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。     

考虑粒径对砂土宏细观剪切性质的试验研究

为探究砂土粒径对其抗剪强度的影响，利用应变控制式直剪仪和离散元软件，分别进行了3种不同平均粒径砂的剪切试验，从宏观、细观两个角度对砂展开了剪切特性分析。研究表明：抗剪强度随法向应力和平均粒径的增加而增大，内摩擦角随平均粒径的增加而增大。建立了砂土抗剪强度多元线性预测模型，且模型预测准确。平均粒径的增加致使剪切带厚度增大。剪切带厚度与法向应力关系可用一元二次函数表达。因此，在实际工程施工中，合理采用粒径较大的砂土有利于提高抗剪能力。     

基于抗转模型的颗粒材料宏−细观关系研究

接触模型的宏?细观参数标定是成功使用离散元方法的关键。在离散元的接触模型中线性接触模型与抗转线性接触模型均可用于模拟砂性土的力学行为,其中抗转线性接触模型在模拟密砂的剪胀性方面具备优势。采用抗转线性接触模型对室内密实砂土三轴试验进行了离散元模拟,验证了抗转线性接触模型的可靠性;进而系统分析了颗粒间摩擦系数、刚度比和抗转动系数等细观参数与砂土峰值内摩擦角、残余内摩擦角、峰值剪胀角等宏观参数的相关关系并进行了验证;揭示了偏应力作用下,细观参数对密实砂土试样内部剪切带宽度与倾角变化的影响规律,提出了考虑剪胀角的剪切带倾角经验公式。通过研究建立了抗转线性接触模型宏?细观参数的量化关系并给出了标定参数的具体流程图,提出了快速标定宏观参数的方法并应用实例进行了验证,为采用抗转线性接触模型精准模拟密实砂土的力学特性提供依据。     

砂土力学性质的细观模拟

基于颗粒流理论,对砂土的室内双轴试验和砂土剪切带形成与发展进行了数值模拟,基本再现了砂土试样应力-应变关系。主要研究了颗粒粒径、颗粒摩擦系数等细观参数变化时试样宏观性质的变化情况。对比分析了室内试验和颗粒流数值模拟试验的砂土剪切带特征。同时对比研究了模型试样颗粒粒径、颗粒刚度和摩擦系数等细观参数的变化,对剪切带的形成与发展过程的影响。结果表明：通过颗粒流数值模型试验可以有效模拟砂土剪切带的形成与发展机理。     

钙质砂砾剪切强度及变形的粒径效应试验研究

颗粒形态不规则、颗粒级配不均匀的钙质砂砾在施加荷载后具有明显的粒径效应。通过对不同粒径、干湿条件下的钙质砂砾进行剪切试验,分析不同剪切方式下钙质砂砾的剪切应力-位移关系特点,研究钙质砂的剪切强度及变形的粒径效应。结果表明：粒径从0.075 mm增至60 mm时,钙质砂砾的峰值强度呈现出先增后减再增的特点;粒径为0.25～0.5 mm是峰值强度变化的拐点,此粒径下钙质砂颗粒产生更多的破碎;由于拐点粒径的影响,内摩擦角随粒径增加呈现出先增再减的规律,似黏聚力则随粒径增加呈现出先增后减再增的规律;由于水膜效应的存在,一定含水条件下的钙质砂抗剪强度比风干条件下低;由于不同剪切方式下的有效应力路径及剪胀角存在差异,直剪试验获得的似黏聚力参数较单剪试验偏大,且随着粒径的增加,偏差越大。     

土工膜与土界面剪切特性细观研究

填埋场衬垫系统中,土与土工膜界面剪切强度较低,易造成失稳破坏。目前国内外学者主要采用室内试验对土与土工膜界面的宏观剪切特性进行研究,而对界面剪切特性的细观研究较少。为了从细观角度研究土与土工膜界面的剪切特性,本文采用EsyS-particle程序对土工膜与土界面直剪试验进行了离散元数值模拟分析。采用摩擦接触模型模拟砂土;采用黏结模型颗粒模拟土工膜,通过紧密排列土工膜颗粒以模拟土工膜的光滑表面。通过室内拟合试验,选取和校准材料的细观参数。分析结果表明,离散元模型能较好的模拟界面应力-应变关系;剪切带的厚度约为两倍平均土颗粒直径;剪切带中的土颗粒发生较大位移,孔隙比增大,而剪切带之外的土颗粒位移和孔隙比变化较小;随着剪切位移的增加,颗粒间接触力逐渐向左端集中,力链方向由垂直逐渐倾斜。     

粗糙度对不同粒径砂-混凝土界面剪切特性影响

为探究土体与结构之间相互作用的机制,通过设计3种颗粒中值粒径d₅₀(1.21、4.56、8.91 mm)、3种结构表面粗糙度系数JRC(0.4、9.5、16.7)和3种剪切速率(1、5、10 mm/min)下的室内直剪试验,对剪切过程的应力变化、体变量进行监测,研究不同剪切速率下粗糙度对不同粒径砂-混凝土界面剪切特性影响。结果表明,d₅₀=1.21 mm时,砂与混凝土界面抗剪强度随JRC的增大而先增大后减小;d₅₀=8.91 mm时,界面抗剪强度随JRC的增大而增大。随着JRC增大,混凝土与砂土界面内摩擦角不断增大;随着颗粒粒径增大,混凝土与砂土界面内摩擦角先减小后增大。在不同剪切速率下,试样最终剪胀量均随颗粒粒径的增大而增大。剪切速率为5 min/mm时,砂-混凝土界面剪切试验最终剪胀量最小。存在某一临界粒径,当砂的颗粒粒径大于此临界粒径时,砂-混凝土界面剪切强度随JRC的增大而不断增大。     

基于细观特征的含水砂层蠕变潜力评价研究

在地面沉降过程中含水砂层的蠕变量不可忽视。本文以石英砂为试验材料,研究颗粒粒径、级配及形状对砂土蠕变特性的影响,并从细观角度定性和定量分析其蠕变机制,建立与宏观变形的联系。结果表明：砂土的蠕变过程分为稳定蠕变、减速蠕变和衰减蠕变3个阶段,砂土的粒径、级配及颗粒形状对蠕变特性产生影响：粒径越大,级配越好,颗粒形状越复杂,则任意时刻的蠕变速率越大,最终蠕变应变也越大。砂土细观参数可较好地反映其宏观蠕变特性,砂土的最终蠕变应变越大时,颗粒破碎程度越高,颗粒最终平均形状系数越大,孔隙率变化越大,最终面积概率分布指数也越大。在此基础上,引入砂土蠕变潜力评价指数(I_cp),提出了利用砂土颗粒与孔隙特征评价地面沉降中不同砂土层蠕变潜力的方法。     

高应力下剪切速率对砂土抗剪强度影响研究

应用DRS-1型高压直剪仪,进行了16组法向应力水平、5种剪切速率条件下福建标准砂的抗剪强度试验,试验结果表明,高应力下砂土的抗剪强度受法向应力和剪切速率的共同影响。法向应力和剪切速率通过影响颗粒破碎和颗粒重排列程度等试样的细观参数,决定了砂土宏观上抗剪强度的发挥。当法向应力较小时,砂土抗剪强度与剪切速率基本无关;但是当法向应力较大时,较快剪切速率条件下的砂土抗剪强度变小,且其摩尔强度包线出现了“下弯-上扬”循环波动,因此不可以忽略剪切速率对砂土抗剪强度的影响。     

土工织物-砂土界面的叠环式剪切试验

针对土工合成材料界面特性试验易受试验装置影响的特点,采用大型叠环式剪切仪进行土工织物与砂土的界面剪切试验。对比砂土本身、土工织物与砂土的两种剪切试验结果发现,土工织物-砂土剪切引起的叠环位移较小;叠环的水平位移变化规律与土体的剪胀性具有密切联系,土工织物限制了下剪切盒内土颗粒的运动,对达到峰值强度时的土体剪胀也具有抑制作用。由试验结果可知,筋-土界面的剪切带远小于剪切的影响范围,土工织物在界面剪切中的作用不能仅通过剪切带反映,还应考虑土工织物的屏蔽作用和对于土体剪切带形成的影响。     

钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应研究

为研究钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应,开展了在不同粒径、不同相对密实度以及不同围压条件下的三轴剪切试验,并引入应力相对软化系数和剪胀系数对应变软化特征及剪胀特征进行了定量表征。试验研究表明,随围压的增大,不同粒径钙质砂试样应变软化特征及剪胀特征逐渐减弱,且围压与应力相对软化系数和剪胀系数均呈半对数线性相关。不同粒径钙质砂试样存在一强度临界围压和体变临界围压分别使得应变软化特征和剪胀特征消失。在粒径为5～0.075 mm范围内,对松样而言,围压对软化特征和剪胀特征存在显著影响,但与粒径不存在显著相关性;对密样而言,随粒径逐渐减小,围压对试样软化特征的影响逐渐增强,而对试样剪胀特征的影响逐渐减弱。在低围压（50 kPa）条件下,0.5～0.25 mm粒径组试样破碎最显著。     

Analysis of soil‐structural interface behavior using three‐dimensional DEM simulations

The shear behavior at the interface between the soil and a structure is investigated at the macroscale and particle‐scale levels using a 3‐dimensional discrete element method (DEM). The macroscopic mechanical properties and microscopic quantities affected by the normalized interface roughness and the loading parameters are analyzed. The macro‐response shows that the shear strength of the interface increases as the normalized roughness of the interface increases, and stress softening and dilatancy of the soil material are observed in the tests that feature rough interfaces. The particle‐scale analysis illustrates that a localized band characterized by intense shear deformation emerges from the contact plane and gradually expands as shearing progresses before stabilizing at the residual stress state. The thickness of the localized band is affected by the normalized roughness of the interface and the normal stress, which ranges between 4 and 5 times that of the median grain diameter. A thicker localized band is formed when the soil has a rough shearing interface. After the localized band appears, the granular material structuralizes into 2 regions: the interface zone and the upper zone. The mechanical behavior in the interface zone is representative of the interface according to the local average stress analysis. Certain microscopic quantities in the interface zone are analyzed, including the coordination number and the material fabric. Shear at the interface creates an anisotropic material fabric and leads to the rotation of the major principal stress.     

颗粒破碎及剪胀对钙质砂抗剪强度影响研究

钙质砂是海洋沉积物中的一种,富含碳酸钙或其他难溶碳酸盐类物质的特殊介质。由于其颗粒质脆,受力后易产生破碎,表现出与常规陆源砂不同的力学性质。通过对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行三轴剪切试验,分析了钙质砂颗粒破碎与剪胀对其抗剪强度的影响。试验结果表明,颗粒破碎与剪胀对钙质砂强度有着重要影响,低围压下剪胀对其强度的影响远大于颗粒破碎,随着围压的增加,钙质砂颗粒破碎加剧,剪胀影响越来越小,而颗粒破碎的影响则越来越显著;颗粒破碎对强度的影响随着围压的增大而增大,当破碎达到一定程度后颗粒破碎渐趋减弱,其影响也渐趋于稳定。     

基于数字图像分析的土工合成材料加筋砂土拉拔试验研究

由于加筋土界面作用的复杂性,加筋土工程建设中铺设土工格栅时往往采用经验的方法,很大程度上造成了土工格栅的浪费及工程安全隐患,理清不同填料筋土界面作用的影响范围,有助于确定加筋土结构的合理加筋间距。为了揭示不同填料筋土界面作用的影响范围,采用4种不同类型的砂土与格栅在不同法向应力下进行了一系列的拉拔试验,并结合数字图像量测技术,分析了不同类型砂土下界面剪切带厚度、颗粒位移矢量、格栅拉拔阻力峰值及应变等演变规律。研究表明：界面剪切带厚度H随法向应力σ_v与砂土平均粒径d₅₀的增加而增大,通过多变量拟合的方法,得到了H、σ_v与d₅₀三者之间的函数表达式;格栅在拉拔过程中,砂土颗粒位移矢量以土工格栅为界有着显著的差别,格栅上部的颗粒位移矢量明显大于下部颗粒,且在格栅上下一定范围内会形成颗粒位移矢量集中带;拉拔阻力峰值随σ_v及d₅₀的增加而增大;不同类型砂土各区段的格栅应变均表现出由前向后依次递减的趋势。     

橡胶砂级配对混合土体剪切特性影响研究

为了研究橡胶砂的剪切特性,采用室内大型直剪仪,研究了4种橡胶砂级配（1种间断级配、2种连续级配、1种开级配）、3种橡胶掺入量（10%、30%、60%）、3种竖向应力（30、60、90 kPa）对橡胶砂强度特性和体变特性的影响;并在室内直剪试验的基础上,按照相同级配和橡胶掺量建立纯砂和橡胶砂的离散元数值模型,从颗粒接触状态和颗粒位移角度探讨橡胶砂内在力学机制。研究结果表明：在低橡胶含量下,橡胶砂的剪应力曲线趋势和纯砂一致,但其抗剪强度均低于纯砂;橡胶砂剪切应力随竖向应力的增大而增大,4种级配的橡胶砂中连续级配SR2抗剪强度最高;橡胶颗粒的掺入能有效抑制砂土的剪胀,其中间断级配SR1橡胶砂抑制土体剪胀效果最好,剪胀量相较于纯砂减少了37.6%;橡胶砂的内摩擦角随着橡胶掺入量的增大而减小,同一橡胶掺量下连续级配SR2橡胶砂的内摩擦角最大;橡胶颗粒在橡胶砂力链网络中主要参与弱力链的形成,橡胶砂剪切带宽度小于纯砂的剪切带宽度。     

直剪剪切速率对钙质砂强度及变形特征的影响

为深入研究剪切速率对钙质砂强度和变形特征的影响,对钙质干砂进行不同剪切速率条件下的直剪试验。研究结果表明,随剪切速率从0.1 mm/min增至2.4 mm/min时钙质砂抗剪强度先减小后增大,其内摩擦角亦呈现出先减小后增大趋势,临界剪切速率为1.6 mm/min;低法向应力条件下钙质砂试样随剪切速率的增加更易于呈现剪胀现象,高法向应力条件下剪切速率从0.1 mm/min增长至1.6 mm/min时试样整体剪缩量逐渐减小;当剪切速率继续从1.6 mm/min增长至2.4 mm/min时试样最大剪缩量逐渐增加;不同法向应力水平条件下钙质砂加载速率效应的细观机制不同,较低应力水平条件下钙质砂加载速率效应主要由试样内部颗粒错动、换位、重新排列引起,在较高应力水平条件下钙质砂加载速率效应主要由颗粒破碎引起。     

不同环剪方式下滑带土残余强度试验研究

以三峡库区黄土坡滑坡滑带土为研究对象,利用环剪仪研究了黄土坡滑坡滑带土在单级剪、预剪以及多级剪3种环剪方式下的残余强度特征。试验结果表明：不同环剪试验下剪切带的形成与剪切位移相关;残余强度随有效法向应力的增大而增大,对于已经存在剪切带的滑带土,环剪时能很快达到残余强度状态;滑带土环剪轴向压缩分初始剪胀、颗粒运移压密和稳定压密3个阶段,且每个阶段剪应力变化趋势不同;预剪试验和多级剪切试验得到的残余强度偏大,应该首选单级剪切试验测试滑带土残余强度指标。     

钙质土颗粒咬合作用机制

形状不规则的钙质土在剪切应力作用下土颗粒之间存在咬合作用,从而使抗剪强度显著提高。为研究钙质土颗粒的咬合作用机制,针对不同粒径的钙质土开展三轴固结不排水和固结排水试验,并对颗粒形状进行了分析,揭示了钙质土咬合力的形成机制和表现形式。研究表明：①不规则的颗粒形状是钙质土产生咬合力的前提条件;②在不同粒径的钙质土中,因不同形状颗粒的含量存在差异导致咬合力大小也不同;③咬合力大小受应力水平影响较为明显,在低围压下咬合作用导致剪胀而提高内摩擦角;在高围压下咬合作用克服颗粒强度做功,造成颗粒破碎,提高黏聚力值而降低有效内摩擦角。钙质土颗粒之间的咬合对强度有明显增强作用,在工程设计中应充分考虑咬合力的影响。