恒定,主应力轴循环旋转的应力路径;② 平均应力p和中主应力系数b保持不变,偏应力q循环变化,而主应力方向角? = 90°突变的应力路径;③ 平均主应力p、中主应力系数b保持不变,偏应力q、主应力方向角α连续变化的应力路径。应力路径①为模拟海洋波浪荷载作用下的应力路径试验提供了理论依据,应力路径②可用于模拟不同方向地震荷载的作用,应力路径③可以模拟波浪荷载作用下桩周土体的应力路径以及交通荷载作用下的应力路径。     

GDS空心圆柱仪动力试验能力探讨

为更好地模拟多向应力和主应力轴旋转等复杂应力路径,与英国GDS公司合作研发了能施加轴向和扭矩动载的空心圆柱仪。文中介绍了该仪器的工作原理和性能,分析对比了其与传统单向动三轴仪试验结果,并探讨该空心圆柱仪所完成的5组典型动力荷载及一组不规则随机波动力试验能力。动力加荷时,通过调整设定刚度参数,实测波形与设定波形误差较小。该仪器能很好地模拟地震、波浪和交通荷载引起的应力,为研究复杂应力状态下土体动力本构关系提供了很好的工具。     

空心圆柱扭转仪定向剪切试验离散元模拟

为分析砂土在复杂应力条件下的剪切力学特性,采用商业离散元软件PFC3D对单粒组中密砂的空心扭剪试验进行了仿真模拟,分析了数值试样的应力-应变关系,研究了不同剪切方向下离散介质的强度、体积应变特性以及中主应力比对它们的影响,再现了力链在加载过程中的演化,并对剪切带的倾角做了深入分析。同时,从细观上看,以颗粒接触数和纯转动率变量为中心,观察了试样内部颗粒的运动状态,对比了不同剪切方向下剪切带内外颗粒接触数与纯转动位移的变化。最后,将数值试验结果与已有的室内试验结果进行了对比。此研究实现了复杂应力条件下空心扭剪试样的三维离散元模拟,加深了对空心扭剪试验过程和结果的理解和解释。     

GCTS空心圆柱扭剪仪反压饱和试验探究

GCTS空心圆柱扭剪仪是研究土体在循环荷载下的主应力轴旋转的理想仪器。如何使用GCTS空心圆柱扭剪仪对软土空心试样进行反压饱和才能使后续试验结果更精确,探究了以GCTS空心圆柱扭剪仪为试验平台,对空心试样进行了反压饱和的试验方法。总结了空心扭剪仪反压饱和的3种加压方式：手动加压、自动加压和连续加压方式。通过一些试验探究了每种加压方式所对应的合理性参数。确定了适合吹填土的压差为15kPa。确定了孔压稳定的标准为：如果孔压在1min内的变化值小于围压和反压之间压力差的5％,则认为孔压稳定。     

空心圆柱仪模拟列车荷载下土中应力路径能力分析

土体作为各向异性散粒体材料,其动力特性依赖于所处的应力路径。列车荷载下地基土在最大剪应力空间呈心形线旋转应力状态,但目前还未见室内试验中模拟心形线应力路径的相关研究。首先提出了土体动力响应解的简化拟合形式,并通过典型列车荷载作用下地基土所受应力特征分析验证了该简化形式的合理性。针对目前国际上已有的3类空心圆柱仪（HCA）,推导出模拟列车荷载下地基土应力特征的加载方式：（1）双向振动HCA可通过确定轴力和扭矩的应力形式来实现心形线应力路径加载,此时球应力p的变化规律与轴力的加载波形一致,中主应力系数b在内、外压相等时呈余弦变化规律;（2）三向振动HCA在模拟列车荷载下的应力特征时,可以保持p不变或b恒为0.5;（3）四向振动HCA能够通过控制轴力、扭矩和内、外压的共同变化来较全面地模拟列车荷载下土单元体的应力特征,并可实现b为任意合理值且保持不变的前提下p、q之间保持恒定线性关系。并推导了3类HCA的加载参数在正应力均以压应力为主及中主应力方向维持在直径方向时的约束条件。     

空心圆柱砂岩真三轴试验研究

利用岩石空心圆柱扭剪试验系统针对灰砂岩进行真三轴试验研究,分别开展控制（σ2-σ3）（σ2为中间主应力,σ3为最小主应力）条件压缩试验和恒σ3、变σ2条件压缩试验,对灰砂岩的应力-应变规律、强度特性及破坏特征进行详细分析,并进一步探讨了中间主应力效应,最小主应力效应,应力洛德角效应以及强度准则的适用性。研究结果表明：岩石空心圆柱扭剪试验系统能够实现真三轴应力状态的模拟,相较于常规的实现方式,该方法可避免端部摩擦的影响;内外围压的压差对岩石强度有很大影响,尤其是在高围压下,较大的压差使得岩石强度迅速弱化导致剧烈破坏;中间主应力对岩石强度影响显著且具有区间效应,最小主应力对岩石强度有强化作用,该特点对于实际工程开挖岩体的高效及时支护具有重要的指导意义;进一步地,根据所获试验结果对现阶段用于描述岩石力学特性的强度准则进行分析,认为采用指数强度准则能合理反映岩石真三轴应力状态,具有较好的适用性,可用来评价实际工程中岩石的强度特征。     

偏应力比和应力主轴偏转角同时变化下饱和砂土变形特性研究

利用空心圆柱扭剪仪对饱和砂土进行了应力主轴固定和偏应力比增大（即定向剪切）、偏应力比不变和应力主轴单调旋转（即纯应力主轴单调旋转）、偏应力比和应力主轴偏转角同时增加、偏应力比和应力主轴偏转角分段增加4个系列的排水剪切试验,着重分析不同应力路径下饱和砂土的变形特性及主应力和主应变增量方向变化规律。试验结果表明,纯应力主轴单调旋转下,主应力增量方向在45°～135°范围内变化,主应变增量方向逐渐偏向主应力方向;偏应力比和应力主轴偏转角同时增加下,砂土变形不断增大,当主应力增量方向 45°时,主应变增量方向与主应力增量方向基本一致,但当 45°时,主应变增量方向逐渐偏离主应力增量方向。当应力状态在偏应力比 0.75、应力主轴偏转角 45°范围内时,体应变、最大剪应变与应力路径无关,且后期纯应力主轴旋转下砂土变形不受前期加载历史的影响。     

重塑黏土空心圆柱试样制备技术改进及应用

受大体积制样降低土体均衡性及取芯扰动试样的影响,目前在包括主应力轴旋转等复杂应力路径下所开展的重塑软黏土力学特性试验研究的可靠性有待进一步提高。基于真空预压技术设计了制备重塑样的新型装置及方法,具有渗透排水与内壁成型双重作用的竖向排水体、分级施加真空负压以及多个试样同时制作等部件和技术,可快速制备大量空心圆柱试样,所制试样含水率具有较好的均匀性和一致性,减小了后期取芯对试样造成的扰动。开展了主应力轴旋转路径下的相关验证试验,从土体力学性能方面证明了所制试样用于研究复杂应力路径条件下土体性态演变规律的可靠性,为系统研究软黏土静动力学特性与长期稳定性提供了前提。     

交通荷载引起的主应力轴旋转室内试验模拟探讨

为了通过室内试验研究交通荷载引起的主应力轴旋转对土体循环特性的影响,以单个移动荷载和列车荷载为例,分析了主应力轴旋转特点。以此为基础,结合空心圆柱仪的加载特点,给出了室内模拟主应力轴旋转的加载方法。竖向动应力可以用具有静偏应力的正弦荷载模拟,动剪应力可以用正弦荷载模拟,两者的相位差为 。为了模拟交通荷载引起的主应力差变化的特点,两种动应力的幅值应该是不同的。当试验中施加无应力反向的竖向动应力时,大主应力夹角在 ～ 和 ～ 之间变化。     

Local measurements of the polar deformation response in a hollow cylinder apparatus

This paper describes the set-up, calibration and performance of the local instrumentation that measures the deformation response of the test-specimen in a new hollow cylinder apparatus (HCA). Customised, single- and double-axis inclinometers measure the axial and twist deformations of the outer specimen wall surface. Proximity transducers in the cell chamber and the specimen bore cavity measure the radial wall‐surface displacements and precision gearing allows the relocation of the transducers from outside the pressure-cell. The inclinometers were modified (reduced gauge of 45 mm) to suit the smaller-sized test specimen and the more compact pressure cell of the HCA. The instruments were calibrated using an optical table and laser distance-measurement system to achieve the necessary accuracy for strain measurements over the pseudo-elastic range. The calibration in water data for the proximity transducers was non-linear and strongly influenced by the specimen wall curvature. Equations are presented to compute the true torsional shear strain response from the measured inclinometer tilt angle, specimen dimensions and deformation response. External measurements include significant errors due to apparatus compliance, specimen end-restraint and bedding effects, inaccuracies in measuring volume changes and the fact that the deformations are calculated assuming that the entire specimen deforms as a right cylinder.     

主应力轴旋转对剪切带形成的影响分析

软土的剪切带形成对于研究土的工程性质、土体稳定性评价有重要的意义。 采用可以考虑主应力轴旋转影响的土的弹塑性本构模型———关口-太田模型, 分析主应力轴旋转对剪切带形成的影响, 得出最可能发生局部剪切变形的方向同主应力轴的旋转角有关, 但主轴旋转对激发变形局部化失稳的影响不大的结论。