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     

基于抗转模型的颗粒材料宏−细观关系研究

接触模型的宏?细观参数标定是成功使用离散元方法的关键。在离散元的接触模型中线性接触模型与抗转线性接触模型均可用于模拟砂性土的力学行为,其中抗转线性接触模型在模拟密砂的剪胀性方面具备优势。采用抗转线性接触模型对室内密实砂土三轴试验进行了离散元模拟,验证了抗转线性接触模型的可靠性;进而系统分析了颗粒间摩擦系数、刚度比和抗转动系数等细观参数与砂土峰值内摩擦角、残余内摩擦角、峰值剪胀角等宏观参数的相关关系并进行了验证;揭示了偏应力作用下,细观参数对密实砂土试样内部剪切带宽度与倾角变化的影响规律,提出了考虑剪胀角的剪切带倾角经验公式。通过研究建立了抗转线性接触模型宏?细观参数的量化关系并给出了标定参数的具体流程图,提出了快速标定宏观参数的方法并应用实例进行了验证,为采用抗转线性接触模型精准模拟密实砂土的力学特性提供依据。     

基于高分子复合材料改良砂土三轴剪切试验研究

为研究剑麻纤维和高分子固化剂复合改良对砂土工程特性影响,通过一系列三轴剪切试验,对不同掺量和长度的剑麻纤维与高分子固化剂改良砂土的剪切强度特性进行了研究,从峰值偏应力、应力应变曲线特征和抗剪强度参数等方面分别对改良机理进行了研究。研究结果表明,纯高分子固化剂改良砂土的峰值偏应力和黏聚力明显提升,由于固化剂粘结砂土颗粒,限制了变形过程中颗粒的相对滑动,内摩擦角略微降低。随纤维掺量的增加,不同围压下固化剂改良土体的峰值偏应力明显增加,应力硬化特征愈加明显,土体的黏聚力和内摩擦角随纤维掺量的增加保持单调递增趋势。在单纯添加固化剂的情况下,土体强度与固化剂浓度呈正相关的关系;在给定0.4%的纤维含量下,随着纤维长度的加长,纤维和高分子固化剂复合改良砂土的剪切强度先增强后降低;在纤维长度为18 mm时,土体的剪切强度达到最大,黏聚力达到最大207.57 kPa;纤维长度的改变对试样破坏时的轴向应变和土体的内摩擦角基本没有影响。     

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。     

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。     

基于细观力学脆性岩石剪切特性演化模型研究

压缩作用下岩石内部细观裂纹扩展导致岩石产生损伤,其对岩石变形、强度等力学特性有着重要影响;然而,岩石内部裂纹扩展与剪切特性（黏聚力、内摩擦角及剪切应力）动态演化关系很少被研究。基于裂纹扩展机制推出的岩石应力-应变本构模型,并结合摩尔-库仑失效准则,推出了在岩石应力-应变关系峰值应力（对应岩石压缩强度）状态时,本构模型细观力学参数与岩石黏聚力、内摩擦角及剪切强度之间的状态关系。然后,引入岩石应力-应变本构关系塑性变形阶段服从摩尔-库仑屈服准则的力学流动规律,进而将已推出的应力-应变关系峰值状态点所满足的细观力学参数与黏聚力、内摩擦角关系,推广到岩石进入塑性变形后,岩石内部裂纹扩展（或应变）与黏聚力、内摩擦角及剪切应力动态演化的理论关系。随着裂纹扩展或应变增加,黏聚力、内摩擦角及剪切应力先增大,达到一个峰值点后减小,该结果与应力-应变本构曲线变化趋势相对应。通过试验结果验证了所提出理论结果的合理性。并讨论了初始裂纹之间摩擦系数对黏聚力、内摩擦角及剪切应力随裂纹扩展或应变演化规律的影响。     

灰岩层面拉剪力学特性及层面起伏效应研究

为了研究岩石不连续面的拉剪力学行为,采用自主研制的拉剪装置开展天然灰岩层面在法向拉应力作用下的直剪试验,分析了剪切应力-位移曲线、层面断裂形态及强度特征。拉剪应力作用下断裂面无摩擦粉碎区和局部崩裂。随法向拉应力的增加,剪切强度呈非线性减小。进一步,采用PFC模拟研究了锯齿状层面起伏特征对其拉剪破裂及强度特性的影响。随法向拉应力的增大,剪切裂纹减少而拉伸裂纹增多。当起伏角较小时,裂纹沿锯齿层面产生;当起伏角较大时,裂纹在锯齿面和锯齿内均有发生。可将锯齿状层面破坏分为沿锯齿面拉伸-剪切破裂、沿锯齿面拉伸-拉剪破裂和锯齿面-锯齿混合破裂3种模式,并具体分析了各模式的损伤演化。随起伏角增大,锯齿状层面的剪切强度先减小后增大,在起伏角为30°时达到最小值;随法向拉应力的增大,剪切强度近似线性减小,可采用Mohr-Coulomb准则进行描述,其摩擦角和黏聚力随起伏角的增加而减小。剪切强度、摩擦角和黏聚力随起伏角的变化规律主要受破裂模式的控制。随着层面黏结强度的增加,从锯齿面破裂逐渐转变为锯齿面-锯齿混合破裂。当层面黏结强度达到一定值以后,拉剪强度不再增加,主要受锯齿的岩石强度控制。     

硬脆性大理岩拉剪破坏特征与屈服准则研究

岩土工程中常用的屈服准则多以压缩剪切为其破坏机制,然而硬脆性岩体的脆性破坏包括拉伸破坏、张拉剪切破坏和压缩剪切破坏3类,且随着岩体工程向深部发展,张拉剪切破坏成为了洞壁围岩的主要破坏机制。针对此问题,开展了硬脆性大理岩的室内拉剪试验,分析了大理岩拉剪破坏特征,并结合压剪试验结果,建立了考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则。研究结果表明,硬脆性大理岩破裂面在拉剪应力状态和低正应力压剪应力状态下均具有张拉剪切破坏特征,高正应力压剪应力状态下则只具有压缩剪切滑移特征;拉剪应力状态下,大理岩破裂面张拉破坏特征明显,无明显剪切痕迹,剪切力固定时,剪切位移随着轴向拉力增加而增加;凝聚力和内摩擦角受应力状态影响,凝聚力随正应力增大先减小后增大,内摩擦角则随正应力的增大而减小;凝聚力、内摩擦角随正应力的变化趋势可分为4段,拉剪段、低压应力段、中压应力段和高压应力段,每段的凝聚力、内摩擦角与正应力皆可认为是线性关系,靠近抗拉强度处,内摩擦角趋近90°,凝聚力趋于无穷大;考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则曲线分为两部分,可采用二次抛物线进行拟合的拉剪段和考虑凝聚力、内摩擦角随正应力演化的压剪段,由此建立的Mohr-Coulomb准则更全面、精度也更高。     

饱和砂土液化特性的可视化试验研究

针对目前散粒体液化细观机制研究的局限性,对C.K.C型动态三轴仪进行改进,研制了可用于研究散粒体细观组构特征的动三轴可视化试验系统。利用该系统对循环荷载作用下标准砂的颗粒运动规律及细观组构特征进行初步探讨,从颗粒的运动规律、定向性、配位数和孔隙率等细观角度分析了循环荷载作用下饱和砂土发生液化的细观机制,认为液化的发生是土体在循环荷载作用下颗粒不断运动、重新排列的结果,指出颗粒长轴方向、配位数和孔隙率等细观组构参量是反映循环荷载作用下饱和砂土液化宏观响应的重要参量     

桩承式路堤承载特性的颗粒流模拟

现有的土拱效应计算方法中,由于采用的计算模型不同,计算结果差异很大。文中克服传统连续介质力学模型的宏观连续性假设,采用二维颗粒流程序（PFC）建立基于模型试验的细观数值分析模型,对桩承式路堤中土体接触力、应力分布、主应力方向、竖向位移进行分析,并比较计算和实测结果,研究土拱效应的荷载传递机制。同时,对不同桩帽、桩间距、填土高度、颗粒大小、摩擦角的情况进行PFC方法的参数敏感性分析。研究结果表明,桩承式路堤桩顶处局部范围可按弹性核考虑;土拱的分布型式受桩帽型式、桩净距、格栅的影响;实际土拱作用的影响范围主要集中在路堤底面以上约1倍桩净距的区域;土拱内部的竖向应力和水平应力均随深度非线性改变,桩土应力比随着荷载水平、土体内摩擦角、颗粒大小的增大而增加。     

沉积角对净砂宏微观力学特性影响的离散元分析

由颗粒定向排列导致的初始各向异性对净砂力学特性影响明显。为探究这一影响,首先采用自编的离散元软件生成4种不同沉积方向的椭圆颗粒净砂样,并分别对4种试样进行双轴压缩试验;其次,通过将离散元模拟结算与室内试验结果对比以验证该方法的可行性;最后,通过分析模拟结果研究沉积方向所产生的影响。结果表明：4种试样均出现应变软化及剪胀现象;随着沉积角? 的增加,试样具有由应变软化逐渐向应变硬化发展的趋势,试样的剪胀性逐渐减弱;在?=0°时试样取得最大峰值内摩擦角和最大残余内摩擦角,且随着? 的增大试样的峰值内摩擦角先降低然后基本不变,残余内摩擦角逐渐减小;颗粒排列初始优势方向基本与沉积方向平行,但随着轴向应变的增大,颗粒排列优势方向逐渐向平行于加载面方向旋转,接触点的优势方向由最初垂直于沉积方向逐渐向垂直于加载面方向旋转,且这两种旋转的改变幅度随着沉积角? 的增大而增大;而强接触力的优势方向始终垂直于试样的加载面。     

不同垂直荷重对风化砂改良膨胀土抗剪强度影响研究

本文以风化砂改良膨胀土的抗剪强度指标为研究对象,通过室内直接剪切试验,研究了在不同垂直荷重作用下,不同掺砂比例及不同含水率对改良膨胀土抗剪强度指标c、值的影响规律及各种不同垂直荷重下的-关系。影响直接剪切试验结果的两个关键因素是试验时的垂直荷重和剪切速率,而现行规范对剪切速率是有明确规定的,但对垂直荷重只有一个推荐性的取值。本文对膨胀土掺入了10%、20%、30%、40%、50%的风化砂,分别配以6%、8%、10%、12%、14%的水,然后在I级垂直荷重(12.5～50kPa)、Ⅱ级垂直荷重(62.5～100kPa)、Ⅲ级垂直荷重(100～400kPa)作用下,进行剪切试验。通过试验研究得知:垂直荷重对改良后膨胀土抗剪强度指标影响较大,随着垂直荷重的减小,掺砂后的膨胀土内摩擦角逐渐增大,黏聚力逐渐减小; 在各级垂直荷重下,在同一含水率状态下,黏聚力均随着掺砂比例的增大而逐渐减小,而内摩擦角均是先增大后减小; 在同一掺砂比例下,黏聚力及内摩擦角均随着含水率的增大而先增大后减小。本试验的研究成果为风化砂改良膨胀土用作公路路基填料提供了试验依据。     

横观各向同性土的简明破坏机制解释

由于沉积等作用使得天然土材料内部颗粒排列表现为各向异性。土材料的各向异性使得材料内各平面滑动的内摩擦角不同。因此,在分析各向异性土的破坏问题中,除了考虑来自外部的应力分布以外,还需考虑土材料内部的强度分布。以横观各向同性土为例,阐述了同时考虑材料外部应力分布与材料内部强度分布下各向异性土的破坏机制。为说明,文中假定横观各向同性土内部各平面的内摩擦角正切值随空间方向而线性分布。外部加载进行时,横观各向同性土材料内部各处的应力不断变化,当其内部某处首次出现的应力达到该处的强度时,土材料发生破坏。进一步通过类比得出：区别于金属,各向同性土不是在最大剪应力面而是在最大剪压比面发生破坏;区别于各向同性土,各向异性土不是在最大剪压比面而是在最大剪压强比面发生破坏。     

Strength criterion for cross-anisotropic sand under general stress conditions

By incorporating the fabric effect and Lode’s angle dependence into the Mohr–Coulomb failure criterion, a strength criterion for cross-anisotropic sand under general stress conditions was proposed. The obtained criterion has only three material parameters which can be specified by conventional triaxial tests. The formula to calculate the friction angle under any loading direction and intermediate principal stress ratio condition was deduced, and the influence of the degree of the cross-anisotropy was quantified. The friction angles of sand in triaxial, true triaxial, and hollow cylinder torsional shear tests were obtained, and a parametric analysis was used to detect the varying characteristics. The friction angle becomes smaller when the major principal stress changes from perpendicular to parallel to the bedding plane. The loading direction and intermediate principal stress ratio are unrelated in true triaxial tests, and their influences on the friction angle can be well captured by the proposed criterion. In hollow cylinder torsional shear tests with the same internal and external pressures, the loading direction and intermediate principal stress ratio are related. This property results in a lower friction angle in the hollow cylinder torsional shear test than that in the true triaxial test under the same intermediate principal stress ratio condition. By comparing the calculated friction angle with the experimental results under various loading conditions (e.g., triaxial, true triaxial, and hollow cylinder torsional shear test), the proposed criterion was verified to be able to characterize the shear strength of cross-anisotropic sand under general stress conditions.     

各向异性对软土力学特性影响的离散元模拟

软土预压工程中,初始和诱发各向异性对软土力学性质的影响十分显著,而现有研究缺乏对初始和诱发各向异性的统一研究方法。采用离散单元法,以颗粒长宽比作为定量评价指标,构建真实形态的颗粒模型,生成5组不同沉积角的初始各向异性试样,并进行竖直和水平两方向加载的双轴模拟实验,研究了初始各向异性和诱发各向异性对软土力学特性影响;在细观层面,以颗粒为对象研究了颗粒接触形式和转动角度的变化规律,以接触为对象研究了配位数和接触法向各向异性的发展趋势,在此基础上探究抗剪强度指标与各向异性关系。结果表明:初始和诱发各向异性共同影响试样力学性质,当加载方向和软土沉积方向垂直时,土体有最大的峰值强度。颗粒接触形式中面面接触的比例随加载的进行逐渐增大,并影响着试样初始模量和抗剪强度,配位数和接触法向各向异性受颗粒接触形式的影响有不同的演化规律,并在加载后期趋于稳定;同时,初始各向异性试样相较各向同性试样有更大的黏聚力,诱发各向异性主要影响试样内摩擦角,进而影响试样抗剪强度。     

超长灌注桩桩-土界面剪切试验研究

为研究超长灌注桩桩侧与土体接触界面的剪切力学行为,采用大型界面剪切仪,开展混凝土与粉质黏土、粉细砂土接触界面剪切试验。针对钻孔灌注桩泥浆护壁施工特点及后注浆工艺的应用,在混凝土与粉细砂土界面设置膨润土泥皮或膨润土泥皮与水泥浆,以研究泥皮及存在泥皮时注浆对界面剪切性状的影响。试验结果表明：界面剪切应力随剪切位移增加逐步达到极限值,之后,剪切应力保持基本不变或出现软化现象;土体类型及法向应力大小对界面剪切力学行为具有较大的影响;粉细砂土-混凝土界面摩擦角与土体有效内摩擦角相近,存在泥皮时,界面摩擦角降低达40%,泥皮的润滑作用较大地削弱了界面的剪切性能;存在泥皮情况下,注浆后界面摩擦角较泥皮界面提高近1倍,水泥浆的注入不仅消除了泥皮产生的不利影响,也有利于进一步改善界面剪切性能,提高其抗剪强度;泥皮及注浆对界面剪切应力与剪切位移关系亦有较大的影响;界面剪切作用对土体具有一定的影响范围,并在接触界面附近土体中逐渐形成剪切破坏带,剪切过程中界面呈现出由剪切位移阶段逐步过渡至剪切滑移阶段;此外,在剪切过程中,不同界面类型的土体变形存在较大差异。     

钙质土的剪切特性试验研究

钙质土因其颗粒形状不规则、易破碎、高孔隙比等特征,其力学性质较为特殊。采用室内大型直接剪切试验设备,对取自南海珊瑚礁和三亚岸礁的粗颗粒钙质土进行了直剪试验,研究了粗颗粒钙质土在不同含水率、不同密度和不同矿物组成条件下的钙质土剪切特性。结果表明,粗颗粒钙质土表现出与常规无黏性土截然不同的力学性质,即（1）与石英砂相比,表观黏聚力较大,内摩擦角较高,软化性较弱;（2）表观黏聚力随着平均粒径的增大而增大,内摩擦角随着干密度的增大而增大;（3）与峰值强度相比,土体剪切破坏后其残余强度的表观黏聚力锐减而内摩擦角仅略有减小。研究成果可为岛礁工程建设提供借鉴,也可为其他粗颗粒土的研究提供参考。     

直剪剪切速率对钙质砂强度及变形特征的影响

为深入研究剪切速率对钙质砂强度和变形特征的影响,对钙质干砂进行不同剪切速率条件下的直剪试验。研究结果表明,随剪切速率从0.1 mm/min增至2.4 mm/min时钙质砂抗剪强度先减小后增大,其内摩擦角亦呈现出先减小后增大趋势,临界剪切速率为1.6 mm/min;低法向应力条件下钙质砂试样随剪切速率的增加更易于呈现剪胀现象,高法向应力条件下剪切速率从0.1 mm/min增长至1.6 mm/min时试样整体剪缩量逐渐减小;当剪切速率继续从1.6 mm/min增长至2.4 mm/min时试样最大剪缩量逐渐增加;不同法向应力水平条件下钙质砂加载速率效应的细观机制不同,较低应力水平条件下钙质砂加载速率效应主要由试样内部颗粒错动、换位、重新排列引起,在较高应力水平条件下钙质砂加载速率效应主要由颗粒破碎引起。     

橡胶砂级配对混合土体剪切特性影响研究

为了研究橡胶砂的剪切特性,采用室内大型直剪仪,研究了4种橡胶砂级配（1种间断级配、2种连续级配、1种开级配）、3种橡胶掺入量（10%、30%、60%）、3种竖向应力（30、60、90 kPa）对橡胶砂强度特性和体变特性的影响;并在室内直剪试验的基础上,按照相同级配和橡胶掺量建立纯砂和橡胶砂的离散元数值模型,从颗粒接触状态和颗粒位移角度探讨橡胶砂内在力学机制。研究结果表明：在低橡胶含量下,橡胶砂的剪应力曲线趋势和纯砂一致,但其抗剪强度均低于纯砂;橡胶砂剪切应力随竖向应力的增大而增大,4种级配的橡胶砂中连续级配SR2抗剪强度最高;橡胶颗粒的掺入能有效抑制砂土的剪胀,其中间断级配SR1橡胶砂抑制土体剪胀效果最好,剪胀量相较于纯砂减少了37.6%;橡胶砂的内摩擦角随着橡胶掺入量的增大而减小,同一橡胶掺量下连续级配SR2橡胶砂的内摩擦角最大;橡胶颗粒在橡胶砂力链网络中主要参与弱力链的形成,橡胶砂剪切带宽度小于纯砂的剪切带宽度。