冻结饱和砂土真三轴试验及本构模型研究
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。
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冻结饱和砂土真三轴试验及本构模型研究
姚兆明;付祥宾;李南
【期刊名称】《安徽理工大学学报:自然科学版》
【年(卷),期】2022(42)3
【摘要】为研究冻结饱和砂土在不同温度、初始围压、中主应力系数影响下的强度和变形特性,借助冻土真三轴试验机对黑龙江某矿砂土在-5℃、-10℃、-15℃3个温度下进行等小主应力σ等中主应力系数b加载真三轴试验,试验结果表明:在同一围压和温度下,冻结饱和砂土破坏强度随b值增大而增大,当b值达到0.75后,强度随b值增大而降低,近似呈二次函数关系;在同一围压和b值下,冻结饱和砂土破坏强度随温度降低线性增长。
冻结饱和砂土在真三轴条件下体应变先剪缩后剪胀,且b值越大或围压越小,剪胀性越强。
根据试验结果规律,通过对邓肯-张参数进行回归分析,建立了以温度和中主应力系数为影响因素的改进邓肯-张模型,并验证模型可靠性。
研究结果可为富水砂层中冻结法施工提供一定参考。
【总页数】9页(P1-9)
【作者】姚兆明;付祥宾;李南
【作者单位】安徽理工大学土木建筑学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU441
【相关文献】
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