颗粒形状对粗粒土剪切变形影响的细观研究

颗粒形状是影响粗粒土密实度、力学与渗流等特性的主要因素之一。为了分析颗粒形状对粗粒土剪切特性的影响,采用离散元法生成4种不同形状的颗粒组,进行粗粒土直剪试验模拟与剪切宏细观响应研究,得出了颗粒形状对剪应力-剪位移、体应变-剪位移的影响,分析了粗粒土剪切应力、应变特性与剪胀特性。通过分析剪切带厚度、颗粒旋转量值、平均接触数、孔隙率及接触力系等宏细观参量的演化规律,研究颗粒形状在宏细观尺度上对粗粒土的影响。研究表明:异形颗粒间的咬合自锁作用大于纯圆颗粒,试样的抗剪强度有随形状系数的减小而增大的趋势。试样颗粒在外荷载作用下发生运动,应变主要表现在颗粒运动剧烈、剪胀幅度较大的剪切带内。颗粒形状系数F减小,试样的初始平均接触数增加,内摩擦角φ增大,剪切带内孔隙率增量越大,剪胀幅度越大。剪切过程中强力链聚集于剪切带内并起骨架作用,随着形状系数的减小,力链长度在0～5所占百分比呈增大趋势;剪切带内强力链的数目随着形状系数的减小而增加,峰值含量在30%～35%之间。     

粗粒含量对砾类土直剪过程中强度与变形特性影响的离散元模拟研究

粗粒含量对砾类土的工程力学特性具有重要的影响。本文对4组不同粗粒含量的强风化玄武岩砾类土进行了大型直剪试验,并获取相关的强度与变形参数,基于离散单元法颗粒流理论,采用粒间作用为平行黏结模型的圆球模拟土颗粒,建立了4种不同粗粒含量砾类土直剪的离散单元模拟的计算模型,并进一步校正了颗粒单元细观参数,模拟了不同粗粒含量砾类土100kPa垂直压力时的应力应变关系、垂直变形以及剪切带上的土颗粒运动与颗粒间作用力传递的影响特性,分析了粗粒含量对砾类土宏观及细观力学性质的影响机理。结果表明:砾类土表现出的粗粒含量越大强度越高的本质是由于随粗粒含量增加时,土颗粒间平均刚度增加及颗粒间的咬合作用使得摩擦系数增加,采用平行黏结模型能较好的拟合峰值前剪应力-剪位移曲线,但是峰后曲线段尤其对软化现象的适应性不是十分理想; 垂直位移-剪位移模拟值与试验值存在一定的偏差; 随着粗粒含量的增加,最大剪应力时粗颗粒对力链的控制表现得愈明显,相应的剪切带厚度约为剪切盒高度的1/3～1/5,并随粗粒含量增加而增大。     

粗粒土与结构接触面特性的离散-连续耦合数值研究

三维变形体离散元法能够自动检索接触关系,并对具有不规则形状的粗粒土颗粒和结构物进行有限差分网格离散,因此,具有模拟离散-连续耦合问题的先天优势。采用随机模拟技术生成粗粒土三维数值试样,基于变形体离散元进行粗粒土与结构接触面特性的数值试验,研究了不同接触面粗糙程度的接触面力学特性,对比了粗粒土与结构物在单剪和直剪状态下的接触面力学特性,从宏观和细观两个层面分析了数值试验结果。结果表明,数值试验能较好地反映粗粒土与结构接触面的力学特性,其剪应力-相对剪切位移曲线与试验结果规律相似;接触面粗糙程度对接触面的强度和变形特性影响较大,其机制在于剪切对试样的扰动程度不同;直剪和单剪状态下试样剪应力-相对剪切位移均为双曲线,单剪试验的初始剪切刚度低于直剪试验,两种试验得到接触面抗剪强度指标比较接近。     

冻结黏土三轴试验微观变形机理的离散元分析

基于三维颗粒离散单元法,赋予颗粒相应的细观参数,并采用黏结发生在接触颗粒间有限范围内的模型来考虑冻土颗粒中冰的胶结作用,建立了冻结黏土三维离散元数值模型.在相同围压、不同温度和相同温度、不同围压下对冻结黏土的室内三轴试验进行数值模拟,对比了数值试验与室内测试的应力-应变曲线,两者吻合较好.数值模拟结果表明:围压增大会使得接触黏结逐渐失效,在剪切带中胶结冰的破坏区域将增大,而温度的降低则会产生相反结果,这些微观变化都将对冻结黏土的宏观力学变形产生较大影响,同时,细观参数对温度的依赖性也很明显.冻结黏土三轴试验微观变形离散元模拟思路及方法可为今后运用离散单元法研究冻土力学行为提供一定的参考.     

抗转动特性对颗粒材料分散性失稳的影响研究

对于岩土类的颗粒材料,在特定的应变加载路径下会发生非局部化的失稳现象,此时应力状态处于Mohr-Coulomb屈服面内,试样整体急剧失稳。采用颗粒离散元方法,研究抗转动特性对颗粒材料在等比例应变加载路径下宏、细观力学特性的影响。模拟发现,较为松散的试样更易发生分散性失稳,此时颗粒集合体的应力-应变状态满足Hill材料失稳准则。采用考虑颗粒转动的接触模型进行离散元模拟,通过改变颗粒间接触的转动摩擦系数,从宏观和细观层面分析等比例应变加载路径中颗粒材料的稳定性。颗粒抗转动能力的增强可以降低材料发生分散性失稳的可能性,随着转动摩擦系数的增加,应力路径由应变软化逐渐转为应变硬化,原本会发生分散性失稳的松散颗粒集合体表现出与密实颗粒集合体相似的宏观力学特性;颗粒集合体的内部结构表现出相应的细观作用机制,转动摩擦系数的增加有效地抑制了颗粒转动,虽然降低了颗粒体系的配位数,但增加了颗粒之间的接触力,增强了颗粒体系力链结构的稳定性和各向异性,形成稳定的结构持续抵抗外荷载的施加,从而试样整体不会形成松散的接触状态而失去稳定性。     

各向异性结构性砂土离散元分析

天然沉积砂土力学特性受各向异性及结构性影响明显,实际工程中不能忽视。为探究二者的影响,首先在二维离散元程序NS2D中采用椭圆颗粒模拟了重力场中颗粒长轴主方向为水平的各向异性净砂样,随后基于结构性砂土胶结厚度分布规律及室内试验提出了一个新的微观胶结接触模型并将其引入各向异性净砂样以模拟天然各向异性结构性砂土,最后对该离散元试样进行了双轴试验模拟,将模拟结果与室内试验结果对比以验证该模型的适用性,并对其微观力学特性变化进行研 究。分析结果表明,随着剪切进行,各向异性结构性砂土呈明显应变软化及剪胀现象;胶结接触逐渐减少,且主方向始终为竖向方向;胶结破坏速率及胶结破坏率变化情况与宏观力学响应较一致,且胶结物多为拉剪破坏;土颗粒排列主方向始终为水平向,且水平向排列颗粒所占比例略微增大。     

考虑应变局部化的粗粒料剪切损伤力学机制

针对粗粒料的应变软化、剪胀等力学特性,通过考虑以剪切带为标志的应变局部化现象,建立了具有广泛适用性的剪切损伤力学模型。损伤模型采用了包体理论中的剪切带数学简化,基于应变等价原理、Weibull分布,推导了粗粒料的应力-应变关系方程。从剪胀作用的机制出发,提出可以描述剪胀弱化的轴向塑性应变和体积塑性应变的非线性函数关系。结合粗粒料三轴压缩试验中的伺服过程,提出了基于遗传算法的损伤模型参数确定方法。通过开展不同围压下的粗粒料三轴压缩试验,对剪切损伤力学模型进行验证,进一步分析了参数演化对粗粒料强度和变形特征的影响。研究结果表明,考虑应变局部化特征的剪切损伤力学模型可以高精度的模拟粗粒料的应变软化和剪胀等特征,有效揭示剪切带内部变形对试样整体宏观变形的影响机制,模型中剪切带参数和围压的关系与粗粒料细观机制一致,计算得到强度组成与颗粒破碎、重组特征较为吻合。     

基于离散元法的砂土破碎演化规律研究

颗粒破碎是影响砂土宏-微观力学性质的重要因素。采用改进型的可破碎颗粒生成方法,通过设置不同强度的平行黏结键模拟不同强度的可破碎颗粒,并借用基于离散元方法（DEM）的双轴压缩试验详细研究了可破碎性土在剪切过程中颗粒破碎率/平均破碎程度、微观尺度上的能量耗散分配机制、剪切破碎带形成以及断裂键各向异性的演化过程。结果表明,颗粒破碎强烈地影响砂土在宏观尺度上的力学响应、颗粒尺度上的能量分配机制以及剪切过程中的颗粒的组织结构演化。颗粒破碎主要影响小应变阶段各能量耗散元的分配机制,而在临界状态下剪切带内的颗粒摩擦以及破碎耗能是消耗外界功的主要因素。数值结果亦表明,颗粒的破碎伴随着整个剪切过程,但破碎率的增长速度却随着剪切应变的发展逐渐降低。另外,在剪切过程中,对于低破碎性土,在临界状态下剪切破碎带基本形成,带内的原有组织结构被打乱,断裂键的各向异性也随之弱化。     

粗粒土尺寸效应的离散元分析

在土工试验中,粗粒土的力学性质需要考虑颗粒粒径R和试样尺寸L的影响,而利用离散元软件进行数值模拟时,模拟结果的准确性受到计算规模的影响,而计算规模由特征长度比值L/R控制。利用量纲分析理论,可以得到粗粒土数值模型的微观参数和宏观力学参数之间的相似关系,而影响粗粒土抗剪强度的无量纲参数组中,包含特征长度比值L/R。一系列数值三轴压缩试验表明：当L/R足够大（L/R >40）时,L/R对粗粒土抗剪强度没有影响;当L/R较小（L/R<30）时,由于边界摩擦作用,试样的抗剪强度会随着L/R的变化而有较大改变。文中也对离散元软件PFC2D/3D提供的伺服机制进行了讨论。     

抗转动对颗粒材料组构特性的影响研究

颗粒材料大多由不规则形状的颗粒组成,如砂土、谷物等,抵抗转动是不规则形状颗粒的固有特性。已有研究表明,颗粒抗转动特性对其宏观力学特性有显著影响。因此,在颗粒材料的细观数值模拟中或采用非圆颗粒,或在圆颗粒离散元模拟中采用考虑抗转动的接触模型。采用有限元-离散元耦合方法（FDEM）和离散元方法（DEM）分别对椭球形状颗粒和具有抗转动能力的圆球颗粒进行三轴剪切数值模拟,指出了采用抗转动接触模型考虑颗粒形状影响的局限性,并基于颗粒的局部排布结构揭示了形状影响的细观来源。峰值内摩擦角和剪胀均随着转动摩擦系数和形状偏离圆球程度而单调增加,但颗粒形状对它们的影响呈现出明显的收敛趋势。细观组构分析也表明,虽然颗粒形状和转动摩擦都能显著增强组构各向异性,但是组构各向异性的演化模式有明显的区别。造成以上结果的差异在于其抵抗转动的影响机制不同。转动摩擦是通过限制颗粒转动,增强了颗粒间的稳定承载能力,而非圆颗粒是通过咬合作用形成稳定的局部排列结构。由于椭球颗粒腹部比端部能够传递更大的接触力,颗粒受剪切后发生转动,颗粒长轴倾向于正交大主应力方向,呈现交错排列,颗粒间相互锁定。     

Residual strength of slip zone soils

Slip zones of ancient landslides are commonly composed of fine-grained soils with amount of coarse-grained particle. Residual strength of slip zone soil is an important parameter for evaluating reactivation potential and understanding progressive failure mechanism. In this study, the residual strength is examined by in situ direct shear tests, improved laboratory reversal shear box test, precut specimen triaxial shear test and ring shear test. Some residual shear behaviors are recognized. Field residual strength is the average operational resistance along the sliding surface not an ideal drained strength, which is less than peak and greater than residual strength measured in laboratory. Stress–displacement curves obtained from in situ shear and laboratory reversal direct shear demonstrate strain-hardening which have no significant peak, but the shear stress is decreased gradually with increasing displacement. Residual friction coefficient depends on the normal stress, and this dependence is relevant to the interaction of rolling and sliding of particles. Residual friction angle is closely related to coarse fraction and dry density, appearing a linear increase with increasing coarse fraction and a form of polynomial function with increasing dry density. The influence of shearing rate on residual strength can be negligible.     

粗粒料强度及变形特性的细观模拟

粗粒料是一定级配的岩石颗粒集合体,具有独特的物理力学特性。以粗粒料室内三轴固结排水试验成果为基础,基于离散元颗粒流理论,从细观角度出发,以PFC3D为工具,通过自编程及二次开发,得到按级配生成的粗粒料三轴试验数值模型。引入clump颗粒考虑颗粒形状对粗粒料强度及变形的影响,分析剪胀、颗粒形状、颗粒重排的关系。结果表明：颗粒形状是影响粗粒料强度与变形的主要因素,在其他细观参数一定的情况下,改变颗粒形状,可以显著影响粗粒料的力学行为;BPM模型的应力-应变关系只在低围压下与试验值吻合,随着围压的增大,偏差越来越大;而引入clump颗粒的PFC3D数值模型能很好地模拟粗粒料室内三轴固结排水试验的应力-应变特性,但由于BPM及clump都是刚性颗粒,没有考虑颗粒变形及破碎,造成应变剪胀偏大。     

粗粒料强度准则与排土场稳定性研究

排土场稳定性主要取决于排土场的坡角及排弃废石的内部强度。通过低压到高压的三轴压缩试验研究了千枚岩粗颗粒散体材料强度的特性及压力对其强度的影响。试验表明：粗颗粒材料的破碎率随着压力的增大而增加,而增加速率则随着压力的增大而减小,并给出了一个用于描述压力及破碎率的关系式。提出了考虑破碎对强度影响的强度准则,该准则能描述粗颗粒材料的强度随压力的变化情况。采用该强度准则分析排土场的稳定性,其结果更加接近实际情况。而采用摩尔-库仑强度准则计算得到的排土场稳定性安全系数偏大,存在安全隐患。建议采用本文提出的强度准则分析排土场稳定性,特别是对于超高排土场的稳定性分析,更加适用该强度准则。     

Macroscopic and microscopic behaviors of granular materials under proportional strain path: a DEM study

Under the proportional strain loading path, particle assemblies may exhibit various failure modes. Besides the strain localization, the diffuse failure may also occur under certain conditions. The diffuse failure mode corresponds to a homogeneous occurrence of failure with stress states strictly included within the plastic limit condition. This paper emphasizes the influences of the density degree and the rolling resistance under the strain path. A contact model considering rolling friction is adopted in a discrete element method analysis as an approximate means to account for the effects of particle shape. Mechanical responses indicate that loose assemblies without the rolling resistance are more vulnerable to static liquefaction. A sample with a smaller initial void ratio or larger rolling friction coefficient will reinforce the stability of the structure and reduce the likelihood of failure. For microscopic properties, the evolution of coordination numbers, contact forces, force chains and the anisotropies of the assemblies are explored and discussed. Rotational resistance helps increase the shear stress of the granular material, and the microscopic parameters indicate that the assembly has a strong anisotropy and a stable structure to resist the increasing loading.     

考虑颗粒棱角影响的直剪试验的离散元模拟

为了研究颗粒棱角对颗粒材料力学行为的影响,建立了具有不同棱角度的对称多面体颗粒,采用了一种简单并适合任意颗粒形状的接触本构模型,对三维离散元开源程序YADE进行了修改,研究了颗粒棱角度在模拟直剪试验中的影响以及接触力各向异性在剪切过程中的演化规律。研究结果表明,颗粒棱角度越小,颗粒间相互咬合自锁的作用越小,颗粒受剪更易转动,致使颗粒体系的剪切强度和剪胀性下降;竖向加载力越大,颗粒棱角度的影响越明显;法向接触力的各向异性在剪切过程中表现为先增后减最后趋向稳定的趋势;法向接触力的各向异性变化程度随颗粒棱角度的增大而增大。     

含细粒砂土反常剪切行为的数值模拟研究

针对含细颗粒砂土的反常剪切行为,开展了双轴剪切试验的数值模拟,从宏细观角度分析了其反常剪切行为发生的内在机制。数值模拟结果表明,增加围压能提高含细颗粒砂土的抗剪切液化能力,该反常行为的根本原因在于围压上升使得粗细颗粒更有效地参与了力链传递,增加了颗粒间的接触,增强了土体的密实度。细颗粒在土骨架中的移动对砂土的液化起着至关重要的作用,而粗颗粒仅起次要作用。研究表明,细颗粒在剪切过程中会持续从有效土骨架中移出成为无效颗粒,而部分粗颗粒也因失去细颗粒的支撑作用会脱离土骨架,直至试样最终液化。细颗粒一般参与土骨架中的弱力链,而粗颗粒则一般参与强力链,导致细颗粒较粗颗粒更容易在土骨架中移动。     

Strength Behavior of Fine Grained Soil Reinforced with Randomly Distributed Polypropylene Fibers

Admixtures and reinforcement materials are frequently used in practice to stabilize coarse and fine grained soils and to improve their engineering properties. However, a limited number of studies have been carried out on fiber-reinforced fine grained soils. In this study, a series of unconfined compression tests, direct shear tests, and California Bearing Ratio tests were carried out to investigate the effect of randomly distributed polypropylene fiber on the strength behavior of a fine grained soil. The content of polypropylene fiber was varied between 0.25 and 1% by total dry weight of the reinforced samples. It was observed that unconfined compression strength, cohesion intercept and California Bearing Ratio increased with the addition of fibers. On the other hand, the results of the tests indicated that shear strength angle was not affected significantly by the fiber reinforcement.     

粗粒土压实特性及颗粒破碎分形特征试验研究

对多个级配不同含水率的粗粒土进行击实试验,研究粗粒土的压实特性和颗粒破碎分形特征。结果表明,粗粒土最大干密度随级配中粗粒含量的增大而增大,当粗粒含量P5=70%时,最大干密度出现最大值;当P5＞70%时,最大干密度又随粗粒含量的增大而减小,粗粒土击实破碎后的粒径分布具有良好的分形特性,破碎分形维数为2.279 0～2.892 2,均大于击实前粗粒土粒度分形维数;相同级配条件下,粗粒土破碎分形维数随含水率的增大而增大,且粗粒含量P5＞50%时,增幅显著;粗粒土破碎分形维数D与破碎率Bg存在良好的线性关系,且击实前后粗粒土粒度分形维数差值能客观表征颗粒破碎的程度;粗粒含量和含水率是影响颗粒破碎率的两个重要因素,但相对于含水率而言,粗粒含量对破碎率的影响更加显著。     

无胶结粗粒土初始结构强度研究

无论是原状土还是重塑土均存在初始结构性,土体初始结构所抵抗的剪应力为土体结构强度。为了研究无胶结粗粒土初始结构强度,定义了粗粒土剪切过程中初始结构变化点特征,并根据大于20 mm粗颗粒含量将粗粒土划分为4种结构类型,采用可视化直剪仪对不同结构特征的粗粒土进行直剪试验,通过剪切过程中粗粒土平面孔隙比、配位数、概率熵等3种初始结构指标的数值大小及变化趋势,来确定不同初始结构的粗粒土结构临界强度。结果表明:不同初始结构类型粗粒土在相同正应力、相同颗粒种类的情况下,其抗剪强度大小与结构强度占比大小的排序一致,表明了颗粒结构强度在抵抗剪应力的整个过程中起到了重要作用。4种初始结构类型粗粒土平均结构强度占比为36.27%,即结构强度占峰值抗剪强度的36.27%,其中排列接触结构的结构强度占比最高,为36.62%,其次为镶嵌结构36.61%,悬浮密实结构35.99%,叠置结构的结构强度占比最低,为35.87%。