真三轴试验中的端部摩擦效应分析

端部摩擦效应是三轴试验的常见问题之一。相对于常规三轴试验,由于在茂木式真三轴试验中方形试样4个端部需设置两对端部垫块,从而导致端部摩擦问题更加突出。运用FLAC3D,针对Mohr-Coulomb材料,即无中间主应力影响材料,模拟真三轴加载过程中端部摩擦对试样强度和变形行为的影响。计算结果表明,端部摩擦也可以产生虚假中间主应力效应,即使对于无中间主应力效应材料,中间主应力也会导致最大破坏主应力的增加,且摩擦系数越大,这种趋势则越明显。分析了端部摩擦产生这种趋势的原因,指出了真三轴试验中减小端部摩擦的重要性。     

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。     

数字图像测量技术在土工三轴试验中的应用研究

将数字图像处理技术应用于土工三轴试验土样变形测量,提供了一种新的非接触变形测量手段。可消除传统三轴系统的变形测量误差,可测量土样任意部分的局部变形、剪切带的形成和发展过程,可定量分析橡皮膜嵌入的影响,还可实时跟踪并纪录土样变形过程。文中讨论了图像测量结果与传统测量结果的差别,指出对于标准的小三轴试样可以取中间40 mm左右的试样段进行变形测量以排除端部效应影响。     

软土三轴剪切蠕变试验研究及模型分析

将数字图像测量技术运用于三轴剪切蠕变试验,试验结果表明,土粒间水膜厚度对土的蠕变有很大的影响,不排水时,试样土颗粒间水膜保持不变,土的黏滞系数基本为一定值,土的流变变形较大;排水时,随着水的排出土体发生固结硬化,土颗粒间水膜变薄,土的密度增大,黏滞性增强,流变变形较小。在排水条件下,加载瞬间孔隙水压力会持续上升产生Manadei-Cryer效应,整个过程历时约10 min。随着偏应力水平的增加,试样发生鼓胀变形,进而形成剪切面发生剪切破坏;受排水路径的影响,剪切面通常位于试样偏下部位。对比数字图像测量方法和试样排水体积换算法在获得剪切应变时的试验结果,表明试验过程中试样变形的不均匀会导致排水体积换算法在计算剪切应变时产生较大误差;Singh-Mitchell模型很好地描述土的剪切流变特性,确定参数时两种方法得到的参数相差不大,偏应力水平较低时可采用排水量换算法进行确定。     

基于数字图像测量系统的饱和细砂渐进破坏特性研究

基于亚像素角点检测的数字图像测量系统能够记录三轴试样表面方块角点的位移,从而获得试样表面每一时刻的局部应变及应变场。分析了试样不同位置的局部径向应变在剪切过程中的变化,获得了以不同初始成样含水率制备的松砂和密砂试样在不同特征时刻的应力与应变的特征值。通过轴向应变场的变化分析了从应变局部化出现到剪切带发育、形成的这一完整的渐进破坏过程,总结了剪切带形成时的局部最大轴向应变特征值,并定性地分析了剪切带内、外土体在渐进破坏过程中不同的轴向应变增长率。试验结果表明：在应变场中试样应变局部化明显,并可以依此确定应变局部化的出现、剪切带的形成;对于密砂及初始含水率为0%制备的松砂试样,应力在应变局部化出现之初即达到峰值,剪切带形成时应力已经开始下降,进入应变软化阶段;以初始含水率为6%和12%制备的松砂试样在达到应力峰值时剪切带已经形成;剪切带内土体的局部轴向应变增长幅度比剪切带外的土体大得多。试样整体轴向应变的增大主要是由剪切带内土体剪切破坏产生的较大轴向应变所致。     

压实黏土三轴压缩变形过程中的渗透性变化规律

对某高坝心墙黏土进行了三轴压缩过程中的轴向渗透试验,观测了不同压实密度的试样在不同围压下轴向渗透系数随轴向应变的变化过程以及试样的变形形态。试验发现,三轴压缩过程中试样的渗透系数的变化趋势与压实密度和围压有关。当围压大于试样的前期固结压力时,试样在三轴压缩过程中一直呈现体缩,变得更密实,因而渗透系数随着轴向应变的增加而减小,最后趋于稳定。当围压远小于试样的前期固结压力时,试样产生了对抗渗不利的集中剪切带,集中剪切带成为渗流通道,使得试样的表观轴向渗透系数随轴向应变的增加而显著增大。重度压实的黏土在低围压下的大剪切变形下会产生高渗漏性的集中剪切带的试验事实,可以用来解释土石坝心墙的局部渗漏现象。     

考虑应变局部化的粗粒料剪切损伤力学机制

针对粗粒料的应变软化、剪胀等力学特性,通过考虑以剪切带为标志的应变局部化现象,建立了具有广泛适用性的剪切损伤力学模型。损伤模型采用了包体理论中的剪切带数学简化,基于应变等价原理、Weibull分布,推导了粗粒料的应力-应变关系方程。从剪胀作用的机制出发,提出可以描述剪胀弱化的轴向塑性应变和体积塑性应变的非线性函数关系。结合粗粒料三轴压缩试验中的伺服过程,提出了基于遗传算法的损伤模型参数确定方法。通过开展不同围压下的粗粒料三轴压缩试验,对剪切损伤力学模型进行验证,进一步分析了参数演化对粗粒料强度和变形特征的影响。研究结果表明,考虑应变局部化特征的剪切损伤力学模型可以高精度的模拟粗粒料的应变软化和剪胀等特征,有效揭示剪切带内部变形对试样整体宏观变形的影响机制,模型中剪切带参数和围压的关系与粗粒料细观机制一致,计算得到强度组成与颗粒破碎、重组特征较为吻合。     

颗粒流理论模拟砂土的力学性质

文中采用颗粒流理论模拟了砂土双轴试验和砂土剪切带的形成与发展机理。通过颗粒流数值模拟试验再现了砂土应力－应变关系曲线，同时研究了砂土细观参数变化时其宏观力学性质的反应。对比研究了室内试验与颗粒流试验砂土剪切带的形成与发展机理，同时研究了当细观参数如颗粒大小、刚度、摩擦系数变化时，砂土剪切带的变化规律。     

单轴压缩湿砂土试样主应变轴偏转规律试验研究

利用自主开发的基于粒子群优化的数字图像相关方法,获得了单轴压缩湿砂土试样观测平面内主应变轴偏转角的时空分布规律。采用双三次样条插值方法,获取了任意位置的主应变轴偏转角,分析了土样将来出现剪切带位置、剪切带的中心及其尖端附近和剪切带外的主应变轴偏转角随纵向应变的演变规律。研究发现,随着纵向应变的增加,在土样观测平面内,主应变轴偏转角的范围由分散逐渐变得稳定,大部分区域最终分布在-10°~10°之间。当出现较清晰的剪切带以后(硬化阶段后期),剪切带内不同位置处主应变轴偏转角基本趋于恒定或稍有下降,大致稳定在-5°~5°之间,这与剪切带外的点的主应变轴偏转角均处于发展之中不同;而在剪切带尖端附近的点,主应变轴偏转角随纵向应变的演变规律比较复杂。     

三轴试验土样的端部影响问题研究

在以往的研究中,由于受到三轴试样变形测量手段的限制,无法定量研究三轴试样的端部约束对试样受力变形及其测量结果的影响。采用数字图像测量技术,直接量测试样的轴向变形和径向变形,把它们与传统测量方法得到的变形测量结果进行比较,定量分析端部约束与端部接触对三轴试验土样的影响。同时笔者建议采用数字图像测量技术,直接测量三轴试样中间部分的土样变形,以此避开试样端部的影响,使试验结果更加真实可靠。     

单粒组密砂剪切带的直剪试验离散元数值分析

为分析砂土的剪切力学特性,采用离散元商业软件PFC2D对单粒组密砂在直剪试验中出现的剪切带进行了数值分析。改进传统的分条带观察方式,采用矩形格分割法观察试样内部不同区域的变形特性。对离散元商业软件进行了二次开发,实现了大小主应力及其应力主方向角的可视化,分析了试样内部的应力偏转情况。同时,以纯转动率和颗粒速度等微观变量为中心,观察了试样内部颗粒的运动状态,解析了直剪试验中砂土剪切带形成的微观机制。研究表明,直剪试验中应变局部化区域集中在剪切面附近的一个条带内。通过转动场和速度场的分析可知,剪切带宽度约为10～15倍的砂土平均粒径,带内颗粒转动明显,带边缘出现大的速度和转动变化梯度。对组构和接触力分布的分析可知,剪切过程中粒间接触点和接触力的主轴方向发生了相一致的偏转,偏转后的主轴方向为60°左右。     

减围压平面应变压缩试验条件下丰浦砂中剪切带特性研究

不同于常规土体单元试验中恒定围压的应力路径,进行了减围压（卸载）应力路径下丰浦砂的平面应变压缩试验,研究了初始围压和初始相对密度对砂土的剪切强度和剪切带特性的影响。结合二维数字图像（DIC）相关方法,分析剪切带的形成过程,对剪切带的厚度和倾角及其影响因素进行定量地分析。研究结果表明,剪切带形成于峰值剪切强度之前;对于密实丰浦砂试样,随着围压的增加,其剪切强度(最大有效主应力比)减小且峰值强度出现越晚,剪切带厚度减小而剪切带倾角变化不大;丰浦砂试样的相对密度越高,剪切强度越大且峰值强度出现越早,剪切带厚度越小而剪切带倾角越高。此外,基于峰值内摩擦角的Coulomb公式可以较好地预测平面应变试验条件下丰浦砂的最大剪切带倾角。     

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。     

Shear banding in geomaterials under extensional plane strain conditions: Physical and analytical model

The shear band (SB) spacing phenomenon in geomaterials is addressed in this paper under plane strain extensional conditions. On the basis of sand box observations, a method is proposed for the prediction of the spacing between shear bands based on the so-called “bookshelf” deformation mechanism. The proposed method is based on the assumption that the material is softening inside the shear bands whereas outside the SB it undergoes elastic unloading. The underlying assumption for the prediction of SB spacing is that the material reaches the lowest possible energy rate. An analytical expression for the determination of the shear band spacing is presented taking into account the plane strain extensional deformation of the specimen. The friction due to the normal off-plane shear acting on the boundaries is then taken into account.     

基于三维数字图像相关技术钙质砂颗粒运动行为试验研究

桩基附近土颗粒的运动行为与宏观力学表现密切相关,对揭示界面剪切机制具有重要意义。利用自主研制的大型直剪仪,结合三维数字图像相关技术（3D-DIC）全场位移测量分析系统,开展了钢−钙质砂界面循环剪切试验,研究了界面附近砂颗粒的运动行为演化规律。结果表明：界面峰值剪切应力和发挥的界面摩擦角随循环次数的增大而增加,体变特性以剪缩为主;钙质砂颗粒左右移动的幅度与距界面的垂直距离成反比,钙质砂颗粒的位置随循环次数的增大逐渐向正剪切方向移动,试验结束时上剪切盒左侧区域的钙质砂颗粒向正剪切方向移动的距离最大;钙质砂颗粒在单个循环内出现有规律的上下移动,向下移动的幅值更大,位于上层的钙质砂颗粒向下移动的位移值大于下层;钙质砂颗粒的运动速度在沿单方向剪切时,呈现出慢−快−慢的变化规律,位于上剪切盒右侧区域的钙质砂的体变特性较左侧区域更显著;网格位移值和缺失数量随循环次数的增大而增加,在试验后期趋于稳定,试验结束时的破碎带厚度为 6.21 mm。     

基于离散元的冻结砂土三轴力学特性研究

采用离散元软件中的平行黏结模型模拟冻土中冰-土颗粒间相互作用。通过调整模型细观参数,模拟了特定围压不同试验温度和应变速率条件下冻结砂土的三轴试验规律。进一步对比分析计算和试验结果表明,模型的细观参数中的刚度系数和黏结强度对材料的宏观力学行为影响较大,设定的黏结强度参数与温度成反比而和应变速率成正比。在宏观上,峰值强度随温度降低而增大,随应变速率的增大而增大。进一步分析离散元中颗粒的运动产生的剪切带倾角表明：剪切带倾角与温度成反比,而应变速率对其的影响较小;根据已有数据结果,剪切带与内摩擦角间的统计关系符合经典土力学中的摩尔-库伦解。     

A laboratory study of anisotropic geomaterials incorporating recent micromechanical understanding

This paper presents an experimental investigation revisiting the anisotropic stress–strain–strength behaviour of geomaterials in drained monotonic shear using hollow cylinder apparatus. The test programme has been designed to cover the effect of material anisotropy, preshearing, material density and intermediate principal stress on the behaviour of Leighton Buzzard sand. Experiments have also been performed on glass beads to understand the effect of particle shape. This paper explains phenomenological observations based on recently acquired understanding in micromechanics, with attention focused on strength anisotropy and deformation non-coaxiality, i.e. non-coincidence between the principal stress direction and the principal strain rate direction. The test results demonstrate that the effects of initial anisotropy produced during sample preparation are significant. The stress–strain–strength behaviour of the specimen shows strong dependence on the principal stress direction. Preloading history, material density and particle shape are also found to be influential. In particular, it was found that non-coaxiality is more significant in presheared specimens. The observations on the strength anisotropy and deformation non-coaxiality were explained based on the stress–force–fabric relationship. It was observed that intermediate principal stress parameter b(b = (σ ₂ ? σ ₃)/(σ ₁ ? σ ₃)) has a significant effect on the non-coaxiality of sand. The lower the b-value, the higher the degree of non-coaxiality is induced. Visual inspection of shear band formed at the end of HCA testing has also been presented. The inclinations of the shear bands at different loading directions can be predicted well by taking account of the relative direction of the mobilized planes to the bedding plane.     

土体强度与变形尺度特性的理论与试验分析

土体是一种颗粒介质,其强度与变形特性具有显著的颗粒尺度效应。采用胞元土体模型和三轴抗剪试验分析了土体强度和变形的尺度效应特性。根据土体中不同尺度颗粒间相互作用表现出的聚集和摩擦效应,提出了“基体-增强颗粒”土体胞元模型,胞元体由基体和增强颗粒组成,其中基体由微小土颗粒集成,而增强颗粒为砂粒,宏观土体则简化为由许多胞元体构成的介质。引入广义球应变和广义等效应变,基于应变能导出了考虑颗粒尺度效应的应力-应变关系以及屈服应力计算公式;同时,针对增强颗粒不同粒径和体分比的土体进行一系列三轴不排水抗剪试验,给出了应力-应变和屈服应力尺度效应的测试结果。试验和理论计算结果均表明,土体强度和变形的尺度效应随增强颗粒的体分比增加以及粒径的减小而增强,由此反映出土体强度和变形显著的尺度效应;土体强度和变形尺度效应的理论预测结果与试验具有较好的一致性。     

A two-scale constitutive framework for modelling localised deformation in saturated dilative hardening material

Undrained deformation of dilative sand generates negative excess pore pressure. It enhances the strength, which is called dilative hardening. This increased suction is not permanent. The heterogeneity at the grain scale triggers localisations causing local volume changes. The negative hydraulic gradient drives fluid into dilating shear zones. It loosens the soil and diminishes the shear strength. It is essential to understand the mechanism behind this internal drainage and to capture it numerically. The purpose of this paper is to develop a macroscopic constitutive relationship for the undrained deformation of saturated dense sand in the presence of a locally fully or partially drained shear band. Separate constitutive relations are generated for the band and intact material. Both time and scale dependence during pore fluid diffusion in saturated sand are captured, eliminating the mesh dependency for finite element implementations. The model is applied to the Gauss points that satisfy the bifurcation criterion. The proposed method is calibrated to recreate the undrained macroscopic response bestowed by an extra-small mesh. The microscopic behaviours inside and outside shear band predicted by this model are qualitatively in good agreement with individual material point behaviours inside and outside the shear band in the extra-small mesh. Depending on the loading rate and the shear band thickness, the response inside the band can be fully or partially drained, which governs the ultimate global strength. The calibrated model is exploited to simulate an upscaled biaxial compression test with semipermeable boundaries.