土工膜与土界面剪切特性细观研究

填埋场衬垫系统中,土与土工膜界面剪切强度较低,易造成失稳破坏。目前国内外学者主要采用室内试验对土与土工膜界面的宏观剪切特性进行研究,而对界面剪切特性的细观研究较少。为了从细观角度研究土与土工膜界面的剪切特性,本文采用EsyS-particle程序对土工膜与土界面直剪试验进行了离散元数值模拟分析。采用摩擦接触模型模拟砂土;采用黏结模型颗粒模拟土工膜,通过紧密排列土工膜颗粒以模拟土工膜的光滑表面。通过室内拟合试验,选取和校准材料的细观参数。分析结果表明,离散元模型能较好的模拟界面应力-应变关系;剪切带的厚度约为两倍平均土颗粒直径;剪切带中的土颗粒发生较大位移,孔隙比增大,而剪切带之外的土颗粒位移和孔隙比变化较小;随着剪切位移的增加,颗粒间接触力逐渐向左端集中,力链方向由垂直逐渐倾斜。     

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。     

泸定大渡河桥冰碛土的结构及现场剪切试验研究

泸定大渡河桥康定岸分布巨厚层冰碛土,为研究土的抗剪强度特性,在不同位置和深度进行了6组现场剪切试验,基于地质勘察和试验结果分析土的结构特征、剪切强度和变形特性及其与土的结构的关系。研究表明:冰碛土的颗粒以粗粒、巨粒粒组为主,骨架颗粒呈悬浮状,混杂、无序堆积,骨架间充填杂基,形成骨架悬浮密实结构。根据颗粒组成和骨架风化程度,划分为骨架悬浮密实结构、软化骨架悬浮密实结构、砂砾土富集结构、大块石包绕结构等4种细观结构类型。冰碛土剪切破坏主要有剪切破碎带、包绕块石边界、锯齿状剪切和切穿软化骨架等4种模式,剪切荷载作用下线弹性变形阶段明显,剪切刚度大,初始屈服历时短。颗粒骨架和杂基形成的悬浮密实结构,是冰碛土强度与变形特性的内在控制因素,剪切荷载作用下骨架颗粒与具有一定胶结的基质间相互作用,剪切破坏时表现为基质的压碎与骨架的变位。骨架颗粒强度、大骨架颗粒分布、基质胶结程度的不同,对冰碛土强度和变形特性都构成一定的影响。土的抗剪强度、剪切刚度和剪胀性随骨架强度和基质胶结程度的提高而增大,而延性随之变差。     

土工格栅与土界面作用特性试验研究

土工格栅与土的界面摩擦特性指标是加筋土工程设计的关键。通过分析土工格栅与土的界面摩擦作用和进行了直剪摩擦试验和拉拔摩擦试验,测试了两种试验条件的界面摩擦特性。在两种试验条件下,土工格栅加筋土复合体的抗剪强度均有界面摩擦角φsq和界面凝聚力csq,且土工格栅与土相对位移量的不同,其复合体的强度机理有区别。在拉拔摩擦试验中,剪应力峰值强度对应的剪切变形值高于直剪摩擦试验中剪应力峰值强度的剪切变形值5～10倍以上。两种试验均有其适用性,而土与土工格栅的相对位移较小时直剪摩擦试验较能反映实际;土与土工格栅相对位移较大时土与格栅双面均发生相对位移,拉拔摩擦试验更为合适。随法向应力的增大,直剪摩擦和拉拔摩擦试验的剪应力峰值以及剪应力峰值对应的位移均提高。直剪摩擦的剪切速度小,剪应力峰值强度高,且达到峰值强度的剪切位移大;增加剪切速度,剪应力峰值强度降低,且对应的位移也减少,其原因是界面上的孔隙水压力消散和筋材的应力松弛。应根据具体工程的需要选择直剪摩擦试验和拉拔摩擦试验确定设计参数。     

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。     

不同排水条件下砂-黄土界面的剪切力学特性

为了研究异质土在不同排水条件下的力学机理,进行了一系列环剪试验,对单一黄土、单一砂、砂-黄土组成的异质土在剪切力学特性上的差异及其产生机理进行了比较分析。结果表明：在不同排水条件下,砂-黄土组成的异质土在相互接触剪切的过程中,剪切应力变化形态和抗剪强度与单一黄土、单一砂之间存在显著差异,即砂-黄土组成的异质土在其剪切过程中呈现出了黏性土的剪切力学特征;在相同剪切速率条件下,砂-黄土组成的异质土在不同排水条件下的抗剪强度比单一黄土和单一砂的抗剪强度至少降低了71%和51%。不同排水条件下砂-黄土的剪切力学性质出现了差异,其主要原因与剪切面处砂与黄土之间的相互作用以及剪切面处土体内孔隙水状态有关。     

颗粒粒径对格栅-土界面静、动力直剪特性的影响

为研究颗粒粒径对格栅-粗粒土界面单调直剪和循环剪切特性的影响,利用大型直剪仪进行了一系列室内大型单调直剪试验、循环直剪试验和循环后单调直剪试验,并将单调直剪试验与循环后单调直剪试验的结果进行了对比分析,研究了循环剪切应力历史对界面直剪强度特性的影响。结果表明:单调直剪试验中,随着粗粒土粒径的增加,界面似黏聚力和内摩擦角增加;循环剪切中界面抗剪强度发生硬化,同一循环位移幅值下颗粒粒径越小,界面在循环剪切过程中的硬化速度越快;遭受循环剪切后界面残余应力比降低,峰值似黏聚力显著增长。     

陕西泾阳南塬滑坡干湿黄土快速大剪切力学特性

借助于先进的多功能大型高速高压环剪试验机,针对陕西泾阳南塬滑坡中的饱和黄土、干燥黄土在快速大剪切位移条件下的力学响应特性进行了环剪试验研究。研究结果表明:1)在相同试验条件下,与干燥状态黄土相比,泾阳南塬黄土在饱和条件下抗剪强度指标降低。2)在连续快速剪切条件下,泾阳南塬滑坡饱和与干燥黄土均表现出应变软化特征,饱和黄土比干燥黄土的软化特征更加显著。3)在相同法向应力条件下,剪切速率对饱和和干燥黄土峰值强度均有显著影响,但两种状态下土体峰值强度随剪切速率变化特征不同。饱和黄土峰值强度随剪切速率的增大而增大,而干燥黄土峰值强度随剪切速率的增大而减小。4)在不同含水状态下,泾阳南塬滑坡黄土剪切力学特性变化规律具有不同的产生机理。其中,干燥黄土抗剪强度在连续剪切过程中主要受黏土颗粒间摩擦(阻)力、颗粒运移与定向排列以及剪切面形态的控制。与干燥黄土相比,饱和黄土峰值抗剪强度变化主要受土黏聚力的控制并受水的影响;土体内水的作用能够加剧其应变软化程度并可形成光滑平整的剪切面形态,进而对其峰后剪切应力变化产生影响。     

土工织物与吹填土界面作用特性试验研究

筋-土界面强度参数是加筋结构设计和稳定分析的关键技术指标。拉拔试验能较好模拟现场加筋行为而得到广泛的应用。基于拉拔和直剪试验研究了拉拔（剪切）速率对筋-土界面特性和吹填砂强度特性的影响规律及机制,同时探讨了不同填料界面、筋材类型的加筋效果。结果表明：随着拉拔（剪切）速率的增大,吹填砂-筋材-吹填砂界面的抗剪强度下降明显,而软土-筋材-吹填砂界面以及砂本身强度则变化不大。从强度指标来看,拉拔速率增大,筋-砂界面强度的降低主要表现为似黏聚力的降低,筋-软土界面抗剪强度的增加表现为内摩擦角增大,剪切速率对吹填砂则基本无影响。筋-土界面特性受拉拔速率和正应力的共同影响,与筋材类型和填料特性有关。筋-土界面内摩擦角小于填料摩擦角,但在一定正应力下低速剪切时（如<0.53 mm/min）可获得高于填料的抗剪强度。宜根据似黏聚力大小合理选择摩擦参数进行加筋结构的设计与评价。     

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。     

人工配制生活垃圾强度特性的超大型直接剪切试验

将生活垃圾分为易降解材料、难降解材料和不可压缩的固体材料3大类,其比例为50%、15%、35%。在环境土工实验室,人工配制该比例的垃圾,采用超大型直接剪切试验仪器,进行了生活垃圾强度特性及抗剪强度参数的研究。研究表明,生活垃圾的强度与压缩时间和剪应变有关,且符合库仑定律,得到了初始孔隙比为2.9的生活垃圾在不同压缩时间及不同剪应变下的抗剪强度参数,黏聚力为9.69~15.64kPa,内摩擦角为18.73~35.53。     

Investigation of fiber effect on the mechanical behavior of municipal solid waste by different shearing test apparatuses

This paper embraces the results of a study on the mechanical behavior of municipal solid waste, MSW, and the effect of shearing mechanism on its mechanical response. Totally, 9 drained direct shear tests and 9 drained triaxial tests have been performed on fresh MSW samples with fiber contents of 0, 6 and 12%. Each apparatus represents a different shearing mechanism. The composition and compaction condition for MSW samples in each fiber content, employed in both shearing test devices, were the same. In triaxial tests, since the shear plane was cutting through the fibers, with increase in the fiber content, an increasing trend of strength was observed; on the contrary, this trend was decreasing in direct shear tests because fiber alignment was parallel to the shear plane. Test results show that the effect of fibers in the triaxial tests depends on the level of imposed axial strain on the samples as well as the confining stress. Based on the findings of this paper, hardening behavior of MSW is attributed to reinforcement action of fibers and particle compressibility.     

Shear strength of municipal solid waste for stability analyses

This paper investigates the shear strength of municipal solid waste (MSW) using the back analysis of failed waste slopes as well as field and laboratory test results. Shear strength of MSW is a function of many factors such as waste type, composition, compaction, daily cover, moisture conditions, age, decomposition, overburden pressure, etc. These factors together with non-standardized sampling methods, insufficient sample size to be representative of in situ conditions, and limited shear displacement or axial strain imposed during the laboratory shear testing have created considerable scatter in reported results. Based on the data presented herein, large shear displacements are required to mobilize the peak shear strength of MSW which can lead to displacement incompatibility between MSW and the underlying material(s) such as geosynthetic interfaces and foundation soils. The data presented herein are used to develop displacement compatible shear strength parameters for MSW. Recommendations are presented for modeling the displacement and stress dependent strength envelope in stability analyses.     

黏性材料细观与宏观力学参数相关性研究

岩土工程数值模拟技术中参数选取的正确性是反应材料真实力学特性的基本前提。借助于颗粒离散元分析软件PFC2D,对黏性土类材料样本开展了大量的平面双轴压缩试验。通过记录不同围压下样本的轴向应力峰值,并依据摩尔-库仑强度准则对数值试样的剪切强度参数（内摩擦角、黏聚力）进行标定。着重探讨了黏性材料细观参数中颗粒刚度比kn /ks（0.5～10共12组）、颗粒粘结强度SBS（0～50 kPa共12组）、颗粒摩擦系数?（0～6共16组）以及颗粒粘结强度比K（0.1～10共15组）和材料宏观剪切强度参数以及材料剪切特性之间的相关性。研究结果表明：颗粒粘结（法向、切向）强度同对材料黏聚力呈线性相关;颗粒摩擦系数与材料内摩擦角呈近似对数相关;颗粒刚度比大小对材料剪切强度参数变化亦有微弱的影响;此外,K值（切向粘结强度/法向粘结强度）是影响材料的剪切破坏形态的重要因素。最后,采用了两个多元非线性拟合公式,定量地描述了以上各细观参数和材料宏观剪切强度参数的联合关系,并给出了K值的建议取值,为后续的研究提供重要的理论基础。     

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     

Micromechanical investigation of the particle size effect on the shear strength of uncrushable granular materials

Particle size strongly influences the shear strength of granular materials. However, previous studies of the particle size effect have focused mainly on the macroscopic behavior of granular materials, neglecting the associated micro-mechanism. In this study, the effect of particle size on the shear strength of uncrushable granular materials in biaxial testing is investigated using the discrete element method (DEM). First, a comprehensive calibration against experimental results is conducted to obtain the DEM parameters for two types of quartz sand. Then, a series of biaxial tests are simulated on sands with parallel particle size distributions to investigate the effect of particle size on macro- and microscopic behaviors. Finally, by adopting the rolling resistance method and the clump method, irregular-shaped particles are simulated to investigate how the particle size effect will be influenced by the particle shape. Simulation results demonstrate that (1) the peak shear strength increases with particle size, whereas the residual shear strength is independent of particle size; (2) the thickness of the shear band increases with the particle size, but its ratio decreases with particle size; (3) the particle size effect can be explained by the increase of friction utilization ratio with particle size; and (4) the particle size effect is more significant in granular materials that consist of particles with higher angularity.

     

短龄期城市固体垃圾直剪试验及应力位移模型

城市固体垃圾（MSW）的力学行为是环境岩土工程研究中的一个主要课题。进行了1、4、7 d共3组短龄期的MSW试验室直剪试验,每组试验分别考虑3种不同密度。试验结果表明,MSW试样的直剪破坏仍遵循摩尔-库仑破坏准则。密度较大试样的抗剪强度在1～7 d龄期内持续增长;密度较小试样的抗剪强度在1～4 d龄期内增长,在4～7 d龄期内降低。MSW试样的摩擦角随龄期的发展单调增加,但黏聚力随龄期先增大而后减小。分析了传统剪应力-位移模型的不足,提出了一个新的复合正切-指数曲线模型,该模型具有良好的数学性质,较传统模型有更广泛的适用性。试验数据拟合表明,新模型能很好地描述MSW的剪应力-位移过程,相关系数均大于0.99。其结果可供相关填埋场设计及工程数值分析参考     

中高龄期模型固体废弃物三轴试验与强度特性分析

为揭示中、高龄期城市固体废弃物（MSW）的力学特性,通过向石英砂、高岭土混合物中加入不同质量比的草炭人工配制模型固废试样,开展了三轴固结排水剪切和固结不排水剪切试验研究。试验结果表明,中高龄期模型固废均表现出持续硬化的应力应变特性,固结排水试验中中龄期模型固废的体变略大于高龄期,固结不排水试验中高龄期模型固废的孔压略高于中龄期。采用15%轴向应变对应的剪应力描述其抗剪强度,并根据Skempton有效应力原理,通过对比固结排水试验和固结不排水试验结果,得出了固废的孔隙水压力折减系数和抗剪强度参数,孔隙水压力折减系数随龄期增加而增大,高龄期模型固废得到的黏聚力低于中龄期,高龄期固废得到的内摩擦角则高于中龄期。     

新鲜生活垃圾压缩与直剪联合测定试验研究

在环境土工实验室人工配制了新鲜生活垃圾,采用大型压缩与直剪联合测定仪器,对96个新鲜垃圾试样进行了压缩变形、剪应力及剪应变联合测定试验,研究了垃圾的压缩变形对强度的影响及规律。试样的初始孔隙比分别为2.1、2.5、2.9,试样竖向压力分别为25、50、100、200 kPa,每级压力作用下的时间分别为0、0.25、0.5、1、2、6、12、24 h。试验研究表明,（1）不同压缩时间下剪应力与剪应变的关系符合双曲线模型,模型参数a在0.028～0.144之间,参数b在0.012～0.024之间;（2）不同竖向压力及不同剪应变限值下抗剪强度与竖向压缩应变（压缩时间）的关系可以拟合成多项式的形式,得到了参数的拟合值及相关系数,相关系数在0.63～0.98之间;（3）不同初始孔隙比的抗剪强度与竖向压力的关系符合库仑定律,得到了不同剪应变限值的抗剪强度参数,黏聚力在11.1～34.2 kPa之间,内摩擦角在 11.2°～30.6°之间。     

颗粒形态对离散介质剪切强度的影响

自然条件下,颗粒介质大多以非规则单元形态存在。非规则几何形态对颗粒介质的宏观力学性能有很大影响。针对颗粒单元的不同几何形态,采用团颗粒单元对离散介质的直剪试验过程进行了离散元数值计算,详细地讨论了颗粒形态对离散介质剪切强度的影响。该非规则颗粒由不同形态、不同数目、镶嵌尺寸、组合方位和颗粒大小的球形颗粒进行随机构造,其在局部与整体坐标之间的转动、力矩和方位关系通过4元素方法进行确定,基本球体颗粒之间的作用力采用具有Mohr-Coulomb摩擦定侓的Hertz-Mindlin非线性接触模型,并考虑了非线性法向粘滞力的影响。通过构造7种具有相同的质量概率分布的不同形态的团颗粒,在不同法向应力下,对团颗粒的直剪试验进行了离散元模拟,分析了不同形态颗粒的剪切强度。通过对不同形态颗粒介质剪切强度的数值分析,进一步揭示了非规则颗粒间的咬合互锁效应,为分析非规则颗粒的宏观动力特性提供了依据。