基于粒间状态变量的含细粒砂土力学性状分析

在探讨含细粒砂土内部结构和粒间相互作用的基础上,引入粒间状态变量概念,对含细粒砂土力学性状随细粒含量的变化进行了预测分析:当D_rs >>0时含细粒砂土类似于e=e_c时均质砂的不排水性状,具有较高的强度;当D_rs→0时含细粒砂土最终性状具有不确定性;当D_rs < 0时含细粒砂土表现为剪缩性状。将南京砂中粗粒和细粒进行重新配制获得含不同细粒的砂土,对它们进行不排水剪试验;在利用粒间状态变量对试验结果进行分析的基础上,将试验结果与预测分析进行比对,两者的吻合性较高。在e_c-logS_us空间内稳态线随粉粒的增加而向上移动,且各稳态线间呈平行状。因此,粒间状态变量能较好地反映无黏性土力链的变化,是描述砂土微观结构的新途径。     

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。     

基于离散元数值方法的砂土小应变弹性特性探讨

土体在非常小应变（小于10?6）时表现为线弹性。以往大量试验研究表明,土体的弹性特性主要受到土体有效围压、孔隙比、颗粒级配和试样制备方法等影响。通过离散元方法模拟Duffy和Mindlin中的物理试验,建立球形颗粒规则排列的三维模型,继而进行小变形条件下的数值加载试验来确定弹性特性,并从细观层面揭示决定土体弹性特性的内在因素。模拟结果表明：粒状土的弹性模量取决于土体的颗粒接触配位数、法向接触力的大小和分布,跟宏观土体孔隙比、有效围压作用相对应。弹性模量应力指数n高于Hertz-Mindlin接触法则对应的1/3,主要是由于应力增加过程中配位数的增加和接触力趋于更均匀导致。同时,泊松比也随着配位数的增加而减小,并非保持不变,跟试验结果趋势一致。     

砂土渗透系数的细粒效应与其状态参数关联性

利用常规渗透仪进行了不同细粒含量砂土的渗透性能试验,通过引入粒间状态参量概念,探讨砂土渗透系数的细粒效应及其与表征砂土各种状态参数的相互关联性。发现砂土渗透系数总体上随细粒含量增加而减小,当细粒含量小于5%时影响较小;细粒含量在5%～10%时,渗透系数随细粒含量增加而急剧减小;而当细粒含量大于25%后,砂土的渗透系数则基本趋向相对稳定值。基于5种不同表征状态参数的拟合分析,表明采用现有常用的经验模型尚难以简便、有效地预测各种细粒含量砂土的渗透系数,而利用粉粒间孔隙比则能更好地反映细粒含量对渗透系数的影响,且其与渗透系数在半对数坐标内基本呈现线性关系,说明粒间状态参量适宜用来描述砂土渗透系数的细粒效应     

土石混合料剪切特性影响因素的离散元数值研究

土石混合料剪切特性控制着高填方边坡的稳定性。土石混合料特殊的结构、物质及粒径组成等极其复杂,为探究土石混合料剪切特性影响因素及其规律,在室内试验基础上,基于PFC2D构建了颗粒离散元数值模型,分析了颗粒级配、初始孔隙率、块石尺寸及块石形状等因素对土石混合料剪切特性的影响。结果表明:土石混合料的剪应力-剪切位移曲线主要包括4个阶段:弹性变形、局部剪切、剪切破坏以及残余变形;块石形状、颗粒级配及初始孔隙率对土石混合料的破坏模式无明显影响,破坏模式均为应变软化型;当土石混合料的颗粒级配较差时,剪应力随剪切位移的增加出现较大波动,曲线出现明显"跳跃"现象;当含石量一定时,相同法向应力条件下,块石尺寸越大,土石混合料的抗剪强度越大,且随着法向应力的增大,不同块石尺寸的试验组之间抗剪强度差值也越大,块石尺寸对土石混合料抗剪强度的影响越明显。     

冻结砂土力学性质的离散元模拟

基于离散单元法颗粒流理论,土体颗粒单元间采用接触黏结模型中来考虑冻土中冰的胶结作用,建立了冻结砂土的颗粒流模型。通过改变计算模型中颗粒单元的参数,模拟了在不同冻结温度以及不同围压下冻结砂土的宏观力学性质,并与冻结砂土的室内试验结果进行了比较,结果表明：颗粒流方法可以较好地模拟冻结砂土的应力-应变关系以及剪切带的发展变化过程,颗粒流细观参数对温度具有显著的依赖性。研究结果对离散单元法在特殊土中的应用具有一定的理论和应用价值。     

细粒对砂土持水能力影响的试验研究

利用压力板仪,进行了不同细粒含量非饱和砂土的持水特征试验,分析砂土土-水特征曲线的特征,探讨细粒对砂土持水能力的影响。结果表明,细粒的增加提高了砂土的持水能力,不同吸力阶段细粒对持水能力的影响程度不同;基质吸力超过进气值后,细粒增加明显增强砂土持水能力。应用数学模型 描述不同细粒含量砂土的土-水特征曲线,分析了细粒含量对数学模型参数的影响,给出了细粒、基质吸力和含水率的函数关系为 。     

循环荷载下砂土液化特性颗粒流数值模拟

利用PFC2D常体积循环双轴试验条件,对砂土在不排水循环荷载作用下的液化特性进行了颗粒流数值模拟,数值模拟按等应力幅加荷方式进行。颗粒流数值模拟的优点在于得到试样液化宏观力学表现的同时,通过不同循环加荷时刻试样内细观组构参量（包括配位数、接触法向分布、粒间法向接触力、粒间切向接触力）的演化规律,分析砂土液化过程中细观组构变化与宏观力学响应之间的内在联系,从而可进一步探讨砂土液化的细观力学机制。数值模拟研究结果表明,砂土液化现象在宏观力学表现上反映为超静孔隙水压力的累积上升和平均有效主应力的不断减小,在细观组构上对应于配位数的累积损失和粒间接触力的不断减小。砂土液化细观机制分析表明,试样配位数的减少与循环加荷过程中组构各向异性滞后于应力各向异性有关。     

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。     

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。     

Statistical analysis of stress transmission in wet granular materials

The micromechanics of wet granular materials encompasses complex microstructural and capillary interconnects that can be readily described through a formal derivation of stress transmission in such a 3‐phase medium. In the quest for defining an appropriate stress measure, the stress tensor expression that results from homogenization [Duriez et al. J Mech Phys Solids 99 (2017): 495‐511] of such a medium provides theoretical insights necessary to extract useful information on the relationship between capillary effects and microforce interactions via several small‐scale parameters whose evaluation can be challenging. Using instead a statistical approach where microvariable distributions are described by probability density functions, the current study provides simple estimates of stress components in terms of only a few tractable microvariables such as coordination number and fabric anisotropy. In particular, the latter recognizes details of contacts such as force interactions being either mechanical or capillary, including interactions with and without mechanical contact. The developed expressions are in a good agreement with discrete element method simulation results of the triaxial loading of a wet granular assembly, notably for hydrostatic (mean) pressure. A new set of dimensionless groups is also identified to characterize the significance of mechanical and capillary physics, which facilitates a better understanding of the contribution of dominating elements to stress, while also providing the opportunity to incorporate important capillary effects in micromechanically based constitutive formulations.     

Revisiting the existence of an effective stress for wet granular soils with micromechanics

A possible effective stress variable for wet granular materials is numerically investigated based on an adapted discrete element method (DEM) model for an ideal three‐phase system. The DEM simulations consider granular materials made of nearly monodisperse spherical particles, in the pendular regime with the pore fluid mixture consisting of distinct water menisci bridging particle pairs. The contact force‐related stress contribution to the total stresses is isolated and tested as the effective stress candidate for dense or loose systems. It is first recalled that this contact stress tensor is indeed an adequate effective stress that describes stress limit states of wet samples with the same Mohr‐Coulomb criterion associated with their dry counterparts. As for constitutive relationships, it is demonstrated that the contact stress tensor used in conjunction with dry constitutive relations does describe the strains of wet samples during an initial strain regime but not beyond. Outside this so‐called quasi‐static strain regime, whose extent is much greater for dense than loose materials, dramatic changes in the contact network prevent macroscale contact stress‐strain relationships to apply in the same manner to dry and unsaturated conditions. The presented numerical results also reveal unexpected constitutive bifurcations for the loose material, related to stick‐slip macrobehavior.     

基于图像相关分析的土体剪切带识别方法

提出了一种基于数字照相量测和图像相关性分析技术的土体剪切带识别方法。首先,在模型试验中,用数码相机采集土体全程变形图像序列;接着,在图像全局观测范围内粗略搜索到剪切带发生的大致区域;然后,布置跨越剪切区域的多对测点线,进行局部范围精密搜索,识别出剪切带的准确位置与形状, 并确定剪切带的边界点。与在模型上描画网格线等传统方法相比,该法操作简单,量测准确,适用于模型试验中岩土材料的剪切带识别及其厚度、倾角、带内变形和演变过程等特性的试验研究;最后,给出了一个大型砂土剪切试验中的应用实例。结果表明,基于图像相关分析的识别土体剪切带的方法是可行而有效的。     

Discrete element modeling of direct shear tests for a granular material

A succinct 3D discrete element model, with clumps to resemble the real shapes of granular materials, is developed. The quaternion method is introduced to transform the motion and force of a clump between local and global coordinates. The Hertz–Mindlin elastic contact force model, incorporated with the nonlinear normal viscous force and the Mohr–Coulomb friction law, is used to describe the interactions between particles. The proposed discrete element model is used to simulate direct shear tests of the irregular limestone rubbles. The simulation results of vertical displacements and shear stresses with a mixture of clumps are compared well with that of laboratory tests. The bulk friction coefficients are calculated and discussed under different contact friction coefficients and normal stresses. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

砂土与EPS颗粒混合的轻质土的动剪切模量衰减特性分析

动荷载下砂土与EPS颗粒混合的轻质土（LSES）的割线剪切模量Gsec随着剪应变的累积会发生衰减，基于不同水泥掺量和EPS含量的LSES试样的动三轴试验结果，建立了与围压、剪应变、水泥掺量等因素相关的Gsec的经验衰减模型。通过比较发现，LSES与砂及胶结砂的Gsec衰减模型具有一定相似性，即Gsec与yd呈双曲线关系，与σc为指数关系。此外，由于水泥胶结的约束作用，Gsec对σc的依存度随水泥掺量的增加而减小，这种依存程度通过参数n反映出来，但当水泥掺量达到10％时n随其的变化就不明显了，这是因为胶结强度已经增大到使得LSES中颗粒间的相对位置不易发生错动的程度。     

粒状介质三维复杂应力加载离散元数值试验方法

实际荷载条件下（如交通、地震荷载）,粒状岩土材料常受到三维复杂应力路径作用。目前,多数粒状岩土材料的本构理论和模型都基于简单应力路径加载条件下的物理试验提出,在更加复杂应力路径下的适用性则需要进一步验证。但受机械控制的限制,物理试验中无法实现很多客观存在的三维复杂应力路径加载。为了能够再现并分析三维复杂应力路径下粒状介质的力学响应,提出了一种离散元数值试验方法,该方法采用球形数值试样,通过直接控制试样边界应力达到对3个主应力大小和方向的任意控制,从而可以实现诸多物理试验中无法实现的复杂应力路径。通过与目前常见的一些物理试验进行定性对比,论证了该数值试验方法通过高精度的加载控制和测量能够再现已有物理试验现象。在此基础上,进一步开展了应力主轴的三维旋转,分析了在这种实际存在却无法通过物理试验再现的加载条件下粒状介质的变形规律,初步显示了提出的数值试验方法在深入研究三维复杂应力路径下粒状介质力学响应方面所拥有的能力和优势。     

基于精确缩尺的颗粒材料流变研究

基于Feng Y T提出的精确缩尺方法,即根据几何相似、静力相似、动力相似3个相似原理建立一套缩尺准则,使得缩尺前后模型的力学响应保持一致。首次将该理论应用于颗粒材料的流变分析当中,采用Burgers黏塑性蠕变模型,引入流变参数,在原缩尺准则上进行理论推导,得到在二维和三维条件下的缩尺准则;其次在理论推导的基础上进行数值仿真验证。研究结果表明：严格按照拟定的缩尺准则选取参数后,缩尺后模型的力学响应能够保证和原尺寸模型完全一致,计算误差在3%以内,同时简要探讨了时间步长、黏性系数、颗粒数目、比尺数对数值试验的影响,为数值试验中相关参数的选取以及如何让数值模型反映材料真实的力学行为提供了有效参考。另外,由于缩尺模型采用与原模型相同的颗粒数目、颗粒形状、颗粒压实状态和比尺数,揭示了等比例缩尺对材料流变行为的影响。