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。     

水岩耦合下的红层软岩微观结构特征与软化机制研究

水岩长期作用下红层软岩体现出成岩作用差、易风化、易软化崩解等特点,给软岩工程设计与施工带来挑战。以滇中红层软岩地区所取泥岩试样为研究对象,首先对自然和饱水状态下岩样进行单轴和三轴压缩试验,分析水岩作用下软岩的力学特性;然后采用X射线衍射技术对不同含水状态下软岩微观结构进行对比研究;最后基于试验结果对滇中地区红层软岩遇水软化机制进行了探讨。研究结果表明:水岩作用下软岩力学性质劣化明显,岩石峰值抗压强度显著降低,岩体破坏程度提高;软岩黏土矿物颗粒吸水膨胀,微观结构由致密的团粒状转变为疏松多孔的不规则片状和鳞片状结构;伊利石等黏土矿物与水反应,产生的不均匀应力和大量微孔隙导致软岩内部结构破坏;红层软岩的遇水软化机制包括软岩矿物的溶蚀和次生作用、黏土矿物的吸水膨胀与崩解、软岩与水作用导致颗粒间胶结连结破坏等。     

黄土颗粒结构特征及其对剪切行为的影响

微结构控制着黄土的宏观力学行为,进而影响着工程土体稳定性.本文通过X射线CT试验研究了陕西泾阳Q2黄土试样的三维颗粒结构特征,结合三轴剪切试验建立了黄土的颗粒流离散元数值计算模型,探讨了颗粒尺寸、形态和排列等结构特征对黄土剪切行为的影响.结果表明黄土试样颗粒的等效直径分布满足Weibull概率分布,球度分布符合Gamm...     

基于PFC3D的黄土三轴试验细观参数敏感性分析

从细观角度出发,研究各细观参数对黄土三轴试验宏观力学响应的影响,基于三维离散元PFC3D软件及理论,结合室内三轴试验结果确定数值模拟基本细观参数取值范围,在50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa围压下对三轴试样进行颗粒流模拟,通过改变各细观参数值对黄土数值试样宏观力学行为影响程度及正交试验设计的方式,开展黄土三轴数值模拟过程中摩擦系数、孔隙率、颗粒刚度比k_n/k_s、颗粒粒径分布的敏感性分析,建立土体细观参数与宏观力学的关系式。结果表明:不同围压下数值试样峰值强度和剩余强度均与摩擦系数正相关,与颗粒刚度比、孔隙率负相关,而颗粒粒径分布的变化对其影响均小于2%。低围压下(50 kPa),孔隙率对数值试样峰值抗剪强度和剩余强度影响最大,颗粒刚度比次之,高围压下(200 kPa),摩擦系数对数值试样强度的影响比颗粒刚度比更为显著;对数值试样的初始线弹性模量和应变软化特性影响最大的细观参数为孔隙率,刚度比次之,颗粒粒径分布最小,200 kPa围压下正交试验分析结果与数值分析结果一致。通过改变细观参数取值范围的方式系统地分析了其对黄土三轴试验宏观力学性能的影响,为今后离散元软件用于黄土室内试验研究提供了参考。     

纳米石墨粉红黏土改良机理试验研究

为了探寻纳米石墨粉对区域性红黏土的改良机理,利用TSZ-1型三轴试验仪进行正交试验设计,选用扫描电镜法对试样进行微观结构测试,采用单因素方差分析法分析了纳米石墨粉掺量对红黏土力学特性的敏感性,试验结果表明:纳米石墨粉掺量是改良红黏土抗剪强度参数的显著性影响因素;改良红黏土的主应力差与轴向应变曲线之间整体呈双曲线关系,具有明显峰值应力,表现为应变硬化特征;改良红黏土的抗剪强度可采用线性的Mohr-Coulomb准则来描述;内摩擦角参数表现为随着纳米石墨粉掺量增大基本保持不变,而黏聚力参数具有随掺量的增加先增加后减小的特性;纳米石墨粉对红黏土改良的宏观力学性质,与其对红黏土孔隙结构的影响及红黏土矿物颗粒的黏附胶结密切相关。     

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。     

冻结黏土三轴试验微观变形机理的离散元分析

基于三维颗粒离散单元法,赋予颗粒相应的细观参数,并采用黏结发生在接触颗粒间有限范围内的模型来考虑冻土颗粒中冰的胶结作用,建立了冻结黏土三维离散元数值模型.在相同围压、不同温度和相同温度、不同围压下对冻结黏土的室内三轴试验进行数值模拟,对比了数值试验与室内测试的应力-应变曲线,两者吻合较好.数值模拟结果表明:围压增大会使得接触黏结逐渐失效,在剪切带中胶结冰的破坏区域将增大,而温度的降低则会产生相反结果,这些微观变化都将对冻结黏土的宏观力学变形产生较大影响,同时,细观参数对温度的依赖性也很明显.冻结黏土三轴试验微观变形离散元模拟思路及方法可为今后运用离散单元法研究冻土力学行为提供一定的参考.     

黏土矿物颗粒特征对含水合物的沉积物力学特性影响研究

含水合物的沉积物力学参数是水合物储层稳定性评价的基础数据。我国南海神狐海域含水合物的沉积物中含大量的黏土,深入了解黏土矿物对沉积物力学特性的影响对水合物开采具有十分重要的意义。基于PFC三轴压缩模拟,首先分析了沉积物中不含水合物时,黏土矿物颗粒特征的力学效应,然后分析了水合物对颗粒的胶结作用和围压对沉积物力学特性的影响。结果表明,不含水合物模型的偏应力-应变曲线呈明显的应变硬化特征。黏土矿物的含量、颗粒形状和排列对沉积物三轴压缩特性具有显著影响。黏土矿物含量的增多对沉积物力学强度具有明显的降低作用,黏土矿物形状为条形的沉积物强度和弹性模量要明显高于圆颗粒模型,在细观上受颗粒平均接触数影响,条形黏土颗粒的定向排列使模型的力学参数具有各向异性。水合物对颗粒的胶结作用可显著提高模型的峰值强度和弹性模量,随着颗粒胶结程度的增大和围压的减小,含水合物的沉积物的破坏方式由塑性破坏向脆性破坏转换。     

基于微观胶结厚度模型的深海能源土宏观力学特性离散元分析

首先,引入蒋明镜等提出的考虑水合物胶结厚度的深海能源土粒间微观胶结模型,用以反映能源土颗粒之间水合物微观胶结接触力学特性;其次,采用C++语言将模型程序化,并将其引入离散单元法中;然后,对选定的水合物饱和度经过实际二维离散元模拟调算,得出相应的水合物胶结尺寸,以修正水合物临界胶结厚度、最小胶结厚度及胶结宽度,进而确定水合物微观胶结参数;最后,根据所确定的胶结参数,针对不同水合物饱和度试样进行能源土宏观力学特性离散元双轴试验模拟,并从应力-应变、体变、剪胀角等方面与Masui等所进行的能源土室内三轴试验进行对比分析。结果表明：采用考虑粒间胶结厚度的水合物微观胶结模型,能够定性反映深海能源土的宏观力学特性,能源土试样的峰值强度、黏聚力和剪胀角均随水合物饱和度的增加而增加,但水合物饱和度对内摩擦角的影响规律不明朗;能源土试样的峰值强度、残余强度及体积剪缩量随着有效围压的增大而增大;剪胀角随有效围压的增大而减小。     

颗粒破碎对绢云母片岩强度和变形影响的试验研究

为进一步弄清颗粒破碎对软岩粗粒料强度、变形的影响,开展2组不同初始干密度下的绢云母片岩粗粒料的固结排水三轴试验,分析了绢云母片岩粗粒料颗粒破碎规律,并探讨了颗粒破碎对绢云母片岩粗粒料力学性质的影响。结果表明,绢云母片岩粗粒料相对破碎率随围压的增加而增大,但颗粒破碎增幅速率受初始干密度影响较大,颗粒破碎与围压之间的关系可用线性关系描述;由于初始孔隙率的影响,使得试样在同一应力水平下高密度试样颗粒破碎明显高于低密度试样;颗粒破碎对高密度试样抗剪强度降低的影响高于低密度试样,导致两种干密度试样的应力-应变曲线在某处出现相交,最终出现初始密度低的试样抗剪强度大于初始密度高的试样抗剪强度的现象;高密度试样孔隙率较小,其剪胀因子一直保持在1附近,而低密度试样孔隙率较大,受颗粒破碎和剪胀的影响迟缓一些,低密度试样体变较高密度要大些,但整体上由于颗粒破碎和剪胀的影响,绢云母片岩粗粒料的体变均不大。     

差异含水率下全风化混合花岗岩抗剪强度与微观结构试验研究

全风化混合花岗岩是一类成因极为特殊的岩石,当前对其力学性质和微观结构研究极少。为探究临沧全风化混合花岗岩宏观强度特性与微观结构间的联系,对不同含水率试样开展三轴试验和扫描电镜测试,提取计算表征颗粒和孔隙尺寸、形态与定向特征的微观结构参数,对比分析这些微观结构参数的变化规律,揭示了控制全风化混合花岗岩宏观强度特性的微观机制。研究结果表明：随着含水率升高,试样应力-应变曲线表现出差异化的硬化特征,抗剪强度显著劣化,内摩擦角呈线性趋势衰减,而黏聚力则上下波动;低含水率状态下,试样孔隙分布以微、小孔为主,颗粒形态多为角状和次角状的长条形且具有一定的定向性;随着含水率升高,孔隙含量呈上升趋势,形成了分布均匀的蜂窝状中、大孔且在轴向荷载作用下更容易被压缩,颗粒的形态向圆形发展,整体分布表现为混乱无序,定向性较差。全风化混合花岗岩的力学性质表现本质上是微观颗粒、孔隙结构相互作用的结果,含水率升高弱化了粗颗粒间的摩擦性,黏土颗粒遇水产生不均匀膨胀,在微观层面上直接导致孔隙的贯通、粗化以及充填结构的损伤、破坏,继而在宏观层面上表现出力学性能下降。研究成果为全风化混合花岗岩力学性质及微观结构损伤演化的认知...     

动渗耦合作用下软黏土渗透系数演化机制分析

针对天津地区滨海软黏土,开展了一系列动渗耦合三轴试验,系统分析了长期循环作用下软黏土渗透系数的变化规律。结合扫描电镜（SEM）和压汞试验（MIP）对不同变形阶段软黏土的微观结构特征进行分析,阐述了渗透系数的演化规律及机制。研究表明：在动渗耦合作用下,软黏土渗透系数呈现三阶段变化特征;渗透系数随渗流力呈现先增大后减小的变化规律,随动应力和频率呈现先减小后增大的特征。微观试验表明,渗透系数的演化是微结构孔隙大小、形态、分布特征渐进调整的宏观体现：加载初期,颗粒间的架空超大孔隙（孔隙直径D>2.5 μm）大幅压缩,孔隙形态变化不大,渗透系数呈线性衰减;加载中期,大颗粒破碎生成的小颗粒密布填充于大颗粒间,生成大量“密小而曲折”的小孔隙（0.05 μm<D<0.1 μm）,渗透系数呈现缓慢下降;加载末期,结构致密稳定,渗透系数基本不变。对于非稳定变形,颗粒团（聚）体间重新生成“条带”状孔隙,渗透系数反弹增大。该研究成果可为流固耦合分析中渗透系数的确定提供理论依据。     

软黏土加载速率效应特性试验研究:进展与趋势

大量的室内和现场试验都表明,软黏土的强度与变形速率相关。为了更深入地认识软黏土的加载速率效应特性,首先分析了一维应力条件下先期固结压力和三轴应力条件下不排水抗剪强度的加载速率效应及应力-应变关系的归一化,探讨了一维和三轴条件下的5个速率方程(2个指数形式和3个对数形式)在拟合黏土先期固结压力和不排水强度加载速率效应上的适用性;使用5个速率方程估计了一维和三轴条件下的加载速率参数,以及拟合了加载速率参数与液塑限的关系,并且分析了复杂应力(十字板剪切和旁压条件)下的非理想土单元体的黏土加载速率效应特性等;讨论了黏土加载速率效应特性在一维和三维、压缩与伸长、不同超固结比(OCR)条件下的统一性;最后,从香港黏土压缩与伸长和不同OCR条件下的剪缩、剪胀特性方面更深入地探讨了软黏土加载速率效应特性,并讨论了典型的剪缩、剪胀方程在黏土的力学特性模拟中的有效性。结果表明,为更好地描述黏土的应力剪胀特性,现有典型的剪胀关系需要更一步改进。     

基于核磁共振技术的贵阳红黏土剪切全过程孔隙演变规律研究

为研究常规三轴压缩条件下贵阳红黏土剪切全过程孔隙结构的演化规律,探讨分析贵阳红黏土细-微观结构形态变化,揭示贵阳红黏土宏观破坏形态与细-微观结构变化的关联性。采用全自动三轴仪、低场核磁共振技术以及SEM扫描电镜对贵阳红黏土开展全过程剪切测试,并结合颗粒(孔隙)及裂隙图像识别与分析系统(PCAS)对剪切前后的试样进行分析。研究结果表明:贵阳红黏土T₂谱图呈现出3种峰型,分别对应大孔隙、中孔隙以及小孔隙;荷载作用下贵阳红黏土试样的变形破坏主要以内部颗粒之间相对位置的调整为主,孔隙体积整体表现为减小;随着应力的增加,红黏土逐渐形成肉眼可见的弧形小褶皱,大尺度孔隙逐渐向小尺度的孔隙发展,小孔隙数量逐渐增加,大-中孔隙数量逐渐减少,孔隙方向越来越混乱;当小褶皱逐渐扩展、贯通形成大的滑移面,孔隙形态表现出短暂的方向性,之后滑移面的压密将使小孔隙数量减少,大-中孔隙数量增加;在整个剪切过程中,贵阳红黏土孔隙形态逐渐趋于相似,孔隙边界趋于复杂。     

考虑各向异性的原状软黏土微观结构变化机制研究

采用电镜扫描仪（SEM）对在复杂应力路径作用下剪切前后的黏土样进行微观观察,并从剪切前后孔隙排列、孔隙形态、孔隙尺度变化特征3方面分析宏观试验原状软黏土归一化抗剪强度各向异性的微观本质。试验表明：剪切前后孔隙排列无序,孔隙排列方向变化很小,对黏土宏观性质影响很小;当中主应力参数b=0时,剪切过程中孔隙形态的变化对剪切后黏土归一化抗剪强度表现出的各向异性贡献较大;当b =0.5时,剪切过程中孔隙尺度的变化对剪切后黏土归一化抗剪强度表现出的各向异性贡献较大。因此,当中主应力参数不同时,影响剪切后黏土归一化抗剪强度各向异性的土的微观变化因素不同。     

不同含水率条件下赤泥掺量对红黏土力学性质及结构的影响

本文通过在不同含水量条件下对等比例赤泥改良红黏土的物理力学性质进行试验研究,研究含水量对赤泥红黏土的影响和作用机理。再通过电镜扫描,研究不同比例赤泥对红黏土微观结构的影响。试验结果表明,宏观上,掺入赤泥后红黏土随着含水量的增大,抗剪强度呈先增后减的趋势。压缩试验研究中,掺入赤泥的红黏土压缩性随含水量的增大整体呈降低趋势,下降幅度随着赤泥含量的增大而增大。微观上,不同赤泥含量的红黏土土样表面颗粒从团聚体向片状体变化,结构从疏松状态逐渐向致密状态过渡,孔隙减少使得赤泥红黏土的吸水能力减弱。     

珊瑚颗粒形状对钙质粗粒土的压缩性能影响

珊瑚颗粒形状不规则是其显著区别于陆源土的一大特征。为揭示珊瑚颗粒形状对钙质粗粒土压缩性能的影响,人工挑选出不同形状(块状、枝状、棒状、片状)的珊瑚颗粒,以块状颗粒为基础,与其他3种不同形状的粗颗粒任意一种混合,控制不同颗粒形状配比制成钙质粗粒土试样,完成室内压缩试验,对比分析试验前后珊瑚颗粒的圆度、长宽比、扁平度和凹凸度等形状参数,评价颗粒形状对压缩性能的影响。结果表明:(1)粒径为10~20 mm钙质粗粒土的压缩模量是4~5. 5 MPa,回弹系数为42~53;(2)随枝状、棒状或片状颗粒掺量的增加(0、10%、20%、30%),试样压缩模量呈小幅波状变化,回弹系数呈持续减小趋势;(3)各加载区间应力-应变曲线包括应力快速增长阶段、应力-应变同步增长阶段、应变增长阶段共3个阶段和1个稳定点;(4)随枝状颗粒掺量的增加,试样的长宽比和凹凸度逐渐增加,圆度和扁平度基本无变化;因颗粒破碎的影响,试验后试样的长宽比及扁平度有所增加,圆度及凹凸度则有所减小。选择钙质粗粒土地基时,应考虑其压缩性能,避免施工初期的快速加载。     

初始组构各向异性对砂土力学特性及临界状态的影响

采用离散元方法,利用半径扩展法和重力沉积法分别生成具有初始各向同性和各向异性内结构的试样,并开展三轴不排水压缩和拉伸试验,研究不同制样方法产生的初始各向异性对砂土宏微观力学特性及其临界状态的影响。运用组构张量对砂土的各向异性进行量化,分析不同初始组构各向异性对组构张量演化的影响并确定了组构张量的临界值。试验结果表明：初始组构各向异性对试样的剪胀性有重要影响,由于受重力影响形成初始各向异性,其各向异性程度越大、组构方向与加载方向越一致,剪胀性越显著;初始组构各向异性对试样的临界状态没有影响,砂土的组构张量具有唯一的临界状态值。     

基于微观力学的胶结岩土材料破损规律离散元模拟

采用离散元法（DEM）研究胶结岩土材料在不同加载条件下的结构破损规律。首先,基于微观力学理论,考虑胶结岩土材料颗粒间胶结特性,给出表征结构性损伤的破损参数式。该式具有微观物理意义,但不能直接用于建立宏观本构模型。其次,采用二维离散元源程序NS2D模拟等向压缩、等应力比压缩以及双轴压缩试验,分析破损参数在不同加载条件下随宏观力学变量（体积应变和剪应变）的演变规律。最后,根据模拟结果提出破损参数数学表达式,其为大主应变的函数。研究结果表明：胶结强度、应力比以及围压均在一定程度上影响了数值试样的结构破损规律。在等向压缩和等应力比压缩试验中,容易用函数式描述数值试样破损参数随体积应变或偏应变的演变规律;而在双轴压缩条件下,由于数值试样有剪胀特性,破损参数随体积应变的演变规律则不易描述。建议的破损参数数学表达式能够较好地描述数值试样在不同加载条件下结构破损规律。     

杭州软黏土非共轴特性的试验研究

利用空心圆柱扭剪仪对杭州软黏土进行了一系列不排水试验,包括对原状软黏土在不同主应力方向上的定向剪切试验和主应力轴旋转试验以及对重塑软黏土的主应力轴旋转试验,主要研究不同应力路径下软黏土非共轴角的发展特性以及中主应力系数b、初始剪应力水平和次生各向异性对其非共轴特性的影响。试验结果表明,软黏土的非共轴特性虽与砂土存在相似之处,但又不尽相同。原状软黏土在定向剪切条件下的非共轴角均较小,并且与加载方向有关,然而受剪应变发展的影响,试样接近破坏时的非共轴角并不为0°;主应力轴旋转条件下,无论原状还是重塑黏土其非共轴角均随主应力方向角? 增加而循环波动变化,且周期约为90°;非共轴角基本随中主应力系数b的增加而减小,但这种影响并不十分显著;剪应力水平对非共轴角的大小和发展趋势均存在一定的影响。对于重塑土的试验表明,软黏土的非共轴特性并不完全由土体的初始各向异性所决定,次生各向异性的影响也很大。