颗粒形态对砂土抗剪强度影响的试验和离散元数值模拟

为研究颗粒形态对砂土抗剪强度的影响，制备了5组不同粒径的球形石英砂和颗粒形态不规则的实验室标准砂，并进行一系列的直剪试验；离散元法能有效地模拟砂土的离散性和不均匀性，基于高性能离散元分析软件MatDEM，通过二次开发，建立直剪试验三维模拟器，对直剪试验过程进行了数值模拟，并对比分析了试验和数值模拟结果。数据表明:(1)石英砂试样的自然休止角与其抗剪强度有着正相关性；(2)球形石英砂较实验室标准砂能更快达到峰值强度，但其值相对较低；标准砂存在着一定的黏聚力；(3)在直剪过程中，直剪盒中部颗粒的位移较周围颗粒不同，形成了明显的剪切带，并且球形石英砂试样的剪切带内颗粒的位移更小；(4)砂土直剪试验中配位数与剪应力有着良好的正相关性。本文结果表明，在相同的荷载条件下不规则颗粒形态的石英砂的抗剪强度要明显大于球形石英砂。     

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。     

砂类土力学强度试验研究

通过对砂土的抗剪强度试验结果进行统计,分析了砂土内摩擦角和粘聚力随不同颗粒粒组含量、密实度的变化趋势及规律。试验结果表明,随着砂粒组含量的增大,内摩擦角呈线性增大趋势;当粉粒和粘粒含量增加时,粘聚力亦呈线性增大趋势。同时,试样干密度的增大使内摩擦角和粘聚力呈线性增大。砂土中的粗粒和细粒含量变化存在一个对应的内摩擦角和粘聚力变化的区间。通过回归分析砂土抗剪强度与所含颗粒不同粒径、密实度关系,在特殊条件下,可以有效快速判定砂土剪切指标。     

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。     

砂土与钢材接触面剪切特性试验对比研究

为了研究砂土与钢材接触界面剪切特性,对原有的及改装后的DSJ-2型电动四联等应变直剪仪上分别进行了砂土同钢材界面的单剪试验和直剪试验,并做了对比分析。研究结果表明：1）单剪试验下在法向应力50kPa、100kPa时,砂土与钢材界面的剪应力-剪切位移关系曲线呈非线性弹性理想塑性关系,在法向应力200kPa、400kPa时呈刚塑性关系。直剪试验下在法向应力50kPa、100kPa时,砂土与钢材界面的剪应力-剪切位移关系曲线呈非线性关系,在法向应力200kPa、400kPa时呈双曲线关系;2）提出了界面抗剪强度指标的经验换算公式（直剪试验下得到的界面抗剪强度指标乘以一个小于1的系数）,以修正应用于设计的直剪试验结果。     

不同颗粒级配的某火山灰的力学性质试验研究

以吉林省靖宇县的红色火山灰为原材料,配制了5种不同级配的试样,通过比重、直剪和一维压缩试验测试了该火山灰材料的相对密度、剪切强度、压缩性等物理与力学特性,分析了颗粒级配对该火山灰的剪切和压缩力学特性的影响,为该材料的进一步应用提供参考。试验发现,所配制的火山灰试样的剪切特性与干砂土的抗剪性质类似,压缩特性都属于中压缩性土。     

剪胀性砂土边界面模型的研究

剪胀性对于砂土,尤其是中密以及密实砂土,是一个非常显著的特性。相变线是剪胀性砂土的特征曲线,能够反映砂土的围压以及初时孔隙比对变形特性的影响。本文在边界面塑性理论的框架内,把相变状态参量引入到剪胀方程以及塑性硬化模量中,建立了一个能够描述砂土剪胀性以及循环特性的本构模型。本模型采用一套参量可以模拟不同初时孔隙比、不同围压、排水(或不排水)条件下单调(或循环)加载的应力-应变特性。验证表明本模型数值计算与试验结果相吻合。     

杭州地铁储气砂土的抗剪强度特性试验研究与预测分析

从地质成因角度分析了杭州地铁原始储气砂层的饱和度和基质吸力的变化范围。利用GDS非饱和三轴试验系统对变化范围内的储气砂抗剪强度特性进行了测定,得到非饱和储气砂土的抗剪强度指标。试验结果表明, 砂土抗剪强度随吸力的增大而增加,当含水率大于残余含水率时,吸力对储气砂土的抗剪强度影响较为显著;小于残余含水率时,吸力对储气砂土的抗剪强度的贡献较小。将强度试验值与各抗剪强度预测公式的预测值进行了对比分析,认为公式 可合理地用于表述杭州地铁储气砂土的抗剪强度特性。     

主应力方向对砂土剪胀性的影响分析

剪胀性是土特有的一种材料属性,而准确地描述砂土的剪胀性则是建立砂土本构模型的重要基础。大量常规三轴试验发现,在以相同加载条件下剪切时密砂和松砂会表现出完全不同的剪胀性和应力-应变关系特性,说明砂土的剪胀性不仅与其所处的应力状态有关,也与其物理状态相关。状态参量理论很好地解释了砂土所处应力状态和物理状态对剪胀性的共同作用。空心扭剪三轴试验仪可以实现不同主应力方向的单调剪切试验。试验结果表明,当砂土以不同主应力方向单调剪切时,即使处于相同初始应力条件和物理状态,砂土也会表现出不同的剪胀性,说明了主应力方向也是决定砂土剪胀性的重要条件。本文通过分析试验中主应力方向对砂土剪胀性的影响,提出了一个含有主应力方向的状态参量,并建立了相应的剪胀方程。通过与试验数据的对比,验证了该方法的正确性和准确性。     

软土流变的物质基础及流变机制探索

采用改进的直剪蠕变仪,研究结合水对软土流变性质的影响。在相同试验条件下分别完成了含高岭土、膨润土不同重量百分比2组烘干试样和1组砂土的流变性质测试。测试结果与近期已取得的试验成果对比分析表明,结合水是产生土样流变性质的重要因素;烘干试样的黏滞系数均比与其矿物成分相同的湿土试样的黏滞系数大,砂土试样的黏滞系数比湿黏土的黏滞系数大,即烘干土样与砂土土样流变变形阻力相对湿黏土的大,流变现象相对不明显。在试验基础上,探索了控制软土流变特性的物质基础,提出了“流变物质”概念,“流变物质”与软土的流变性质互相对应,是软土产生流变的主要物质基础,并给出了与其力学性质相适应的流变机制的软土流变特性的物理描述。     

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。     

空心圆柱扭转仪定向剪切试验离散元模拟

为分析砂土在复杂应力条件下的剪切力学特性,采用商业离散元软件PFC3D对单粒组中密砂的空心扭剪试验进行了仿真模拟,分析了数值试样的应力-应变关系,研究了不同剪切方向下离散介质的强度、体积应变特性以及中主应力比对它们的影响,再现了力链在加载过程中的演化,并对剪切带的倾角做了深入分析。同时,从细观上看,以颗粒接触数和纯转动率变量为中心,观察了试样内部颗粒的运动状态,对比了不同剪切方向下剪切带内外颗粒接触数与纯转动位移的变化。最后,将数值试验结果与已有的室内试验结果进行了对比。此研究实现了复杂应力条件下空心扭剪试样的三维离散元模拟,加深了对空心扭剪试验过程和结果的理解和解释。     

某大型尾矿库坝体勘察新技术及尾矿砂土工程特性初步研究

通过对某大型尾矿库坝体勘察新技术、新工艺和尾矿砂土沉积环境、固结特征分析以及对尾矿砂土的静力、动力物理力学性质进行大量的试验研究,分区研究了淋滤固结、化学固结作用的特征,建立了3种固结作用在尾矿砂土静力抗剪强度(T值)中权重分配的计算式,揭示了尾矿砂土的静力、动力基本特性.在岩土工程理论研究及实践应用上具有较重要的意义.     

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。     

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。     

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。     

人工胶结砂土力学特性的离散元模拟

采用离散单元法（DEM）对胶结砂土力学特性进行模拟。将基于室内试验测得的理想胶结颗粒接触力学响应引入到开发的二维离散元程序（NS2D）中,模拟胶结砂土颗粒间的胶结作用。对不同胶结强度和围压的胶结砂土进行平面应变双轴压缩试验模拟,并将模拟结果与Wang和Leung[1]提供的人工胶结砂土的试验结果进行比较。最后对数值模拟中胶结试样的微观力学响应（接触力链、胶结点破坏率和位移场）进行分析。结果表明,离散元数值模拟能够有效地反映胶结砂土的主要力学特性,相比同一初始孔隙比的无胶结松散砂土,胶结砂土将具有更高的强度,应力-应变关系呈应变软化,体变为先剪缩后剪胀,且两者的差异随胶结强度的增大和围压的减小而越趋显著。此外,胶结砂土宏观力学响应（应力-应变关系和剪胀性）与其微观力学响应密切相关。     

高低压下不同力学特性的砂土统一模型

为构建能够反映砂土高低压下不同力学特性的统一模型,分析了砂土在较大的压力范围内的力学试验结果并获取其强度、等向压缩以及临界状态特性参数。通过引入应力路径相关因子来修正塑性应变增量中与应力路径相关的部分,从而使得模型硬化参量能够反映密实砂土在常压下的剪胀特性。同时,基于砂土的临界状态特性提出能够与砂土内部状态相对应的潜在状态面概念,由屈服面与潜在状态面间的动态关系确定加载过程中的动态密实参数及潜在强度,进而使得硬化参量也能够反映密实砂土在常压下的软化特性及高压下的剪缩、硬化特性。分析模型屈服面及潜在状态面间的演化规律并对不同压力等级下的砂土受荷力学行为进行模拟预测,证实了该模型能够反映密实砂土常压下剪胀软化及高压下剪缩硬化的特性。     

基于数字图像相关法的砂土细观直剪试验及其颗粒流数值模拟

砂土等天然颗粒材料具有的剪胀性、压硬性、各向异性等特殊力学性质受控于其内部的微细结构及其演化,如何利用试验与数值模拟等手段对砂土细观组构进行量化,对深入研究砂土变形机制尤为重要。基于数字图像相关方法的光学测量技术与土工试验相结合的新手段,通过对直剪仪的可视化改造,开发了能初步实现土体宏细观力学性状联合测量的“砂土变形细观瞬时光学测量系统”,并利用该系统对福建标准砂进行了室内细观直剪试验。随后进行了基于颗粒流软件PFC2D直剪数值试验,提取室内试验还难以获得的细观信息,作为对室内试验的补充。通过对宏观力学性质和位移场、应变场、颗粒定向、速度场、颗粒配位数和接触力链等细观的室内与数值试验结果进行剖析,探讨了砂土力学性质的细观机制。     

剪切速率和材料特性对筋-土界面抗剪强度的影响

土工合成材料与填料之间的界面强度参数是加筋-土工程设计的关键技术指标,筋-土界面的直剪试验和拉拔试验在界面剪切特性试验研究中应用最为广泛。利用土工格栅、土工织物与砂土的直剪试验和拉拔试验,研究了剪切速率和筋材性质对筋-土界面强度的影响。研究结果表明,当剪切速率不超过一定界限（如7.0 mm/min）时,其对直剪试验结果的影响可以忽略;筋-土界面强度受加筋材料及砂土特性的影响,双向聚丙烯土工格栅和土工织物与砂土之间的内摩擦角与纯砂接近,界面强度较高,而玻纤格栅因其延伸率低和网格尺寸较小,与砂土的界面强度比较低。