粗粒土CT三轴流变试验研究

一些土石坝在建成后后期变形明显,这与粗粒土的流变密切相关。目前,粗粒土流变研究主要集中在力学性质试验和本构模型研究等方面,较少对粗粒土流变中的颗粒运动规律进行研究。通过单级配矾石CT三轴流变试验,研究了粗粒土流变过程中颗粒运动规律。试验结果表明,粗粒土的流变过程就是粗粒土颗粒位置相互调整的过程,即颗粒从不稳定结构状态向稳定结构状态调整变化的过程,直到所有颗粒的能量都达到最小状态,此时颗粒不再发生错动、转动和破碎,粗粒土达到流变稳定状态。对粗粒土三轴流变过程中颗粒运动规律的认识,有助于加深对粗粒土流变性质的了解,为工程应用提供参考。     

人工制备结构性土力学特性试验研究

通过对结构性土的研究可以掌握天然土受荷过程中的变形破损过程, 从而为考虑土结构性的结构物设计、地基加固等提供依据。本文尝试了一种简单可行的结构性土样的人工制备方法, 通过在原状土料中加入少量水泥和盐粒以形成颗粒间的胶结作用和大孔隙组构以模拟天然黏土的结构性。然后进行了室内压缩试验和不同胶结强度土样在排水和不排水条件下的三轴剪切试验,分析结构性土样的力学特性,以探讨结构性土的破损过程和变形机理。     

粗粒土试验与力学特性研究现状

粗粒土既是一种天然地质体,又能用作建筑材料,在自然界中广泛存在,其力学性质研究对实际工程实践至关重要.在大量关于粗粒土试验与力学性质研究文献的基础上做了以下分析和总结：将粗粒土试验分为三类,包括室内试验、原位试验和数值试验,分别对每种试验的试验原理、仪器、方法和适用范围进行了详细介绍;根据粗粒土力学性质研究现状,重点对粗粒土的剪胀性、颗粒破碎性和软化性这三种特性从形成机制、影响因素和描述方法上进行了深入总结.在此基础上,指出粗粒土力学性质研究方面存在如下不足：现有方法和理论存在一定局限性、宏观特性发生机理假设缺乏客观验证、宏观特性难以用细观力学演绎、多相耦合下的力学性质鲜有研究.最后,从试验、理论和数值仿真试验角度提出关于粗粒土力学性质研究的展望.     

粗粒料三维颗粒流数值模拟及其破坏准则研究

采用三维颗粒流程序,进行了粗粒料的三维颗粒流数值模拟试验,试验过程中保持平均主应力和中主应力系数不变,研究了不同平均主应力和中主应力系数下粗粒料的变形和强度特性。通过比较粗粒料真三轴颗粒流模型试验结果和室内真三轴试验结果,发现三维颗粒流程序能够较好地模拟该种材料的三维力学特性。基于已提出的统一破坏准则理论,通过调整准则中的材料参数,发现该准则能够较好地描述粗粒料的室内真三轴试验和数值模拟试验结果。     

考虑转动阻抗的粗粒土离散元模拟

转动阻抗被定义为作用颗粒接触上的一对对称力偶,用来抵抗颗粒之间的相互转动。将转动阻抗引入到离散元模拟中是对传统离散单元法的重要改进。开发出考虑颗粒转动阻抗的接触模型,并将其嵌入到PFC2D中,利用该模型进行粗粒土的双轴剪切数值模型试验,研究剪切过程中转动阻抗对粗粒土的宏细观力学性质的影响。结果显示,在宏观方面,颗粒转动阻抗对粗粒土的宏观力学行为（应力-应变及体应变-轴应变行为）有重要的影响,随着转动阻抗的增加,粗粒土的剪切强度和最大摩擦角随之增加,这与已有的研究结果一致,证明所建模型是可靠的;在微观方面,考察转动阻抗对粗粒土内部微观结构的影响发现,随着转动阻抗的增加,粗粒土的内部的接触数目减少,而粗粒土的剪切强度增加,表明转动阻抗能够提高粗粒土力链网络的稳定性,同时发现随着转动阻抗的增加,粗粒土的各向异性增加主要是强力链各向异性的增加,说明转动阻抗增强了强力链的传递力的能力以及抵抗力链屈曲破坏能力。数值模拟结果表明,增加颗粒转动阻抗,粗粒土出现组构与轴应变非共轴的现象。     

粗粒土三轴试验数值模拟与试样颗粒初始架构初探

试样颗粒初始架构是粗粒土室内三轴试验中一个难以人为控制的因素。基于元胞自动机方法,结合粗粒土的室内三轴试验开发了能制备不同颗粒初始架构粗粒土试样的HHC-CA模型,该模型制备的粗粒土试样表征了粗粒土各粒组分布的不均匀性和随机性,再借助FLAC3D进行粗粒土三轴数值模拟试验,并探讨了试样剪切带内的砾石含量和试样砾石含量对内摩擦角的影响。数值模拟结果表明,同一粒径级配下,粗粒土的内摩擦角值与剪切带内的砾石含量呈增函数关系;试样砾石含量的增加可能会出现内摩擦角减小的现象,但同一粒径级配下的内摩擦角均值随试样砾石含量的增加而明显增大。     

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。     

粗粒土的破碎耗能计算及影响因素

粗粒土的颗粒破碎直接改变了土体本身结构,对粗粒土的剪胀和内摩擦角都会产生影响。在土体剪切过程中,体积应力和剪切应力在体积应变和剪切应变上做功,这部分能量在剪切过程中转化为颗粒的弹性储能、颗粒间的摩擦耗能、颗粒剪胀时对外做功和颗粒破碎耗能4部分。准确计算剪切过程中粗粒土破碎耗能的目的是：从能量角度分析颗粒破碎对土体本构关系的影响,为建立考虑颗粒破碎的粗粒土本构关系创造条件。通过分析粗粒土的常规三轴试验数据,计算得到了剪切过程中的粗粒土破碎耗能。计算结果表明,常规三轴试验条件下粗粒土破碎耗能主要受固结应力、土体摩擦系数M等因素的影响。     

基于微观力学机制的各向异性结构性砂土的本构模型研究

在岩土破损力学基础上,基于微观破损机制,提出了考虑各向异性的结构性砂土本构理论。采用Lade-Duncan强度准则考虑中主应力对抗剪强度的影响;采用考虑颗粒排列组构的各向异性状态变量A反映各向异性对土体强度和变形的影响;通过相似扩大重塑土的屈服面反映结构性对土性的影响;通过引入非相关联流动法则考虑各向异性和结构性对土体塑性变形的影响。同时,将基于微观力学机制的损伤演化规律引入结构性土的硬化规律;该硬化规律同时考虑了塑性体积应变和剪切应变对各向异性结构性土强度的影响。然后将该模型用于模拟室内三轴压缩试验,初步验证了该模型的合理性和适用性。     

用于颗粒土微观力学行为试验的微型三轴试验仪

颗粒土的微观力学行为（如土颗粒的运动与破碎等）决定着其宏观应力-应变行为,如应变局部化、应力硬化等。为研究颗粒土的微观力学行为,开发了一台微型三轴试验装置。它的轴向加载系统由伺服控制的步进转动马达与涡轮传动的减速器组成,围压由GDS压力控制器提供,压力室采用高透光率,高强度的轻质材料制成。借助于X射线显微CT及图像处理分析技术,该装置能实现对干砂土微尺寸试样（直径为8 mm,高度为16 mm）在三轴剪切条件下微观特性的无损检测。采用该三轴试验装置对粒径为0.60～1.18 mm 的LBS（Leighton Buzzard sand）试样在1.5 MPa的围压下进行了试验。结果显示,试验装置测得应力-应变曲线合理,显微CT 图像特征清晰,能够用于颗粒土体微观土力学行为的试验研究。     

初始组构各向异性对砂土力学特性及临界状态的影响

采用离散元方法,利用半径扩展法和重力沉积法分别生成具有初始各向同性和各向异性内结构的试样,并开展三轴不排水压缩和拉伸试验,研究不同制样方法产生的初始各向异性对砂土宏微观力学特性及其临界状态的影响。运用组构张量对砂土的各向异性进行量化,分析不同初始组构各向异性对组构张量演化的影响并确定了组构张量的临界值。试验结果表明：初始组构各向异性对试样的剪胀性有重要影响,由于受重力影响形成初始各向异性,其各向异性程度越大、组构方向与加载方向越一致,剪胀性越显著;初始组构各向异性对试样的临界状态没有影响,砂土的组构张量具有唯一的临界状态值。     

颗粒形状对粒状材料破碎演化规律及强度准则影响

为探讨颗粒形状对粒状材料的颗粒破碎演化规律及强度特征的影响,提出了一个新的粒状材料颗粒形状量化参数,设计了一种考虑三维颗粒形状的人工试样制备方法,随即进行了常规三轴压缩试验,并分析了颗粒破碎和强度特征,最终建立了一个二元介质强度准则,具体的研究成果为：建立颗粒形状量化参数——球形模量GM,在此基础上制备了5种不同形状的可破碎粒状材料三轴试样,并发现球形模量影响着粒状材料的三轴压缩强度特征;通过筛分确定试样的颗粒破碎情况,对试样的颗粒破碎演化规律和临界状态进行探讨,发现颗粒形状通过影响颗粒破碎规律而控制着宏观强度的非线性演化特征;以二元介质理论为基础,建立了考虑颗粒形状的可破碎粒状材料强度准则,并通过试验对其适用性进行了验证。     

土体力学特性颗粒尺度效应的理论与试验研究

土体是一种复杂的颗粒体系,其强度与变形具有显著的颗粒尺度效应。为考虑土体不同尺度土颗粒对其宏观力学特性的影响,根据土颗粒间相互作用产生的黏聚和摩擦物理效应而非纯粹几何尺寸,划分土颗粒尺度层次以构造反映土体内部材料信息和颗粒特征信息的土体胞元。基于土体不同尺度结构层次上力学响应的特征,引入微重比的概念,建立具有多尺度分层次理论框架的胞元土体理论,解释土体力学特性颗粒尺度效应的物理机制,把微细观土力学理论从定性分析推进到定量计算的水平。设计一系列饱和重塑土的三轴不固结不排水剪切试验对土体的颗粒尺度效应进行测试,并定量计算胞元土体理论的应变梯度和內禀尺度等微细观计算参数。试验和理论计算结果均表明,土体强度和变形的颗粒尺度效应随加强颗粒的体分比增加以及粒径减小而增强,反映出土体强度和变形显著的颗粒尺度效应;土体强度和变形尺度效应的理论预测与试验结果具有较好的一致性。     

散粒体中锚杆间距的锚固效应研究

采用细观数值模拟方法研究散粒体的锚固效应,基于随机模拟技术生成三维多面体颗粒及其在空间中的分布,在随机散粒体不连续变形模型的基础上将砾石锚固试验进行数值实现,分析加锚散粒体材料的宏观与细观力学性能,研究加锚密度及其与颗粒粒径的关系对散粒体力学性质的影响,并探讨锚杆在散粒体材料中的作用机制。分别建立不同锚杆间距和不同颗粒粒径的数值试样,数值模拟结果表明：散粒体锚固数值试验能够较好地反映不同加锚散粒体结构的变形规律与锚固效应;散粒体材料的宏观特性与其细观组构的演化密切相关;锚杆加固散粒体的作用机制为加锚散粒体内形成压缩区,挤压加固作用提高了散粒体间的接触作用力,散粒体结构的整体性得到加强并能承受一定荷载;不考虑锚杆长度的情况下,当锚杆间距小于3倍的散粒体平均粒径时,锚杆能够有效地加固散粒体形成稳定结构。     

考虑颗粒破碎的冻结砂土非线性本构模型研究

颗粒破碎是粒状材料在高应力状态下的一种基本现象。为了研究冻结砂土中颗粒破碎对应力应变关系的影响,将冻结砂土视为复合颗粒材料,忽略冰的压融,考虑内摩擦角随应力状态的变化,构建一个适用于冻结砂土的考虑颗粒破碎的非线性本构模型。构建过程分为三步,首先是基于三轴剪切前后颗粒分析对冻结砂土颗粒破碎模式和产生机理进行探讨;其次是基于考虑颗粒破碎的能量平衡方程,对冻土在三轴剪切试验过程中的颗粒破碎耗能进行分析,结果表明颗粒破碎耗能随轴向应变呈双曲线变化趋势;最后应用考虑颗粒破碎的剪胀方程修正沈珠江三参数非线性模型中的体积切线模量ν_t,得到一个考虑颗粒破碎的非线性本构模型,模型参数可以通过单轴压缩试验和常规三轴试验确定。将原模型和修正后模型的计算结果与控制温度为-6℃,围压为1 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa和10 MPa时冻结砂土的试验结果进行对比,结果表明该模型能够较好的模拟冻结砂土从低围压到高围压的应变软化特征与剪胀特征。      

Micromechanical inspection of incremental behaviour of crushable soils

In granular soils grain crushing reduces dilatancy and stress obliquity enhances crushability. These are well-supported specimen-scale experimental observations. In principle, those observations should reflect some peculiar micromechanism associated with crushing, but which is it? To answer that question the nature of crushing-induced particle-scale interactions is here investigated using an efficient DEM model of crushable soil. Microstructural measures such as the mechanical coordination number and fabric are examined while performing systematic stress probing on the triaxial plane. Numerical techniques such as parallel and the newly introduced sequential probing enable clear separation of the micromechanical mechanisms associated with crushing. Particle crushing is shown to reduce fabric anisotropy during incremental loading and to slow fabric change during continuous shearing. On the other hand, increased fabric anisotropy does take more particles closer to breakage. Shear-enhanced breakage appears then to be a natural consequence of shear-enhanced fabric anisotropy. The particle crushing model employed here makes crushing dependent only on particle and contact properties, without any pre-established influence of particle connectivity. That influence does not emerge, and it is shown how particle connectivity, per se, is not a good indicator of crushing likelihood.

     

A numerical investigation of the incremental behavior of crushable granular soils

The mechanical behavior of granular materials is characterized by strong nonlinearity and irreversibility. These properties have been differently described by a variety of constitutive models. To test any constitutive model, experimental data relative to the nature of the incremental stress–strain response of the material is desirable. However, this type of laboratory data is scarce because of being expensive and difficult to obtain. The discrete element method has been used several times as an alternative to obtain incremental responses of granular materials. Crushable grains add one extra source of irreversibility to granular materials. Crushability has been variously incorporated into different constitutive models. Again, it will be helpful to obtain incremental responses of crushable granular materials to test these models, but the experimental difficulties are increased. Making use of a recently introduced crushing model for discrete element simulation, this paper presents a new procedure to obtain incremental responses in discrete analogs of granular crushable materials. The parallel probe approach, previously used for uncrushable discrete analogs, is here extended to account for the presence of crushable grains. The contribution of grain crushing to the incremental irreversible strain is identified and separately measured. Robustness of the proposed method is examined in detail, paying particular attention to aspects such as dynamic instability or crushing localization. The proposed procedure is later applied to map incremental responses of a discrete analog of Fontainebleau sand on the triaxial plane. The effect of stress ratio and granular state on plastic flow characteristics is highlighted. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑颗粒破碎的粗粒土剪胀性统一本构模型

粗粒土作为无黏性散粒状材料具有状态依赖特性,土体的剪切特性受密度和应力水平影响。易破碎是粗粒土的另一个特点,颗粒破碎影响粗粒土的剪胀、内摩擦角、峰值强度和渗透系数。为了能够准确地描述粗粒土的应力-应变关系,采用初始状态参量描述粗粒土的内部状态,根据三轴试验数据建立考虑颗粒破碎耗能的应力-应变关系,采用相关联流动法则推导考虑颗粒破碎的粗粒土剪胀性“统一本构模型”,并建立初始状态参量与模型参数之间的关系。所建立的统一本构模型既考虑了颗粒破碎对剪胀、内摩擦角的影响,又考虑了剪切特性对土体初始状态的依赖。采用变异粒子群算法拟合试验曲线,确定模型参数。模型计算结果能够很好地拟合试验曲线。采用同一组参数对假定的初始状态进行模拟计算,计算结果表明,模型能够模拟不同初始密度和应力水平下粗粒土变形的一般规律。