粗粒土组构之颗粒运动研究

土的结构性是决定土的力学特性的一个最根本的因素,正是由于土的结构性的存在,连续体力学理论用于岩土材料存在明显不足,沈珠江将土体结构性的研究提到“21世纪土力学的核心问题”的高度,但由于土的结构性的复杂性,缺乏测试方法,还没有找到土结构性的定量指标。选择结构特征相对简单的粗粒土作为研究对象,探索建立其力学体系的方法和途径。粗粒土的结构性（称之为组构）主要体现在颗粒的排列特征方面,采用CT测试技术和DDA数值分析方法初步解决了粗粒土组构的量化问题,对粗粒土多种受力过程进行了CT三轴试验和数值模拟,取得了粗粒土的组构信息及其变化,为构成合理的组构量、研究粗粒土组构量与宏观力学响应之间的相互关系、探讨粗粒土的变形机理和力学特征奠定了基础,并侧重介绍粗粒土CT三轴试验成果,展示三轴试验过程中颗粒运动规律。     

粗粒土与结构接触面特性的离散-连续耦合数值研究

三维变形体离散元法能够自动检索接触关系,并对具有不规则形状的粗粒土颗粒和结构物进行有限差分网格离散,因此,具有模拟离散-连续耦合问题的先天优势。采用随机模拟技术生成粗粒土三维数值试样,基于变形体离散元进行粗粒土与结构接触面特性的数值试验,研究了不同接触面粗糙程度的接触面力学特性,对比了粗粒土与结构物在单剪和直剪状态下的接触面力学特性,从宏观和细观两个层面分析了数值试验结果。结果表明,数值试验能较好地反映粗粒土与结构接触面的力学特性,其剪应力-相对剪切位移曲线与试验结果规律相似;接触面粗糙程度对接触面的强度和变形特性影响较大,其机制在于剪切对试样的扰动程度不同;直剪和单剪状态下试样剪应力-相对剪切位移均为双曲线,单剪试验的初始剪切刚度低于直剪试验,两种试验得到接触面抗剪强度指标比较接近。     

非饱和土微观结构与粒间吸力的研究进展

吸力是非饱和土研究的重点也是其难点。重点在于自然界中诸多物理现象可以用吸力去解释，难点在于非饱和土吸力的量化测试技术现在还不成熟。非饱和土作为地球表层广泛存在的三相组合材料，其力学性质远远比饱和土复杂，归根结底在于土中水气界面形成的弯液面收缩膜，导致了土体孔隙产生吸力。非饱和土体的强度变形特征就是其内部吸力不断变化的宏观表现形式，其宏观物理力学性质与吸力之间存在一个桥梁——微观结构。对非饱和土微观结构和吸力理论、试验研究的整体把握是完善土力学的一个重要方法。开展对非饱和土液桥动态结构演化及吸力力链分布特性的研究，是全面了解非饱和土力学性能的重要基础之一，也是深入把握和量化非饱和土吸力的重要手段。     

粗粒土渗透性能的试验研究

粗粒土作为土和块石的介质耦合体,具有非均质性、非连续性及试样的难以采集性等内在的独特性质,从而给研究带来极大的困难。粗粒土属于典型的多孔介质,其渗透特性与砾石的百分含量关系密切。利用自制的常水头渗透仪,测定了不同含砾量时粗粒土渗透系数值,研究发现含砾量与粗粒土渗透系数之间存在指数关系。在工程设计中可以通过合理调整粗粒土砾石的含量,达到控制其渗透性能的目的。基于幂平均法,提出了粗粒土复合渗透系数的计算公式,并通过试验结果验证了该式的正确性,为粗粒土渗透系数的理论计算提供了一个简明实用的计算工具。     

土体抗拉张力学特性研究进展

在传统土力学的观念中,土体通常不主动作为抗拉材料使用,土的抗拉强度很小,因而土体的抗拉强度往往被忽略或几乎视为零,造成土体抗拉强度理论远落后于抗剪强度理论。实际上,土体的抗拉张力学特性在土体变形与破坏的过程中起着非常重要的作用。总结了土体抗拉张力学特性试验的发展过程及发展特点,介绍了土体抗拉张力学试验的最新进展,并结合非饱和土力学及其抗拉强度理论的研究热点,认为对非饱和土合理统一的"吸力"认识仍然是非饱和土抗拉张特性研究的关键。然后,从岩土破坏模式角度,总结了岩土拉剪耦合破坏规律的8类破坏模式,分析了土体在此研究领域的现状,最后阐明了土体尤其是非饱和土的抗拉张力学特性研究现状的5个特点,展望了土体抗拉张力学特性新的重要研究方向。     

Effects of skeleton void ratio on the strength and deformation characteristics of coarse-grained soilEI北大核心

粗粒土强度变形特性与初始级配和制样干密度密切相关。为研究不同级配和密度组合的粗粒料强度变形特性,提出了一种计算简便、易于推广的粗粒土骨架孔隙比计算方法。开展的室内试验结果表明,该计算方法所得的骨架孔隙比与粗粒土力学特性之间存在较为明显的单调性变化规律。当试样尺寸一致时,随着骨架孔隙比减小,破坏剪应力增大,破坏摩擦角增大,黏聚力减小;平均初始切线弹性模量增大,平均初始切线泊松比减小。整体而言,骨架孔隙比越小,粗粒土强度、刚度越大。基于该结论,笔者提出了一种等骨架孔隙比粗粒土缩尺方法。     

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。     

岩土工程试验研究中的若干新进展

介绍了在非饱和土、数值分析、测试技术和土工合成材料工程应用方面的成就。关于非饱和土方面,指出了加强非饱和土基本试验研究工作的紧迫性;关于数值分析方面,认为流形元法为连续和非连续变形的力学分析提供了一个统一的方法,应加强在岩体力学和土力学中的开发与应用;关于岩土力学的测试技术,需密切注意近年高新技术在岩土领域的引进和推广;对于土工合成材料,应加强机制的研究,注意在应用中掌握有关原理,最后对岩土工程研究中当前存在的问题和今后发展作了简单的评述     

应力状态对粗颗粒土静止侧压力系数影响试验研究

土体静止侧压力系数K0随应力状态的变化规律对深入把握其力学性质非常重要。然而,由于适用于粗粒土K0试验仪器及方法较少,对粗粒土K0随应力状态变化规律的研究几乎是空白的。为研究加载和卸载过程中粗颗粒土静止侧压力系数K0随应力状态的变化规律,利用新近研制的大型K0试验仪对某砂卵砾石料和堆石料进行了不同应力状态下的K0试验。K0试验结果表明：颗粒形态、应力状态、级配都对粗粒土K0有一定影响,其中应力状态影响最为明显;加、卸载时粗粒土K0随竖向应力增大呈减小的趋势。通过对K0试验结果进行深入分析,提出了粗颗粒土在加载过程中K0与竖向应力的关系式,并进行了验证。在此式基础上,基于前人总结所得K0与OCR的关系式,总结了一个反映任意固结状态下粗颗粒土K0随应力状态变化的关系式。     

基于Eshelby张量和Mori-Tanaka等效方法的砂卵石土等效弹性模量研究

砂卵石土是物理力学性质既不同于砂土也不同于完整岩体的离散体,将其简化为砂土为基体,卵石为椭球形夹杂的两相复合材料。在小变形条件下,考虑卵石的含量和分布,采用Eshelby张量和Mori-Tanaka等效方法,运用替换迭代方式,从理论上推导出等效柔度张量一般性计算方程;重点研究卵石为球形时（椭球的一种特殊情况）砂卵石土等效弹性模量,通过编写程序求得其数值解,并与相关数值试验和理论进行对比。结果表明,此理论计算方法精度较以前的理论计算方法精度有大幅提高,当卵石体积分数小于50%时,理论计算结果与数值试验结果吻合较好,其结果可用于判断砂卵石土宏观力学特性,有利于地下工程应用;当体积分数大于50%时,理论计算结果和数值试验结果有一定误差。     

粗粒土的离心模型试验与数值模拟

岩土工程数值计算中粗粒土常采用邓肯-张本构模型,为了验证该模型在轴向加载、卸载、侧向加载等复杂应力路径条件下的适用性,进行了粗粒土的三轴试验获取其力学特性及本构模型参数;根据相似性原理制作了堆石坝的离心模型试样,并采用与三轴试验同样级配与粒径的粗粒土进行复杂应力路径的堆石坝离心模型试验,试验中通过改变离心加速度模拟加载、卸载,利用上游蓄水模拟坝体的侧向加载;采用ABAQUS对离心模型试验进行三维数值模拟,并研究了模型箱侧壁摩擦系数与土体的初始应力对数值结果的影响。通过比较离心模型试验与数值模拟成果,表明土体的初始弹性模量对计算结果影响较大,初始应力应选择自重作用下的应力场;邓肯-张本构模型能较好地描述堆石坝的加载应力路径,而模拟卸载应力路径有一定的差异,需要改进邓肯-张本构模型中卸载模量的确定方法。     

人工冻土动态力学特性研究现状及意义

冻土的动态力学特性研究是冻土静力学研究的发展和分析冻土体动力失稳等特征的重要基础。综述了国内外研究现状可知,冻土力学特性的研究集中在冻土的静态力学方面,动态力学性能研究大多是低频或小幅值的振动加载下的情况。根据应变率大小,采用分离式Hopkinson压杆装置研究冻土的高应变率下的冻土动态力学特性是可行的。冻土动态力学性能的研究是煤矿冻结法施工及人工冻结工程建设中安全有效快速施工的重要基础研究,具有重要的理论意义和工程应用前景。     

基于颗粒元模拟的含软弱夹层类土质边坡变形破坏过程分析

采用基于离散单元法的颗粒元程序,引用平行连接模型,通过数值试验,确定土体细观参数与宏观力学性质的关系,并据此建立含软弱夹层的类土质边坡模型。通过路堑开挖卸荷过程模拟,再现了大变形条件下坡体渐进性破坏的完整过程,并对裂隙的发展演化过程进行实时监测。模拟结果显示,含软弱夹层类土质边坡的破坏过程历经裂隙的形成、扩大、发展直至贯通,最终发生大规模滑移破坏;裂隙从滑坡体前缘和软弱层面开始,范围逐步扩大,呈现典型的类土质边坡的渐进性破坏形式;滑坡发生后,土体结构破坏严重,承载能力大幅下降。边坡滑移过程模拟和最终滑移结果与现场滑坡状况完全吻合,表明该方法适用于类土质边坡变形破坏过程分析及其机理研究。     

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。     

土体抗拉强度试验研究方法的进展

理论上土体的抗拉强度与抗压和抗剪强度一样是描述土体力学性质的重要指标之一,也是研究土体张拉破坏特性的基础。由于土体抗拉强度在数值上相对较小,且难以准确测量,在岩土工程领域常常被忽视。随着工程中的张拉破坏问题越来越突出,土体抗拉强度特性引起许多学者的关注,相关研究成果也越来越多。文中对土体抗拉强度试验研究方法进行了系统的归纳和总结,对比分析了各种方法的优缺点,认识到,（1）土体抗拉强度试验方法总体上可分为直接法和间接法两大类,直接法是在试样两端直接施加拉力直到试样发生张拉破坏,根据破坏时的最大拉力及对应的破裂面面积计算出土体的抗拉强度。间接法主要通过一些理论假设,把压应力转换成相应的拉应力并基于一些理论公式计算土体抗拉强度;（2）按试样受力条件,直接法可分为单轴拉伸和三轴拉伸,一般都需要开发专门的拉伸试验设备,以实现拉力荷载的施加及其在试样内的有效传递。常用的方式有粘结、锚固、模具夹持及摩擦力传递等,都各有优缺点,但模具夹持法相对而言更具操作性。间接法中比较有代表性的有巴西劈裂试验、土梁弯曲试验和轴向压裂试验等,一般较适应于刚度较大的土体如化学固化土。最后,笔者提出了今后该课题的研究重点,包括制定土体抗拉强度试验方法规范及标准,研发简单易操作的土体拉伸试验设备,拉伸试验过程中土吸力的测量及控制方法,土体拉伸过程中应变场的准确获取方法及土体张拉特性的数值模拟研究等。     

土的连续级配方程在粗粒料中的应用

粗粒料的级配对其物理力学性质具有重要影响。土体的级配通常用级配曲线来表示,级配方程则是对土体级配曲线的定量描述。利用土的连续级配方程,对各种粗粒料级配的适用性进行了验证,进一步总结了土石坝工程中粗粒料级配参数的常用取值范围;同时,分析了利用该方程进行粗粒料配料计算的实用性。主要结论如下：粗粒料的级配参数常用取值范围集中在-2相似文献   

自然与饱水状态下砂岩压缩破坏力学特性及声发射特征

为研究自然与饱水状态下不同粒径砂岩损伤破坏过程中的力学特性和声发射特征,对自然和饱水状态下3种粒径砂岩进行单轴压缩试验和声发射试验,研究其单轴应力状态下力学特性和声发射特征。试验结果表明:在自然状态下,粗粒砂岩平均抗压强度为54.23 MPa,中粒砂岩为53.56 MPa,细粒砂岩为59.46 MPa;饱水后,粗粒砂岩平均抗压强度为35.62 MPa;中粒砂岩为31.79 MPa,细粒砂岩为29.10 MPa。饱水后,粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩的弹性模量分别降低19.6%、32.7%和33.7%;泊松比分别增加9.6%、10.4%和19.5%。所有试样各阶段声发射能量曲线变化趋势与各阶段受力破坏程度具有较高的一致性,声发射能量峰值都出现在应力峰值附近,其中饱水后弹性变形阶段声发射总能量发生不同程度的减少,粗粒砂岩为67.4%,中粒砂岩为32.4%,细粒砂岩为29.3%。饱水试样损伤演化阶段较自然状态声发射总能量发生明显下降,粗粒砂岩最为明显,降幅为73.5%,中粒砂岩为36.0%,细粒砂岩为62.0%。饱水后失稳破裂阶段声发射能量值较自然状态依旧出现不同程度的减少,粗粒砂岩为30.7%,中粒砂岩为29.5%,细粒砂岩为38.3%。砂岩饱水后力学特性与声发射特征变化是试样微观结构变化在宏观层面的体现;用砂岩单轴破坏过程中声发射能量峰值可以很好地表征砂岩脆性,将为岩石脆性研究提供新的思路。