砂土高压蠕变微观机理分析

砂土层在地面沉降过程中呈现一定的蠕变特性。文章采用一维压缩试验对4 MPa 下砂土的变形特征进行了研究,并 采用改进的试验装置对砂土的微观结构进行了提取。通过对8 组不同级配砂土样的蠕变特性和微观结构分析,得到如下结 论：粒径单一的砂土在蠕变过程中更容易出现突变,砂粒受力后更容易发生破碎,产生滑移错动;砂土蠕变的蠕变量与砂 粒级配密切相关,砂土的粒径越单一且粒径越大时,砂土的蠕变量也越大;采用表征砂土颗粒形状复杂程度的形状系数, 从微观上定量分析了砂土在蠕变过程中发生破碎的情况和蠕变量大小,且形状系数越小,表明该种砂土形状越复杂,在蠕 变过程中砂土的破碎性越高,蠕变量越大。     

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。     

高应力下颗粒材料一维力学特性研究(Ⅱ):蠕变性质

现场和试验观测表明,高应力下砂土的蠕变过程伴随着颗粒破碎现象。通过开展砂土的一维蠕变试验发现,试样的颗粒破碎量随时间增加而增加,且蠕变速率与颗粒破碎速率成正比。在此基础上,分析了蠕变过程中能量转化关系,利用表面物理学和分形几何学理论,得到了一维蠕变条件下颗粒破碎速率与宏观蠕变速率之间的关系表达式。研究结果表明,高应力一维蠕变条件下颗粒材料的宏观蠕变速率与颗粒破碎速率成正比。最后,对该研究采用的等效化方法进行了讨论。     

饱和砂土蠕变特性及其影响因素试验研究

为了研究饱和砂土的蠕变特性及其影响因素,开展了不同密度、不同级配方法（相似级配法、等量替代法）、不同加载方式的侧限高压单向压缩试验。试验结果表明:饱和砂土的蠕变主要经历3个阶段,分别为瞬时变形阶段、快速变形阶段和稳态蠕变变形阶段;压缩模量随密度的增大而增大;用相似级配法所制试样加权平均粒径比等量替代法所制试样的加权平均粒径小42.4%,压缩模量高8%~18%。不同加载方式对试样的最终变形量也有一定的影响。循环加载后,试样压缩模量减小4.3%~10.1%,最终应变量增加4.6%~6.0%。对试验数据进行统计分析表明,用幂函数可以很好地拟合饱和砂土的应力、应变、时间关系,最终得到适用于本砂土的蠕变模型。研究成果可在砂土地基设计、评估中得到应用。     

上海砂土蠕变变形特征的试验研究

采用室内单向压缩试验研究了上海砂土的蠕变变形规律和蠕变机制以及蠕变变形与应力历史的关系。试验结果表明,上海砂土具有明显的非线性蠕变特征,应变与应力、时间的关系可以用幂函数拟合;应力历史对砂土的蠕变性有显著影响,当荷载小于预压荷载时砂土的蠕变性显著减小。上海砂土的蠕变原因主要是砂土颗粒间的相互错动滑移所致。     

珊瑚砂大剪切应变下的剪切特性和分形维数

利用Wille Geotechnik环向剪切仪对3种不同粒径的珊瑚砂进行了大剪切位移的环向剪切试验,探讨了颗粒破碎对珊瑚砂强度和残余应变发展的影响。试验结果表明：颗粒破碎随着剪切位移的增加逐渐增加,且初始粒径较大的均匀级配珊瑚砂粒径越大颗粒破碎越多。颗粒破碎对峰值强度和残余强度无影响,但对珊瑚砂的体积应变有显著影响,颗粒破碎较多的试样其体积应变也较大。建立了考虑长宽比、球形度和凹凸度的分形维数计算公式。由于颗粒破碎后颗粒形状在全粒径范围内的自相似性和无尺度性,考虑颗粒形状与不考虑颗粒形状的公式计算得到的珊瑚砂分形维数基本一致。     

吹填粉砂土固结蠕变试验及模型

通过分析法向应力、干密度、土样尺寸对吹填粉砂土蠕变特性的影响,深入研究其固结蠕变特性。与Kelvin模型相比,采用Burgers体模型能够更合理地阐释吹填粉砂土的蠕变曲线;采用FLAC^3D方法可开展吹填土蠕变过程的三维数值模拟。结果表明：吹填粉砂具有一定的蠕变特性,并可用幂函数描述应力-应变、应变-时间的关系;干密度一定时,法向应力愈大,初始应变愈大,达到稳定的时间愈长;法向应力一定时,干密度越大,初始变形越小,最终稳定所需时间越短;大尺寸试样（Ф 200.0 mm× H200.0 mm）的瞬时变形与蠕变形率要比标准尺寸（Φ 61.8 mm×H 20.0 mm）大,稳定所需时间要长;此外,Burgers体模型模拟吹填粉砂土固结蠕变变形优于广义Kelvin模型并具有可行性。     

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。     

珊瑚砂大剪切应变下的剪切特性和分形维数

利用Wille Geotechnik环向剪切仪对3种不同粒径的珊瑚砂进行了大剪切位移的环向剪切试验,探讨了颗粒破碎对珊瑚砂强度和残余应变发展的影响。试验结果表明:颗粒破碎随着剪切位移的增加逐渐增加,且初始粒径较大的均匀级配珊瑚砂粒径越大颗粒破碎越多。颗粒破碎对峰值强度和残余强度无影响,但对珊瑚砂的体积应变有显著影响,颗粒破碎较多的试样其体积应变也较大。本文建立了考虑长宽比、球形度和凹凸度的分形维数计算公式,由于颗粒破碎后颗粒形状在全粒径范围内的自相似性和无尺度性,考虑颗粒形状与不考虑颗粒形状的公式计算得到的珊瑚砂分形维数基本一致。     

珊瑚砂大剪切应变下的剪切特性和分形维数

利用Wille Geotechnik环向剪切仪对3种不同粒径的珊瑚砂进行了大剪切位移的环向剪切试验,探讨了颗粒破碎对珊瑚砂强度和残余应变发展的影响。试验结果表明:颗粒破碎随着剪切位移的增加逐渐增加,且初始粒径较大的均匀级配珊瑚砂粒径越大颗粒破碎越多。颗粒破碎对峰值强度和残余强度无影响,但对珊瑚砂的体积应变有显著影响,颗粒破碎较多的试样其体积应变也较大。本文建立了考虑长宽比、球形度和凹凸度的分形维数计算公式,由于颗粒破碎后颗粒形状在全粒径范围内的自相似性和无尺度性,考虑颗粒形状与不考虑颗粒形状的公式计算得到的珊瑚砂分形维数基本一致。     

堆石料缩尺方法的分形特性及缩尺效应研究

采用6种不同缩尺方法将同一条现场级配曲线缩制成不同的数值模拟级配曲线,建立以不同粒径范围内颗粒数为测量数的分形模型,研究了颗粒级配分布的分形特性;基于颗粒流方法,生成与级配曲线相对应的6组数值试样进行双轴压缩试验,研究了缩尺方法对数值试样宏观力学特性及细观力学响应的影响;并讨论了颗粒级配分布的分形特性与数值试样力学特性之间的关系。结果表明：采用不同方法缩尺后数值试样的颗粒级配分布具有分形特性,分维数D为1.463～1.783;随着缩尺方法相似比尺M的增大,数值试样中细颗粒数量增多,粗细颗粒的充填关系得到改善,力学特性逐步提高;颗粒级配分布分维数D与数值试样力学特性指标之间存在较好的线性关系。     

环境因素对土工格栅蠕变特性的影响

针对高密度聚乙烯单向拉伸土工格栅进行了一系列不同环境因素条件下的蠕变试验,研究了应力水平、温度、化学作用、施工损伤以及砂土侧限约束等对格栅蠕变性能的影响。结果表明,温度或应力水平越高,格栅蠕变量越大,蠕变速率也越快;常规条件下单向拉伸土工格栅的蠕变临界应力水平不宜大于40%;化学作用可导致格栅蠕变量增大约10%,施工损伤对蠕变的影响非常显著;另一方面,砂土侧限约束下的蠕变特性与格栅的受力状态有关,填料约束以及上覆荷载作用可大幅降低格栅的蠕变量。     

土石混合料剪切特性影响因素的离散元数值研究

土石混合料剪切特性控制着高填方边坡的稳定性。土石混合料特殊的结构、物质及粒径组成等极其复杂,为探究土石混合料剪切特性影响因素及其规律,在室内试验基础上,基于PFC2D构建了颗粒离散元数值模型,分析了颗粒级配、初始孔隙率、块石尺寸及块石形状等因素对土石混合料剪切特性的影响。结果表明:土石混合料的剪应力-剪切位移曲线主要包括4个阶段:弹性变形、局部剪切、剪切破坏以及残余变形;块石形状、颗粒级配及初始孔隙率对土石混合料的破坏模式无明显影响,破坏模式均为应变软化型;当土石混合料的颗粒级配较差时,剪应力随剪切位移的增加出现较大波动,曲线出现明显"跳跃"现象;当含石量一定时,相同法向应力条件下,块石尺寸越大,土石混合料的抗剪强度越大,且随着法向应力的增大,不同块石尺寸的试验组之间抗剪强度差值也越大,块石尺寸对土石混合料抗剪强度的影响越明显。     

不同粒径级砂土渗透特性试验研究

渗透性是砂土的重要工程性质之一,影响砂土渗透性的因素有很多,比如土体密实程度、土颗粒自身特性、流体性质等,其中孔隙率与颗粒粒径是两个重要影响因素。而以往基于混合粒径的天然砂土的研究很难分别对这两个因素进行独立的研究。基于此,首先开展了单一粒径级砂土的常水头渗透试验,分别研究了同一粒径级砂土渗透系数随孔隙率的变化和同一孔隙率下不同粒径级砂土渗透系数随均值粒径的变化规律。试验结果显示,渗透系数随着孔隙率的增加而线性增加、随均值粒径二次方的增加而线性增加,其中均值粒径的影响较大,其变化能导致渗透系数量级上的差异。在此基础上,开展了多粒径混合砂土的渗透试验,讨论了曲率系数、不均匀系数等级配参数对渗透性的影响,从而将单一粒径级的研究成果推广到天然砂土,最终拟合出渗透系数与相关影响因素的经验公式,以便工程实践参考使用。     

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。     

循环荷载下砂土液化特性颗粒流数值模拟

利用PFC2D常体积循环双轴试验条件,对砂土在不排水循环荷载作用下的液化特性进行了颗粒流数值模拟,数值模拟按等应力幅加荷方式进行。颗粒流数值模拟的优点在于得到试样液化宏观力学表现的同时,通过不同循环加荷时刻试样内细观组构参量（包括配位数、接触法向分布、粒间法向接触力、粒间切向接触力）的演化规律,分析砂土液化过程中细观组构变化与宏观力学响应之间的内在联系,从而可进一步探讨砂土液化的细观力学机制。数值模拟研究结果表明,砂土液化现象在宏观力学表现上反映为超静孔隙水压力的累积上升和平均有效主应力的不断减小,在细观组构上对应于配位数的累积损失和粒间接触力的不断减小。砂土液化细观机制分析表明,试样配位数的减少与循环加荷过程中组构各向异性滞后于应力各向异性有关。     

颗粒级配和结构对粉砂力学性质的影响

分析了几组原状、重塑和配制土样的静三轴试验结果,认为颗粒级配和结构性是影响粉砂应力-应变关系和强度特性的两个主要因素。当颗粒级配不同时,结构性原状粉砂土样和不具有结构性的配制土的强度均不同。相同颗粒级配的原状和重塑粉砂的强度也不同。而颗粒级配稍有不同的一种配制粉砂与原状粉砂在应力-应变关系和强度特性方面相接近。此种配制粉砂可替代原状粉砂做为模型试验用土。     

低频周期荷载下广义Kelvin-Voigt模型特性研究

不考虑低频简谐荷载作用下材料的疲劳破坏,并假定周期应力幅值恒定,从材料流变特性的宏观角度建立了广义Kelvin-Voigt体的正弦加载蠕变模型,并对模型特性进行分析。结果表明：与相同静载应力下（与动荷载应力最大值相等）广义Kelvin-Voigt体蠕变模型相比,蠕变变化规律相似,但动载初始蠕变阶段和稳定蠕变阶段的变形值小于静蠕变,且初始蠕变段经历时间比静蠕变短,此结论与相关文献试验结果相似;动载周期越大,则初始蠕变段经历时间越长,蠕变长期应变值越大。     

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。