沉积角对净砂宏微观力学特性影响的离散元分析

由颗粒定向排列导致的初始各向异性对净砂力学特性影响明显。为探究这一影响,首先采用自编的离散元软件生成4种不同沉积方向的椭圆颗粒净砂样,并分别对4种试样进行双轴压缩试验;其次,通过将离散元模拟结算与室内试验结果对比以验证该方法的可行性;最后,通过分析模拟结果研究沉积方向所产生的影响。结果表明：4种试样均出现应变软化及剪胀现象;随着沉积角? 的增加,试样具有由应变软化逐渐向应变硬化发展的趋势,试样的剪胀性逐渐减弱;在?=0°时试样取得最大峰值内摩擦角和最大残余内摩擦角,且随着? 的增大试样的峰值内摩擦角先降低然后基本不变,残余内摩擦角逐渐减小;颗粒排列初始优势方向基本与沉积方向平行,但随着轴向应变的增大,颗粒排列优势方向逐渐向平行于加载面方向旋转,接触点的优势方向由最初垂直于沉积方向逐渐向垂直于加载面方向旋转,且这两种旋转的改变幅度随着沉积角? 的增大而增大;而强接触力的优势方向始终垂直于试样的加载面。     

低围压下颗粒形态对软黏土抗剪强度影响的离散元分析

黏土颗粒形态不仅反映黏土的矿物组分,更是影响其物理力学性质的重要因素之一。为了研究物质组成对软黏土微宏观性质的影响,采用离散元方法对不同颗粒形态的软黏土试样进行三轴压缩模拟试验。首先,基于扫描电镜图像量化颗粒形态,对天然状态下黏土颗粒的方向角和凹凸度进行统计,引入球度和凹凸度作为颗粒形态的特征参数;然后,基于原生矿物的单粒结构和黏土矿物的片状结构特征,构造球体单粒及圆柱体、正方体、长方体的片状簇体;最后,基于三轴试验离散元模拟方法,分析软黏土颗粒形态对其宏观力学及微观特性的影响。结果表明:片状颗粒试样比球体颗粒试样的初始模量高,抗剪强度大,随加载其排列趋于水平向分布;加载初期,颗粒球度对初始弹性模量影响较明显,初始弹性模量随着球度增大而逐渐减小;加载后期,颗粒凹凸度对抗剪强度指标影响作用逐渐凸显,试样内摩擦角和黏聚力随着凹凸度增大而逐渐减小;微观结构上,颗粒形状对颗粒位移和旋转也有较大影响。     

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。     

黄土颗粒结构特征及其对剪切行为的影响

微结构控制着黄土的宏观力学行为,进而影响着工程土体稳定性。本文通过X射线CT试验研究了陕西泾阳Q₂黄土试样的三维颗粒结构特征,结合三轴剪切试验建立了黄土的颗粒流离散元数值计算模型,探讨了颗粒尺寸、形态和排列等结构特征对黄土剪切行为的影响。结果表明黄土试样颗粒的等效直径分布满足Weibull概率分布,球度分布符合Gamma分布,颗粒最大Feret直径方向角集中分布在与地层近平行的方向,表现出横观各向同性的排列特征。颗粒尺寸分布与颗粒球度值对试样的剪切破坏方式影响较小,主要影响试样的剪切强度特征:颗粒尺寸分布越均匀,试样应变硬化现象越显著,抗剪强度越高;椭圆形颗粒的球度值越小,试样的应变硬化现象越显著,但抗剪强度相对越低。颗粒排列方式对剪切行为的影响较显著,颗粒方向主要垂直于轴向加载方向时,试样具有较大的峰值强度和应力降,形成贯通的剪切破坏面;颗粒方向主要平行于轴向加载方向时,试样具有较低的抗剪强度,表现为塑性剪切破坏。     

二维粒状材料双轴压缩试验研究

为了研究粒状材料的各向异性力学行为与细观组构演化之间的关系,采用自主研发的双轴压缩试验系统,以圆形和椭圆形截面的金属棒状材料组成的二维堆积体为试验对象,对不同大主应力方向角?（沉积面与大主应力作用面的夹角）的试样进行了各向等压、常侧向压力、等p剪切3种应力路径试验,并通过分析试样在不同变形阶段的数字照片得到了其细观组构演化规律。发现对于椭圆形截面的试样存在一个卓越剪切方向,随剪应变增大,颗粒长轴呈现出向该方向偏转的趋势,并且在大变形条件下沿该方向形成剪切带;卓越剪切方向与沉积面方向关系不大,而与大主应力作用面方向夹角约为45°+ /2, 为残余内摩擦角;随卓越剪切方向与沉降方向夹角的不同,颗粒偏转程度的不同是导致剪胀特性和峰值强度各向异性的主要原因     

颗粒破碎对绢云母片岩强度和变形影响的试验研究

为进一步弄清颗粒破碎对软岩粗粒料强度、变形的影响,开展2组不同初始干密度下的绢云母片岩粗粒料的固结排水三轴试验,分析了绢云母片岩粗粒料颗粒破碎规律,并探讨了颗粒破碎对绢云母片岩粗粒料力学性质的影响。结果表明,绢云母片岩粗粒料相对破碎率随围压的增加而增大,但颗粒破碎增幅速率受初始干密度影响较大,颗粒破碎与围压之间的关系可用线性关系描述;由于初始孔隙率的影响,使得试样在同一应力水平下高密度试样颗粒破碎明显高于低密度试样;颗粒破碎对高密度试样抗剪强度降低的影响高于低密度试样,导致两种干密度试样的应力-应变曲线在某处出现相交,最终出现初始密度低的试样抗剪强度大于初始密度高的试样抗剪强度的现象;高密度试样孔隙率较小,其剪胀因子一直保持在1附近,而低密度试样孔隙率较大,受颗粒破碎和剪胀的影响迟缓一些,低密度试样体变较高密度要大些,但整体上由于颗粒破碎和剪胀的影响,绢云母片岩粗粒料的体变均不大。     

连云港海相软土不排水强度特征

连云港地区软土为碱性环境下沉积的非均质海积软土,软土抗剪强度具有固有各向异性。采用三轴不固结不排水剪切（UU）试验、无侧限抗压强度（UTC）试验、快剪试验和原位十字板剪切（FVT）试验4种方法,对连云港地区软土的不固结不排水抗剪强度特征进行了研究。结果表明：土体水平剪切面强度最低,竖直面抗剪强度最高;土体制样采用垂直方向的切取试样方式时,土体强度最高。根据三轴UU试验得出的黏聚强度和内摩擦角基于土体单元极限平衡理论恢复了土体剪切破坏时的应力状态,计算出土体实际抗剪强度。三轴UU试验得出的抗剪强度平均值约为13.13 kPa,试样破裂面与水平面的夹角在45.1°~45.7°区间最为集中。UTC试验测得的土体平均抗剪强度近似等于三轴UU试验测得的平均抗剪强度。FVT试验测得软土抗剪强度平均值为19.72 kPa,与三轴UU试验和UTC试验得出的抗剪强度平均值相比高了约6.60 kPa,这种现象与室内试验试样的机械扰动、土体应力状态改变和剪切面特征有关。     

兰州Q4黄土各向异性的初步研究

水敏感性和结构性是黄土区别于其他类型土的主要特点,得到了广泛的研究,但大多数试验研究都采用垂直方向制备的试样,仅考虑了黄土垂直方向的力学特性,这对于以承受上部垂直荷载为主的黄土地基基础等工程类型来说是合理和准确的,而对于受力状态较为复杂的边坡和隧道及地下结构等工程类型,黄土力学性质的各向异性可能更为重要。分别从垂直向和水平向制取兰州Q4黄土的原状土试样,通过三轴剪切试验研究了其抗剪强度和变形参数在不同围压下和不同方向上的差异性,并与直剪试验获得的强度参数进行对比。结果表明：兰州Q4黄土力学性质的各向异性是较为显著的,强度方面的差异主要体现在黏聚力,而内摩擦角的差异性较小;变形特征具有随围压增加而从脆性向塑性转化的特点,垂直方向的变形模量比水平方向的变形模量平均要大2倍左右。用黄土的结构性强度及其形成机制解释了试验结果,认为黄土力学性质的各向异性特点是其结构性的另一种表现方式,应重视黄土在不同方向上强度和变形特征的差异性,以获得更安全合理的参数。     

单调荷载下砂土变形过程数值模拟及细观机制研究

采用离散单元法的颗粒流理论,模拟了松砂和密砂在单调荷载作用下的变形过程,研究了砂土渐进破坏过程中的宏观力学行为和细观组构参量的演化规律。采用PFC的FISH语言开发了细观组构统计程序,通过记录加载不同时刻试样的细观参量,如配位数、接触法向分布、粒间法向接触力、切向接触力等的演化,分析了砂土变形过程中细观组构变化与宏观力学响应之间的内在联系。应用表征上述量的组构参数研究了砂土的诱发各向异性,探讨了松砂剪缩、密砂剪胀的细观机制。研究成果对于揭示砂土变形的细观机制以及建立砂土的细观力学模型具有重要意义。     

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。     

基于细观统计的砂土摩擦特性与破坏机制研究

砂土是一种典型的颗粒材料,其力学特性和变形机制是细观颗粒在荷载作用下的宏观表现,鉴于砂土具有显著的颗粒性和碎散性,使得对其进行细观颗粒层面的研究非常必要。将土颗粒简化为空间椭球体,假设方向角满足正态分布规律,应用细观统计的方法,从颗粒层面对砂土的摩擦特性和破坏机制进行研究。砂土剪切面上的摩擦特性主要是颗粒在剪切荷载作用下,克服垂直于剪切面应力抬升所遇到的阻力。颗粒运动方向与剪切面滑移方向的夹角可视为单个颗粒的摩擦角,颗粒摩擦角满足与方向角同样的正态分布规律;砂土的剪切破坏是颗粒重排列和应力重分布的过程,该过程中一部分颗粒摩擦角不断弱化,而承载颗粒数量逐渐增多,土体内部应力分布渐趋均匀;随着垂直于剪切面荷载的增大,砂土内摩擦角随之弱化减小,内摩擦角与荷载之间具有对应关系,可进行量化计算。     

Anisotropic behavior of the Bushehr carbonate sand in the Persian Gulf

The anisotropy effect is exhibited more prominently in sedimentary depositions, and it relates the soil’s mechanical specifications to the directions of imposed loads. Even though this phenomenon has been comprehensively explored in silica sands, few research has been conducted for studying the anisotropic behavior of marine carbonate sands. To bridge this gap, the present study investigates the anisotropy effect on the mechanical behavior of Bushehr carbonate sand acquired from the north shelf of the Persian Gulf in Iran. Toward this end, some undrained principal stress rotation tests are conducted using a hollow cylinder shear torsional apparatus in such a manner that the direction of the applied principal stresses are fixed along a desired orientation and the total mean stress and intermediate principal stress ratio are kept constant. Furthermore, prior to shearing, the samples are consolidated under three confining pressures and two isotropic and anisotropic states. The results show that dilative behavior is observed in all loading directions after initial contraction; this contradicts the response observed in silica sands. The anisotropy response of soil follows two different trends in the contractive and dilative phases. The relation of soil’s mechanical properties shows a descending trend with the angle of maximum principal stress in the contractive phase; on the other hand, the anisotropy behavior shows a dominant parabola trend in the dilative phase, where the maximum ultimate pore pressure and minimum soil strength occur in the stress direction with an angle of α?=?30°. By increasing the confining pressure in the soil element, the intensity of the anisotropy in some mechanical properties except the soil deformation is reduced. Furthermore, the deviatoric-to-effective mean stress ratio in the phase transformation state from contraction to dilation is independent of the loading direction and consolidation stress state, and it is considered one of the intrinsic properties of sand.     

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。     

Strength anisotropy of granular material consisting of perfectly round particles

The strength anisotropy of granular materials deposited under gravity has mostly been attributed to elongated particles' tendency to align long axes along the bedding plane direction. However, recent experiments on near‐spherical glass beads, for which preferred particle alignment is inapplicable, have exhibited surprisingly strong strength anisotropy. This study tests the hypothesis that certain amount of fabric anisotropy caused by the anisotropic stress during deposition under gravity can be locked in a circular‐particle deposit. Such locked‐in fabric anisotropy can withstand isotropic consolidation and leads to significant strength anisotropy. 2D discrete element method simulations of direct shear tests on circular‐particle deposits are conducted in this study, allowing for the monitoring of both stress and fabric. Simulations on both monodispersed and polydispersed circular‐particle samples generated under downward gravitational acceleration exhibit clear anisotropy in shear strength, thereby proving the hypothesis. When using contact normal‐based and void‐based fabric tensors to quantify fabric anisotropy in the material, we find that the intensity of anisotropy is discernible but low prior to shearing and is dependent on the consolidation process and the dispersity of the sample. The fact that samples with very low anisotropy intensity measurements still exhibit fairly strong strength anisotropy suggests that current typical contact normal‐based and void‐based second‐order fabric tensor formulations may not be very effective in reflecting the anisotropic peak shear strength of granular materials. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

Anisotropic shear strength characteristics of a tailings sand

The deposition process of tailings in a tailings dam may lead to the anisotropy of mechanical properties of tailings. To investigate the anisotropic shear strength characteristics of a tailings sand, samples deposited under gravity were sheared in a modified direct shear apparatus along different orientations of the shear planes relative to the bedding plane. The experimental results reveal that the anisotropy has a substantial effect on the peak shear strength of the tailings sand, leading to a variation in peak friction angle of 10°. It is found that the effect of anisotropy on the peak shear strength of the tailings sand is mainly attributed to the effect of anisotropy on soil dilatancy. On the other hand, the effect of anisotropy on the residual friction angle of the tailing sand is relatively smaller, likely due to the partial erasure of anisotropy at large shear deformation. The degree of anisotropy is reduced by an increase in normal stress. To achieve more accurate stability analysis of tailings dams, it is suggested to take into account the shear strength anisotropy of tailings soils.