冻结饱和砂土真三轴试验及本构模型研究

合集下载

不同应力路径下砂岩真三轴试验及数值模拟

第52卷第3期2021年3月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.52No.3Mar.2021不同应力路径下砂岩真三轴试验及数值模拟李江腾，刘双飞，赵远，郭群(中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙，410083)摘要：利用TRW-3000室内真三轴试验系统开展不同应力路径下的真三轴加载、卸载试验，研究其相应的力学特性，在此基础上开展PFC 3D 数值模拟对比试验，探讨细观裂纹演化规律。

研究结果表明：岩石最大、最小主应力差(σ1−σ3)与中间主应力σ2呈线性相关；基于Drucker −Prager 准则拟合不同应力路径下岩石强度效果良好；与加载相比，卸载条件下岩石黏聚力c 、内摩擦角φ均有所降低；PFC 3D 数值模拟试验破坏模式与室内试验破坏模式基本吻合；在不同应力路径下，数值模型剪切裂纹数与拉伸裂纹数均随ε1增大而增大，剪切裂纹比例曲线ε1随变化趋势呈“И”型，且当主应变ε1相同时，随着中间主应力σ2增大，各类裂纹数量减少；与加载相比，卸载时各类裂纹数量快速增加，剪切裂纹数占比降低，曲线由加载的“上凸”型转变为卸载的“下凹”型。

关键词：中间主应力；应力路径；数值模拟；裂纹演化中图分类号：TU43文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2021）03-0693-08True triaxial test and numerical simulation of sandstone indifferent stress pathsLI Jiangteng,LIU Shuangfei,ZHAO Yuan,GUO Qun(School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha,410083,China)Abstract:TRW-3000indoor true triaxial test system was used to carry out true triaxial loading and unloading tests in different stress paths to study the corresponding mechanical characteristics of the sandstone.On this basis,PFC 3D numerical simulation comparison test was carried out to explore the evolution law of microscopic cracks.The results show that the difference (σ1−σ3)between the maximum and the minimum principal stress of the rock is linearly related to the intermediate principal stress σ2.The Drucker-Prager criterion has good effect in fitting rock strength in different stress pared to load path,the cohesion c and the internal friction angle φof the rock are reduced under unloading conditions.The results of PFC 3D numerical simulation experiment are consistent with those of laboratory experiment.In different stress paths,the numbers of shear cracks and tensile cracks of theDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2021.03.004收稿日期：2020−04−10；修回日期：2020−06−12基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51979293，51774322)；湖南省水利厅科技项目(2015131-5)(Projects(51979293，51774322)supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(2015131-5)supported by the Science and Technology Program of Water Resources Department of Hunan Province)通信作者：郭群，高级实验师，从事岩石力学研究；E-mail:****************引用格式：李江腾,刘双飞,赵远,等.不同应力路径下砂岩真三轴试验及数值模拟[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(3):693−700.Citation:LI Jiangteng,LIU Shuangfei,ZHAO Yuan,et al.True triaxial test and numerical simulation of sandstone in different stress paths[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2021,52(3):693−700.第52卷中南大学学报(自然科学版)numerical model increase with the increase of the maximum principal strainε1.Shear crack ratio curve with themaximum principal strainε1trends show"И"type.Under the same maximum principal strainε1,with the increaseof the intermediate principal stressσ2,the numbers of all kinds of cracks pared with loading,the number of various cracks increases rapidly and the proportion of shear cracks decreases.The curve changes from "upward convex"type under loading to"downward concave"type under unloading.Key words:intermediate principal stress;stress path;numerical simulation;crack evolution隧道、边坡、矿山等施工导致围岩应力状态发生变化，多表现为沿开挖工作面的应力降低，在此过程中，岩石表现出的力学性质直接影响工程的安全。

《基于离散元的冻结黏土三轴压缩试验数值模拟》范文

《基于离散元的冻结黏土三轴压缩试验数值模拟》篇一一、引言随着计算机技术的发展，数值模拟方法在土力学和岩土工程领域的应用日益广泛。

本文着重介绍了一种基于离散元方法的冻结黏土三轴压缩试验数值模拟方法。

通过该方法，可以有效地模拟出冻结黏土在三轴压缩条件下的力学行为和变形特性，为土力学研究和工程实践提供重要的理论依据和参考。

二、离散元方法概述离散元方法是一种基于颗粒离散性的数值模拟方法，适用于模拟颗粒材料在外部荷载作用下的变形、流动、破碎等过程。

与传统的连续介质模型相比，离散元方法能更准确地描述非均匀介质在多尺度条件下的物理过程，尤其在研究材料的动态特性和多相材料相互作用方面具有显著优势。

三、冻结黏土三轴压缩试验概述三轴压缩试验是研究土体力学性质的重要手段之一，可以有效地反映土体在不同围压和轴向压力作用下的应力-应变关系。

在冻结黏土的三轴压缩试验中，由于黏土的特殊性质，其变形和破坏过程具有明显的各向异性和非线性特征。

因此，对冻结黏土的三轴压缩试验进行数值模拟具有重要的研究价值。

四、基于离散元的冻结黏土三轴压缩试验数值模拟1. 模型建立根据实际三轴压缩试验的几何尺寸和边界条件，建立相应的离散元模型。

模型中应考虑颗粒的形状、大小、接触刚度等参数，以及颗粒间的相互作用力。

同时，为了反映冻结黏土的特殊性质，还需设置适当的材料参数和本构模型。

2. 初始条件与加载过程根据实际试验的初始条件，如温度、压力等，设置模型的初始状态。

然后按照试验的加载过程，逐步施加轴向压力和围压。

在加载过程中，应记录每个时间步的应力、应变等数据，以便后续分析。

3. 结果分析通过对模拟结果的分析，可以得出冻结黏土在三轴压缩条件下的应力-应变关系、破坏模式等重要信息。

同时，还可以通过对比模拟结果与实际试验结果，验证离散元模型的准确性和可靠性。

五、结论与展望基于离散元的冻结黏土三轴压缩试验数值模拟方法为研究土体在多尺度条件下的力学行为提供了新的思路和方法。

高等土力学(李广信)2-5章部分习题答案

2-1.什么叫材料的本构关系？在上述的本构关系中，土的强度和应力-应变有什么联系？答：材料的本构关系是反映材料的力学性质的数学表达式，表现形式一般为应力-应变-强度-时间的关系，也成为本构定律，本构方程。

土的强度是土受力变形发展的一个阶段，即在微小的应力增量作用下，土单元会发生无限大或不可控制的应变增量，它实际上是土的本构关系的一个组成部分。

2-7什么是加工硬化？什么是加工软化？请绘出他们的典型的应力应变关系曲线。

答：加工硬化也称应变硬化，是指材料的应力随应变增加而增加，弹增加速率越来越慢，最后趋于稳定。

加工软化也称应变软化，指材料的应力在开始时随着应变增加而增加，达到一个峰值后，应力随应变增加而下降，最后也趋于稳定。

加工硬化与加工软化的应力应变关系曲线如右图。

2-8什么的是土的压硬性？什么是土的剪胀性？答：土的变形模量随着围压提高而提高的现象，称为土的压硬性。

土的剪胀性指土体在剪切时产生体积膨胀或收缩的特性。

2-9简述土的应力应变关系的特性及其影响因素。

答：土是岩石风化形成的碎散矿物颗粒的集合体，通常是固、液、气三相体。

其应力应变关系十分复杂，主要特性有非线性，弹塑性，剪胀性及各向异性。

主要的影响因素是应力水平，应力路径和应力历史。

2-10定性画出在高围压（MPa 303<σ）和低围压（KPa 1003=σ）下密砂三轴试验的v εεσσ--)(131-应力应变关系曲线。

答：如右图。

横坐标为1ε，竖坐标正半轴为)(31σσ-，竖坐标负半轴为v ε。

2-13粘土和砂土的各向异性是由于什么原因？什么是诱发各向异性？答：粘土和砂土的各向异性是由于其在沉积过程中，长宽比大于1的针、片、棒状颗粒在重力作用下倾向于长边沿水平方向排列而处于稳定的状态。

同时在随后的固结过程中，上覆土体重力产生的竖向应力与水平土压力大小不等，这种不等向固结也造成了土的各向异性。

诱发各向异性是指土颗粒受到一定的应力发生应变后，其空间位置将发生变化，从而造成土的空间结构的改变，这种结构的改变将影响土进一步加载的应力应变关系，并且使之不同于初始加载时的应力应变关系。

富水全、强风化砂岩强度特性试验及本构关系探讨

富水全、强风化砂岩强度特性试验及本构关系探讨邹翀;雷胜友;岳喜军;宋妍;高攀【摘要】According to the feature of sandstone weathered and absorbed water heavily, the authors analyzed the physical and mechanical properties and chemical composition of the sandstone experimentally, then studied influence of blasting disturbance, water content, sample bedding on stress-strain strength characteristics through uniaxial and triaxial compression tests, and found that the sandstone would become weak in the strength when it absorbed water, and its cohesion decreased and showed significant anisotropy while friction angle was not changed.After the sandstone underwent blasting, its uniaxial compressive resistance and elastic modulus decreased, and Poisson ratio increased. As the sandstone has obvious bedding properties, the strengths of sample obtained from two different loading directions are different obviously. Based on the stress-strain curves from the triaxial tests, the anthors found the stress-strain curves could be described well by the modified Duncan-Zhang model.%针对富水全、强风化砂岩的特点,进行了该砂岩的基本物理力学性质、化学成分实验,然后通过单轴、三轴压缩实验研究了爆破扰动、含水量、试样层理对砂岩应力-应变强度特性的影响.发现砂岩遇水软化,粘聚力大幅度降低,表现出显著的各向异性;爆破扰动后,岩石试样的单轴抗压强度减低,弹模减小,泊松比增大;由于砂岩具有明显的节理性,按两种方向加载所得到的岩石试样强度明显不同;根据实验所得应力-应变曲线特点,发现用修正的Duncan-Zhang模型可以很好地描述砂岩的前应力-应变曲线.【期刊名称】《中国工程科学》【年(卷),期】2011(013)001【总页数】7页(P74-80)【关键词】砂岩;含水量;强度;爆破扰动;节理;本构关系【作者】邹翀;雷胜友;岳喜军;宋妍;高攀【作者单位】中铁隧道集团有限公司技术中心,河南洛阳,471009;长安大学公路学院,西安,710064;长安大学公路学院,西安,710064;中铁隧道集团有限公司技术中心,河南洛阳,471009;中铁隧道集团有限公司技术中心,河南洛阳,471009【正文语种】中文【中图分类】TU425某新建铁路隧道围岩属强风化砂岩，隧道岩层产状310°∠3°～280°∠7°，岩层主要发育三组节理:①103 °∠78 °张节理，节理间距为0.5 ～0.6 m，裂隙宽度为1.5～2.0 mm，充填泥质，延长2～3 m;②153 °∠80 °张节理，节理间距为 0.4 ～0.5 m，裂隙宽度为1.5 ～2.0 mm，充填泥质，延长 4～5 m;③250°∠66 °张节理，节理间距为 0.7～0.8 m，裂隙宽度为0.8～1.0 mm，充填泥质，延长5～8 m。

abaqus饱和粘土的三轴试验

饱和粘土的三轴试验此示例是Abaqus中提供的修改后的Cam-clay塑性模型的简单演示。

Cam-clay理论为饱和粘土的实验观察行为提供了合理的匹配，属于Roscoe和他的同事开发的临界状态塑性模型系列（参见Roscoe和Burland-1968以及Schofield和Wroth-1968）。

Abaqus中的Cam-clay模型允许原始Roscoe模型的两个扩展：临界状态湿侧屈服椭圆的“封顶”，以及考虑屈服函数中的第三个应力不变量。

Abaqus理论指南的第 4.4节“非金属的塑性”中记录了对修正Cam-clay理论的这两种扩展。

它们都包含在此示例中。

Abaqus中使用的通用修正Cam-clay屈服函数为其中三个应力不变量是由下式给出的等效压力应力等效剪应力由下式给出其中S为偏应力();和第三个应力不变量，函数中的其他参数为a，临界状态下的等效压力应力值；M，定义临界状态线斜率的材料参数；，a用于在临界状态的湿侧提供不同形状的屈服椭圆的“封顶”参数；g是一个依赖于第三个应力不变量的函数，用于定义压缩和拉伸时的不同屈服面尺寸：其中K是材料参数。

“标准”Cam-clay屈服函数为1。

在屈服面表达式中包含这些参数可以概括该表达式以允许在各种载荷条件下更紧密地匹配数据。

问题描述本例中使用的材料参数如下：弹性参数：对数体积模量，：0.026泊松比，：0.3塑性参数：对数硬化模量，:：0.174临界状态比，M：1.0湿帽参数，：0.5第三应力不变参数，K：0.75初始超固结参数，：58.3kN/m2(8.455lb/in2)该示例研究了一个简单的三轴测试：包含在两个光滑压盘之间的轴对称土壤样品，其中一个保持固定，另一个进行规定的垂直运动，拉伸为正，压缩为负。

土样首先通过恒压加载。

然后移动顶板，向下移动以测试三轴压缩或向上移动以测试三轴拉伸。

图 3.2.4-1定义了问题几何。

分析旨在模拟排水三轴试验；因此，它们可以在Abaqus中使用纯位移元素运行。

土的本构结构

土的本构关系土体是天然地质材料的历史产物。

土是一种复杂的多孔材料,在受到外界荷载作用后,其变形具有以下特性：①土体的变形具有明显的非线性,如:土体的压缩试验e～p 曲线、三轴剪切试验的应力—应变关系曲线、现场承载板试验所得的p～s曲线等; ②土体在剪切应力作用下会产生塑性应变,同时球应力也引起塑性应变; ③土体尤其是软粘土,具有十分明显的流变特性;④由于土体的构造或沉积等原因,使土具有各向异性; ⑤紧砂、超固结粘土等在受剪后都表现出应变软化的特性; ⑥土体的变形与应力路径有关,证明不同的加载路径会出现较大的差别; ⑦剪胀性等。

为了更好地描述土体的真实力学—变形特性,建立其应力、应变和时间的关系,在各种试验和工程实践经验的基础上提出一种数学模型,即: 土体的本构关系。

自从Roscoe等人首次建立了剑桥模型以来, 土的本构关系的研究经历了一个蓬勃发展的阶段, 出现了一些具有实用价值的本构模型。

虽然很多的理论为建立土的本构关系提供了有力的工具, 但是由于土是一种三相体材料, 在性质上既不同于固体也不同于液体, 是介于两者之间的特殊材料, 所以人们常借助于固体力学或流体力学理论, 同时结合工程实践经验来解决土工问题, 从而研究土的本构关系形成了自己一套独特的方法—半理论半经验的方法。

建立一个成功的本构关系关键有两点：第一要建立一个函数能较好地反映土在受力下的响应特征；第二要充分利用试验结果提供的数据比较容易地确定模型参数。

模型都需要满足以下基本条件：（1）不违背更高一级的基本物理原理（如热力学第一、第二定律）。

（2）建立在一定的力学理论基础之上（如弹性理论、塑性理论等）。

（3）模型参数能够通过常规试验求取。

从工程应用的角度出发，研究问题的精度就需要进行合理的控制，从而在计算精度与计算设备、计算难度、计算时间以及计算成本之间获得平衡。

另外，任何理论、方法都应以实践应用为目的，这样才具有价值。

综合上述两点，从工程应用的角度去分析各种土的本构关系是非常有必要的。

土力学三轴试验

土力学三轴试验土力学三轴试验三轴试验中土的剪切性状分析摘要：按剪切前的固结状态和剪切时的排水条件分为三种：不固结不排水剪，固结不排水剪，固结排水抗剪。

文中将讨论正常固结饱和黏性土在剪切时将具有不同的强度特性。

关键词：不固结不排水抗剪强度，固结不排水抗剪强度，固结排水抗剪强度作者简介：Triaxial shear Characters of Middle-earthLI Jia-chun（shanghai University，department of civil engineering，08124240）Abstract: Consolidation by the state before shear and shear when the drainage is divided into three types: non-consolidated undrained shear, consolidation undrained shear, consolidated drained shear. This article will discuss the normally consolidated saturated clay in the shear strength will have different characteristics.Key words: non-consolidated undrained shear, consolidation undrained shear, consolidated drained shear.0 引言广义黏性土包括粉土，黏性土。

黏性土的抗剪强度远比无粘性土复杂。

要准确掌握原状土的强度特性，也就非常困难。

对土的强度研究，大多数用均匀的重塑土。

原状土和重塑土之间在结构上和应力历史存在重大差异，且原状土的取样扰动对其实际强度也有较大影响。

按剪切前的固结状态和剪切时的排水条件分为三种：不固结不排水剪，固结不排水剪，固结排水抗剪。

冻融循环下粉质砂土力学性质及本构模型研究

冻融循环下粉质砂土力学性质及本构模型研究季节性冻土区在我国分布广泛,占我国国土面积的54%左右。

在寒区工程中,温度的季节性变化会引起路基土体发生周期性地冻结和融化。

寒冷季节,当土体温度达到冻结温度时,土体会发生冻结,体积增大,导致地表发生不均匀上升,产生冻害;而在暖季,冻结的土体融化,其体积减小,同时在外荷载作用下融化的孔隙水排出,产生融化压缩现象。

在反复冻融之后,路基土体的物理力学性质会发生变化,影响季节性冻土区路基的工程特性。

在季冻区路基的变形及稳定性分析中,必须考虑土体力学性质指标受冻融作用的影响。

因此,对土体在冻融循环下力学性质的影响因素及变化规律的研究,在季冻区的工程建设中具有重要的意义。

本文以青藏粉质砂土为研究对象,在总结国内外相关研究现状的基础上,通过室内试验、理论分析以及数值模拟等手段,考虑了环境冷却温度、冻融循环次数以及围压等因素的影响,研究了冻融循环作用下土体的模量、破坏强度、抗剪强度参数以及应力-应变关系型式的变化规律。

同时,基于室内试验结果,分析了粉质砂土在冻融作用下屈服面以及强度特性的演化规律,建立了考虑剪切屈服和体积屈服的双屈服面本构模型,为季冻区路基土体力学性质指标变化规律的研究提供一定的依据。

主要研究成果包括以下几个方面:（1）对不同围压、不同环境冷却温度、不同冻融循环次数下的粉质砂土进行不固结不排水三轴剪切试验（UU试验）,分析了冻融后土体的应力-应变关系型式及力学参数,如模量、破坏强度、抗剪强度参数的变化规律。

结果表明:在不同冻融循环次数下,粉质砂土的力学性质指标的变化较为明显,其模量及破坏强度在经历7～9次冻融循环后达到极小值。

环境冷却温度的影响较弱,且无一定规律。

同时,基于显著性分析理论,研究了围压、冻融循环次数、冷却温度以及各因素间的交互作用对破坏强度、模量以及抗剪强度参数影响的显著性强弱。

得出冻融循环次数和围压对力学参数有比较显著性的影响,而环境冷却温度影响的显著性较弱。

砂土液化本构模型的试验研究

的残余强度，如图１和图２的后阶段所示。此时，
介质模型【公式物理意义明确，与试验现象联系紧３］
密，但考虑的因素多，公式复杂。结构模型＿将宏４
观与微观相结合，所得出的砂土本构模型比较合理，考虑了循环荷载作用下饱和砂土的应力、应变、强度及破坏的相互关系，但公式的参数比较多，计算复杂。本文在汉丁一伊维奇（ｎｉ－顿Ｈａｄｎ
的基本假设，借鉴增量非线性模型的计算思路，综合散粒体模型的优点，考虑液化过程中的剪胀、剪缩等现象，推导出新的计算模型，使得计算简单，
并且很好地反映饱和砂土在动力作用下的液化过
程。
１瞬态极限平衡理论的基本假设
Ｖ０．８Ｎｏ６１２．
Ｎｏｅｅ，２０ｖｍｂｒ０７
砂土液化本构模型的试验研究
王星华，王建，周海林
（中南大学４木建筑学院，湖南长沙－４０７）１０５
摘
要：针对饱和砂土在动力作用下液化既有计算模型存在的问题，汉丁一在顿伊维奇（ａｄ－ｒｅｉ）ＨｎｉＤｎｖｈｎｃ
有的研究中，已经形成了许多不同的计算模型。其中广义塑性模型【借助流动方向及塑性模量，因１
而公式较简洁，但所用的公式物理意义不强。散粒

砂土的稳态强度固结不排水三轴试验研究

流动结构、稳态线和准稳态等基本概念。
“稳态强度”是指土体在稳态变形状态下可以
动用的强度，其大小决定了土体在地震中和地震后
的稳定性和永久变形[6]。
到目前为止，人们普遍接受关于“稳态变形”
的定义是 Poulos 的定义[7，8]：对颗粒材料，“稳态
变形”是指土体在常体积、常法向有效压力、常剪
应力和常应变速率下的持续变形状态。在排水或不
1.728
F5 0.074 0.027 3.1 50.7 2.68 1.123
1.682
第 24 卷第 22 期
魏松等. 砂土的稳态强度固结不排水三轴试验研究
• 4153 •
累积百分比/%
100 90 80
70 60 50 40 30 20 10 0 10.000
F2 砂土 F5 砂土
1.000
saturated loose sand during CU triaxial shear test
3 试验方法简介
本试验所用 F2 和 F5 砂土样分别取自土坝的坝基和坝体部位，为固结不排水三轴试验。砂土样的物理性质指标及颗分曲线分别见表 1 和图 3。
试验步骤和方法：(1) 砂土样采用湿击样法制备(根据文[14]，该法可以得到较大范围孔隙比的试样)，试样直径 D = 3.91 cm、高 h = 8 cm，分 5 层击实；(2) 采用试样在压力室内抽气饱和的方法[15]，
200
100
0
0
200
400
600
p′/%
(c) F2 砂土样(ρd= 1.40 g/cm3)
400 围压/kPa
100
300
200
300
400 200

(完整word版)土的本构模型对比

几种土的本构模型对比一、概述岩土工程数值分析离不开岩土本构关系，本构关系广义的讲是自然界中某种作用与该作用的效应两者之间的关系。

在岩土工程中本构关系即岩土的应力应变关系。

描述岩土本构关系的数学表达式即本构方程。

岩土工程问题数值分析的精度很大程度上取决于所采用的本构模型的实用性和合理性。

岩土材料本构模型的建立是通过实验手段确定各类岩土的屈服条件，以及选用合理的试验参数，再引用塑性力学基本理论，从而建立起岩土本构模型，本构模型还需要通过试验与现场测试的验证，这样才算形成一个比较完善的本构模型。

而一个合理的本构模型应该具备理论上的严格性、参数上的易确定性和计算机实现的可能性。

以下选取上课时讲到过的本构模型进行对比。

二、几种本构模型（不讨论尹嘉诚同学的弹性本构模型）1.拉德-邓肯模型（刘琪）拉德与邓肯根据对砂土的真三轴试验结果，提出的一种适用于砂类土的弹塑性模型。

该模型把土视为加工硬化材料，服从不相关联流动法则，硬化规律采用弹塑性功硬化规律，模型中规定的屈服函数由试验资料拟合得到。

拉德-邓肯模型主要是反映了剪切屈服。

后来拉德又增加了一个体积屈服面，形成了双屈服面模型。

1988年拉德又将它的双屈服面，组合成一个全封闭的光滑屈服面，又回复到单屈服面模型。

2.清华模型（丁羽）清华模型是以黄文熙教授为首的清华大学研究组提出来的。

其主要特点在于不是首先假设屈服面函数和塑性势函数，而是根据试验确定的各应力状态下的塑性应变增量的方向，然后按照相适应流动规则确定其屈服面，再从试验结果确定其硬化参数。

因而是假设最少的弹塑性模型。

3.后勤工程学院模型（殷金龙）郑颖人及其学生提出。

基于广义塑性理论，采用分量塑性势面与分量屈服面；适用于应变硬化土体的静力计算，既可用于压缩型土体，也可用于压缩剪胀型土体，但不考虑应力主轴旋转；屈服条件通过室内土工试验获得。

4.南京水科所弹塑性模型（叶进龙）南京水利科学研究院沈珠江等提出的双屈服曲面弹塑性模型适用于软粘土，并服从广义塑性力学理论。

三轴试样饱和方法-概述说明以及解释

三轴试样饱和方法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述：三轴试样饱和方法是土壤力学试验中的一种重要试验方法，用于确定土壤的饱和度和饱和水平。

该方法通过将土样置于三轴试样仪中，施加一定的压力和水压，使土样达到饱和状态，从而进行后续的力学性质测试。

三轴试样饱和方法在土工领域具有广泛的应用，可以有效地研究土壤的变形、强度和渗透性等性质。

本文将介绍三轴试样饱和方法的步骤、优缺点及其在实际工程中的应用前景。

通过深入了解三轴试样饱和方法，有助于提高对土壤力学性质的认识，为工程实践提供参考。

1.2 文章结构本文主要分为引言、正文和结论三部分。

在引言部分中，将介绍本文研究的背景和意义，并概述三轴试样饱和方法的相关内容。

在正文部分，将详细介绍三轴试样饱和方法的概述、步骤以及优缺点。

在结论部分，将总结本文的研究成果，展望三轴试样饱和方法的应用前景，并提出结论。

整个文章结构严谨、逻辑清晰，旨在深入探讨三轴试样饱和方法，为相关领域的研究和实践提供参考和借鉴。

1.3 目的本文旨在系统介绍三轴试验中的饱和方法，包括其概述、步骤、以及优缺点。

通过对三轴试样饱和方法的详细讨论，希望能够深入探讨该方法在地质工程领域的应用与价值。

同时，本文还将对当前三轴试样饱和方法存在的问题进行分析，提出可能的改进方向，以期为相关领域的研究和实践提供参考和启发。

通过对三轴试样饱和方法进行全面的梳理和总结，探讨其在地质工程领域的潜在作用和发展前景，从而为相关研究人员和工程师提供有益的参考和指导。

2.正文2.1 三轴试样饱和方法概述三轴试样饱和方法是土壤力学试验中常用的一种方法，用于确定土壤的饱和状态下的力学性质。

在试验中，通过对土样施加正交向的三轴应力，使土样达到饱和状态，从而可以研究土样在饱和状态下的强度、变形等性质。

三轴试样饱和方法通常包括以下步骤：首先将土样置于试验装置中，施加轴向应力和侧向应力，然后通过灌水或施加背压的方式使土样逐渐饱和，最终进行试验数据采集和分析。

干燥和饱水状态下砂岩力学特性试验

第３７卷第１期２０２２年㊀３月矿业工程研究ＭｉｎｅｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＶｏｌ.３７Ｎｏ.１Ｍａｒ.２０２２ｄｏｉ:１０.１３５８２/ｊ.ｃｎｋｉ.１６７４－５８７６.２０２２.０１.００３干燥和饱水状态下砂岩力学特性试验谭涛ꎬ赵延林∗(湖南科技大学资源环境与安全工程学院ꎬ湖南湘潭４１１２０１)摘㊀要:为研究饱水对岩石力学特性的影响ꎬ以干燥砂岩和饱水砂岩为研究对象ꎬ利用ＭＴＳ８１５多功能岩石力学系统ꎬ对其进行１０ꎬ２０ꎬ３０ＭＰａ围压作用下的三轴压缩试验ꎬ得到干燥砂岩和饱水砂岩的偏应力－应变曲线和破坏形态ꎬ基于库伦准则ꎬ分析２种状态下砂岩的强度特征和变形特性.结果表明:随着围压的增大ꎬ干燥砂岩和饱水砂岩的峰值偏应力㊁残余偏应力㊁扩容起始偏应力㊁峰值轴向应变和体积应变不断增大ꎬ峰值侧向应变不断减小ꎻ在不同压缩阶段ꎬ饱水砂岩的内聚力和内摩擦角始终低于干燥砂岩ꎻ不同围压下ꎬ饱水砂岩破坏更为显著ꎬ其试件表面产生更多裂纹.关键词:砂岩ꎻ三轴压缩试验ꎻ饱水ꎻ强度中图分类号:ＴＤ４５２㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７２－９１０２(２０２２)０１－００１５－０９ＴｅｓｔｏｆＳａｎｄｓｔｏｎｅｓＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｉｎＤｒｙａｎｄＷａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄＳｔａｔｅＴＡＮＴａｏꎬＺＨＡＯＹａｎｌｉｎ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓꎬＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｉａｎｇｔａｎ４１１２０１ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｗａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄｅｆｆｅｃｔｏｎｒｏｃｋｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒｔａｋｅｓｔｈｅｄｒｙｓａｎｄｓｔｏｎｅａｎｄｗａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄｓａｎｄｓｔｏｎｅａｓｔｈｅｒｅｓｅｒｃｈｏｂｊｅｃｔꎬｕｓｅｓｔｈｅＭＴＳ８１５ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｒｏｃｋｍｅｃｈａｎｉｃｓｓｙｓｔｅｍｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｔｈｅｔｒｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｔｅｓｔｓｕｎｄｅｒ１０ꎬ２０ａｎｄ３０ＭＰａｃｏｎｆｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ.Ｄｅｖｉａｔｏｒｉｃｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓａｎｄｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｓｏｆｄｒｙｓａｎｄｓｔｏｎｅａｎｄｗａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄｓａｎｄｓｔｏｎｅａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ.ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＣｏｕｌｏｍｂｃｒｉｔｅｒｉｏｎꎬｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓａｎｄｓｔｏｎｅｉｎｔｈｅｔｗｏｓｔａｔｅｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ.Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｃｏｎｆｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅꎬｔｈｅｐｅａｋｄｅｖｉａｔｏｒｉｃｓｔｒｅｓｓꎬｒｅｓｉｄｕａｌｄｅｖｉａｔｏｒｉｃｓｔｒｅｓｓꎬｉｎｉｔｉａｌｄｅｖｉａｔｏｒｉｃｓｔｒｅｓｓｏｆｅｘｐａｎｓｉｏｎꎬｐｅａｋａｘｉａｌｓｔｒａｉｎａｎｄｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｓｔｒａｉｎｏｆｄｒｙａｎｄｗａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄｓａｎｄｓｔｏｎｅｉｎｃｒｅａｓｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙꎬｗｈｉｌｅｐｅａｋｌａｔｅｒａｌｓｔｒａｉｎｄｅｃｒｅａｓｅｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ.Ａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔａｇｅｓꎬｔｈｅｃｏｈｅｓｉｏｎａｎｄｉｎｔｅｒｎａｌｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｇｌｅｏｆｗａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄｓａｎｄｓｔｏｎｅａｒｅａｌｗａｙｓｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈｏｓｅｏｆｄｒｙｓａｎｄｓｔｏｎｅ.Ｔｈｅｄａｍａｇｅｄｅｇｒｅｅｏｆｗａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄｓａｎｄｓｔｏｎｅｉｓｍｏｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｆｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｓꎬａｎｄｍｏｒｅｃｒａｃｋｓａｐｐｅａｒｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓａｎｄｓｔｏｎｅꎻｔｒｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｔｅｓｔｓꎻｗａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄꎻｓｔｒｅｎｇｔｈ在隧道工程和采矿工程中ꎬ由于围岩的赋存条件ꎬ部分岩石会处于饱水状态.在岩石的饱水过程中ꎬ水－岩作用会对岩石造成损伤ꎬ并且饱水岩石内部孔隙和微裂纹中的水会进一步软化岩石ꎬ影响其力学性质.饱水岩石的力学特性是研究岩石与环境相互影响的一个重要基础.近年来ꎬ国内外学者对饱水岩石的力学特性㊁变形特征进行了大量研究ꎬ取得了丰富的成果.国内学者对大理岩[１－３]和花岗岩[４－６]进行了各种力学特性试验ꎬ发现水会弱化岩石的强度ꎬ降低岩石的内摩擦角和内聚力ꎻ刘建等[７]对干燥砂岩和饱水砂㊀收稿日期:２０２１－１２－１０基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１７７４１３１)㊀㊀∗通信作者ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｙａｎｌｉｎ＿８＠１６３.ｃｏｍ博看网 . All Rights Reserved.矿业工程研究２０２２年第３７卷岩进行了单轴蠕变试验ꎬ发现与干燥砂岩相比ꎬ饱水砂岩更容易发生蠕变现象ꎻ李佳伟[８]㊁杨春和[９]㊁宋勇军[１０]等通过三轴压缩试验ꎬ分析了水岩耦合作用下板岩的力学特性ꎬ并建立了力学参数预测模型ꎻ郭佳奇等[１１]对自然状态和饱水状态下的岩溶灰岩进行单轴压缩和三轴压缩试验ꎬ从能量角度对两者的损伤破坏过程进行了研究ꎬ发现随着试件含水率的增加ꎬ其可释放应变能与总应变能的比值下降ꎬ且饱和试件的应变能释放率大于自然状态下试件的应变能释放率ꎻ于怀昌等[１２]对干燥和饱水粉砂质泥岩进行了应力松弛试验ꎬ分析水对基本应力松弛参数的影响ꎬ并基于Ｈｏｏｋｅ－Ｋｅｌｖｉｎ模型ꎬ建立了岩石的非线性应力松弛损伤模型.这些研究成果对研究饱水岩石的力学特性具有重要的参考价值.为了更加深入研究干燥和饱水岩石的强度变化规律和破坏特征ꎬ本文以干燥砂岩和饱水砂岩为研究对象ꎬ对其进行不同围压作用下的三轴压缩试验.１㊀室内试验㊀图１㊀标准砂岩试件１.１㊀试件的制备试验所用砂岩取自河北马城铁矿砂岩含水层ꎬ该地区的砂岩在自然状态下长期处于饱水状态.该砂岩呈黄褐色ꎬ带有斑点ꎬ岩性为粗砂岩ꎬ主要成分为石英.将采集到的岩样制备成Ф５０ｍｍˑ１００ｍｍ的标准圆柱体试件ꎬ如图１所示.按照水利水电工程岩石试验规程(ＳＬ/Ｔ２４６２０２０)[１３]对试件进行饱水处理ꎬ并采用煮沸法强制饱水ꎬ测得砂岩试件的饱和吸水率在６.５６％左右.砂岩试件基本参数如表１所示.表１㊀砂岩试件基本参数编号高度/ｍｍ直径/ｍｍ上部中部下部干燥质量/ｇ饱水质量/ｇ饱和吸水率/％１１００.３２４９.８４４９.９２４９.９２４２９.６４２１００.３６４９.８２４９.８２４９.８２４３０.９６３１００.４０４９.８４４９.８２４９.８４４３０.７１４１００.３０４９.８６４９.７８４９.８４４３０.０３５１００.３０４９.８４４９.８２４９.８２４２９.０１６１００.４０４９.８２４９.８４４９.８２４３０.６４７１００.４２４９.８２４９.９０４９.８２４３０.５０４５８.３３６.４６５８１００.４２４９.８４４９.８６４９.８６４３０.６６４５８.６２６.４９２９１００.４０４９.８２４９.８６４９.８６４２９.９０４５８.２７６.５９９１０１００.３０４９.８４５０.００４９.８６４３０.７３４５９.１２６.５９１１１１００.３４４９.８２４９.８４４９.８２４２９.９１４５８.１２６.５６２１２１００.２０４９.８２４９.８２４９.８２４２８.９３４５８.７５６.９５２１.２㊀砂岩孔隙度测试岩石孔隙度是岩体最基本的性质ꎬ本试验随机选取３个饱水砂岩试件ꎬ采用ＡｎｉＭＲ－１５０核磁共振分析仪测量砂岩试件的孔隙度.测得砂岩孔隙类型为管状ꎬ孔隙度为１４.２３％~１４.３６％ꎬ如表２所示.表２㊀砂岩孔隙度测试结果编号体积/ｃｍ３孔隙度/％１＃１９６.３５１４.３６２＃１９６.３５１４.２３３＃１９６.３５１４.２４６１博看网 . All Rights Reserved.第１期谭涛ꎬ等:干燥和饱水状态下砂岩力学特性试验㊀㊀砂岩核磁共振试验结果如图２所示.由图２可知３个砂岩试件的核磁共振结果比较接近ꎬ表明该岩样比较均质ꎬ离散性较小ꎬ符合试验要求.在图２ａ中ꎬ弛豫时间越长ꎬ说明砂岩内部的孔隙越大ꎻ信号强度越高ꎬ说明孔隙的数量越多.从图２ｂ中可知ꎬ砂岩的孔径大小基本分布于０.０１~１０μｍꎬ主要为中孔和大孔.图２㊀砂岩核磁共振试验结果１.３　三轴压缩试验装置及方案为研究饱水砂岩的力学特性ꎬ采用湖南科技大学ＭＴＳ８１５多功能岩石力学测试系统(如图３ａ所示)对砂岩进行三轴压缩试验ꎬ具体操作步骤:１)首先将试件放置于２个同等直径的刚性压盘中间ꎬ用热缩管将试件及刚性压盘与试件接触部分包裹ꎻ然后用热风枪均匀吹动热缩管ꎬ使其与试件和上下刚性压盘充分接触ꎬ即接触面无明显气泡ꎬ为防止在试验过程中ꎬ三轴腔内部的白油进入试件内部对其造成额外破坏ꎬ用铁丝将上下２个刚性压盘与热缩管进一步固定ꎻ最后将试件放置于试验系统底座指定中心位置ꎬ安装好环向引伸计和轴向引伸计ꎬ如图３ｂ所示.图３㊀砂岩三轴压缩试验装置２)加载阶段ꎬ以２.０ＭＰａ/ｍｉｎ的速度将围压和轴压加载至设定值ꎬ使其达到三轴静水压力状态(σ１＝σ２＝σ３)ꎬ维持１０ｍｉｎ.然后以轴向位移加载的方式进行偏应力加载ꎬ加载速率为０.１ｍｍ/ｍｉｎ[１４－１５]ꎬ直到试件破坏并达到残余阶段.试验加载路径示意图如图４所示.７１博看网 . All Rights Reserved.矿业工程研究２０２２年第３７卷图４㊀三轴试验加载路径１.４　试验结果三轴压缩试验得到的干燥砂岩和饱水砂岩的偏应力－应变曲线如图５所示.从图５中可知ꎬ对于干燥砂岩和饱水砂岩ꎬ在不同的围压作用下ꎬ试件的偏应力－轴向应变曲线的变化趋势大体一致ꎬ均经历了５个阶段[１６－１９]ꎬ即原生裂隙压密阶段㊁线弹性阶段㊁裂纹稳定发展阶段㊁裂纹非稳定发展阶段和峰值阶段.这表明饱水并不会改变其应力－应变曲线的发展趋势.在峰前阶段ꎬ随着轴向偏应力的增加ꎬ侧向应变速率逐渐增大ꎻ并在相同的偏应力下ꎬ随着围压的增大ꎬ侧向应变数值变小.这是由于围压会抑制砂岩的侧向变形ꎬ从而降低了侧向应变.当应力达到峰值强度时ꎬ随着应变的增大ꎬ其应力迅速下降ꎬ表明饱水无法改变砂岩的岩性ꎬ饱水砂岩和干燥砂岩均为脆性岩样.试验后期ꎬ在围压的作用下ꎬ随着应变的增大ꎬ砂岩的应力基本保持不变ꎬ此时对应的轴向应力为砂岩的残余强度.图５㊀砂岩偏应力－应变曲线岩石进入塑性变形后会发生体积扩容现象.在岩石的三轴压缩试验中ꎬ砂岩试件为标准圆柱形ꎬ其体积应变εｖ可由式(１)求得.εｖ＝ε１＋２ε３.(１)式中:ε１ꎬε３分别为试件的轴向应变和侧向应变.根据式(１)计算ꎬ得到砂岩的体积应变－轴向应变曲线如图６所示.由图６可知ꎬ干燥砂岩和饱水砂岩的体积变形均经历体积压缩和体积膨胀阶段.体积压缩出现在试验加载初期ꎬ该阶段试件的体积应变随着轴向应变的增大而缓慢增大ꎬ然后出现一个拐点 ꎬ此时试件的体积应变达到最大值ꎻ随着轴向应变的进一步增大ꎬ体积应变开始减小至０. 拐点对应的轴向应力为试件的起始扩容应力.在体积膨胀阶段ꎬ干燥砂岩在１０ＭＰａ围压作用下ꎬ其体积应变随着轴向应变的增大而增大ꎬ最后基本保持不变ꎻ在２０ꎬ３０ＭＰａ的围压下ꎬ其体积应变随着轴向应变的增大而减小.而饱水砂岩的体积应变在不同的围压下都随着轴向应变的增大呈现逐渐减小的趋势.８１博看网 . All Rights Reserved.第１期谭涛ꎬ等:干燥和饱水状态下砂岩力学特性试验图６㊀砂岩的体积应变－轴向应变曲线三轴压缩过程中ꎬ试件的特征应力有峰值偏应力(σ１－σ３)ｍａｘ㊁扩容起始偏应力(σ１－σ３)ｄ和残余偏应力(σ１－σ３)ｒꎬ特征应变有峰值偏应力对应的轴向应变ε１ꎬｍａｘ㊁侧向应变ε３ꎬｍａｘ和体积应变εｖꎬｍａｘ.由图５和图６中的应力－应变曲线ꎬ可以得到干燥砂岩和饱水砂岩的特征应力和特征应变值ꎬ如表３所示.表３㊀砂岩试件的特征应力和特征应变值试件状态σ３/ＭＰａ(σ１－σ３)ｍａｘ/ＭＰａ(σ１－σ３)ｄ/ＭＰａ(σ１－σ３)ｒ/ＭＰａε１ꎬｍａｘε３ꎬｍａｘεｖꎬｍａｘ干燥砂岩１０１１７.８８８４.１１３２.６７０.０１２０５－０.００６６３－０.００１２０２０１４１.７２１０８.１０５５.１２０.０１４４０－０.００７６８－０.０００９５３０１７６.２９１３８.８３６８.２９０.０１６６０－０.００８７２－０.０００８４饱水砂岩１０１００.１６６９.５８３６.２１０.０１２０７－０.００７１６－０.００２２５２０１３３.３５１００.６８４８.４１０.０１３２０－０.００７３３－０.００１４６３０１４９.３３１１８.２１６４.６９０.０１５０４－０.００７５１０.００００１为了进一步分析不同饱水状态下ꎬ砂岩相关力学参数与围压的关系ꎬ根据表３的数据绘制散点图ꎬ如图７所示.由图７可知:在１０ꎬ２０ꎬ３０ＭＰａ的围压下ꎬ干燥砂岩的峰值偏应力和起始扩容偏应力均大于饱水砂岩的峰值偏应力和起始扩容偏应力ꎻ当围压为２０ꎬ３０ＭＰａ时ꎬ干燥砂岩残余偏应力大于饱水砂岩的残余偏应力ꎻ砂岩在干燥和饱水２种情况下ꎬ砂岩的峰值偏应力㊁起始扩容偏应力和残余偏应力与围压呈线性正相关关系ꎬ均随围压的增大而增大ꎬ但干燥砂岩的增长速度明显高于饱水砂岩.分别对σ１－σ３()ｍａｘꎬσ１－σ３()ｄ和σ１－σ３()ｒ与σ３的关系进行线性拟合(如图７ａ~图７ｃ所示)ꎬ得到拟合关系式:σ１－σ３()ｍａｘ＝ｋ１σ３＋ｄ１ꎻ(２)σ１－σ３()ｄ＝ｋ２σ３＋ｄ２ꎻ(３)σ１－σ３()ｒ＝ｋ３σ３＋ｄ３ꎻ(４)式中:ｋ１ꎬｄ１ꎬｋ２ꎬｄ２ꎬｋ３ꎬｄ３均为拟合系数.无论是干燥砂岩还是饱水砂岩ꎬ砂岩的峰值强度㊁起始扩容应力㊁残余强度与围压拟合的相关系数均大于０.９６ꎬ这表明使用式(２)~式(４)分别表达砂岩的峰值偏应力㊁起始扩容偏应力以及残余偏应力与围压的关系是合理可靠的.从图７ｄ可以发现ꎬ在不同围压作用下ꎬ干燥砂岩的峰值轴向应变始终高于饱水砂岩的轴向应变ꎬ且都随着围压的增大而增大.由图７ｅ和图７ｆ可知ꎬ在１０ＭＰａ的围压下ꎬ干燥砂岩的峰值侧向应变大于饱水砂岩侧向应变ꎬ当围压为２０ꎬ３０ＭＰａ时ꎬ干燥砂岩的峰值侧向应变小于饱水砂岩的峰值侧向应变ꎬ其峰值侧向应变随着围压的增大而减小ꎬ而体积应变随着围压的增大而增大.对砂岩峰值应变与围压的关系进行线性拟合(如图７ｅ~图７ｇ所示)ꎬ发现砂岩的峰值轴向应变㊁峰值９１博看网 . All Rights Reserved.矿业工程研究２０２２年第３７卷侧向应变㊁峰值体积应变与围压分别存在关系:ε１ꎬｍａｘ＝ｋ４σ３＋ｄ４ꎻ(５)ε３ꎬｍａｘ＝ｋ５σ３＋ｄ５ꎻ(６)εｖꎬｍａｘ＝ｋ６σ３＋ｄ６ꎻ(７)式中:ｋ４ꎬｄ４ꎬｋ５ꎬｄ５ꎬｋ６ꎬｄ６为拟合系数.饱水砂岩和干燥砂岩的峰值应变与围压的关系拟合的相关系数均大于０.９５ꎬ这表明用式(５)~式(７)表示砂岩的峰值应变与围压的关系是合理的.图７㊀干燥和饱水砂岩相关力学参数随围压变化关系０２博看网 . All Rights Reserved.第１期谭涛ꎬ等:干燥和饱水状态下砂岩力学特性试验２㊀砂岩强度与围压的关系分析２.１㊀基于莫尔－库伦准则的砂岩强度与围压关系在三轴压缩试验中ꎬ砂岩的峰值强度σｐ等于峰值偏应力与围压之和ꎬ即σｐ＝σ１－σ３()ｍａｘ＋σ３.(８)结合式(２)和式(８)ꎬ可以得到砂岩的峰值强度与围压的关系式ꎬ即σｐ＝ｋ１＋１()σ３＋ｄ１.(９)同理可以得到砂岩的起始扩容应力σｄ和残余强度σｒ与围压的关系式ꎬ即σｄ＝ｋ２＋１()σ３＋ｄ２ꎻ(１０)σｒ＝ｋ３＋１()σ３＋ｄ３.(１１)根据库伦准则ꎬ岩石的剪切强度准则为τ＝ｃ＋σｔａｎφ.(１２)式中:τ为剪切面上的剪应力ꎻσ为剪切面上的正应力ꎻｃ为内聚力ꎻφ为内摩擦角.库伦准则可以用莫尔极限应力圆表示ꎬ如图８所示.㊀图８㊀τ－α坐标下的库伦准则式(１２)的几何意义可以由图８中的直线ＡＬ表示ꎬ其斜率为内摩擦角的正切值ꎬ截距为内聚力ｃ.对应图８可以得到库伦准则的主应力表达式:σ＝１２σ１＋σ３()＋１２σ１－σ３()ｃｏｓ２θꎻτ＝１２σ１－σ３()ｓｉｎ２θ.ìîíïïïï(１３)式中:θ为岩石的断裂角ꎬ且２θ＝π２＋φ.将式(１３)代入式(１２)可得σ１＝１＋ｓｉｎφ１－ｓｉｎφσ３＋２ｃｃｏｓφ１－ｓｉｎφ.(１４)此外ꎬ定义砂岩在峰后残余阶段的内聚力为残余内聚力ｃｒꎬ内摩擦角为残余内摩擦角φｒꎬ同理可得残余强度σｒ与围压σ３的关系:σｒ＝１＋ｓｉｎφｒ１－ｓｉｎφｒσ３＋２ｃｒｃｏｓφｒ１－ｓｉｎφｒ.(１５)联立式(９)和式(１４)可以得到φ＝ａｒｃｓｉｎｋ１２＋ｋ１ꎻ(１６)ｃ＝ｄ１ｃｏｓφ２＋ｋ１().(１７)将图７中的拟合系数数值代入式(１６)和式(１７)ꎬ可以得到砂岩的内聚力和内摩擦角.同理可以得到１２博看网 . All Rights Reserved.矿业工程研究２０２２年第３７卷砂岩残余阶段的内摩擦角和内聚力ꎬ如表４所示.从表４中可以发现ꎬ饱水砂岩在不同阶段的内聚力和内摩擦角均小于干燥砂岩.表４㊀砂岩试件的内摩擦角和内聚力砂岩试件φ/(ʎ)ｃ/ＭＰａφｒ/(ʎ)ｃｒ/ＭＰａ干燥砂岩３６.４２１.９５２８.１７.００饱水砂岩３３.５２１.０７２４.５６.８５２.２㊀砂岩强度软化系数为分析在三轴压缩试验中干燥和饱水状态下砂岩强度的变化ꎬ定义峰值强度软化系数为Ｋｐꎬ起始扩容应力的软化系数为Ｋｄꎬ残余强度的软化系数为Ｋｒꎬ其计算公式为Ｋｐ＝１－σｗｐσｄｐꎻＫｄ＝１－σｗｄσｄｄꎻＫｒ＝１－σｗｒσｄｒ.ìîíïïïïïïïïï(１８)㊀图９㊀不同围压下饱水前后砂岩强度软化系数式中:σｗｐꎬσｗｄꎬσｗｒ分别为饱水砂岩的峰值强度㊁起始扩容应力和残余强度ꎻσｄｐꎬσｄｄꎬσｄｒ分别为干燥砂岩的峰值强度㊁起始扩容应力和残余强度.根据式(１８)可以得到砂岩的强度软化系数ꎬ如图９所示.从图９可知ꎬ砂岩的强度软化系数随着围压增加而上下波动.试件的峰值强度和起始扩容应力的软化系数相差不大ꎬ在１０ＭＰａ围压下ꎬ峰值强度软化系数和起始扩容应力软化系数达到最大值ꎬ分别为０.１３９和０.１５４ꎻ在２０ＭＰａ围压下影响最弱ꎬ其软化系数分别为０.０５２和０.０５８.在峰后残余阶段ꎬ砂岩残余强度的软化系数变化较大ꎬ其波动范围为－０.０８３~０.０８９.这表明饱水对砂岩强度的弱化作用会随着围压的变化而变化.３㊀破坏模式㊀㊀不同围压下ꎬ干燥砂岩和饱水砂岩的破坏形态如图１０和图１１所示.图１０㊀干燥砂岩破坏形态图１１㊀饱水砂岩破坏形态从图１０可知:在不同的围压作用下ꎬ干燥砂岩的破坏形态均为单斜面剪切破坏ꎬ裂纹为剪切裂纹.这是因为该砂岩具有明显的矿物颗粒ꎬ由于矿物颗粒间的黏结强度较低ꎬ进而出现单一的剪切面ꎻ又因为砂岩试件与试验仪器的垫块之间的接触面存在摩擦作用[２０]ꎬ砂岩试件出现从端部开始自上而下的对角破坏.此外ꎬ可以发现随着围压的增大ꎬ试件的破裂角从７０ʎ减小至６３ʎ.从图１１可以看出:不同围压作用下ꎬ饱水砂岩的破坏形态以单斜面剪切破坏为主ꎬ试件产生一条从上２２博看网 . All Rights Reserved.第１期谭涛ꎬ等:干燥和饱水状态下砂岩力学特性试验到下的斜剪切主裂纹ꎬ也出现了次生的剪切裂纹.饱水砂岩的破裂角随着围压的增大而减小ꎬ与干燥砂岩一致.比较图１０和图１１可以发现:在１０ＭＰａ的围压下ꎬ两者的破裂角相等ꎻ随着围压的增大(围压为２０ＭＰａ和３０ＭＰａ)ꎬ饱水砂岩的破裂角均小于干燥砂岩的破裂角.总体上ꎬ饱水对砂岩试件的破坏形态造成了较大的影响ꎬ而且降低了砂岩的破裂角.４㊀结论１)干燥和饱水砂岩的强度特征与变形特性都受到围压影响ꎬ它们的峰值偏应力㊁起始扩容偏应力㊁残余偏应力㊁峰值轴向应变和峰值体积应变与围压呈正相关关系ꎬ而峰值侧向应变与围压呈负相关关系.２)饱水会降低砂岩在不同阶段的内聚力和内摩擦角ꎬ使得饱水砂岩的峰值强度㊁起始扩容应力和残余强度均低于干燥砂岩的强度.此外ꎬ饱水对砂岩的弱化作用受到围压的影响ꎬ砂岩的峰值强度和起始扩容应力在１０ＭＰａ围压下弱化最大ꎬ而残余强度在２０ＭＰａ的围压下饱水的弱化作用最为显著.３)干燥砂岩和饱水砂岩的破裂角均随着围压的增大而减小.但是由于水对岩石的腐蚀作用ꎬ与干燥砂岩的单斜面剪切破坏相比ꎬ饱水砂岩的破坏模式更为复杂ꎬ其主剪切破坏面附近出现了次生剪切裂纹.参考文献:[１]陈钢林ꎬ周仁德.水对受力岩石变形破坏宏观力学效应的实验研究[Ｊ].地球物理学报ꎬ１９９１(３):３３５－３４２.[２]杨圣奇ꎬ苏承东ꎬ徐卫亚.大理岩常规三轴压缩下强度和变形特性的试验研究[Ｊ].岩土力学ꎬ２００５ꎬ２６(３):４７５－４７８.[３]杨圣奇ꎬ徐卫亚ꎬ谢守益ꎬ等.饱和状态下硬岩三轴流变变形与破裂机制研究[Ｊ].岩土工程学报ꎬ２００６ꎬ２８(８):９６２－９６９.[４]罗丹旎ꎬ苏国韶ꎬ何保煜.不同饱水度花岗岩的真三轴岩爆试验研究[Ｊ].岩土力学ꎬ２０１９ꎬ４０(４):１３３１－１３４０.[５]李铀ꎬ朱维申ꎬ白世伟ꎬ等.风干与饱水状态下花岗岩单轴流变特性试验研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２００３(１０):１６７３－１６７７.[６]陈旭ꎬ俞缙ꎬ李宏ꎬ等.不同岩性及含水率的岩石声波传播规律试验研究[Ｊ].岩土力学ꎬ２０１３ꎬ３４(９):２５２７－２５３３.[７]刘建ꎬ李鹏ꎬ乔丽苹ꎬ等.砂岩蠕变特性的水物理化学作用效应试验研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２００８ꎬ２７(１２):２５４０－２５５０.[８]李佳伟ꎬ徐进ꎬ王璐ꎬ等.砂板岩岩体力学特性的水岩耦合试验研究[Ｊ].岩土工程学报ꎬ２０１３ꎬ３５(３):５９９－６０４.[９]杨春和ꎬ冒海军ꎬ王学潮ꎬ等.板岩遇水软化的微观结构及力学特性研究[Ｊ].岩土力学ꎬ２００６ꎬ２７(１２):２０９０－２０９８.[１０]宋勇军ꎬ雷胜友ꎬ毛正君ꎬ等.干燥和饱水状态下炭质板岩力学特性试验[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２(１０):４８－５２.[１１]郭佳奇ꎬ刘希亮ꎬ乔春生.自然与饱水状态下岩溶灰岩力学性质及能量机制试验研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２０１４ꎬ３３(２):２９６－３０８.[１２]于怀昌ꎬ赵阳ꎬ刘汉东ꎬ等.三轴应力作用下水对岩石应力松弛特性影响作用试验研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２０１５ꎬ３４(２):３１３－３２２.[１３]中华人民共和国水利部.水利水电工程岩石试验规程:ＳＬ/Ｔ２４６２０２０[Ｓ].北京:中国水利水电出版社ꎬ２０２０.[１４]赵延林ꎬ廖健ꎬ刘强ꎬ等.水－力耦合和隔离状态下孔道砂岩力学特性的对比[Ｊ].煤炭学报ꎬ２０２０ꎬ４５(１２):３９７３－３９８３.[１５]赵延林ꎬ刘强ꎬ刘欢ꎬ等.水－力耦合作用下单裂隙灰岩三轴压缩与声发射试验及压剪断裂模型[Ｊ].煤炭学报ꎬ２０２１ꎬ４６(１２):３８５５－３８６８.[１６]ＢＩＥＮＩＡＷＳＫＩＺＴ.Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｂｒｉｔｔｌｅｆｒａｃｔｕｒｅｏｆｒｏｃｋ:ＰａｒｔｓＩꎬＩＩａｎｄＩＩＩ[Ｊ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＭｉｎｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ＆ＧｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓＡｂｓｔｒａｃｔｓꎬ１９６７ꎬ４(４):３９５－４０６.[１７]ＭＡＲＴＩＮＣＤꎬＣＨＡＮＤＬＥＲＮＡ.ＴｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅｆｒａｃｔｕｒｅｏｆＬａｃｄｕＢｏｎｎｅｔｇｒａｎｉｔｅ[Ｊ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＭｉｎｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ＆ＧｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓＡｂｓｔｒａｃｔｓꎬ１９９４ꎬ３１(６):６４３－６５９.[１８]ＧＯＫＴＡＮＲＭꎬＹＩＬＭＡＺＮＧ.Ａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙｆｏｒｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｒｏｃｋｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓｉｎｄｅｘａｎｄｄｒａｇｐｉｃｋｃｕｔｔｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ[Ｊ].Ｊｏｕｒｎａｌ－ＳｏｕｔｈＡｆｒｉｃａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＭｅｔａｌｌｕｒｇｙꎬ２００５ꎬ１０５(１０):７２７－７３２.[１９]ＣＨＥＮＸꎬＹＵＪꎬＴＡＮＧＣＡꎬｅｔａｌ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｅｖｏｌｕｔｉｏｎｗｉｔｈｄａｍａｇｅｏｆｓａｎｄｓｔｏｎｅｕｎｄｅｒｔｒｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ[Ｊ].ＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓ＆ＲｏｃｋＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１７ꎬ５０(６):１５２９－１５４９.[２０]苏承东ꎬ付义胜.红砂岩三轴压缩变形与强度特征的试验研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２０１４ꎬ３３(ｓ１):３１６４－３１６９.３２博看网 . All Rights Reserved.。

三轴实验报告

三轴试验报告课程高等土力学授课老师冷伍明等指导老师彭老师学生姓名刘玮学号 114811134 专业隧道工程目录1.试验目的 (1)2.仪器设备 (1)3.试样制备步骤 (1)4.试样的安装和固结 (2)5.数据处理(邓肯—张模型8大参数的确定) (2)6.注意事项 (9)7.总结 (10)1.试验目的(1).三轴压缩试验室测定图的抗剪强度的一种方法，它通过用3～4个圆柱形试样，分别在不同的恒定周围压力下，施加轴向压力，进行剪切直至破坏；然后根据摩尔-强度理论，求得土的抗剪强度参数；同时还可求出邓肯-张模型的其它6个参数。

(2).本试验分为不固结不排水剪(UU)；固结不排水剪(CU或CU)和固结排水剪(CD)等3种试验类型。

本次试验采用的是固结排水剪(CD)。

2.仪器设备本次实验采用全自动应变控制式三轴仪：有反压力控制系统，周围压力控制系统，压力室，孔隙压力测量系统，数据采集系统，试验机等。

3.试样制备步骤(1).本次试验所用土属于粉粘土，采用击实法对扰动土进行试样制备，试样直径39.1mm，试样高度80mm。

选取一定数量的代表性土样，经碾碎、过筛，测定风干含水率，按要求的含水率算出所需加水量。

(2).将需加的水量喷洒到土料上拌匀，稍静置后装入塑料袋，然后置于密闭容器内24小时，使含水率均匀。

取出土料复测其含水率。

(3).击样筒的内径应与试样直径相同。

击锤的直径宜小雨试样直径，也允许采用与试样直径相同的击锤。

击样筒在使用前应洗擦干净。

(4).根据要求的干密度，称取所需土质量。

按试样高度分层击实，本次试验为粉粘土，分5层击实。

各层土料质量相等。

每层击实至要求高度后，将表面刨毛，然后再加第2层土料。

如此继续进行，直至击完最后一层，并将击样筒中的试样取出放入饱和器中。

表1 含水率记录表试验要求干密度为1.7g/cm3，饱和器容积为96cm3，所以所需湿土质量为：+⨯=+mρ(g)w=v1(=⨯)1888.7.196).01(1575分5层击实，则每层质量为37.76g。

《基于离散元的冻结黏土三轴压缩试验数值模拟》范文

《基于离散元的冻结黏土三轴压缩试验数值模拟》篇一一、引言随着计算机技术的发展，数值模拟已经成为研究土力学性质的重要手段。

本文将通过离散元方法，对冻结黏土进行三轴压缩试验的数值模拟，以期更好地理解其力学性能及破坏机制。

通过这一研究，不仅可以为工程实践提供理论支持，也能为改进和完善土力学理论提供新的思路。

二、离散元方法概述离散元方法是一种以离散单元为基本单位的数值分析方法，它可以有效地模拟材料的破坏过程和力学行为。

在土力学领域，离散元方法被广泛应用于模拟土的剪切、压缩等行为。

该方法通过模拟土体中颗粒的相互作用，来研究土的宏观力学性质。

三、冻结黏土的三轴压缩试验三轴压缩试验是研究土体强度和变形特性的一种常用方法。

在试验中，通过施加侧向压力和垂直压力，模拟土体在复杂应力状态下的力学行为。

对于冻结黏土，其特殊的物理和化学性质使得其力学行为与一般土体有所不同，因此有必要对其进行更深入的数值模拟研究。

四、数值模拟过程在本研究中，我们采用了离散元方法对冻结黏土进行三轴压缩试验的数值模拟。

具体步骤如下：1. 构建模型：根据实际的三轴压缩试验设备，建立相应的离散元模型。

模型中包括土体颗粒、边界条件等。

2. 设定参数：根据实际试验数据和理论分析，设定离散元模型的参数，如颗粒的物理性质、相互作用力等。

3. 模拟过程：按照三轴压缩试验的步骤，逐步施加侧向压力和垂直压力，并记录每次施压后的应力、应变等数据。

4. 结果分析：根据模拟结果，分析冻结黏土在三轴压缩条件下的力学行为和破坏机制。

五、结果与讨论通过离散元方法的数值模拟，我们得到了冻结黏土在三轴压缩条件下的应力-应变曲线、破坏模式等结果。

与实际的三轴压缩试验结果相比，数值模拟结果具有较高的准确性。

这表明离散元方法可以有效地模拟冻结黏土的力学行为和破坏机制。

在数值模拟过程中，我们发现冻结黏土的破坏模式主要为剪切破坏和拉裂破坏。

其中，剪切破坏主要发生在土体的侧向边缘，而拉裂破坏则主要由于土体内部应力的不均匀分布导致。

循环荷载下饱和砂砾土动力特性研究

循环荷载下饱和砂砾土动力特性研究摘要：由于砂砾土具有抗剪强度高、压实性能好、地震荷载作用下不易液化等优良特性，在工程界得到广泛应用。

通过一系列室内动三轴试验对饱和砂砾土进行了动力特性研究，主要分析了不同颗粒形状，围压、固结比对砂砾土动力特性的影响，以及动力特性对其液化特性的影响。

研究表明，不同试验条件下砂砾土存在两类破坏机理，即均等固结条件下表现为达到零有效应力状态的循环液化，非均等固结条件下表现为过大累积轴向变形的循环失效；动弹性模量 Ed 随着动应变εd增大而减小，最后趋于平缓，不同的振动频率对饱和砂砾土的Ed－εd关系曲线影响较小，试验数值基本上都落在同一区域内，固结压力与固结应力比对E －εd关系曲线的影响较大。

关键词：动三轴试验；饱和砂砾土；动强度1.实验材料试验材料取自于土埋深为2～5m，砂砾土中最大粒径范围为 40～60mm，最小粒径小于0.075mm，粒径分布不均匀．通过对初始土料进行颗粒筛分及密度试验的联合测定，并对试料进行了剔除法和等量代换法的缩尺处理，该原试验材料的级配良好。

土样晒干后过20mm、10mm、5mm、2mm和1mm筛选取粒径在2~20mm范围内的颗粒为砾粒，粒径在2mm以下的颗粒为砂粒和细粒。

试验所用的重塑样由砾粒、砂粒与细粒分别按照不同比例重新配制而成，掺入的砾粒含量，首先用筛分法把砂砾按粒径大小分级开来，按照55%的含砾量，细沙和大颗粒2:1掺在一起。

1.1 试验参数选择不同颗粒形状(圆形，亚圆形，棱角形砾石)，含砾量（55%），砾粒直径范围（2-5mm），砂为普通中砂。

试样的动荷载按等幅的正弦波形式加载。

根据建筑物中砂砾土垫层所处的一般埋置深度，同时也使试验的结果具有一定的代表性，故围压采用100,200, 300kPa。

试样在施加规定的围压后，按设定的固结比施加轴向荷载。

试验中所取的固结应力比为固结比，1.0，1.5，2.0。

（对应200kPa 围压）。

三轴压缩下砂土本构关系的归一化特性及数值建模方法

第27卷增1岩石力学与工程学报 V ol.27 Supp.12008年6月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June ,2008收稿日期:2006–12–26;修回日期:2007–05–05作者简介:李向东(1972–,男,硕士,1994年毕业于武汉工业大学非金属专业,现任工程师,主要从事土木工程质量检测方面的教学与研究工作。

E-mail :lxdlxp@三轴压缩下砂土本构关系的归一化特性及数值建模方法李向东1,张光永1,向平方2,王靖涛1,徐辉1(1. 华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉 430074;2. 湖北省水利水电勘测设计院,湖北武汉 430070摘要:通过研究中密砂三轴压缩的试验曲线,发现其应力–应变关系曲线在常规围压范围内具有归一化特性。

选择合适的归一化指标对砂土三轴试验数据进行归一化,以归一化的试验数据为训练样本进行神经网络训练,得到比较理想的砂土神经网络本构模型。

本构模型仿真值与试验值符合较好,表明所给出的建模方法是合理的。

所提出的建模方法可以在所有试验数据的基础上自动实现概率寻优,能有效降低噪声信号的干扰,并可减小试验数据的分散造成的影响。

关键词:土力学;砂土本构关系;归一化特征;神经网络;数值建模方法中图分类号:TU 43 文献标识码:A 文章编号:1000–6915(2008增1–3082–06NORMALIZATION CHARACTERISTIC OF SANDS UNDER TRIAXIALCOMPRESSION AND NUMERICAL MODELING METHODLI Xiangdong 1,ZHANG Guangyong 1,XIANG Pingfang 2,WANG Jingtao 1,XU Hui 1(School of Civil Engineering and Mechanics ,Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan ,Hubei 430074,China ;2. Hubei Institute of Water Conversation and Hydroelectric Engineering Exploration and Design ,Wuhan ,Hubei 430070,ChinaAbstract :Study shows that there is normalization characteristic about the stress-strain curves of mediate-dense sands in the range of routine confining pressure. The triaxial test data are normalized by choosing proper normalization parameters. The neural networks are trained by regarding the normalized data as training samples ,and then the constitutive model of sand described by neural networks is obtained. The emulation value of the neural networks agrees with well ,which shows that the proposed modeling method is reasonable. It can achieve probabilistic optimization automatically based on all test data by using the modeling method ,and can reduce the interference of noise signal ,and lower the influence caused by dispersive test data.Key words :soil mechanics ;constitutive relations of sand ;normalization characteristic ;neural networks ;numerical modeling method1 引言岩土本构关系是岩土介质的固有性质。

砂土的三剪统一本构模型

砂土的三剪统一本构模型董肖龙;胡小荣;陈晓宇;饶志强;赵磊【摘要】以修正剑桥模型为基础,基于三剪统一强度准则,推导出砂土的三剪统一本构模型,并编写了相应的ABAQUS二次开发子程序.对松砂进行了排水和不排水条件下的常规三轴压缩试验,利用二次开发后的ABAQUS软件模拟了试验模型的应力状态.数值解与实验结果符合较好,证明模型推导和二次开发编程的正确性.在此基础上,模拟不同排水条件下真三轴压缩试验,讨论了中主应力影响系数对应力应变曲线的影响.%Based on the modified Cam-Clay model,the triple-shear unified failure criterion and the triple-shear unified model of sand were derived. Furthermore,the corresponding subprograms had been second exploited of ABAQUS. The conventional triaxial compression tests of loose sand were carried under no drainage conditions and drainage conditions. The stress state of test model was simulated by redeveloped ABAQUS. The numerical resolutions coincided well with the experimental data. The validity of the model and programming was verified. On this founda-tion ,the true triaxial tests under different drainage conditions were simulated and the influence of the factor interme-diate principal stress on stress-strain curves was discussed.【期刊名称】《南昌大学学报（工科版）》【年(卷),期】2016(038)004【总页数】6页(P334-339)【关键词】砂土;三剪统一本构模型;ABAQUS二次开发【作者】董肖龙;胡小荣;陈晓宇;饶志强;赵磊【作者单位】南昌大学建筑工程学院,江西南昌330031;南昌大学建筑工程学院,江西南昌330031;南昌大学建筑工程学院,江西南昌330031;南昌大学建筑工程学院,江西南昌330031;南昌大学建筑工程学院,江西南昌330031【正文语种】中文【中图分类】TU432修正剑桥模型在对砂土进行应力应变分析时可以很好地表现其压硬性，而对于密实砂的剪胀性不能表述，为了能统一描述砂土在应力应变发生变化过程中的剪缩剪胀特性，Casagrande等[1]在对砂土液化研究时提出临界孔隙比这一概念。

6.三轴压缩试验(砂土)

六、三轴压缩实验（一）实验目的三轴压缩实验是测定土的抗剪强度的一种方法。

堤坝填方、路堑、岸坡等是否稳定，挡土墙和建筑物地基是否能承受一定的荷载，都与土的抗剪强度有密切的关系。

（二）实验原理土的抗剪强度是土体抵抗破坏的极限能力，即土体在各向主应力的作用下，在某一应力面上的剪应力（τ）与法向应力（σ）之比达到某一比值，土体就将沿该面发生剪切破坏。

常规的三轴压缩实验是取4个圆柱体试样，分别在其四周施加不同的周围压力（即小主应力）σ3，随后逐渐增加轴向压力（即大主应力）σ1直至破坏为止。

根据破坏时的大主应力与小主应力分别绘制莫尔圆，莫尔圆的切线就是剪应力与法向应力的关系曲线。

三轴压缩实验适用于测定粘性土和砂性土的总抗剪强度参数和有效抗剪强度参数，可分为不固结不排水实验（UU ）；固结不排水实验（CU ）和固结排水实验（CD ）。

本演示实验进行干砂的固结不排水实验。

（三）实验设备1．三轴仪：包括轴向加压系统、压力室、周围压力系统、孔隙压力测量系统和试样变形量测系统等。

（如附图1所示）2．其它：击样器、承膜筒等。

（四）实验步骤1．试样制备：将橡皮膜下端套在压力室的底座上，放置好成样模具，使橡皮膜紧贴模具内侧；称取一定质量的干砂（烘干冷却），使砂分批通过漏斗落入橡皮膜内，如需制备较密实的砂样，用木锤轻击土样至所需密度。

2．试样安装：装上土样帽，给试样施加一定的负压力，拆除成样模具；使传压活塞与土样帽接触。

3．固结实验：进行两个试样的实验，分别施加100、400Kpa 的周围压力，数据采集系统自动采集试样的体积变形数据。

4．剪切实验：采用应变控制方式进行剪切实验，剪切应变速率取每分钟0.1％～0.5％，实验过程数据采集系统自动采集轴向力和体积变形数据，直至轴向应变为10％时为止。

8．实验结束：停机并卸除周围压力，然后拆除试样，描述试样破坏时形状。

（五）实验注意事项实验前，橡皮膜要检查是否有漏洞。

（六）计算与绘图1．试样面积剪切时校正值：011a A A ε=- 式中：ε1—轴向应变（％）2. 绘制每个实验的轴向应变－偏应力关系曲线，及轴向应变－体应变关系曲线。

冻融-荷载作用下含孔隙岩石的损伤本构模型

冻融-荷载作用下含孔隙岩石的损伤本构模型随着我国经济建设的发展及“一路一带”战略的实施,寒区工程建设的数量及规模在不断加大,冻融灾害将是影响寒区工程建设的首要问题,因此,研究冻融条件下受荷岩石的损伤特性和破坏机理,对保障工程建设的安全性具有重要的理论及工程意义。

岩石作为地质作用下形成的多种矿物颗粒的集合体,其颗粒间必然存在孔隙。

受外界因素的作用,颗粒碎裂及内部孔隙压密、扩展,致使岩石体积不断发生变化,从而表现出不同的力学特性。

因此,在探究岩石的损伤特性和本构关系时,必须充分考虑岩石体积变化的影响。

将宏观唯象损伤力学和非平衡统计的方法相结合,在深入研究孔隙岩石变形破坏特征的前提下,把岩石视为孔隙、损伤与未损伤三部分,但孔隙、损伤部分不承受力,采用Weibull分布描述岩石微元强度的随机特性,基于D-P强度准则,以动态孔隙率反映荷载作用下岩石体积的变化,确立含孔隙岩石的损伤本构模型。

通过峰值点处的几何条件,根据多元函数全微分方法以理论表达的形式确定模型参数。

最后通过砂岩力学特性试验验证模型的合理性,并进行岩石损伤力学特性分析。

考虑冻融作用对岩石损伤的影响,分别从损伤面积和微元破坏的角度方面进行探讨,得到冻融-荷载作用下的总损伤变量,从而建立了考虑冻融效应的含孔隙岩石损伤模型,并利用砂岩冻融循环和三轴压缩试验数据,验证了模型的合理性。

分析讨论了损伤变量和总损伤演化率随围压和冻融循环次数的变化规律。

结果表明:围压不变时,冻融循环的增加加剧了岩石的损伤,使得抗压强度降低,塑性增强;冻融次数一定时,岩石内部损伤随着围压的增大得到抑制,岩石表现为延性的不断增强,脆性逐渐减弱。

在分析岩石应变软化变形全过程的基础上,通过引入损伤因子,在常温及冻融-荷载共同作用两种情况下,确定了基于残余强度的含孔隙岩石本构模型,并与试验结果及相关参考文献理论曲线进行对比分析;讨论了模型参数m和Fo对本构模型和损伤特性的影响并明确了其物理意义;探讨了冻融循环及围压对岩石应变软化性质的影响程度。