基于颗粒破碎的粗粒土剪切强度的模拟分析

颗粒破碎在岩土工程领域是很常见的现象,土工试验中无法显示颗粒破碎过程及其影响,本文采用离散单元软件PFC2D模拟了考虑颗粒破碎影响的粗粒土的直剪试验,给出了考虑颗粒破碎的粗粒土直剪试验的模拟方法,分析粗粒土的剪应力-剪切位移关系、剪胀和剪切强度等宏观力学行为,探讨基本颗粒间黏聚力、单颗粒孔隙率和粗粒土试样的孔隙率对剪切强度的影响。结果表明:颗粒破碎对剪切强度的破碎准则有影响,颗粒不破碎试样的剪切强度符合Mohr-Coulomb准则;颗粒破碎试样的强度包络线是幂函数关系。     

初始静剪应力对粗粒土与结构接触面循环力学特性的影响

运用80 t大型三维接触面试验机,对初始静剪应力存在时粗粒土与结构接触面循环力学特性及初始静剪应力大小的影响进行了研究。循环剪切时,接触面沿初始静剪应力方向产生了明显的切向位移,且该位移与正交切向的剪切路程基本呈直线关系,该直线与初始静剪应力的夹角和初始静剪应力水平关系可用二次多项式描述。初始静剪应力大小对接触面抗剪强度、正交切向应力-应变关系形式影响较小,主要影响正交切向应力峰值、接触面剪切体变数值及剪切体变与切向位移关系等。初始静剪应力越大,该方向产生的切向位移越大,其正交切向应力峰值越小,该应力峰值对应的切向位移亦越小,接触面剪切硬化程度越高;初始剪切时接触面剪胀量越大,而后期循环剪切时剪缩量和剪胀量则越小。     

两体接触面剪切力学行为的三维数值分析

研究岩石-岩石节理或混凝土-岩石接触面的力学行为,对于评价岩体的稳定性及工程体与岩基的稳定性有重要的意 义。采用ANSYS有限元软件构建了在宽度方向一致的三维粗糙表面,模拟计算了Bandis等在玄武岩试件上的直剪试验结 果,并将数值计算结果与试验结果对比,验证了ANSYS在分析两体剪切力学行为方面的可行性。此外对于有规则起伏的锯齿界面,同样进行了三维直剪试验的数值模拟,获到了不同界面和应力边界条件下的剪切强度,并与Patton剪胀公式理论值进行比较,从理论上再次验证了ANSYS模拟直剪试验的适用性。同时重点分析了直剪试验下的剪切位移曲线、接触面的剪应力分布、剪胀作用;并初步探讨了ANSYS软件自身设定凝聚力对接触面力学性能的影响。     

法向应力对接触面循环单剪力学特性的影响研究

法向应力对土与结构接触面循环单剪力学特性的影响研究具有重要意义。运用80 t大型三维接触面试验机,进行了不同法向应力下粗粒土与结构接触面单剪试验,分析了法向应力对接触面循环单剪力学特性的影响规律。试验结果表明,法向应力对接触面变形位移、滑动位移、切向应力、可逆性剪切体变和不可逆性剪切体变以及抗剪强度等接触面性能参量的数值有显著影响,但对参量间关系形式影响较小。法向应力越大,接触面变形位移在初始几个循环内越大,随循环剪切的进行,其减小速率越快,最终稳定值越小;切向刚度越大,切向应力稳定值也越大,初始几个循环内切向刚度系数越小;不可逆性剪切体变越大,可逆性剪切体变峰值和稳定值越小,相变位移和相变应力比越小;抗剪强度越大,其异向程度则先增大后减小。不同法向应力下,接触面循环抗剪强度与法向应力符合摩尔-库仑准则;切向应力比-切向位移关系、不可逆性剪切体变和剪切功密度关系均具有良好一致性,基本不受法向应力影响,可用双曲线模型描述,这将大大简化接触面本构描述。     

土与结构物接触面损伤本构模型

根据粗糙接触面变形机理,建立了基于损伤力学基本原理的接触面本构模型来描述其力学特性。所建议的损伤模型可以用一个统一的表达式来表述,能够较好地反映土与结构物接触面剪切过程中的应变软化和剪胀等力学特性;模型参数较少,物理意义明确。对接触面直剪试验和单剪试验成果进行了验证,模型计算与试验结果吻合较好,表明建议的土与结构物粗糙接触面损伤模型是合理可行的。     

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。     

土与钢材料接触面性能的试验研究

利用应变控制式直剪仪,对上海土与钢材料接触面进行直剪试验,研究了土与钢材料接触面内的变形特性,分析了法向应力对接触面剪切破坏特性的影响。分析结果表明,土与钢材料接触面内剪应力与剪切位移呈双曲线关系,并且法向应力影响剪切应力的发挥。     

含应变软化本构关系的岩-土接触元直剪试验数值模拟

关于含应变软化本构关系的岩-土接触面特性的研究手段较为有限,基于FLAC可实现具有应变软化接触的本构数值分析。利用该模型对接触面直剪试验进行模拟,并对接触单元剪切强度参数演化与剪切应力-位移关系变化特征进行深入研究。模拟结果再现了接触面的渐进性破坏过程及内部剪应力变化特征,研究表明了摩擦角的增减变化主控剪切应力-位移关系曲线的形式特征。     

法向刚度对土与结构接触面三维特性影响的试验研究

运用80 t大型三维接触面试验机,对不同法向刚度下粗粒土与结构接触面三维静动力学特性进行了试验研究,重点分析了法向刚度对接触面力学特性的影响规律。法向常刚度条件下,接触面在单调剪切时均先剪缩再剪胀、法向应力先减小后增大;循环剪切时接触面不可逆性剪切体变呈单调增长、可逆性剪切体变峰值逐渐减小后趋于稳定,切向应力峰值不断减小,抗剪强度逐渐减小,主应力比峰值则基本保持不变。法向刚度主要影响剪切体变、可逆性剪切体变、切向应力、主剪应力等接触面力学性能参数的大小;法向刚度越大,单调剪切时法向应力变化越大、切向应力峰值越大、剪缩和剪胀量越小;循环剪切时不可逆性剪切体变增长越慢、最终值越小,抗剪强度减小越快、达到0时对应的循环周次越少。法向刚度对剪切体变、可逆性剪切体变、主剪应力、主应力比等性能参数与切向位移的关系形式及接触面摩擦角基本没有影响。     

颗粒形态对砂土抗剪强度影响的试验和离散元数值模拟

为研究颗粒形态对砂土抗剪强度的影响，制备了5组不同粒径的球形石英砂和颗粒形态不规则的实验室标准砂，并进行一系列的直剪试验；离散元法能有效地模拟砂土的离散性和不均匀性，基于高性能离散元分析软件MatDEM，通过二次开发，建立直剪试验三维模拟器，对直剪试验过程进行了数值模拟，并对比分析了试验和数值模拟结果。数据表明:(1)石英砂试样的自然休止角与其抗剪强度有着正相关性；(2)球形石英砂较实验室标准砂能更快达到峰值强度，但其值相对较低；标准砂存在着一定的黏聚力；(3)在直剪过程中，直剪盒中部颗粒的位移较周围颗粒不同，形成了明显的剪切带，并且球形石英砂试样的剪切带内颗粒的位移更小；(4)砂土直剪试验中配位数与剪应力有着良好的正相关性。本文结果表明，在相同的荷载条件下不规则颗粒形态的石英砂的抗剪强度要明显大于球形石英砂。     

冻土与结构接触面循环剪切损伤模型

抗剪强度和压缩体应变是冻土与结构接触面的力学特性指标中最重要的两个参数,对冻土与结构接触面的力学分析至关重要。采用自行研制的大型多功能冻土-结构接触面循环直剪系统,开展了冻土与结构接触面力学性能及变形规律的试验研究,采用损伤力学理论,基于等应变分布假设、零弹性域假设、弹性应变无耦合假设,选择不可逆性体应变与最大不可逆性体应变的比值作为损伤因子,建立了用于描述冻土与结构接触面剪切行为的抗剪强度与压缩体应变损伤模型。通过相关试验对建立的损伤模型进行验证,结果表明,所建模型是准确、合理的。     

土石混合料剪切特性及块石破碎特征

通过室内大型直剪试验和基于PFC2D的颗粒离散元数值模型,探讨考虑块石破碎的土石混合料的剪切特性及块石破碎特征。以土石混合料室内大型直剪试验和筛分试验为基础,提出了一种能真实描述块石形态特征并准确反映块石破碎效应的土石混合料颗粒离散元数值建模方法,模拟并分析了6种含石量土石混合料在4种不同法向应力作用下的剪切特性及块石破碎特征。结果表明：土石混合料抗剪强度随含石量的增大而增大,且基本符合摩尔-库仑（M-C）强度准则,随着含石量增大,内摩擦角呈现“慢-快-慢”增长趋势,黏聚力则呈现先增后减再增大的变化趋势。剪切后土石混合料块石破碎形式可归纳为表面研磨、局部破碎、完全破裂、完全破碎4种方式。提出了一种新的颗粒破碎指标,该指标能够准确描述粒径大于5 mm的块石的破碎程度,其随含石量和法向应力的增大而增大。通过对土石混合料颗粒离散元数值模型剪切面的分析发现,剪切面出现“剪斜”现象,其起伏程度随含石量增大愈加明显,且随着含石量增大剪切面附近剪裂隙数量增多,土石混合料在剪切过程中的破坏为拉-剪混合破坏。     

基于广义位势理论的接触面本构模型一般表述

基于广义位势理论建立的岩土体材料本构模型以及岩土体材料与结构接触面本构模型原理相通,只是前者是在三轴剪切试验条件下的三维应力空间建模,后者是在单剪试验条件下的二维应力空间建模。单剪试验条件下土与结构的接触面问题可以看作是法向与切向应力空间上的二维问题,其试验结果可以表达成由应力、应变组成的二维矢量。结合接触面力学特性,确定应力空间中的势函数以及塑性状态方程,可以推导出双重势面接触面弹塑性本构方程的一般表达式。进一步取两个势函数分别为法向应力和切向应力,建立简化双重势面接触面弹塑性模型的本构方程,该方程可直接应用于有限元等数值分析。结合试验实例对建模方法的合理性进行验证,模型拟合效果良好。研究结果表明,基于广义塑性位势理论建立接触面本构模型无需推求塑性势函数和屈服函数,可以直接得到弹塑性刚度矩阵,且建模方便。     

粗粒料接触面模型及其在土石坝工程中的应用

在土石坝工程中越来越重视岸坡与坝料之间的接触特性,将土体本构模型中使用较多的双曲线型硬化规律运用至接触面模型,提出了一个简洁的接触面本构模型,推导了接触面模型刚度矩阵表达式。通过对4组试验的预测结果与试验结果的对比,表明该模型可以较好地预测粗粒料的界面剪切试验。将提出的接触面模型嵌入有限元程序,应用于如美心墙坝河谷与坝料的接触分析。三维有限元计算结果表明：坝体两侧岸坡的剪切位移变化规律都是中间部分剪切滑移量较大,岸坡边缘部分相对较小,陡坡一侧最大滑移量大于较缓一侧。这些均符合粗粒料滑移的基本规律,可为岸坡?坝料接触特性研究以及土石坝工程计算提供参考。     

青藏冻结粉土与混凝土基础接触面本构关系研究

土冻结过程中,冰胶结作用使周围土体颗粒与建（构）筑物基础联成一体,这种胶结力称为土与基础间的冻结强度,通常采用冻土沿物体（例如基础材料）表面的剪切强度来度量。因而,冻土与基础接触面的应力-应变关系及其强度特征是确定冻土区基础工程承载力、抗拔性能和分析构筑物与冻土相互作用的基础和关键。为了更好地服务于工程实际,通过大量的冻结粉土与混凝土基础接触面剪切试验,总结了冻土接触面的基本力学特征和受力变形规律。根据获取的剪应力-位移曲线和冻结粉土接触面强度变化规律,利用标准本构模型建模方法,建立了冻结粉土接触面应力-位移-温度本构方程。该模型可以较好地描述不同温度冻结粉土接触面应力-位移变化规律,并为冻土区构筑物受力和变形数值计算提供基础。     

散粒体材料间接触面力学特性的单剪试验研究

在清华大学土与结构接触面循环加载剪切试验机的基础上, 研制了可进行两种散粒体间接触面试验的叠环式单剪试验系统,并对糯扎渡高心墙堆石坝坝料的接触特性进行了系统的试验研究。结果表明,两种散粒体材料间接触面的强度包线为其单相材料强度下的包线。当达到破坏强度后,在接触界面附近会产生集中的“刚塑性”接触面剪切变形,其位置发生在强度最薄弱处。两种散粒体间的接触变形特性可通过刚塑性模型来描述。     

平均粒径对砂土剪切特性的影响及细观机理

针对平均粒径对砂土剪切特性的影响作用,结合室内试验和离散元模拟方法对不同平均粒径砂土进行了细观研究。基于3种不同平均粒径砂土的直剪试验结果,通过建立反映砂土剪切试验特征的PFC（particle flow code）颗粒流模型,详细研究了不同粒径砂土在剪切过程中土样体积变化、力链网络、孔隙率和配位数等细观结构参数的变化特征和规律,并从细观角度分析了颗粒粒径对土样宏观剪切特性的影响机制。结果表明：具有不同平均粒径砂土的细观结构参数在剪切过程中存在显著差异,并且其细观参数差异主要集中体现在剪切带处;剪切力学特性的影响主要体现在抗剪强度和剪胀效应方面,砂土平均粒径越大,抗剪强度越高,剪胀效应越明显;具有不同平均粒径的砂土在剪切过程中土颗粒运动规律及剪切带形态变化特征存在一定的差异,平均粒径越大,剪切带内上跨式颗粒占比越大,剪切带厚度越大。     

砂与粘土接触界面的力学特性试验

利用DSJ-2型电动四联等应变直剪仪分别进行了不同粒径砂和粘土(方案1)、不同含水量砂和粘土(方案2)的直剪试验,揭示了其接触面的力学特性。试验结果表明:法向应力(σ_n)、砂粒径大小、砂含水量对接触面的力学特性有着重要的影响。方案1和方案2接触面的抗剪强度和达到剪切应力峰值时的剪切位移随着法向应力的增大而增大,当σ_n为100 kPa时,粘土和不同粒径砂的接触面剪切应力和水平剪切位移(τ-δ)关系曲线呈现应变软化现象;方案1接触面抗剪强度随砂粒径的减小而降低,方案2在σ_n为100 kPa时,接触面抗剪强度随砂含水量增加而降低,σ_n>100 kPa时,接触面抗剪强度随砂含水量增加先降低后变大;方案2在低法向应力下,接触面抗剪强度对应的含水量敏感区间为[10%,15%],且较明显。      

Mechanical transitional behavior of binary mixtures via DEM: Effect of differences in contact-type friction coefficients

This report presents a numerical investigation of the shear behavior of binary mixtures via a two-dimensional discrete element method. The effect of the coarse particle content on the peak shear strength of mixtures is investigated for different contact-type friction coefficients. A detailed analysis on the anisotropies enables us to understand the microscopic mechanisms that result in the dependency of the peak shear strengths on the coarse particle content. The contributions of different contact types to the peak shear strength are quantified. Lastly, the inter-particles structures are examined when the binary mixtures become coarse-particle-supported structures.     

砂土-格栅筋土界面特性的本构模型研究

基于砂土与土工格栅、土工织物界面的室内大型直剪试验,分析了两种不同界面的力学性能。试验结果表明,峰值、残余剪切应力与界面剪胀性曲线存在一定的联系,即峰值强度通常会发生在界面相对减缩过程结束和残余剪切强度发生在界面的相对剪胀过程结束。加载过程中由于土工合成材料的逐步磨损、褶皱或者断裂导致了筋土界面强度出现较为明显的强度软化现象,在界面抗剪强度的研究中不可忽略。在试验基础上提出一种能够描述筋土界面力学性能的组合本构模型,该模型包含4个关系式：(1) 峰值、残余强度包络线;(2) 强度峰值前的双曲线模型;(3) 强度峰值后的位移软化模型;(4) 反映剪胀特性的界面剪胀模型。该组合模型的预测结果与直剪试验结果吻合较好,表明所用模型是合理的。