孔隙压力对含随机缺陷岩石破坏过程及全部变形特征的影响

对于平面应变压缩条件下含有随机缺陷的岩样,利用FLAC研究了孔隙压力对岩样破坏过程、全部变形特征及前兆的影响。以前编写的若干FISH函数,被用于生成缺陷和计算轴向、侧向、体积应变及侧向应变与轴向应变比值的负值(计算得到的泊松比)。在峰值应力之后,密实岩石单元服从线性应变软化行为及随后的理想塑性行为,而材料缺陷呈现理想塑性行为。当孔隙压力较高时,应力—侧向应变曲线具有一平台;破坏的前兆更明显;变形后岩样的体积总是大于原始体积;在初始加载阶段、均匀变形阶段及峰后变形阶段,由于明显的侧向膨胀,计算得到的泊松比远大于0.5。当孔隙压力较低时,在峰值应力之前,变形后岩样的体积小于原始体积,体积扩容出现于峰值应力之后,引起了负的体积应变。利用广义虎克定律,解释了平面应变弹性状态下数值结果的合理性。对岩样进行带状区域扫描后,确认随机缺陷的初始分布与岩样的最终破坏形态紧密相关。     

复杂应力条件下EPS颗粒轻质混合土的动模量和阻尼比特性

目前EPS颗粒轻质混合土的动变形特性研究主要借助于常规的动三轴剪切试验,受仪器条件限制往往不能考虑EPS颗粒轻质混合土的复杂初始应力状态,也不能考虑复杂的应力路径,比如地震、波浪以及交通荷载等。针对这一问题,利用GDS空心圆柱扭剪仪,考虑复杂初始应力状态,研究交通荷载作用下EPS颗粒轻质混合土的动变形特性,分析EPS颗粒体积比Ve/Vs、初始平均有效固结压力p0、初始固结应力比R0、初始中主应力系数b0和初始大主应力方向角α05个因素对EPS颗粒轻质混合土的动模量和阻尼比特性的影响。试验结果表明:Ve/Vs对试样动力变形特性的影响与p0有关;在相同应变水平下,随着R0增大,试样的动模量增大,而阻尼比变化不大;p0对试样动力变形特性有显著影响,相比之下α0和b0的影响较小。     

考虑刚度劣化的剪切带-围岩系统稳定性分析

峰后的刚度劣化现象(渐进损伤)在多种煤、岩石、混凝土、土和砂子的循环加载实验中已被观察到。本文考虑了剪切带及带外弹性体的不同的刚度劣化现象,推导了剪切带(断层)-弹性围岩系统在直剪条件下的应力—变形曲线。剪切带的刚度劣化不改变剪切带的总变形,但使剪切带的弹性变形增加、塑性变形降低。考虑弹性体的刚度劣化现象之后,系统的峰后应力—变形曲线呈现非线性特征,这不同于过去忽略刚度劣化现象的结果。在应变软化过程中,剪切带之外弹性体的刚度劣化,使系统的峰后响应由负斜率(Ⅰ类行为)变为正斜率(Ⅱ类变形行为)。较高的弹性体尺寸、较高的脆性、较小的内部长度、较低的围岩初始弹性模量、较高的抗剪强度、较低的残余剪切应力及较高的残余剪切弹性模量,使系统的峰后响应变得陡峭,甚至发生Ⅱ类行为,使系统的失稳(岩爆、冲击地压、采矿诱发地震或矿震)易于发生。     

地质体材料剪切带内部的常剪切应变点及速度分布分析

对于峰后线性应变软化的地质体材料,剪切带内部的总剪切应变等于弹性剪切应变(由经典弹性理论描述)及由微结构效应而引起的局部塑性剪切应变(由非局部理论或梯度塑性理论描述)之和。若剪切应力—塑性剪切应变曲线的斜率的绝对值(称之为软化模量)小于剪切弹性模量的两倍,则在剪切带的任一剖面内存在两个总剪切应变不依赖于剪切应力的点,称之为常剪切应变点。在这两个点上,弹性剪切应变的降低和局部塑性剪切应变的增加处于平衡状态,总剪切速度达到它的最大值或最小值。在两个常剪切应变点之间,局部总速度随剪切应力率的降低而增加。剪切带内部的局部总速度分布是非线性的,这与通常采用的剪切带内部速度的线性分布假定(忽略微结构效应)不同。     

饱和砂土地震液化后地面大位移特性研究

地震引起的地基液化常会造成地基大的侧向变形而导致灾难性的破坏,饱水砂土液化后的变形特性是地震液化大位移研究的基础。通过全自动多功能三轴仪的空心样动加载液化后的静扭剪试验,对饱水砂土液化后大变形特性进行了试验研究。结果表明,与常规静加载特性不同,饱水砂土液化后静加载时表现出单调剪胀的特性,加载初始阶段孔压基本不变,应变达到一定幅度后孔压一直减小,液化后变形曲线可分为低强度段和强度恢复段。低强度段模量近乎为零,强度恢复段试样强度不断增长。低强度段是液化后大变形发生的主要阶段。     

不同轴压/侧压下逐步开挖马蹄形巷道围岩分区破裂化数值模拟

基于空间局部化视角研究分区破裂化的发生机制。采用三维非均质应变软化模型,在逐步开挖和不同轴压与侧压之比条件下研究了马蹄形（U形）巷道围岩不同剖面和测线上剪切应变增量的分布特征。结果表明：U形巷道围岩的分区破裂化呈圆环形;分区破裂化可出在现掌子面的前、后方;在掌子面前方,随着远离掌子面,分区破裂化有所减弱,直至消失;轴压与侧压之比越大,分区破裂化越明显;在垂直于巷道轴线的不同平面上,分区破裂化有所不同,这与不同剪切带的特征不同及发育不同有关;共轭剪切带的出现,会使分区破裂化变得复杂。启动于巷道表面的空间圆锥剪切面的充分发展产生了分区破裂化。     

钙质砂动力液化特性的试验研究

我国南海分布有大量的钙质砂,在波浪或地震等动荷载作用下会发生液化。利用土工动力三轴仪进行了南海钙质砂的动力液化特性试验。试验表明,在等压固结条件下,不同围压下饱和钙质砂试样的变形模式基本相同,加载初期试样抵抗变形的能力较强,试样的应变幅值较小,孔隙水压力几乎呈单调上升,该阶段孔压仅有很小的波动,且动应变幅值几乎不发生变化。随后孔压发展进入加速阶段,试样软化明显。在循环加载过程中,剪缩与剪胀交替出现,孔隙水压力产生较大的波动,试样软化会使得剪应变持续增加,同时试样的剪胀反应又使每一循环中试样的液化趋势减弱,变形发展受到抑制。     

饱和砂土不排水单调剪切特性试验研究——考虑剪切过程中变化的总主应力方向的影响

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,针对相对密度Dr=30%的福建标准砂,进行了不排水条件下的单调剪切试验。在剪切过程中,控制平均固结应力和中主应力系数保持不变,而总主应力方向不固定。与剪切过程中总主应力方向固定不变条件下的单调剪切试验进行了对比分析。试验研究表明,当饱和砂土试样具有水平沉积面时,初始固结主应力方向与剪切方向的不同组合,导致单调剪切过程中总的主应力方向的不断变化,从而显著地影响着饱和砂土不排水单调剪切特性。总的主应力方向是影响饱和砂土不排水单调剪切特性的最根本原因。     

孔隙液体相态对饱和砂土力学特性影响试验∗

天然气水合物开采过程中，水合物分解会引起沉积物孔隙液体相态变化，降低海床的安全稳定性。基于低温、高压三轴试验仪，以粉细砂土为骨架，制备含冰/不含冰甲烷水合物沉积物试样以及饱和砂土试样，开展三轴压缩试验，分析饱和砂土中孔隙液体处于不同相态条件下试样的应力?应变和强度特性，比较在剪切过程中孔隙水压力以及切线模量等参数变化。试验结果表明：含冰/不含冰甲烷水合物沉积物以及饱和砂土的强度比值约为 2.6∶ 1.7∶1，且均表现为应变硬化；含冰水合物沉积物的结构性较其余两者相对更强，即初始切线模量值相对更高；但是在遭受剪切后结构均破坏，切线模量迅速降低。     

循环荷载作用下加筋土路基动力响应研究∗

为明确模块面板式加筋土路基在顶面循环荷载作用下的受力变形规律与机制,以延安市某加筋土路基工程为背景,开展动三轴试验,关注不同荷载强度下试样动应力、动应变等多项指标的演化趋势,同时搭建加筋土路基数值模型并完成计算,明确路基水平沉降与面板侧向位移的潜在规律,进而探讨循环荷载作用下加筋土路基工程的动力响应机制。认知如下：在循环荷载的参与下,累积轴向塑性应变随加载次数的增加呈增长趋势,即先快速增大,随后趋缓,最后稳定;塑性应变曲线形态不一,呈“宽胖型”与“陡峻型”并存的态势;Monismith 模型和改进 Monismith 模型均可较好表达累积轴向塑性应变与循环次数的内在联系,但改进 Monismith 模型更为理想,动应力幅值越大,试样变形稳定所需加载次数越多;路基沉降和面板水平变形随着荷载强度的增加而增大,但所据位置较为稳定,其中峰值路基沉降始终处于载荷外侧处,峰值水平变形则位于 0.36~0.43 h 区间。     

不同强度岩石中开挖圆形巷道的局部化过程模拟

利用FLAC模拟了不同粘聚力条件下圆形巷道的局部化过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的F ISH函数删除巷道内部的单元。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。文中模拟分为3步:首先,将静水压力施加在模型上,直到达到静力平衡状态;然后,利用编写的F ISH函数开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态或者塑性流动状态。模拟结果表明,随着粘聚力的降低,巷道围岩的破坏模式首先由孔壁附近零星单元的破坏向4个对称的小V形坑式剪切破坏转变,然后由包含若干小V形坑的大V形坑式剪切破坏向巷道全断面的破坏转变。前三者破坏发生后,巷道围岩仍然能保持稳定。与最大塑性拉伸应变相比,最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变要高得多;最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变相差不大;随着粘聚力的增加,三者均越来越小。     

地震块体模型的共轭剪切破裂带数值模拟

对地震块体模型的应变率场的数值模拟结果表明 ,地震块体模型 ,尤其是当界面法向和切向刚度较大时 ,能产生明显的共轭剪切破裂带。地震块体模型存在老断层 ,呈现各向异性 ,因而 ,促进了某一方向上的主条带充分发展 ,与主条带共轭的次条带被抑制。存在复杂地质构造可能是地震带的间隔距离并不严格相等的原因。地震发生在剪切破裂带交叉部位的原因是这一位置剪切应变率较高。考察应变率场能揭示出地震块体模型的应变局部化特征。在构造运动作用下 ,新生构造与老构造并不重叠是可能的 ,因而 ,新生构造的交汇点就不一定出现在老断层上。地震块体模型的中心块体的尺寸越大 ,中心块体越稳定     

交通荷载作用下饱和软粘土孔压-应变分析模型

针对交通荷载的作用特点设计了循环三轴试验,进而对交通荷载作用下饱和软粘土的动力特件进行厂研究.结果表明:循环荷载作用下,饱和软粘土存在临界循环应力比,采用孔压曲线所得到的临界循环应力比要小于采用应变曲线所得到的临界循环应力比.当土样不存在初始剪应力时,随着循环次数的增加,土样的应力-应变关系曲线近似原点对称,但随着初始剪应力的增大,应力-应变关系曲线逐渐表现为一系列平行曲线,峰值孔压与循环孔压幅值均逐渐减少;同时,轴应变的发展加快,但循环应变幅值逐渐减小.当循环应力比小于临界循环应力比时,对于同一初始剪应力,不同循环应力比下的孔压比-动应变曲线近似集中在同一条曲线上.通过对试验数据进行回归分析,得到了交通荷载作用下饱和软粘土残余孔压-累积塑性应变关系模型.     

颗粒体材料在压缩位移控制加载条件下的力学行为及界面参数对它的影响

采用连续介质快速拉格朗日分析程序(FLAC),模拟了颗粒体材料在压缩位移控制加载条件下的力学行为及破坏过程.颗粒及它们之间的界面被离散为尺寸相同的单元.颗粒被视为各向同性的弹性材料,而界面被视为弹性-应变软化-理想塑性材料.界面完全破坏之后,其内聚力为零而内摩擦角不为零,因而适于模拟颗粒之间的摩擦行为.在双轴压缩条件下...     

饱和砂土排水与不排水剪切特性的比较研究

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,进行了复杂初始固结条件下应力路径变化的应力控制式单调排水与不排水剪切试验。试验过程中,控制平均主应力保持不变,分别探讨在排水与不排水条件下中主应力系数和主应力方向角对饱和砂土剪切特性和强度的影响。通过对比表明:在排水与不排水试验中,与排水条件无关,中主应力系数对归一化的应力—应变关系具有影响,但对体变或孔压的影响并不明显;当其余初始条件相同时,偏应力比随中主应力系数的增大而降低。主应力方向角的影响同样显著,排水试验的主应力方向角不同时,应力—应变关系所表现出的变化规律取决于水平面与竖直面上受到的剪应力作用,相变及峰值偏应力比和内摩擦角与主应力方向角之间存在抛物线型关系。不排水试验的峰值有效偏应力比随着主应力方向角的增大而减小。同时,对于不同的主应力方向,排水条件改变会影响试验得到的抗剪强度指标。     

结构面分布特征对隧道围岩变形影响的数值模拟分析

结构面对隧道围岩变形及稳定性起着决定性作用。运用三维离散元方法(3DEC)研究结构面分布特征,重点是结构面线密度1/λ、强度和倾角对隧道围岩变形的影响,总结了结构面分布与围岩变形特征的关系。结果表明,在结构面强度较低的情况下,结构面线密度对隧道变形的影响较大,其影响可分为两种情况:①λ≤0.2时,围岩的弯曲变形大于沿结构面的剪切变形,属于应力型大变形;②0.2<λ≤0.4时,沿结构面的剪切变形大于围岩的弯曲变形,属于结构型大变形。结构面倾角主要影响围岩大变形发生的位置。将数值模拟结果与国内工程实例实测变形资料相对比,发现一致性较好。本研究结果对隧道支护结构的设计以及施工设计具有借鉴意义与指导作用。     

粗粒料颗粒形状对材料宏观力学性能的影响∗

粗粒料的颗粒形状是影响材料宏观力学性能的重要因素,大型三轴试验的局限性限制了粗粒料微观结构对力学性能影响的研究。基于二维颗粒流理论,利用PFC2D建立4种不同形状的颗粒簇,进行了双轴实验的颗粒流数值模拟,建立形状与宏观力学性能和变形特征的相互关系。结果表明:颗粒形状系数与材料内摩擦角近似呈线性关系,随着形状系数的增加内摩擦角递减;材料强度峰值和残余强度随着颗粒形状系数的增加而减小;材料初始切线模量随着形状系数的增加而减小;数值模型在加载过程中先出现剪缩效应,后产生剪胀效应,且同一形状颗粒的试样,围压越大,剪胀变形越明显;不同形状颗粒的试样达到最终应变软化状态之前,形状系数越小,剪缩效应越不明显,反之,剪胀效应越明显。     

恭城—栗木断裂带的应变特征与变形环境探讨

通过系统的有限应变测量与差异应力估算,探讨了恭城—栗木断裂带的应变特征与变形环境,以其推动该断裂带的研究向更深层次发展。结果表明:①付林指数K的变化范围为0.32～1.67;应变主轴平均方位为276°∠21°,与断裂带的整体逆冲方向基本一致;断裂带的平均应变程度为2.26～3.00,属中等应变程度;断裂带的应变类型属压扁型应变与单剪型平面应变的一种复合叠加类型。②断裂带的差异应力值为40～80 MPa,变形深度小于10 km,属半脆性—半韧性的变形域。③断裂带的应变特征与变形环境及宏观构造样式基本吻合。     

南京新近沉积淤泥质土震陷特性试验研究

震陷是地基基础的主要震害之一。目前已建立了若干经验公式来估算土的永久应变势,但是已有的经验公式参数较多,需要做大量的试验才能确定这些参数。本文通过英国WFI振动三轴仪对南京新近沉积淤泥质土做了一系列的震陷试验,得到了不同围压、固结比和轴向动应力下的试验结果。分析发现,对不同围压和固结比,基于最大往返剪切作用面的概念,在双对数坐标系中轴向动应力与循环振动次数的关系可通过最大往返剪切作用面上的动剪应力比实现归一化,即仅做一个围压和固结比的试验即可得到土的全部震陷参数;结合前人提出的永久应变势经验公式,推出计算南京新近沉积淤泥质土的简化经验公式,其结果能较好地模拟土的震陷特性,在永久应变达到4%时,该土的永久应变急剧增长。