粗粒土剪胀性大型三轴试验研究

剪胀性是土体显著区别于一般弹性材料的基本特性,与土体的强度和变形特性密切相关。通过4组不同初始密度的塔城砂砾石常规大型三轴试验,研究剪胀性对粗粒土强度和变形特性的影响。试验结果表明,（1）若体变速率（体变和轴向应变均以压缩为正）先从正值减小到负值并达到最小值,随后又有所增大但仍小于0,则应力-应变曲线为软化型,在比值为最小值时土体剪胀性最大,对应于峰值强度,若体变速率从某一正值单调减小并一直大于0,则应力-应变曲线为硬化型;（2）体变变化趋势取决于剪胀性和压缩性的大小,剪切后期若剪胀速率大于压缩速率,则体变先压缩后膨胀,应力-应变曲线呈软化型,反之若剪胀速率小于压缩速率,则体变一直是压缩的,应力-应变曲线呈硬化型。研究结果对于加深认识粗粒土的强度和变形特性具有重要意义。     

粗粒土的颗粒破碎耗能及剪胀方程研究

颗粒破碎对于粗粒土的应力变形性质有显著影响。在Rowe剪胀方程的基础上考虑颗粒破碎耗能的影响,并引入颗粒破碎的演化规律对颗粒破碎耗能进行计算,得到了一个简单实用且对粗粒土适用性较好的剪胀方程。主要结论如下：（1）通过粗粒土的三轴CD试验结果分析并证明了弹性应变对于剪胀比的影响较小,因此,可以将剪胀比 表示为 ,进而得到了剪胀方程表达式的一般形式。（2）将剪胀方程中的临界状态应力比Mc折减为摩擦系数M,并引入了颗粒破碎的演化规律,将M定量表示为广义剪应变的函数,从而使得所计算的破碎耗能在剪切过程中是递增的,且逐渐趋于稳定值,符合了颗粒破碎不可逆的规律。（3）试验表明,剪胀方程中的未知量 与摩擦系数M之间呈现显著的线性关系,将该关系代入剪胀方程即确定了方程的具体表达形式,并且利用堆石料的三轴CD试验证明了其对粗粒土的剪胀性预测效果较好。     

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。     

土的可恢复剪胀的一种解释

从土的各向异怀角度对土的可恢复剪胀现象进行了解释。基于各向异性情况下的土体弹性本构关系理论分析，认为土的可恢复剪胀现象可部分归因于土的各向异性引起的弹性剪胀。借助有关土体弹性参数实验结果，研究了应力诱导各迥异性对土体弹性剪胀的影响，结果表明：随土体应力诱导各向异性的增大，土体的弹性剪胀也增大。从土体弹性剪胀角度研究了土的卸荷体缩条件，认为土体卸荷体缩取决于加载应力路径的应力增量比，给出了土体出现卸荷体缩的区域。     

基于大三轴试验的粗粒土剪胀性研究

采用大三轴剪切仪对3种不同相对密度的双江口心墙坝覆盖层料进行固结排水剪切试验,重点研究粗粒土的剪胀特性,分析粗粒土的剪胀性与围压、相对密度之间的关系,并检验修正剑桥模型的剪胀方程、Rowe剪胀方程对粗粒土的适用性。结果表明,粗粒土在低围压下表现出明显的剪胀趋势,随着围压的增加,逐渐由剪胀向剪缩过渡;随着密度的增大,粗粒土的剪胀性明显增强;相变应力比是粗粒土剪胀强弱的一个重要影响因素,其随密度的增加而增加,随围压的增大则呈线性减小趋势;粗粒土的剪胀性与相对密度、围压关系密切,根据试验数据得出最大剪胀率 与相对密度 、围压 之间的关系式;修正剑桥模型的剪胀方程不能反映粗粒土的剪胀性;Rowe剪胀方程在一定程度上能反映粗粒土的剪胀性,但高围压下在压缩阶段低估了其压缩性,而在剪胀阶段则高估了其剪胀性。     

基于状态参数的粗粒土应变软化和剪胀性模型研究

基于状态参数的概念,将粗粒土峰值应力比和剪胀比视为状态参数的函数,同时考虑初始模量随围压的变化,提出了一个弹塑性模型和模型参数的确定方法。该模型形式较简单,概念清晰,可以描述较大的密度和压力范围内粗粒土的应变软化和剪胀性,以及它们对物理状态和有效围压的依赖性。通过比较模型预测与粗粒土的三轴试验结果,证明了模型的合理性。     

土与结构接触面力学特性环剪试验研究

利用环剪仪对不同的土与混凝土接触面的力学特性进行了研究。分别对有泥皮及没有泥皮的接触面情况进行试验,并对剪切面位于黏土内的情况进行了试验。结果表明,不同接触面的应力-应变特性差异很大,泥皮的存在明显改变了接触面的性状;对没有泥皮的情况,剪切破坏面可能发生在土体内部,也可能发生在土-混凝土接触界面;而有泥皮时,破坏面始终发生在泥皮内部。试验的各种接触界面中,破坏时平均剪应力与法向应力具有较好的线性关系, 接触面强度可用摩尔-库仑准则较好地描述;当有泥皮存在时,摩擦角为没有泥皮时的63.4 %。     

土-混凝土接触面特性环剪单剪试验比较研究

对可用于接触面应力变形及强度特性试验的直剪仪、单剪仪及环剪仪的优缺点进行了比较分析。对某土料与混凝土接触面的应力-变形及强度特性进行了单剪试验研究,试验包括土-混凝土接触面及土-泥皮-混凝土接触面两种。同时,将已有的环剪试验成果与单剪试验结果进行了比较分析。研究了环剪试验与单剪试验成果的差异。结果表明,单剪试验测得的抗剪强度比环剪试验测得的低30%～40％,环剪试验用于接触面强度特性研究较合适,而单剪试验用于较低应力水平下的应力-变形试验更好,泥皮的存在使得接触面强度降低30%左右。     

K0固结粗粒土剪胀特性大型三轴试验研究

采用大型三轴剪切仪对不同相对密度的双江口心墙坝覆盖层料,进行了 固结及各向等压固结条件下的排水剪切试验,探讨了 固结及各向等压固结条件下粗粒土剪胀性的差异,并检验了修正Rowe剪胀方程对 固结粗粒土的适用性。结果表明：粗粒土在 固结条件下,较各向等压固结条件下的剪胀性明显,且这种差异性在密度较小的粗粒料中体现较为突出,而随着密度的增加,差异性逐渐减弱;对试验数据进行非线性拟合,总结出剪胀因子 与相对密度 、围压 之间的关系式,据此可分析不同紧密程度粗粒料剪胀性的强弱;对 固结粗粒土,修正Rowe剪胀方程能较好地描述其剪胀性。     

土与结构物接触面损伤本构模型

根据粗糙接触面变形机理,建立了基于损伤力学基本原理的接触面本构模型来描述其力学特性。所建议的损伤模型可以用一个统一的表达式来表述,能够较好地反映土与结构物接触面剪切过程中的应变软化和剪胀等力学特性;模型参数较少,物理意义明确。对接触面直剪试验和单剪试验成果进行了验证,模型计算与试验结果吻合较好,表明建议的土与结构物粗糙接触面损伤模型是合理可行的。     

等应力增量比路径下接触面应变软化模型

等应力增量比路径单剪试验条件下,部分土体与结构接触面表现出明显的应变软化和剪胀特性。基于广义位势理论,将土与结构的接触面问题看作应力空间上的二维问题,势函数取法向应力和切向应力,用塑性状态方程取代传统的屈服面,建立等应力增量比路径条件下的土与结构接触面应力-应变软化模型。采用指数函数,拟合单向压缩试验中法向应力与法向应变的关系,采用复合指数函数,拟合应力比与切向应变的关系,采用另一复合指数函数,拟合法向剪胀分量与切向应变的关系。通过对拟合函数进行微分,确定模型中待定系数的求解方法。结合试验结果对模型进行验证,模型拟合效果良好,具有一定的合理性。     

基于广义位势理论的接触面本构模型一般表述

基于广义位势理论建立的岩土体材料本构模型以及岩土体材料与结构接触面本构模型原理相通,只是前者是在三轴剪切试验条件下的三维应力空间建模,后者是在单剪试验条件下的二维应力空间建模。单剪试验条件下土与结构的接触面问题可以看作是法向与切向应力空间上的二维问题,其试验结果可以表达成由应力、应变组成的二维矢量。结合接触面力学特性,确定应力空间中的势函数以及塑性状态方程,可以推导出双重势面接触面弹塑性本构方程的一般表达式。进一步取两个势函数分别为法向应力和切向应力,建立简化双重势面接触面弹塑性模型的本构方程,该方程可直接应用于有限元等数值分析。结合试验实例对建模方法的合理性进行验证,模型拟合效果良好。研究结果表明,基于广义塑性位势理论建立接触面本构模型无需推求塑性势函数和屈服函数,可以直接得到弹塑性刚度矩阵,且建模方便。     

A bounding surface model for saturated and unsaturated soil-structure interfaces

In many geotechnical systems, such as reinforced slopes and embankments, soil-structure interfaces are often unsaturated. Shear behaviour of unsaturated interfaces is strongly dependent on their matric suctions, as revealed by the results of extensive laboratory tests. So far, constitutive models for unsaturated interfaces are very limited in the literature. This paper reports a new bounding surface model for saturated and unsaturated interfaces. New formulations were developed to incorporate suction effects on the flow rule and plastic modulus. To examine the capability of the proposed model, it was applied to simulate suction- and stress-controlled direct shear tests on unsaturated soil–cement, soil–steel and soil–geotextile interfaces. Measured and computed results are well matched, demonstrating that the proposed model can well capture key features of the shear behaviour of unsaturated interfaces, including suction-dependent dilatancy, stress–strain relation and peak and critical state shear strengths.     

剪胀角对地基承载力的影响

采用有限元强度“折减”的基本原理,给出了地基承载力确定的数值模拟方法,并讨论了剪胀性材料的地基承载力与材料剪胀角的变化关系。算例表明,地基承载力随剪胀角的增大而增大。因此,求解地基承载力时,需要考虑剪胀角的影响。     

夹有泥皮粗粒土与结构接触面力学特性试验研究

进行了粗粒土与结构之间夹有泥皮和无泥皮两种状态的接触面单调和循环剪切试验,初步研究了夹有泥皮时接触面静动力学特性的规律和作用机理。试验表明,泥皮对粗粒土与结构接触面的力学特性有重要影响。当泥皮不厚时,接触面仍表现出粗粒土与结构接触面的基本力学特性。泥皮越厚,接触面的抗剪强度越低,相对法向位移会越大。当泥皮极厚时,泥皮将隔断粗粒土与结构面的接触而成为泥皮与结构接触面。泥皮对接触面力学特性的影响程度不仅与泥皮本身的特性及其厚度有关,还与构成接触面的结构面材料与粗粒土的特性有关。     

循环荷载作用下接触面的边界面模型研究

基于边界面的概念,建立了循环荷载作用下砂与结构物接触面的边界面塑性模型,以描述其剪切应力与剪应变的滞回特性。该模型考虑了初始相对密度和法向应力的影响,同时在弹性模量中引入损伤因子,反映了接触面在循环荷载下逐渐硬化的性质。通过比较理论计算与试验结果,显示了该模型的合理性。     

考虑土体剪胀性和应变软化性的K-G模型

在三轴试验中密实无粘性土具有剪胀性和应变软化性,广泛应用于工程计算的非线性弹性邓肯-张模型、常规的非线性弹性K-G模型等都不能反映土体的这些性质。根据紫坪铺面板堆石坝筑坝料的大量三轴试验研究,分析密实无粘性土的剪胀性和应变软化性,提出了考虑这种剪胀性和应变软化性的K-G模型和模型参数的求取方法;通过预测曲线与试验曲线对比说明模型的合理性。模型适应多种应力路径,参数可方便地求取,可以在有限元应力-应变分析中推广运用。     

Fabric dilatancy and the plasticity modeling of granular media

A novel conceptual model of the mechanics of sands is developed within an elastic–plastic framework. Central to this model is the realization that volume changes in anisotropic granular materials occur as a result of two fundamentally different mechanisms. The first is purely kinematic, dilative, and is the result of the changes in anisotropic fabric. There is also a second volume change in granular media that occurs as a direct response to changes in stress as in a standard elastic/plastic continuum. The inclusion of the two sources of volume change results in three important datum states. When subjected to isotropic strains, the resulting stress state in granular materials is not isotropic but lies upon the kinematic normal consolidation line. There exists a state at which the fabric‐induced volumetric strain rate becomes equal to the stress‐induced volumetric strain rate making the total plastic volumetric strain rate equal to zero. Granular response changes from contractive to dilative at this phase transformation line. The third datum state is the one in which the stress‐induced volumetric strain rate is zero. The sand, however, continues to dilate at this state with the difference between stress and dilation ratio a constant as predicted by Taylor's stress–dilatancy rule. These predictions are shown in accordance with experimental data from a series of drained tests and undrained on Ottawa sand. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.