空心圓柱扭剪試驗(yàn)裝置在印度科學(xué)研究所土木工程系顆粒力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用案例
發(fā)布時(shí)間：2015-09-25
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來(lái)源：歐美大地
印度科學(xué)研究所（IISc）是印度最早的科學(xué)和工程研究研究所。 作為歷史最悠久的研究機(jī)構(gòu)之一，它吸引了很多頂級(jí)學(xué)者。
土木工程系成立64年，在結(jié)構(gòu)力學(xué)、地質(zhì)力學(xué)和水文領(lǐng)域擁有著名的學(xué)者. IISc也一直處于地震工程、理論力學(xué)和土力學(xué)試驗(yàn)研究的前沿.對(duì)各行業(yè)的廣泛的跨學(xué)科研究和提供各行業(yè)的咨詢促使IISc不斷加強(qiáng)其實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施。
助理教授Tejas Murthy的研究團(tuán)隊(duì)致力于研究從軟巖到砂土的各種地質(zhì)材料的復(fù)雜行為。 顆粒狀材料的行為受到顆粒形態(tài)、整體的堆積、排水條件、顆粒間的粘聚力和應(yīng)力條件（包括主應(yīng)力的方向和大小）的顯著影響。我們將基于圖像的測(cè)量、物理建模和基本實(shí)驗(yàn)室測(cè)試相結(jié)合，以獲得這種復(fù)雜材料響應(yīng)的清晰視角。相應(yīng)地，存在大量具有不同復(fù)雜程度的本構(gòu)模型。然而，在開始任何預(yù)試驗(yàn)之前，全面了解實(shí)驗(yàn)室條件下的材料行為是很重要的。
傳統(tǒng)的三軸、直接剪切和簡(jiǎn)單剪切試驗(yàn)提供了有限邊界條件下的力學(xué)響應(yīng)。
為了了解材料在各種應(yīng)力和邊界條件下的力學(xué)行為，一套完整實(shí)驗(yàn)室測(cè)試是必要的。 其中一些應(yīng)力條件可以用一個(gè)空心圓柱體扭轉(zhuǎn)測(cè)試裝置來(lái)模擬。此外，該裝置獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可用于校準(zhǔn)現(xiàn)有的本構(gòu)模型，也為開發(fā)新的本構(gòu)模型提供了非常堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
Fig 1.IISc顆粒力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的GDS HCA，與博士Ramesh Kannan
為了研究這些復(fù)雜的材料體系在各種應(yīng)力條件下的情況，我們采用了GDS HCA。這一選擇是基于儀器的質(zhì)量、服務(wù)（技術(shù)支持）和IISc在使用GDS設(shè)備方面的既往經(jīng)驗(yàn)。 空心圓柱體扭轉(zhuǎn)裝置（HCA）為用戶提供了獨(dú)特的能力，以通過(guò)控制內(nèi)外單元壓力、軸向載荷和扭矩來(lái)獨(dú)立控制主應(yīng)力的大小和方向。在各種邊界問(wèn)題中遇到的復(fù)雜應(yīng)力路徑，可以在受控的實(shí)驗(yàn)室條件下重新檢查，以獲得對(duì)材料響應(yīng)的獨(dú)特視角。通過(guò)這些測(cè)試，在研究顆粒材料的各向異性方面也有可能取得了重大進(jìn)展. 此外，IISc小組還致力于通過(guò)HCA測(cè)試了解微觀結(jié)構(gòu)特征，如顆粒的形狀和角度，以及這些特征如何影響顆粒材料的實(shí)際屈服面。
通過(guò)在IISc進(jìn)行的HCA試驗(yàn)，不僅可以在三維主應(yīng)力空間中，而且可以在狀態(tài)空間中探索狀態(tài)邊界位點(diǎn)，例如臨界狀態(tài)位點(diǎn)。本研究采用角砂、球形玻璃珠和多種顆粒形態(tài)作為模型材料。當(dāng)偏應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)達(dá)到破壞狀態(tài)，當(dāng)試樣體積應(yīng)變恒定時(shí)達(dá)到臨界狀態(tài)。 在八面體平面上的主應(yīng)力空間中繪制了臨界狀態(tài)點(diǎn)。 這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果被用于校準(zhǔn)一些現(xiàn)有的本構(gòu)模型，是建立多長(zhǎng)度、尺度的模型的第一步。
在排水條件下的角砂上進(jìn)行了一組初步實(shí)驗(yàn)。在不同的b值(中間主應(yīng)力比)下進(jìn)行測(cè)試，b值以0.2間隔從0到1變化，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中主應(yīng)力傾角保持在0°。 結(jié)果表明，當(dāng)b值在0 ~ 0.5范圍內(nèi)變化時(shí)，偏應(yīng)力峰值基本保持不變，之后偏應(yīng)力峰值減小。由于p’也保持不變，偏差應(yīng)力的變化代表了臨界狀態(tài)摩擦角隨b的變化。 圖2顯示了三維應(yīng)力空間的二維表示，其中臨界狀態(tài)點(diǎn)分別用基準(zhǔn)Mohr coulomb和Lade破壞模型繪制,其中內(nèi)摩擦角φ = 34°、無(wú)量綱常數(shù)η = 48.3。
目前正在對(duì)這些顆粒狀材料的顆粒形態(tài)和宏觀力學(xué)行為進(jìn)行關(guān)鍵的研究。形狀描述的圖像分析和基本響應(yīng)的HCA測(cè)試正在進(jìn)行中。 在不久的將來(lái)，還設(shè)想將實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到其他復(fù)雜材料靜態(tài)和循環(huán)載荷下測(cè)試。
空心圓柱裝置是研究顆粒狀材料行為的一種特殊工具，并提供了這些材料在各種邊界條件下的響應(yīng)的一個(gè)非常清晰的圖像。觀察材料行為的獨(dú)特特性，如應(yīng)力和應(yīng)變的非同軸性，以及在不同應(yīng)力和應(yīng)變水平下的各向異性描述，在這里也是可能的。
Fig 2.砂的模型破壞面與實(shí)驗(yàn)破壞面
