模拟月壤的抗剪强度特性试验

对火山玄武岩破碎后形成的6个粒组区间的试样依规范进行直剪试验,得出不同相对密度下的内聚力和内摩擦角试验数据;根据抗剪强度参数的统计结果,按Chauvenet法剔除粗差数据,并评价变异性,以提高数据的准确性和可靠度。对试样在不同的相对密度下和不同粒组区间的力学规律进行对比、研究分析后得出:模拟月壤的内聚力为0.33~5.5kPa,内摩擦角为29.1°~35.65°;抗剪强度参数与颗粒粒径、密度具有较好的线性关系;颗粒粒径决定了密度的变化范围,这导致了抗剪强度参数在密度的一定的范围内随之变化,而总的变化趋势却是由粒径来控制的。根据以上结论,按一定颗粒级配研制模拟月壤混合样,其内聚力为0.16~1.59kPa,内摩擦角为34.8°~45.5°,符合真实月壤的实际情况。可为后续的模拟月壤研制和性能评估提供参考。     

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。     

月壤双轴试验的剪切带离散元数值分析

土体的破坏问题一般都是从其剪切带入手进行研究的。针对真实月壤所处的环境（无水、低重力场、低气压等）和内摩擦角较大的特点,采用最近提出的1种考虑粒间抗转动作用与粒间范德华力2个因素的月壤散粒体力学接触模型,用离散单元法模拟了柔性边界条件下月球环境（含范德华力）与地球环境（不含范德华力）2种试样的双轴压缩试验,通过试样局部变形、速度场、孔隙比及转动场的变化情况研究了2种试样剪切带形成与发展。研究结果表明,剪切带的形成是试样内部应变局部化的结果,同时也伴随着试样内部颗粒相对转动的局部化,月面环境对试样的破坏形式与性状（剪切带的倾角及厚度）有显著的影响,探月工程中必须考虑到月面环境对月壤力学性质的影响。     

残积土抗剪强度的环剪试验研究

残积土风化剧烈,研究其大变形下的工程特性很有必要。利用环剪仪的试验特点,可以研究土体在较大剪切位移下抗剪强度的变化规律。通过对残积土残余和峰值强度的环剪试验测定和对试验数据的整理与对比分析,得到了含水率与残余强度指标之间的关系,证明大变形下残积土具有浸水软化的特性;从应变阈值角度分析了残积土应变软化的性质,不同剪切位移下的残积土具有不同的抗剪强度,所研究的残积土达到峰值强度对应的应变介于0.02～0.06之间,而到达基本稳定的残余强度所需要的应变介于0.06～0.20区域内。研究还发现,矿物成分不同直接影响到残积土的残余强度,是残积土不均匀性的内部因素     

非饱和粉煤灰抗剪强度试验研究

为避免基质吸力量测所带来的困难,通过寻找总应力抗剪强度指标与含水率w之间的关系,建立类似于饱和土的抗剪强度公式,对实际工程具有较强的应用价值。在制件过程中采取相应措施消除压实度和龄期等因素的干扰,确保试验结果能够真实反映含水率对抗剪强度的影响。在普通三轴仪上进行非饱和粉煤灰的抗剪强度试验,得到其总应力强度指标随含水率的变化规律。其中,非饱和粉煤灰的粘聚力c值随含水率的增加呈先增大后减小的二次抛物线变化,内摩擦角φ值随含水率的增加呈线性衰减。通过引入含水率,建立了非饱和粉煤灰总应力强度公式,公式中的含水率易于确定,抗剪强度计算简单,便于实际工程应用。     

重塑硅藻土抗剪强度的环剪试验研究

硅藻土是一种强结构性土,具有密度小、孔隙大、干燥土块吸水率高等特点。天然硅藻土的抗剪强度大,但在外界扰动或风化后,结构性强度丧失,易发生滑坡等斜坡变形破坏现象,因此,研究其在大变形下的力学性质很有必要。利用环剪仪可以研究土体在较大剪切位移条件下抗剪强度变化规律,对重塑硅藻土进行环剪试验研究,得到了不同竖向压力下的应力-位移曲线,认为重塑硅藻土为典型的应变软化型土;根据测试结果得到了重塑硅藻土的抗剪强度和残余强度,并从物质组成和微观结构特征方面对重塑硅藻土的力学性质进行了分析,为硅藻土滑坡的成因分析和灾害防治提供了依据。     

简化接触模型的月壤离散元数值分析

根据月壤其颗粒级配可归类于粉质砂土。针对真实月壤所处的环境（无水、低重力场、低气压等）,将Perko等2001年提出的月壤颗粒间的范德华力植入离散元分析软件PFC2D中,模拟了刚性边界下加入该模型与未加该模型试样的双轴压缩试验,研究了颗粒间范德华力对试样的宏观力学特性与微观颗粒接触的影响。结果表明,颗粒间的范德华力对试样的抗剪强度、体应变以及颗粒平均配位数都有显著的影响     

考虑颗粒棱角影响的直剪试验的离散元模拟

为了研究颗粒棱角对颗粒材料力学行为的影响,建立了具有不同棱角度的对称多面体颗粒,采用了一种简单并适合任意颗粒形状的接触本构模型,对三维离散元开源程序YADE进行了修改,研究了颗粒棱角度在模拟直剪试验中的影响以及接触力各向异性在剪切过程中的演化规律。研究结果表明,颗粒棱角度越小,颗粒间相互咬合自锁的作用越小,颗粒受剪更易转动,致使颗粒体系的剪切强度和剪胀性下降;竖向加载力越大,颗粒棱角度的影响越明显;法向接触力的各向异性在剪切过程中表现为先增后减最后趋向稳定的趋势;法向接触力的各向异性变化程度随颗粒棱角度的增大而增大。     

低围压下颗粒形态对软黏土抗剪强度影响的离散元分析

黏土颗粒形态不仅反映黏土的矿物组分,更是影响其物理力学性质的重要因素之一。为了研究物质组成对软黏土微宏观性质的影响,采用离散元方法对不同颗粒形态的软黏土试样进行三轴压缩模拟试验。首先,基于扫描电镜图像量化颗粒形态,对天然状态下黏土颗粒的方向角和凹凸度进行统计,引入球度和凹凸度作为颗粒形态的特征参数;然后,基于原生矿物的单粒结构和黏土矿物的片状结构特征,构造球体单粒及圆柱体、正方体、长方体的片状簇体;最后,基于三轴试验离散元模拟方法,分析软黏土颗粒形态对其宏观力学及微观特性的影响。结果表明:片状颗粒试样比球体颗粒试样的初始模量高,抗剪强度大,随加载其排列趋于水平向分布;加载初期,颗粒球度对初始弹性模量影响较明显,初始弹性模量随着球度增大而逐渐减小;加载后期,颗粒凹凸度对抗剪强度指标影响作用逐渐凸显,试样内摩擦角和黏聚力随着凹凸度增大而逐渐减小;微观结构上,颗粒形状对颗粒位移和旋转也有较大影响。     

土石混合料大型直剪试验的颗粒离散元细观力学模拟研究

土石混合料作为一种特殊的岩土介质越来越受到国内外众多研究者的重视。基于3维颗粒离散元PFC3D,建立了土石混合料直剪试验模型,进行了不同含石量、不同岩性的土石混合料直剪试验模拟研究。颗粒离散元模拟结果表明,土石混合料的石料岩性和含石量在很大程度上控制了土石混合料的抗剪强度特性。硬岩混合料的摩擦角普遍比软岩混合料大6°～ 7°,含石量为60%～80%时达到最大。土石混合料的剪切面不再是一个平面,其起伏度随含石量增加而增大。剪切过程中软岩混合料在低正应力下表现为剪胀,高正应力下表现为剪缩,并产生软化现象,硬岩混合料表现为剪胀和塑性;软岩土石混合料剪切过程中能量以应变能和动能为主,而硬岩土石混合料的能量以摩擦能和动能为主。     

模拟月壤表层采样试验研究

月球取样方式可以分为两大类:表层月壤采样和深层月壤采样。表层月壤采样一般使用挖、铲、夹、耙、吸等方式,而深层月壤采样一般使用钻取方式。通过采用和真实月壤特性类似的模拟月壤进行地面表层采样试验,主要针对挖取和铲取的方式,检测采样过程中模拟月壤和机具的相互作用力学参数,研究模拟月壤特性和采样方式对采样过程的影响,为后期进行月球环境下的模拟试验或计算机仿真提供重要的参考。     

月壤及模拟月壤微观结构的研究

为了对比研究月壤与模拟月壤的微观结构,介绍了月壤的形成作用过程和5种基本颗粒类型;通过真实月壤照片,对月壤微观结构进行了分析;利用火山灰为模拟月壤主体材料,对其成分进行了检测;对模拟月壤的火山灰颗粒进行了显微图像分析试验。结果表明,月壤存在胶结物微观颗粒,胶结物颗粒具有分支的组织形态和封闭的气泡,并且有金属铁珠存在;火山灰所含的主要成分及含量与月壤相似,经过粉碎的火山灰试样棱角较为明显,其纵横比峰值略小,稍显长条状,但与月壤比较相近,而复杂度因子则略有欠缺,说明颗粒还不够粗糙和多棱     

深部岩石考虑残余强度时三轴试验离散元定量模拟及参数分析

深部岩石在工程中具有高应力、大变形等典型特点,因此,高围压下考虑岩石残余强度的三轴试验对于分析深部岩石力学特性具有重要意义。离散单元法是分析岩石力学特性的重要数值方法,但是长期以来采用离散单元法定量模拟岩石的三轴试验一直存在诸多挑战,即数值模拟与室内试验得到的应力-应变全过程曲线难以定量匹配。采用改进的三维胶结抗弯-扭模型对深部砂岩考虑残余强度时的三轴试验进行了定量模拟,实现了数值模拟与室内试验应力-应变全过程曲线的定量匹配,获得了岩石较大的峰值/残余内摩擦角及非线性强度包线,克服了经典BPM模型存在的3个突出问题。通过参数分析,研究了峰值/残余内摩擦角及黏聚力与离散元微观参数之间的关系,同时这些大量的算例也证明了该模型具有较高的计算效率,可以满足模拟三维室内常规试验的要求。     

考虑颗粒抗转动的砂土双轴试验离散元模拟

颗粒间抗转动作用是影响砂土力学行为的重要因素。将蒋明镜等（2005年）提出的考虑颗粒抗转动作用的颗粒接触模型植入PFC2D中,对砂土双轴试验进行了模拟,研究颗粒抗转动作用对砂土力学行为的影响。研究显示：颗粒抗转动对砂土力学行为影响显著。抗转作用越强,砂土强度越高;抗转系数为0.4时,松砂亦出现软化及剪胀现象。抗转动作用对孔隙比及配位数变化趋势影响也很显著。     

细粒土冻融界面抗剪强度试验研究及灰关联分析

春融时寒区冻融界面的产生会使得冻土的强度发生衰变,这会对边坡的稳定性产生影响。为了研究冻融条件下细粒土冻融界面的强度变化规律,本文开展了不同冻结温度(-12℃、-7℃、-2℃)、环境温度(-5℃、-2℃、1℃)以及含水率(9%、16%、23%)下的低温直剪试验。探讨了各因素对于冻融界面强度的影响。同时利用灰色相关理论,分析了各因素与剪切强度之间的相关性。试验结果表明：冻融面处抗剪强度随着环境温度和冻结温度的升高而降低。试件强度的变化主要与黏聚力的变化相关,内摩擦角变化较小。冻融界面强度的发展主要与未冻水含量(或含冰量的)密切相关。各因素按显著性排序依次为：含水率>冻结温度>环境温度。考虑温度对于强度的影响时,不能忽略地温(冻结温度)的作用。     

含水率对不同接触面抗剪强度影响直剪试验分析

接触面的抗剪强度参数是土与结构相互作用课题的基本问题,分别就土与砖、土与混凝土两种接触面进行了不同含水率的改进直剪试验。修正了对土体内部剪切时剪切面积变化对试验结果的影响。试验结果表明,土与两种结构接触面的摩擦角随含水率增加变化规律一致,但对应的凝聚力随含水率增大呈剪刀型交叉,最终导致抗剪强度数值随含水率增大呈剪刀型交叉。分析表明,接触面的抗剪强度参数与结构的亲水性密切相关。试验结果为相关工程设计提供了依据。     

压实黄土非饱和抗剪强度的试验研究

黄土是一种典型的非饱和土,抗剪强度是黄土的一个重要力学性质。为探究压实黄土的非饱和抗剪强度特征,利用GDS非饱和三轴仪对延安L₆压实黄土进行了一系列控制不同吸力和围压的固结排水剪切试验（CD试验）。对试验过程中压实黄土试样的饱和度、体积及土样中进出水量的变化情况进行了分析,并探讨了吸力和净围压对压实黄土应力-应变特性的影响规律。通过研究发现：试验黄土剪切过程中应力-应变曲线均为硬化型,应变呈现先剪缩后剪胀的变化趋势。基质吸力和净围压均对压实黄土的变形特性和强度特性有较大影响,同一基质吸力条件下,净围压越大,压实黄土试样强度越高,剪缩体变峰值越大,最终发生的剪胀量越小。净围压一定时,基质吸力越大,强度越大,剪胀也更明显。     

黄土结构性与抗剪强度的试验研究

目前还没有对黄土结构性和抗剪强度之间的规律进行深入的研究。 针对晋南地区某边坡黄土进行固结排水三轴试验,分析结构性参数与抗剪强度的相关规律。结果表明：黄土在力与水的共同作用下,当压力较小含水量较低时,结构性较强, 结构性随压力及含水量的提高而变弱,结构性较大的黄土,抗剪强度相应也较大。     

风化煤矸石抗剪强度粒径影响试验研究

煤矸石在排弃后粒径分布沿垂直剖面会呈现出明显的规律性,以现场煤矸石筛分级配为基础,进行了3试验级配下不同试样含水率时的风化煤矸石室内直剪试验。试验结果表明:低试样含水率时,风化煤矸石试验剪应力-剪位移曲线存在相对突出的峰值,呈明显应变软化现象;但随试样含水率的增加,风化煤矸石应力-应变关系呈现出明显的应变硬化特征。级配在不同含水条件下对风化矸石抗剪强度参数的影响存在差异,低试样含水率时粗颗粒形成的骨架对风化矸石内摩擦角有着重要影响,但随含水率增大,矸石细颗粒状态则对其起到控制性作用。各试验级配风化煤矸石内黏聚力随含水率增加差异减少试验值趋于一致,但内摩擦角的下降速率则明显存在区别,至饱和时风化煤矸石内摩擦角值下降至近零值,此时风化煤矸石试样抗剪强度主要由内黏聚力提供。     

安哥拉Quelo砂抗剪强度特性试验研究

基于安哥拉Quelo（Muceque）砂原状土和重塑土的直剪试验,探讨了结构性、含水率、干密度对Quelo砂抗剪强度的影响。试验结果表明,结构性对Quelo砂的抗剪强度影响较为复杂,原状土与重塑土的抗剪力学指标具有明显差异;Quelo砂遇水软化特性显著,原状土和重塑土的黏聚力和内摩擦角随含水率的增大近似呈对数衰减;Quelo砂级配良好,压实后抗剪强度高,适宜用作回填材料,重塑土的黏聚力随干密度的增大近似呈线性增大,内摩擦角随干密度的增大分为稳定段和增大段,呈分段函数的特征。