粗粒土大型剪切试验剪切带变形特征分析

采用含有叠环的大型粗粒土直剪试验设备进行试验,叠环作为剪切盒的重要组成部分,可以在剪切时根据粗粒土的结构形成多组剪切面,能够明显地展现出粗粒土的剪切变形特征.为了分析硬质岩粗粒对粗粒土的剪切强度和变形的影响,对粗粒岩性为花岗岩的粗粒土进行大型叠环式直剪试验.通过分析得到试验特征规律,研究粗粒土在剪切过程中的颗粒运动,得出花岗岩粗粒对其组成的粗粒土的剪切强度和变形有很大的影响.硬质岩性的花岗岩颗粒在剪切时不易被剪碎,在剪切过程中主要做错位、翻滚运动.低轴压下,剪切带位移会出现阶梯现象,而在高轴压下,剪切带位移为线性变化,并表现出更加明显的剪胀现象.粗粒土在剪切破坏后依然具有较高的抗剪强度和稳定性,为工程建设中土石体材料的选取提供了一定的借鉴.     

颗粒粒径对格栅-土界面静、动力直剪特性的影响

为研究颗粒粒径对格栅-粗粒土界面单调直剪和循环剪切特性的影响,利用大型直剪仪进行了一系列室内大型单调直剪试验、循环直剪试验和循环后单调直剪试验,并将单调直剪试验与循环后单调直剪试验的结果进行了对比分析,研究了循环剪切应力历史对界面直剪强度特性的影响。结果表明:单调直剪试验中,随着粗粒土粒径的增加,界面似黏聚力和内摩擦角增加;循环剪切中界面抗剪强度发生硬化,同一循环位移幅值下颗粒粒径越小,界面在循环剪切过程中的硬化速度越快;遭受循环剪切后界面残余应力比降低,峰值似黏聚力显著增长。     

光弹颗粒材料的直剪实验研究

对颗粒材料中的力链分布特征的了解,有助于从根本上了解颗粒材料基本性质。借助光弹实验,对两种直径混合的颗粒材料在二维直剪作用下的平均强度力链分布和几何结构变化进行了初步的探索。光弹实验方法是目前能够直观观察到力链分布的唯一有效的实验方法,在进行光弹实验前,设计研制了光弹直剪仪并进行了多次光弹圆盘颗粒材料退火实验。利用数字图像技术对光弹实验结果进行处理,并尝试用彩色梯度算法表征颗粒材料的平均受力情况,并获得平均强度力链。结果表明,二元颗粒材料集合体的几何结构具有各向异性。对力链方向统计分析表明,平均强度力链出现了局部化。     

砂土颗粒级配对格栅-土界面静、动力直剪特性的影响

为了研究不同颗粒级配砂土与格栅界面的剪切特性,采用3种不同颗粒级配的砂土与土工格栅进行了一系列大型室内单调直剪试验、循环直剪试验和循环后单调直剪试验,并且通过对比单调直剪以及循环后单调直剪下界面剪切特性的变化,研究了循环剪切应力历史对界面抗剪强度的影响。结果表明:单调直剪试验中,三种界面均发生峰值后剪切软化现象,且高应力下软化现象更明显;三种界面在循环直剪试验中均呈现剪切硬化特点,同一循环次数下颗粒级配良好砂土与格栅界面剪切强度最大;经历过循环剪切后,三种界面的峰值黏聚力与残余黏聚力均减小,而峰值摩擦角与残余摩擦角增大;遭受循环剪切后,三种颗粒级配砂土与格栅界面抗剪强度都得到了提高。     

砂土颗粒级配对格栅-土界面静、动力直剪特性的影响

为了研究不同颗粒级配砂土与格栅界面的剪切特性,采用3种不同颗粒级配的砂土与土工格栅进行了一系列大型室内单调直剪试验、循环直剪试验和循环后单调直剪试验,并且通过对比单调直剪以及循环后单调直剪下界面剪切特性的变化,研究了循环剪切应力历史对界面抗剪强度的影响。结果表明:单调直剪试验中,三种界面均发生峰值后剪切软化现象,且高应力下软化现象更明显;三种界面在循环直剪试验中均呈现剪切硬化特点,同一循环次数下颗粒级配良好砂土与格栅界面剪切强度最大;经历过循环剪切后,三种界面的峰值黏聚力与残余黏聚力均减小,而峰值摩擦角与残余摩擦角增大;遭受循环剪切后,三种颗粒级配砂土与格栅界面抗剪强度都得到了提高。     

粗颗粒含量对砾石土抗剪强度影响的试验研究

粗、细颗粒的相对含量是影响砾石土抗剪强度大小的最主要因素之一。本文通过设计改进的直剪试验,试验研究了不同粗颗粒含量砾石土剪切过程中的强度-变形特征。研究结果表明:粗颗粒含量的多少对砾石土土体抗剪强度有重要影响,粗颗粒含量在70%附近时,砾石土土体的内摩擦角最大,抗剪强度最大。     

土工格室加筋土的大尺寸直剪试验研究

采用自行研制的500 mm?500 mm?400 mm（长?宽?高）大尺寸直剪仪,对土工格室加筋土以及土工格室加筋水泥稳定土的剪切性能进行了试验研究。通过大尺寸直剪试验模拟土工格室加筋土的剪切作用过程,得出加筋土剪切应力与剪切应变关系为非线性确定了土工格室加筋土的抗剪强度指标以及土工格室对土的抗剪强度增强机理,土工格室加筋土的黏聚力提高较大,内摩擦角变化相对较小。通过对素土和掺入量为5 %的水泥稳定土进行常规直剪试验、大尺寸直剪试验和三轴压缩试验对比分析,探讨不同试验方法对抗剪强度指标的影响,得出3种试验方法对应的抗剪强度指标及其相对大小;即素土的摩擦角大小依次为：三轴试验小于大尺寸直剪试验小于常规直剪试验,素土的黏聚力大小依次为：大尺寸直剪试验小于三轴试验小于常规直剪试验;水泥稳定土的摩擦角大小为：三轴试验小于大尺寸直剪试验,黏聚力结果比较大小依次为：三轴试验小于大尺寸直剪试验。     

单粒组密砂剪切带的直剪试验离散元数值分析

为分析砂土的剪切力学特性,采用离散元商业软件PFC2D对单粒组密砂在直剪试验中出现的剪切带进行了数值分析。改进传统的分条带观察方式,采用矩形格分割法观察试样内部不同区域的变形特性。对离散元商业软件进行了二次开发,实现了大小主应力及其应力主方向角的可视化,分析了试样内部的应力偏转情况。同时,以纯转动率和颗粒速度等微观变量为中心,观察了试样内部颗粒的运动状态,解析了直剪试验中砂土剪切带形成的微观机制。研究表明,直剪试验中应变局部化区域集中在剪切面附近的一个条带内。通过转动场和速度场的分析可知,剪切带宽度约为10～15倍的砂土平均粒径,带内颗粒转动明显,带边缘出现大的速度和转动变化梯度。对组构和接触力分布的分析可知,剪切过程中粒间接触点和接触力的主轴方向发生了相一致的偏转,偏转后的主轴方向为60°左右。     

小荷载岩石结构面应力效应直剪仪研制及试验对比分析

常规岩石结构面直剪仪为了达到较大的加载力大多采用液压加载,但由于液压加载力较大以及液压在试验中难以保持较小法向应力的恒定,导致仪器对小荷载岩石结构面直剪试验的精度降低,从而对研究岩石结构面应力效应变化规律有一定不利的影响。基于仪器原理一致性和测试结果可靠性等主要因素,采用机械式杠杆加压原理研制了小荷载岩石结构面直剪仪,新研制直剪仪主要由平台、加载系统、变形测量系统及图像实时显示系统等主要部件组成,不但体积小、经济性好、操作方便、绿色环保、而且周期短及试验精确度高。从仪器设计原理、剪切性能和试验周期等方面对新研制直剪仪和常规直剪仪进行对比分析,并将试验结果与颗粒流数值模拟作比较进行可靠性评价。研究结果表明:新研制直剪仪对小荷载岩石结构面直剪试验有更高的精度;法向应力采用机械式杠杆加压原理,能动态维持法向压力恒定,保证结构面直剪试验数据的可靠性和稳定性;新研制直剪仪较常规直剪仪可缩短试验周期85%左右。     

颗粒材料的剪胀模型

本文研究了颗粒材料的剪切变形机制,建立了颗粒体在变形过程中应力与组构量的相互关系,论证了产生剪胀的微观组构条件,推导出各向异性组构颗粒体剪胀方程。做了相应的单剪试验,理论结果与试验结果相当吻合,从而验证了理论模型的正确性。     

基于数字图像相关法的砂土细观直剪试验及其颗粒流数值模拟

砂土等天然颗粒材料具有的剪胀性、压硬性、各向异性等特殊力学性质受控于其内部的微细结构及其演化,如何利用试验与数值模拟等手段对砂土细观组构进行量化,对深入研究砂土变形机制尤为重要。基于数字图像相关方法的光学测量技术与土工试验相结合的新手段,通过对直剪仪的可视化改造,开发了能初步实现土体宏细观力学性状联合测量的“砂土变形细观瞬时光学测量系统”,并利用该系统对福建标准砂进行了室内细观直剪试验。随后进行了基于颗粒流软件PFC2D直剪数值试验,提取室内试验还难以获得的细观信息,作为对室内试验的补充。通过对宏观力学性质和位移场、应变场、颗粒定向、速度场、颗粒配位数和接触力链等细观的室内与数值试验结果进行剖析,探讨了砂土力学性质的细观机制。     

二维粒状材料双轴压缩试验研究

为了研究粒状材料的各向异性力学行为与细观组构演化之间的关系,采用自主研发的双轴压缩试验系统,以圆形和椭圆形截面的金属棒状材料组成的二维堆积体为试验对象,对不同大主应力方向角?（沉积面与大主应力作用面的夹角）的试样进行了各向等压、常侧向压力、等p剪切3种应力路径试验,并通过分析试样在不同变形阶段的数字照片得到了其细观组构演化规律。发现对于椭圆形截面的试样存在一个卓越剪切方向,随剪应变增大,颗粒长轴呈现出向该方向偏转的趋势,并且在大变形条件下沿该方向形成剪切带;卓越剪切方向与沉积面方向关系不大,而与大主应力作用面方向夹角约为45°+ /2, 为残余内摩擦角;随卓越剪切方向与沉降方向夹角的不同,颗粒偏转程度的不同是导致剪胀特性和峰值强度各向异性的主要原因     

Critical length of force chains and shear band thickness in dense granular materials

This paper investigates the existence of the critical force chain length and the buckling of unconfined grain columns in dense granular materials. Tests on assemblies of flat pentagon photoelastic particles were first carried out to demonstrate the maximum length of force chains. Then, the theoretical buckling analysis and distinct element method (DEM) simulations for grain columns composed of mono-sized elliptical particles were performed. The results revealed the existence of critical column length, which is generally affected by the particle shapes, the rotational resistance at particle contact points and the end constraints to the grain columns. The interparticle friction does not have explicit effect on the critical force chain length, but it has significant influence on the grain column’s curvature when collapse takes place. The thickness of shear band in granular soils can be determined as the critical length of grain columns by appropriately imposing the constraints on the boundaries, as confirmed by DEM simulations and experimental results.     

DEM investigations of internal erosion: Grain transport in the light of micromechanics

Internal erosion by suffusion can change dramatically the constitutive behavior of granular materials by modifying the fabric of granular materials. In this study, the effect of an internal fluid flow on granular materials is investigated at the material point scale using the numerical coupling between a discrete element method (DEM) and a pore-scale finite volume (PFV) coupling scheme. The influence of the stress state and the hydraulic loading (direction and intensity) on the occurrence of grain transport in dense widely graded granular samples is thus investigated and interpreted in terms of micromechanics. In particular, it is shown that grain transport is increased when the macroscopic flow direction is aligned with the privileged force chain orientation. The stress-induced microstructure modifications are shown to influence the transport distances by controlling the number of rattlers.     

坡度对碎屑流冲击立式拦挡墙力学特征的影响

由坡度和挡墙倾角的改变造成碎屑流冲击力学模型的改变是目前被忽略的问题。在碎屑流冲击倾式拦挡墙物理试验的基础上,利用离散元数值计算方法研究了坡度对碎屑流冲击立式拦挡墙（墙面与地面的夹角为90°）力学特征的影响,依据死区颗粒堆积特征,流动层颗粒冲击特征以及二者的相互作用特征提出了两种新力学模型：由倾斜冲击挡墙向坡面堆积转变的力学模型和考虑流动层对死区冲切摩擦作用的水平直接冲击力学模型。对不同冲击力学模型进行了验证分析,结果表明：坡度和挡墙倾角改变了死区的堆积特征从而改变了流动层的冲击方向和冲击力大小。当坡度小于40°时,碎屑流流动层首先沿死区上覆面倾斜冲击挡墙,在最大冲击力作用时刻,流动在坡面层状堆积,最大法向冲击合力可按静土压力公式估算。随着坡度的增大,在最大冲击力时刻,流动层颗粒直接冲击挡墙,但由于死区颗粒对流动层颗粒具有摩擦缓冲减速作用,大幅降低了流动层对挡墙的直接冲击力。此时死区对挡墙的作用力主要包括3个部分：流动层沿坡面冲击死区,由死区传递至挡墙的冲击力、流动层对死区的冲切摩擦力以及死区自重的静土压力。死区对挡墙作用力占最大法向冲击合力的比例增大至90%左右。当坡度由40°增大到50°时,在最大法向冲击合力作用时刻,流动层对死区的冲切摩擦力占最大冲击力的比例由15%增大到49%,流动层与死区之间的摩擦系数由滚动摩擦系数转变为静摩擦系数。提出的流动层对死区的冲切摩擦力为碎屑流冲击刚性挡墙力学计算模型提供了新的研究思路。     

刚性块体压入颗粒体系时的受力及力链演变

颗粒体系由大量离散颗粒组成,普遍存在于自然界中,比如砂土地基、泥石流及滑坡体等。外荷载通常沿着准直形的路径在体系内传递,形成区别于单个颗粒和整个体系的细观结构--力链,亦即颗粒物质具有典型的多尺度特征。采用颗粒离散元方法模拟刚性块体压入颗粒体系的过程,计算得到了刚性块体底部所受阻力与压入深度的幂率关系;给出力链的判断准则和搜索强力链程序,构建颗粒体系强力链网络,并分析了压入试验过程中力链的演变及其长度的分布规律。     

土剪切流变试验仪改进设计

土流变测定仪由土剪切试验仪改制而成,主要由剪切仪机架、剪切盒、垂直荷载杠杆加压系统、水平剪力施加系统等部件组成。水平剪力施加系统采用重力加压,两级变矩传动,传动系中配置了滚动轴承,安装了测力计,保证了试验数据的准确性。该土流变测定仪重量轻,体积小,结构紧凑,操作简便,具有剪切试验和流变试验两用功能。     

Measurement of Shearing Characteristics of Granular Materials at Low Stress Levels in a Shear Box

A range of geotechnical applications require measurement of shear strength at effective stresses below those commonly employed in conventional shear testing devices. Of these devices, the shear box testing apparatus is the oldest and remains the most popular for determining the shear strength characteristics of granular materials. The apparatus is, however, generally considered inadequate when testing at low normal stresses because second order frictional effects become significant at these stresses and lead to large errors in the inferred shear and normal loads on the plane of shearing. A number of new, more elaborate, devices have been employed to measure the frictional characteristics of clays at low stress levels (e.g. the Cam-shear and tilt table tests), but these require a high level of expertise to use correctly, and are not readily available in laboratories around the world. In this paper, statics principles are employed to develop a simple means of correcting for the mechanical friction in a shear box. The applicability of the corrections proposed is examined using data obtained in two different shear boxes for three separate sands over a large range of normal stresses. It is demonstrated that these corrections can be used to determine the peak and critical friction angles of granular materials at low stress levels in a shear box apparatus.     

侧限条件下充填散体压缩承载和传力特性

充填散体的压缩承载和传力特性对防控充填开采矿山的地表变形具有重要意义。通过河卵石、碎石、尾矿、河砂、尾砂5种散体材料和7组不同粒径河卵石的侧限压缩试验,以及河卵石数值模拟压缩试验,分析了其压实过程和粒径对其变形、承载的影响,揭示了散体压缩过程中的传力特性。结果表明：散体压缩过程可分为空隙压密、颗粒破碎压密和压实固结3个阶段,且散体类型和粒径对其非线性压实过程基本没有影响,但对其内部结构重组过程有较大影响;压缩过程中,存在一个临界密实度使不同粒径河卵石的承载能力次序发生反转,且河卵石散体平均变形模量与颗粒特征因子呈负指数关系;基于河卵石数值模拟压缩试验得到的散体内部力链强度分布和“压力拱”,很好地证实了室内压缩试验中散体垂直应力沿加载方向呈递减的趋势,以及侧向应力在整个散体高度上先增后减这一试验结果。