GDS空心圆柱扭剪试验系统在印度科学研究所的应用案例

摘要：土木工程系成立64年，在结构力学、地质力学和水文领域拥有著名的学者. IISc也一直处于地震工程、理论力学和土力学试验研究的前沿.对各行业的广泛的跨学科研究和提供各行业的咨询促使IISc不断加强其实验基础设施。

印度科学研究所（IISc）是印度最早的科学和工程研究研究所。作为历史最悠久的研究机构之一，它吸引了很多顶级学者。

土木工程系成立64年，在结构力学、地质力学和水文领域拥有著名的学者. IISc也一直处于地震工程、理论力学和土力学试验研究的前沿.对各行业的广泛的跨学科研究和提供各行业的咨询促使IISc不断加强其实验基础设施。

问题

助理教授Tejas Murthy的研究团队致力于研究从软岩到砂土的各种地质材料的复杂行为。颗粒状材料的行为受到颗粒形态、整体的堆积、排水条件、颗粒间的粘聚力和应力条件（包括主应力的方向和大小）的显著影响。我们将基于图像的测量、物理建模和基本实验室测试相结合，以获得这种复杂材料响应的清晰视角。相应地，存在大量具有不同复杂程度的本构模型。然而，在开始任何预试验之前，全面了解实验室条件下的材料行为是很重要的。

传统的三轴、直接剪切和简单剪切试验提供了有限边界条件下的力学响应。

为了了解材料在各种应力和边界条件下的力学行为，一套完整实验室测试是必要的。其中一些应力条件可以用一个空心圆柱体扭剪测试装置来模拟。此外，该装置获得的实验数据可用于校准现有的本构模型，也为开发新的本构模型提供了非常坚实的理论基础。

Fig 1.IISc颗粒力学实验室的GDS HCA，与博士Ramesh Kannan

解决方案

为了研究这些复杂的材料体系在各种应力条件下的情况，我们采用了GDS HCA。这一选择是基于仪器的质量、服务（技术支持）和IISc在使用GDS设备方面的既往经验。空心圆柱体扭剪装置（HCA）为用户提供了独特的能力，以通过控制内外单元压力、轴向载荷和扭矩来独立控制主应力的大小和方向。在各种边界问题中遇到的复杂应力路径，可以在受控的实验室条件下重新检查，以获得对材料响应的独特视角。通过这些测试，在研究颗粒材料的各向异性方面也有可能取得了重大进展. 此外，IISc小组还致力于通过HCA测试了解微观结构特征，如颗粒的形状和角度，以及这些特征如何影响颗粒材料的实际屈服面。

通过在IISc进行的HCA试验，不仅可以在三维主应力空间中，而且可以在状态空间中探索状态边界位点，例如临界状态位点。本研究采用角砂、球形玻璃珠和多种颗粒形态作为模型材料。当偏应力达到峰值时达到破坏状态，当试样体积应变恒定时达到临界状态。在八面体平面上的主应力空间中绘制了临界状态点。这些实验结果被用于校准一些现有的本构模型，是建立多长度、尺度的模型的第一步。

研究结果

在排水条件下的角砂上进行了一组初步实验。在不同的b值(中间主应力比)下进行测试，b值以0.2间隔从0到1变化，在整个测试过程中主应力倾角保持在0°。结果表明，当b值在0 ~ 0.5范围内变化时，偏应力峰值基本保持不变，之后偏应力峰值减小。由于p’也保持不变，偏差应力的变化代表了临界状态摩擦角随b的变化。图2显示了三维应力空间的二维表示，其中临界状态点分别用基准Mohr coulomb和Lade破坏模型绘制,其中内摩擦角φ = 34°、无量纲常数η = 48.3。

目前正在对这些颗粒状材料的颗粒形态和宏观力学行为进行关键的研究。形状描述的图像分析和基本响应的HCA测试正在进行中。在不久的将来，还设想将实验扩展到其他复杂材料静态和循环载荷下测试。

空心圆柱扭剪装置是研究颗粒状材料行为的一种特殊工具，并提供了这些材料在各种边界条件下的响应的一个非常清晰的图像。观察材料行为的独特特性，如应力和应变的非同轴性，以及在不同应力和应变水平下的各向异性描述，在这里也是可能的。