地下工程衬砌与减震层接触面力学特性直剪试验及数值仿真

泡沫混凝土作为隧道减震材料在抵抗地震压剪荷载方面具有重要作用,为了研究减震层-衬砌接触面在地震压剪荷载作用下的破坏特征与剪应力演化规律,利用RMT-150C电液伺服试验机开展了二者接触面在不同法向应力下的直剪试验,获得了剪应力-剪切位移、峰值强度、残余强度、剪切刚度的变化规律及接触面的破坏特征和物态变化。根据有限元模拟结果,探究接触面上剪应力的分布及演化规律。研究表明：泡沫混凝土-衬砌接触面的破坏特征受法向应力与泡沫混凝土密度共同影响,其剪应力-剪切位移曲线形态可归结为3种类型,且随泡沫混凝土密度和法向应力的变化可以相互转化;泡沫混凝土密度及法向应力对接触面峰值强度、残余强度及剪切刚度的影响是相互的,且法向应力的影响权重较大。根据剪应力-剪切位移曲线的变化规律,提出了复合指数模型来反映泡沫混凝土-衬砌接触面在压剪作用下损伤演化及摩擦滑移过程,研究结果可以为更加有效的抗减震设计提供一定参考。     

饱和黄土卸载特性影响因素研究

黄土边坡开挖过程中常遇到边坡发生变形甚至破坏的情况,不同的开挖速率导致边坡的变形特征也不相同。通过饱和黄土的卸载三轴试验,研究固结围压及卸载速率对卸载状态下饱和黄土的应力-应变特性、孔隙水压力的发展及应力路径的影响。试验表明,固结围压越大,土体破坏所需的偏应力越大,抗剪强度越大;卸载速率越大,对应的偏应力峰值越大,抗剪强度越大。卸载速率相同时,土体卸载初期的超静孔压为负值,增大至正值后孔压的增长速率在其增大过程中逐渐减小;固结围压越大,土样剪切过程中对应的孔隙水压力越大。卸载三轴试验中,土体均表现为应变软化的特性;饱和黄土破坏时的应变均为1%~3%,且固结围压越高,破坏时的应变越小。固结围压相同时,卸载速率越大,孔压增长速率越快,但孔隙水压力值越小。     

固化粉质土应力应变特性试验研究

对固化粉质土进行了单轴和三轴应力应变试验,分析了单轴应力-应变曲线和不固结不排水三轴应力-应变曲线的特点,初步探讨了龄期、固化剂掺量及围压对曲线形状的影响。单轴应力应变试验结果表明,固化粉质土后期的强度和变形特性变化较小,随着固化剂掺量的增加,单轴应力-应变曲线形状变化明显。三轴应力应变试验结果表明,随着固化剂掺量的增加,其破坏应变和破坏偏应力均呈现正向增长的态势,曲线在高围压下呈现弱软化型,在较低围压时呈现软化型。     

干密度对粗粒料力学特性的影响

粗粒料的力学特性不仅取决于应力状态,还与粗粒料本身的松密程度密切相关,即与粗粒料的材料状态相关。通过不同初始干密度的粗粒料常规大型三轴各向等压固结排水剪切试验研究了干密度对粗粒料力学特性的影响。试验结果表明：粗粒料应力-应变曲线的形态取决于密度和围压的共同作用,破坏状态之前密度和围压共同决定了粗粒料的强度和变形,而当应变足够大处于渐进状态或临界状态时,粗粒料的应力和体积应变受初始干密度的影响逐渐减小直至消失。对于软化型曲线,相变状态的应力小于渐进状态的应力,而渐进状态的应力小于破坏状态的应力。无论围压大小如何,随着初始干密度的增大,应力-应变曲线的硬化性逐渐减弱,而软化性则逐渐增强。     

考虑围压影响的岩石峰后应变软化力学模型

试验表明,随着围压增加,岩石峰后残余强度和割线模量增加,如何模拟围压对岩石峰后应变软化力学行为的影响是岩石峰后力学行为研究的关键。利用Z. Fang[1]提出的峰后强度下降指数描述围压对岩石峰后残余强度和割线模量的影响,与摩尔-库仑模型结合,建立了考虑围压影响的岩石峰后应变软化力学模型。在FLAC环境下,利用Fish函数方法开发了相应的数值计算程序。数值算例研究了Tennessee大理岩在不同围压下的应变软化过程,模拟结果与试验数据基本一致,表明建立的模型合理,可以应用于岩石峰后软化过程的模拟。     

平面应变条件下水泥土强度特性试验研究

通过水泥土平面应变试验和三轴压缩固结排水试验（CD试验）,对水泥土力学特性进行研究,讨论两种试验条件下水泥土的应力-应变曲线变化特点和强度特性。试验结果表明,水泥土的应力-应变曲线为软化型,软化程度与围压有关,平面应变条件下水泥土软化明显;CD试验和平面应变试验的强度破坏线均为直线,可用摩尔-库仑强度准则来描述;两种试验条件下的残余强度均随围压的增加呈线性增大,其中平面应变试验残余强度高于CD试验,残余强度与峰值强度的比值随围压的增大而增大,增大速率减小;平面应变条件下,水泥土的破坏强度约为三轴CD试验的1.4～1.6倍。从微观结构和能量守恒原理解释了CD试验和平面应变试验水泥土软化成因,认为水泥水化物等凝胶材料是水泥土软化的主要因素,且中主应力的存在使水泥土软化更加明显     

水平层状复合岩体变形破坏特征的围压效应研究

为研究不同围压下深部复合地层岩体变形和破坏特征,结合地质赋存条件制作了类层状复合岩石试样,通过开展不同围压下的三轴压缩试验,研究了围压对水平层状复合岩体变形破坏特征的影响。试验结果表明：随着围压的不断增加,峰后偏应力-应变曲线的降低速率逐渐变缓,应变软化程度逐渐减弱;随着围压的增大,水平层状复合岩石的破坏形态呈现出明显差异,整体上破坏形态逐渐由脆性破坏向延性破坏过渡;在一定围压状态下,围压对软岩膨胀变形的约束效果相对硬岩较弱,导致水平层状复合岩石试样的软、硬分层之间的膨胀变形不协调,在层间黏结力作用下,软、硬分层之间发生相对错动现象。该研究成果对于施工单位预防深部复合地层隧道掘进机（TBM）工程灾害具有一定的指导意义。     

冻结粉土三轴压缩变形破坏与能量特征分析

对不同温度和不同围压下的青藏冻结粉土进行了三轴压缩与加卸载试验,得到冻结粉土应力-应变关系曲线、抗压强度等力学参数随温度与围压变化的关系。结果表明,冻结粉土典型应力-应变曲线在低围压下大致可以分为线弹性、峰前塑性变形与峰后软化3个阶段。当? 3 < 3.0 MPa时,应力-应变曲线具有明显的峰后软化现象,随围压的增大,软化现象逐渐减弱,当? 3 达到14 MPa,应变软化现象重新变得明显;冻结粉土的强度与变形模量均随围压的增加先升后降;低围压作用下冻结粉土体积随轴向应变的增加先缩后胀,而高围压下体积变形只有体缩;低围压下冻结粉土体积塑性变形耗散能先是随着体积塑性变形增大而增大,之后由于剪胀而减少,高围压下体积塑性变形耗散能始终增加;剪切塑性变形耗散能与塑性剪应变之间近似成抛物线的关系。     

海底隧道风化花岗岩流变试验研究

采用全自动三轴流变试验机对厦门东通道海底隧道风化槽地段岩石进行三轴压缩流变试验,研究了岩石在不同围压和不同应力水平作用下轴向应变随时间的变化规律。试验表明,强风化花岗岩时效特性较全风化花岗岩更加明显;围压对岩石蠕变变形存在很大影响,围压越大,蠕变变形量越小。通过分析岩石压缩流变过程中应力-应变关系可知,蠕变变形在弹性阶段不对岩石整体构成明显损伤。而进入塑性阶段后,黏塑性变形对岩石破坏影响较大。建议通过支护增加围压,以提高隧道围岩屈服强度和减小流变变形,防止隧道失稳破坏。     

不同围压及应变速率下页岩变形及破损特性试验研究

为揭示围压及应变速率对页岩力学特性的影响规律,对志留统龙马溪组页岩试样开展了不同围压及不同应变率下的三轴压缩力学试验研究。结果表明,围压和应变率对页岩的弹性模量、峰值强度及破裂形态等均具有显著影响,弹性模量和峰值强度均随围压的升高而增加,峰值强度增加的幅度明显大于弹性模量,峰值强度呈线性增加趋势,低围压时应变率从低到高,弹性模量和峰值强度都呈逐渐升高的趋势,两者与应变率对数的关系可用二次多项式描述;随着围压增大,页岩的应变率效应逐渐减弱,在较高高围压(50 MPa)下峰值强度和弹性模量随应变速率增加而增加现象均变得极不显著。对试验后岩样的破坏模式进行分析可知,页岩在低围压高应变率状态下主要是劈裂–剪切破坏,随着围压的增加和应变率的减小,试样的破坏由脆性劈裂–剪切破坏向单一剪切破坏转变,再逐渐向延性破坏过渡。研究结果对于合理确立页岩力学参数及设计压裂方案具有较好的参考。     

硬石膏常规三轴压缩下强度和变形特性的试验研究

采用伺服刚性试验机对硬石膏进行了不同围压下的常规三轴试验,研究了硬石膏的强度和变形特性。结果表明,在低围压下硬石膏破坏方式为剪切破坏;在围压超过10 MPa时,硬石膏表现出明显的塑性流动特性。观察试验后试样发现,在围压为18 MPa时,硬石膏已经没有明显的破坏面,而是表现出明显的膨胀现象。硬石膏的峰值强度与围压近似成正比例关系。分析了峰值应变、弹性模量随围压的变化规律,其结果表明：随着围压的升高,硬石膏的的峰值应变与弹性模量均逐渐增加。根据三轴试验结果绘制了摩尔包络线,采用回归分析得到了强度准则和抗剪强度参数c、? 值,其研究结果可为地下工程提供参考与借鉴。     

孔隙水压力条件下含缺陷岩样破坏过程及声发射模拟

在平面应变压缩条件下,采用FLAC模拟了围压存在时孔隙压力对具有初始随机材料缺陷的岩石的破坏过程、前兆及声发射的影响。密实的岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。缺陷在破坏之后经历理想塑性行为。在孔隙压力存在时,缺陷在施加轴向加载速度之前就发生了破坏。当施加轴向速度后,声发射累积数先一度保持恒定,然后由于缺陷的长大声发射累积数发生了少量的突增。经历了一段短暂的平静之后,由于短剪切带聚合成长剪切带声发射累积数发生了大量的突增,穿越应力峰值。之后,仅有零星声发射活动,试样处于平静的残余变形阶段。随着孔隙压力的增加,应力峰值达到时的声发射累积数提高,应力峰值附近的声发射活动变得强烈,残余变形阶段达到时的声发射累积数提高。出现在软化阶段的最大失衡力的峰值随着孔隙压力的增加而降低。     

Experimental Investigation on the Strength, Deformability, Failure Behavior and Acoustic Emission Locations of Red Sandstone Under Triaxial Compression

Conventional triaxial compression and “reducing confining pressure” experiments were carried out for red sandstone by an MTS815 Flex Test GT rock mechanics experimental system. Our results show that the post-peak axial deformation characteristics of red sandstone changed as the confining pressure was increased from 5 to 65?MPa. Young’s modulus of red sandstone increased nonlinearly with increasing confining pressure, but Poisson’s ratio remained unaffected. Using our new data, the compactive and dilatant behavior, strength and failure characteristics of sandstone under triaxial compression are further discussed. For our data, the nonlinear Hoek-Brown criterion better reflects the peak strength properties than the linear Mohr-Coulomb criterion. However, the residual strength shows a clear linear relationship with confining pressure, which can be best described using the linear Mohr-Coulomb criterion. The peak and residual strengths were not directly related to the two different loading paths. The onset of dilatancy (C′), the switch from compaction-dominated to dilatant-dominated behavior (D′) and the stress at zero volumetric strain all increased linearly with the confining pressure. In our conventional triaxial compression experiments, the failure mode changed from mixed tension and shear fracture (single shear fracture) to shear fracture with double slippage planes with increasing confining pressure. However, the failure mode in our “reducing confining pressure” experiments was more complicated and results mainly from the unstable failure characteristics of the rock during the reduction in confining pressure. Finally, based on our acoustic emission (AE) locations, at a confining pressure of 35?MPa, a detailed analysis of the evolutionary process of internal cracks is presented for the entire loading process.     

大理岩常规三轴压缩下强度和变形特性的试验研究

通过在伺服试验机上对中、粗颗粒大理岩进行常规三轴试验,基于试验结果,研究了两种颗粒大理岩的强度和变形特性。结果表明,低围压时岩样内部材料并未均匀化,岩石表现为应变软化特性;而高围压时岩样内部材料强度由低到高逐渐屈服,变形趋于均匀,岩石出现塑性流动特性。岩石的峰值应变与围压显著成正线性关系;中颗粒和粗颗粒岩样之间确实存在差异,但内摩擦系数可以表征材料力学性质,与粒径没有关系;岩石残余强度对围压的敏感性显著高于峰值强度。     

考虑应变局部化的粗粒料剪切损伤力学机制

针对粗粒料的应变软化、剪胀等力学特性,通过考虑以剪切带为标志的应变局部化现象,建立了具有广泛适用性的剪切损伤力学模型。损伤模型采用了包体理论中的剪切带数学简化,基于应变等价原理、Weibull分布,推导了粗粒料的应力-应变关系方程。从剪胀作用的机制出发,提出可以描述剪胀弱化的轴向塑性应变和体积塑性应变的非线性函数关系。结合粗粒料三轴压缩试验中的伺服过程,提出了基于遗传算法的损伤模型参数确定方法。通过开展不同围压下的粗粒料三轴压缩试验,对剪切损伤力学模型进行验证,进一步分析了参数演化对粗粒料强度和变形特征的影响。研究结果表明,考虑应变局部化特征的剪切损伤力学模型可以高精度的模拟粗粒料的应变软化和剪胀等特征,有效揭示剪切带内部变形对试样整体宏观变形的影响机制,模型中剪切带参数和围压的关系与粗粒料细观机制一致,计算得到强度组成与颗粒破碎、重组特征较为吻合。     

真三轴条件下非饱和黄土的有效应力屈服特性

为了研究非饱和黄土在有效应力空间的屈服特性,利用真三轴仪对非饱和原状黄土进行了不排水等向净应力压缩固结和不同中主应力参数b值的剪切试验,研究了真三轴压缩条件下非饱和黄土的有效应力屈服变化规律。研究结果表明：有效应力比随着中主应力或净围压的增大而减小,中主应力的增大作用对有效球应力的影响大于广义剪应力;由有效应力比?体应变关系曲线确定的剪缩屈服曲线在有效应力空间具有良好的规律性,屈服点的有效屈服应力随着中主应力和初始吸力的增大而增大;π平面上的有效应力屈服强度面和强度破坏面与SMP强度准则稳合较好,有效球应力和初始吸力越大,屈服强度面和强度破坏面越大。提出了真三轴条件下弹性剪应变和塑性剪应变的计算公式,通过分析有效应力与塑性应变关系得出有效应力空间中不同子午平面内的塑性势面呈椭圆形,且随着中主应力的增大,椭圆屈服面增大。     

An elastoplastic constitutive model for frozen saline coarse sandy soil undergoing particle breakage

The mechanical property of frozen saline sandy soil is complicated due to its complex components and sensitivity to salt content and confining pressure. Thus, a series of triaxial compression tests were carried out on sandy samples with different Na₂SO₄ contents under different confining pressures to explore the effects of particle breakage, pressure melting, shear dilation and strain softening or hardening. The test results indicate that the stress–strain curves exhibit strain softening/hardening phenomena when the confining pressures are below or above 6 MPa, respectively. A shear dilation phenomenon was observed in the loading process. With increasing confining pressure, the strength firstly increases and then decreases. By taking into consideration the changes between the grain size distributions before and after triaxial compression tests, a failure strength line incorporating the influences of both particle breakage and pressure melting is proposed. In order to describe the deformation characteristics of frozen saline sandy soil, an elastoplastic incremental constitutive model is established based on the test results. The proposed model considers the plastic compressive, plastic shear and breakage mechanisms by adopting the non-associated flow rule. The breakage mechanism can be reflected by an index related to the initial, current and ultimate grain size distributions. The hardening parameters corresponding to compressive and shear mechanisms consider the influence of particle breakage. Then the effect of particle breakage on both the stress–strain and volumetric strain curves is analyzed. The calculated results fit well with the test results, indicating that the developed constitutive model can well describe the mechanical and deformation features of frozen saline sandy soil under various stress levels and stress paths. In addition, the strain softening/hardening, contraction, high dilation and particle breakage can be well captured.

     

石灰改良膨胀土的应力-应变-强度特征与本构描述

为探讨石灰改良膨胀土的变形特征与破坏机制,以压实度为95 %的荆门石灰改良膨胀土为研究对象,开展了单轴、侧限、三轴压缩应力状态下的力学性质试验。试验结果表明：即使湿化饱和后石灰土也具有较高的刚度与强度;单轴压缩状态下,无论饱和还是非饱和状态,石灰土的破坏都为典型的脆性破坏;三轴压缩状态下石灰土破坏前剪缩,同时伴随应变强化,即将破坏时开始剪胀,随后表现为应变软化;围压对石灰土的脆性破坏与破坏后的剪胀有一定的抑制作用,但即使在200 kPa围压下,试样仍发生脆性破坏。在辨明石灰土应力、变形机制的基础上,选用Duncan模型描述其脆性破坏前表现出的压硬性、剪缩性与应变强化特性,标定了相应模型参数,通过数值模拟与平行试验的对比验证了模型的适用性与参数的可靠性。     

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。