分级加卸载下深部粉砂岩三轴蠕变特性试验研究

采用分级增量循环加卸载方式,对湖南湘煤集团牛马司矿业公司水井头煤矿-300米东大巷二煤层底板粉砂岩进行了三轴蠕变特性试验,详细探讨了其轴向蠕变和变形模量的变化特征,分析了围压对蠕变和破坏的影响;研究了该类岩石各蠕变阶段非线性黏弹塑性变形特征。试验结果表明,在围压条件下,加速蠕变阶段较明显,岩样经过典型的蠕变三阶段后产生明显的黏塑性破坏;变形模量随应力水平的增大和时间的增长逐渐减小,直至趋于某一稳定值;瞬弹应变、瞬时总应变、粘弹性应变和总蠕变均随应力水平增大而增大;围压越大,岩石蠕变值越小,变形模量越小,塑性变形所占比重越大,非线性流变越明显。加大围压可以减缓岩石的蠕变破坏时间,围压越大破坏时的应变值也越高。表明围压对岩石蠕变有明显的约束作用。     

灰岩区降雨型滑坡软弱夹层的三轴试验强度研究

国道105江西赣州龙南县段穿越灰岩区,局部边坡因含有顺向软弱夹层,斜坡稳定差,在降雨作用下极易发育滑坡,对公路的建设和运营影响较大。为查明灰岩区降雨对粉质黏土软弱夹层的强度与变形特性的影响,采用标准应力途径GDS三轴试验系统,对4组不同基质吸力条件下、3组不同净围压下的试样进行试验,分析得到基质吸力与最大剪应力的关系曲线、应变与偏应力的关系曲线、净围压与偏应力的关系曲线,采用非饱和土双应力变量强度理论进行分析。结果表明:低围压向高围压转变过程中,滑带土应力应变曲线由加工软化型向加工硬化型转变;在相同围压条件下,基质吸力由低向高变化过程中,滑带土在低吸力条件下表现为应变软化,在高吸力时表现为加工硬化;总粘聚力与基质吸力呈线性增长关系,其增长斜率夹角为基质吸力相关角φ~b=15.5°;当基质吸力为0 kPa、30 kPa、60 kPa、90 kPa时,其总粘聚力分别为:22.7 kPa、33.4 kPa、43.8 kPa和46.9 kPa,内摩擦角φ′分别为21.8°、23.6°、26.2°和24.5°;最后根据Fredlund非饱和土双应力强度理论,提出了该滑坡滑带土的抗剪强度修正公式。     

关中咸阳地区Q_2黄土蠕变特性试验研究

通过对关中咸阳地区Q2黄土进行三轴蠕变试验,得到了关中咸阳地区Q2黄土不同围压及不同含水率下的应变—时间曲线和应力—应变等时曲线。分析试验曲线表明:围压及含水率对关中咸阳地区Q2黄土的蠕变特性具有较大影响,表现在其蠕变变形量与含水率在相同围压时呈正相关关系,与围压在相同含水率时呈负相关关系。再进一步对关中咸阳地区Q2黄土蠕变破坏应力与围压及含水率试验数据做拟合分析,得到了其蠕变破坏应力与围压呈线性正相关关系,与含水率呈负对数关系的变化规律。在以上分析的基础上,通过改进常用的五元件模型(H-K-K)参数性质及结构,得到了可描述Q2黄土加速蠕变的七元件非线性蠕变模型,并应用试验数据对其进行拟合辨识,最终得到较为理想的结果。     

泥化夹层压缩试验的损伤特征及损伤方程研究

泥化夹层的损伤破坏是影响边坡稳定性的重要因素,为研究其损伤机理,进行了不同围压条件下的压缩试验,通过试验数据和试样破坏外观分析损伤情况;利用CT扫描仪在试验不同加载时刻对泥化夹层进行实时CT扫描,结合MATLAB图像二值化处理,得到不同围压下泥化夹层损伤识别图像,反映了内部损伤发展情况;最后根据推广的应变等价原理,通过变形模量确定损伤变量,获得泥化夹层损伤变量与轴向应变的关系。结果表明:①泥化夹层强度普遍表现出随围压增加而增加的规律,破坏应变取为10%,由于泥化夹层自身组成及结构存在差异性,导致个别试样的强度规律不明显;②泥化夹层内部存在薄弱层,加载过程中会出现阶段性的小幅度塌缩,强度曲线上反映为阶段性的应变突增现象;③无围压和一定围压情况下的损伤破坏方式不同,无围压时为脆性破坏,裂缝萌生、开展,一定围压时表现为塑性破坏,泥化夹层被压缩,孔洞裂隙闭合,破坏方式改变临界围压介于0～50kPa;④通过本文方法建立的损伤方程与不同围压下的室内试验结果拟合良好,该方法合理可行。     

基于大型三轴试验的红砂岩粗粒土强度与变形特性研究

红砂岩粗粒土常作为我国南方地区的路基填料,因其易发生颗粒破碎而影响路基的安全稳定性,故深入开展其力学特性研究十分必要。文中选取湘南地区的红砂岩为研究对象,对其开展大型三轴试验,研究不同粗颗粒含量的试样在不同围压、不同压实度下的强度与变形特性。试验结果表明：在低围压时,粗颗粒含量较少的试样变形特性表现出应变软化,而在高围压时,表现为应变硬化特性;对于粗颗粒含量较多的粗粒土,在不同围压下均表现出应变硬化特性。在压实度相同的情况下,随着围压增大,峰值强度逐渐增大,应变硬化特征更趋明显。在围压和级配不变的情况下,随着压实度提高,抗剪强度逐渐增大,表现出低压实度应变软化向高压实度应变硬化特性的转变。应力-应变曲线表明,峰值强度与粗颗粒含量、围压、压实度具有良好正相关关系。通过绘制莫尔圆,发现其强度包络线表现为非线性,可采用幂函数进行拟合。计算结果表明,内摩擦角随着围压的增大而逐渐减小。     

温度影响粉质黏土固结和强度特性的试验研究

随着能源岩土工程的发展,温度对土体固结和强度特性的作用变得越来越重要。采用温控三轴仪,通过等温增压固结试验、等压升温固结试验和温控三轴剪切试验,研究温度对饱和粉质黏土固结和强度特性的影响。结果表明,温度越高,土体固结速率越快,固结体应变越大。不同温度下试样的正常固结线几乎平行。同一围压作用下,温度越高,孔隙比越低。热应力造成的固结体应变随温度升高呈线性增长。剪切过程中,轴向应变较小时,同样偏应力作用下,温度越高,轴向应变越小;而轴向应变较大时,趋势相反。试样破坏偏应力随温度升高而线性减小,且围压越大,温度效应越明显。有效粘聚力c′随温度升高而减小,而有效内摩擦角φ′则不受温度的影响。     

橡胶黏土混合土动剪切模量及阻尼比试验研究

为了研究橡胶黏土混合土动力特性,将橡胶掺入黏土,在4种围压下对5种不同配比橡胶黏土混合土进行室内动三轴试验以研究橡胶含量及围压对混合土动剪切模量和阻尼比的影响。结果表明,相同围压下,混合土动剪切模量较素土有很大降低,随着橡胶含量的增多而逐渐降低且降低速度由快变慢,动剪切模量与动应变关系曲线非线性特征减弱。阻尼比随着橡胶含量增加逐渐增加,且均较素土有显著提高。相同橡胶含量时,动剪切模量随着围压增大而增大,动剪切模量与动应变关系曲线线性特征增强,阻尼比随围压增大而减小。橡胶黏土动剪切模量与动应变关系可以用H-D模型表示,最大动剪切模量与围压之间的关系可以用线性函数表示,阻尼比与动应变关系可以用修正的陈国兴模型表示。结果证明,橡胶黏土混合土具备较好的隔震减震性能。     

堆石料强度和变形性质的大型三轴试验及模型对比研究

在饱和试样大型三轴试验成果基础上,对两种堆石料(垫层料、次堆石)的变形与强度特性变化规律进行了总结。认为围压是影响堆石料强度和变形特性的最重要因素;堆石料的非线性应力应变关系用邓肯张模型和指数模型来拟合都基本令人满意,但指数模型会高估初始剪切模量;堆石料的径向应变与轴向应变关系可以分成两段,并能够依次用双曲线和直线来模拟;随着围压的升高,堆石料的剪胀性会急速降低,颗粒破碎可能性会增加,因此相应的最大主应力比和内摩擦角会随之发生明显的减小,并且可以用幂函数关系很好的拟合它们与围压的关系。     

三峡库区高边坡紫色土抗剪强度的水敏性特征∗

为了研究高边坡紫色土的抗剪强度及变形随含水率的变化规律,在不同围压下对不同含水率的非饱和重塑紫色土进行了固结不排水三轴试验。结果表明：在不同的含水率及围压条件下,土体应力-应变关系曲线均呈现出“持续硬化”甚至“加速硬化”现象。其应力-应变关系曲线经历了3个阶段：轴向应变0%~2.3%为弹性阶段,2.3%~4%为应变硬化阶段,4%后逐渐变为屈服阶段。在同一围压下,土体主应力差峰值随含水率的增加而降低,其峰值下降幅度最大可达67.37%。不同含水率下的最大主应力差与围压均表现出较好的线性关系。在给定含水率下,主应力差峰值随围压的增加而明显增大,其峰值增大幅度最大可达150.98%,但随着含水率的升高,这种增大趋势逐渐减小,且围压对紫色土抗剪强度影响约为含水率对其影响的66.63%。随着含水率的增加,土壤的内聚力先增加后减小,峰值处的含水率为12%;而土壤的内摩擦角随含水率的增加呈现一阶线性减小,且下降程度最大可达56.88%。土体任意平面(破坏面)上σ-τ曲线的斜率随着含水率的增加而逐渐减小,而破坏包面逐渐变缓。分析并讨论了含水率对紫色土内部结构、颗粒间作用力及特性的影响,以期为三峡库区高边坡紫色土的综合治理提供理论支持和技术支撑。     

饱和重塑黄土动力特性及残余变形规律研究

在不同固结条件下对饱和重塑黄土进行动三轴试验,探讨了饱和重塑黄土在固结排水下的动应力应变、体变、残余应变特性,以及固结不排水条件下的动孔压、有效应力路径等特性。并基于三轴试验结果,修正了残余剪应变增量、残余体积应变增量的经验公式。试验结果表明:排水条件下,动应力、围压和固结应力比变化对饱和重塑黄土的体变曲线形态和体变值有较大影响。在均压固结和偏压固结条件下饱和重塑黄土均产生较大的残余应变,围压、动应力变化对残余应变增长曲线基本上无影响。残余剪应变比增长曲线在均压固结和偏压固结时具有相同的形态,都可以用指数函数来描述;而残余体变比-振次比关系在均压固结时呈线性分布,而偏压固结时呈指数型分布。不排水条件下,随着固结应力比的增大,孔压增长曲线由明显上凸型向微凸型转变,孔压比的增长速率也随着围压的增大而减小。     

不同应力路径下灰岩卸荷损伤特性演化规律研究∗

为探究应力路径对灰岩卸荷力学特性的影响机制,考虑恒偏压卸围压、恒轴压卸围压及加轴压卸围压三种卸荷应力路径,分别进行了卸荷试验和数值模拟,分析了不同卸荷应力路径下灰岩的能量释放规律及细观损伤演化规律。研究结果表明：（1）卸荷应力路径对灰岩宏观力学特性影响显著,恒偏压卸围压路径下,岩样卸荷强度最低, 变形模量与泊松比变化趋势最缓,但变化幅度最大,而加轴压卸围压路径下,其卸荷强度最大,但变形参数变化幅度较小;（2）三种卸荷应力路径下,卸荷过程中耗散能占比大小依次为恒偏压卸围压＞恒轴压卸围压＞加轴压卸围压,弹性应变能占比大小则为加轴压卸围压＞恒轴压卸围压＞恒偏压卸围压,说明外力所做的功在恒偏压卸围压方案下多转化为耗散能用于裂纹发育,对应破坏时的损伤变量最大,而加轴压卸围压方案下多转化为弹性应变能储存于岩样内部,卸荷破坏更为突然;（3）数值模拟结果分析发现,恒偏压卸围压方案下,卸荷过程中的裂纹总数量和张拉裂纹占比最大,卸荷损伤程度最高,对应的损伤变量最大,而加轴压卸围压方案下岩样的裂纹数量最少,损伤变量最小,卸荷过程中岩样内部的细观损伤发育规律进一步说明了应力路径对其宏观力学特性的影响。     

复杂应力条件下地基岩石细观破坏研究

为了研究复杂应力条件下的深基坑岩石细观破坏问题,本构方程采用由应变空间导出的弹塑性损伤细观力学模型,借助有限元计算方法,实现了岩石三维破裂过程的数值模拟。采用细观破坏单元网格消去法,实现了有限元模拟裂纹扩展过程;利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;数值模拟灰岩单轴拉伸及压缩破坏试验、双轴拉伸破坏试验和三轴受压破坏试验,得到其非线性应力—应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。研究表明,在复杂应力条件下,随着围压增大,峰值抗压强度明显提高,塑性变形明显增大。本文研究对深基坑施工过程中预防工程事故的发生具有借鉴意义。     

JRC、围压和轴压共同作用下砂岩裂隙面渗流特性的试验研究

基于裂面多迹线及支持向量回归预测模型,求得砂岩劈裂裂隙面的节理粗糙度系数(JRC)。以ELE岩石渗透仪为试验平台,分析不同JRC的砂岩劈裂裂隙面在围压、轴压共同作用下的渗流特性。结合试验数据分析得出,渗流量随围压呈递减的幂函数关系,随轴压呈递增的正比例函数关系,随JRC呈递减的线性函数关系。将3个函数依次复合,构造了一个基于JRC、围压、轴压值的渗流量预测模型。在提出一种模型参数反演简便方法的基础上,得到了三维预测图形,预测值与试验值的误差较小,证明了渗流量预测模型的有效性。为对改变界面正应力进行控渗的工程行为进行指导,提出高效和有效控渗界面正应力临界点两个新概念,并基于渗流量预测模型提出一种客观的方法来确定高效和有效控渗界面正应力临界点。结果表明,高效控渗界面正应力临界点对JRC与轴压均不敏感,其值维持在0. 38 MPa;但有效控渗界面正应力临界点均敏感,且在某JRC下,渗流量随着有效控渗临界点的增大而呈指数增大,其值主要介于1. 00 MPa与2. 50 MPa之间。     

寒区冻结冰碛土的变形特性与非线性本构模型研究

为了研究寒区冰碛土的变形特性和本构模型,应用MTS-Landmark 370.10型动静三轴测试系统对冰碛土在温度为-3、-5 ℃,围压为0.1、0.5、1、4、8 MPa时开展低温常规三轴试验。结果表明:冰碛土的应力应变关系曲线均为应变软化型,可分为线性、非线性和应变软化3个阶段;围压越大,软化现象越明显;随轴向应变的增加,试样先体缩再体胀。基于试验结果在沈珠江三参数模型和修正邓肯-张双曲线模型基础之上提出一种改进模型,将改进模型与沈珠江三参数模型、修正邓肯 张双曲线模型的拟合结果进行对比,发现改进模型能较好描述冻结冰碛土的应变软化现象和剪胀特性。     

分级加卸载下深部巷道围岩蠕变特性试验研究

采用分级增量循环加卸载方式,对湖南湘煤集团牛马司矿业公司水井头煤矿-300m东大巷二煤层底板粉砂岩进行了单轴蠕变特性试验,探讨了轴向蠕变和各蠕变阶段的非线性粘弹塑性变形特征。试验结果表明,当应力水平低于岩石的长期强度时,粉砂岩只发生衰减蠕变;瞬时塑性应变和粘塑应变随轴向应力的增大而增大,瞬时弹性模量随应力水平增大而增加,而变形模量随应力水平增大和时间的增长逐渐减小,直至趋于某一稳定值;随着应力水平增大,粘弹性应变、粘塑性应变和总蠕变均先减小然后增大,表明低应力下因岩石内部微裂纹不断压密产生应变硬化,高应力下因岩石材料性质不断劣化产生内部损伤发生应变软化。     

橡胶水泥土动力特性的试验研究

通过动三轴试验,研究了橡胶水泥土复合试样的动强度、动弹性模量和阻尼比等动力参数的变化规律,着重研究了橡胶粉掺量、围压和应变3个主要因素的影响并分析了内在机理。在围压不变的情况下,随着橡胶粉掺量的增大,橡胶水泥土复合试样动强度降低。围压越大,动强度越高,受橡胶粉掺量的影响越小。随着围压的增大,动弹性模量增大而阻尼比减小;随着橡胶粉掺量的增加,动弹性模量减小而阻尼比增大。通过数据拟合,得到了橡胶水泥土动弹性模量和阻尼比的计算公式。橡胶粉可以提高水泥土吸收能量的能力,采用橡胶水泥土作为地基处理材料时,能够起到减震的作用。     

粉煤灰改良膨胀土的动强度试验研究

环境污染以及矿物资源的枯竭等因素强烈地激发了粉煤灰利用的研究和开发。粉煤灰改良作为地基的一种处理方法,越来越广泛地应用于公路路基的建设中。随着车辆速度的提高、车辆荷载的增加,动载对路基的影响引起人们的关注。本文以粉煤灰改良的膨胀土为研究对象,通过压实非饱和试件的动三轴试验,考察了粉煤灰掺入量确定的条件下,循环次数、动荷大小、围压等对土体动强度的影响。由试验结果绘出振次—轴向应变、动强度破坏振次关系曲线。结果表明:粉煤灰改良的非饱和膨胀土没有显著的屈服特征,可采用常规应变标准对应的振次作为破坏振次。     

高铁荷载作用下基床填料的动三轴模量试验研究

依据高铁路基基床的工作条件,推导出室内三轴试验模拟列车荷载的围压范围为10~150kPa,频率范围为1~5Hz。在此基础上开展高铁基床填料AB组料动三轴试验研究,分析了列车荷载下围压、压实度、加载频率对AB组料动弹性模量的影响。试验研究表明:AB组料的动应力—动应变关系具有明显的非线性特征和应变软化特征,动弹性模量的倒数与动应变曲线基本呈线性关系,说明AB组料的动本构关系符合Hardin双曲线模型。动弹性模量随围压的增大而增大;随压实度的增大,动弹性模量呈非线性增大;加载频率对动弹性模量有一定的影响,当应变小于0.05%时频率对动弹性模量影响较大,但应变超过0.05%时,频率的影响可以忽略。     

加筋土动力特性的三轴试验研究

为了研究加筋土的抗震性能,在GDS高级动态三轴测试系统上对不同加筋层数的试样进行了不同围压和不同动应力作用下的动三轴试验.试验结果表明:动荷载作用下加筋可以约束土体的侧向变形,增强土体的抗震性能,但其效果与加筋层数有关;轴向累积应变与时间成对数关系.随动应力幅值的增加,试样轴向累积应变增大.围压越大,轴向累积应变越大.     

中线法堆坝尾矿料的动力特性实验研究

以云南迪庆羊拉铜矿的尾矿料为研究对象,通过大量动力三轴试验,研究了中线法堆坝工艺所要求的不同粗粒含量尾矿砂的动力液化特性。结果表明,粗粒含量对尾矿砂的动力特性具有重要影响,粗粒含量变化与尾矿料动应变和动孔压变化特性之间存在紧密的相关性,随着粗粒含量的增加,尾矿砂动强度总体上呈增大趋势;动孔压的增长特性也具有类似规律,但三者在动应变达到5%时,其值均远小于围压。动应力对动应变影响显著,应力幅值越大,达到破坏标准的振次越少;动强度则随着固结压力增加而增大;而固结比Kc对动强度的影响不是单一的增大或减小,Kc=1.5时,其动强度比Kc=1.0,2.0的都大。试验同时表明,粒径组成粗细兼顾,级配良好的尾矿砂通常比粒径单一的粗尾砂具更好的抗液化性能,在通过提高粗粒含量来增大尾矿砂抗震性能时,还应考虑颗粒级配特性的影响。