颗粒形状对砂性土宏细观力学性质的影响

针对多数关于颗粒形状对砂性土宏细观力学性质的影响方面的研究中忽略的两个问题,天然砂性土中颗粒的随机不规则形状和对比试验中颗粒的体积不相等问题,基于已有的研究成果,对天然的硅质粗砂做了直剪试验,然后通过离散元程序PFC对其进行模拟,并设计了基于圆形颗粒的对比试验。试验结果表明,颗粒形状只有在较高的法向应力下才可以增加砂性土的剪切峰值强度,当法向应力较低时,不规则形状颗粒组成的砂性土的剪切峰值强度还不如圆形颗粒组成的砂性土,且当颗粒间的摩擦作用较弱时会有类似的现象,临界值强度并没有因颗粒形状的不规则而有明显差别。对此结果的细观机理也做了浅析,认为在较低法向应力时,圆形砂性土较大的剪胀角是其剪切峰值强度较大的主要原因。     

土石混合体原位试验的颗粒流数值模拟分析

基于颗粒流理论和PFC程序,解决了不规则碎石(clump)的生成、恒定法向荷载施加、剪切面的含石量等问题后,建立了土石混合体原位试验的颗粒流数值模型,对不同含石量、法向应力下土石混合体的直剪试验进行模拟,并与原位直剪试验的结果进行比较.结果表明：随着含石量增加,剪切应力及其峰值增大,剪切应力峰值对应的剪切位移减小;在低法向应力条件下,土石混合体表现为剪胀;在高法向应力下,土石混合体表现为先剪缩而后剪胀,并呈现出压剪破坏特征;剪切面附近分布的不规则碎石在剪切过程中出现挤压滑动与滚动,使得剪切破坏面出现凹凸,而且剪应力、法向位移、应变能随剪切位移增加而出现波动和平缓段;数值试验所得剪切应力峰值略高于其试验值,减小模型颗粒半径,可以有效降低计算的剪切应力峰值.     

土-结构接触界面的宏细观参数敏感性分析

为了研究土-结构接触界面各种微观参数对宏观响应的影响,从土的细观结构出发,采用二维离散元法进行双轴剪切数值试验,对颗粒间摩擦因数、颗粒形状、孔隙比、法向应力以及刚度比等参数进行灵敏度分析,得出各种微观参数对宏观响应的影响,建立接触界面颗粒材料微宏观参数的跨尺度关联,揭示接触界面处的颗粒材料力学行为的细观机理.结果表明:摩擦因数、孔隙比、颗粒形状和法向应力对接触界面的峰值强度影响较大,刚度比对接触界面的峰值强度影响较小;摩擦因数、法向应力和刚度比对弹性模量影响显著,其中摩擦因数与内摩擦角近似成正比,且对土体的抗剪强度和剪胀性影响较大.组合圆弧颗粒比圆形颗粒更接近真实砂粒形状,模拟效果更好;其临界强度和临界孔隙比不受初始孔隙比的影响,且组合圆弧颗粒体的抗剪强度受法向应力影响,法向应力越大,颗粒体抗剪强度越大.研究结果为接触界面的材料优化、改性等提供理论参考.     

橡胶砂直剪试验的颗粒离散元细观力学模拟

文章基于颗粒流理论和PFC2D程序,对橡胶砂颗粒混合物的直剪试验进行了数值模拟,并与室内直剪试验的结果相比较,分析了不同竖向应力下混合物颗粒变形的细观机制,探讨了颗粒接触刚度、摩擦系数、孔隙率、剪切速率等细观参数变化对宏观力学特性的影响;从能量变化、力链变化、颗粒分布、速度场、位移场等细观角度分析数值试验结果,揭示了直剪试验中橡胶砂的细观力学性质和颗粒变形规律。研究结果表明:数值模拟能够较好地反映橡胶砂直剪试验的变形规律,得到的剪应力-剪切位移曲线和竖向位移-剪切位移曲线接近试验曲线;颗粒接触刚度、摩擦系数、孔隙率的改变对橡胶砂数值试验的结果均有不同程度的影响,满足加载条件的剪切速率对试验结果影响不大。     

颗粒形状影响下碎石-桩界面侧摩阻力计算研究

提出了一种颗粒形状影响下碎石地层中碎石-桩界面侧摩阻力计算方法,使用可 描述应力应变硬化及软化的界面剪切函数计算单桩侧摩阻力;为探究碎石颗粒形状对界面剪 切应力应变行为的影响,制备了八种碎石,使用图像处理的方法获得碎石的形状参数（长细 比、凸度及球度）;考虑三种形状参数的权重,提出了一种改进的颗粒整体规整度的计算方法; 建立不规则碎石-桩界面剪切的离散元模型,探究了颗粒整体规整度与临界界面摩擦角、界面 剪切临界状态之间的关系 .结果表明：颗粒整体规整度与临界界面摩擦角之间存在很强的线 性关系,且整体规整度只改变临界状态线的截距.在桩侧摩阻函数中考虑颗粒形状的影响,并 求解碎石地层中竖向荷载下不同深度桩基础桩侧摩阻力.将室内试验结果与采用本文提出的 考虑颗粒形状的桩侧摩阻计算方法获得结果进行对比,验证了本文所提出方法的适用性及准 确性.     

可用于塑性材料的离散单元滞回力矩滚动阻力模型

针对现有弹簧阻尼滚动阻力模型无法准确表达塑性材料形变的受力变化的问题,提出一种用于塑性颗粒材料的新型离散单元滚动阻力模型——滞回力矩滚动阻力模型.以粒子材料弹塑性形变理论为基础,将粒子滚动过程中离散单元的滚动接触摩擦力矩描述为滞回项和阻尼项,滞回项表示其接触中心点前后处于受力不平衡的塑性变形状态,阻尼项表示粒子表面的摩擦.通过沙堆试验对此离散单元滚动接触模型进行验证,实现了粒子接触中心点前后受力不平衡塑性变形状态的更高精度表达.从粒子接触微观过程而言,所提出的模型更符合材料塑性变形力学机理,能更好地应用于塑性颗粒材料的仿真研究.     

岩体结构面三维循环加载本构关系

研究岩体结构面在循环加载条件下的三维力学性质。通过对二维数值模型合理推广,建立三维本构模型。法向加卸载本构为逐步硬化的双曲线函数。切向模型基于加载为双曲线函数、卸载为线性函数的本构方程建立,并引入剪切方向角描述三维切向接触特性。考虑峰值剪切现象,以切向塑性功为主要参数,建立峰值摩擦角和剪胀角的磨损方程。以初始剪胀角和残余剪胀角为主要参数建立剪胀方程。数值计算结果与试验曲线的对比表明,该模型体现了各向异性结构面的非线性受力变形特性、表面磨损和不均匀剪胀行为,能较好模拟三维循环加载本构关系。     

应力剪胀对浅埋隧道稳定性系数的影响

考虑剪胀对隧道围岩稳定性的影响,对浅埋圆形盾构隧道、浅埋两车道公路隧道和浅埋双线铁路隧道在围岩发生塑性流动时进行力学特征分析.分析圆形盾构隧道围岩的位移,塑性区分布和最大剪切应变率;计算圆形断面、双线铁路隧道、双车道公路隧道等3 种不同断面形状隧道的稳定性系数,分析剪胀角对围岩稳定性系数的影响.研究结果表明剪胀角对围岩位移的影响存在一个临界值;在围岩发生塑性流动时,塑性区随着剪胀角的增大而逐渐增加;剪胀角对围岩剪切破坏带和围岩稳定性系数都有较大影响;随着剪胀角的变化,隧道临界稳定系数也发生变化.     

考虑颗粒破碎的粗粒土直剪试验离散元模拟

为了分析粗粒土的剪切力学特性,采用离散元软件PFC2D模拟考虑颗粒破碎的粗粒土直剪试验,提供了制备可发生破碎的单颗粒粗粒土试样方法,以及改变离散元试样孔隙率的方法。在不同竖向压力作用下对粗粒土试样模拟直剪试验,分析剪应力、体应变与剪切位移的关系,剪切前后应力状态,剪切后速度分布情况。改变粗粒土试样的孔隙率和颗粒间黏聚力,分析粗粒土剪切强度的影响因素。研究表明,试样先剪缩再剪胀,剪应力峰值、残余强度随着竖向压力的增大而增大。应力场受剪前均匀分布,受剪后分布不均匀。剪切带内外颗粒处于不同的运动状态,剪切带内速度变化梯度较大。在相同竖向压力作用下,剪切强度随孔隙率增大而减小,随黏聚力增大而增大。     

桩-岩界面胶结作用影响下软岩嵌岩桩承载特征

为研究竖向荷载作用下嵌岩桩桩-岩界面水泥浆的胶结作用对其剪切特性及嵌岩桩的荷载传递性质的影响规律,针对桩-岩界面剪切过程中的胶结弹性变形、滑动剪胀和剪切滑移三个阶段特点,建立了考虑胶结作用影响下的各阶段桩-岩界面剪切本构模型.根据软岩嵌岩桩桩-岩界面粗糙体磨损特性,利用滑移线场法原理分析并得到了嵌岩桩极限剪胀位移.基于荷载传递理论,推导并建立了软岩嵌岩桩荷载传递解析模型.依据所建立的模型并结合实例验证方法,进一步分析了胶结作用影响下桩侧岩石力学特性等因素对嵌岩桩桩侧摩阻力的影响规律.研究结果表明:桩-岩界面胶结作用使剪胀区域桩侧摩阻力明显增大;随着桩侧岩石弹性模量的增大,胶结作用对剪胀区桩侧摩阻力的增强效应越明显,对剪切区域桩侧摩阻力弱化效应越大.当计算软岩嵌岩桩极限承载力时,桩-岩界面胶结作用的影响不可忽略.     

堆积体直剪试验颗粒流细观数值模拟研究

作为一种非均匀、非均质、多相体系的松散岩土介质,堆积体力学性质的研究颇受国内外众多学者关注和重视。以室内重塑样直剪试验结果为依据,可确定基于现场试验颗粒粒度累积曲线和三维颗粒离散元方法建立的堆积体直剪试验模型土石颗粒细观力学参数。在此基础上进行不同岩性、不同含石量的堆积体直剪试验模拟研究,结果表明:堆积体直剪试验剪切屈服面并非一个平面,而是存在一个带内变形以设计剪切平面为基准呈S形变化的剪切带,块石最大粒径越大剪切面影响范围越广,块石刚度越大剪切面则越粗糙;介质抗剪切强度特性在很大程度上受控于岩块的含量和岩性,块石和块石间的咬合力是造成介质内摩擦角较高的根源;在高围压下介质特性表现为应变硬化、低剪胀率,但不排除表现为剪缩的可能,而在低围压下则容易发生剪胀、软化现象,这与重塑样试验结果基本一致;颗粒摩擦系数与含石量呈二次抛物线递增关系,但剪切过程中应变能随摩擦能增加先升后降;黏聚力随基质颗粒刚度增加而提高,而随充填介质颗粒刚度增加而降低;数值试验与室内试验吻合程度较好表明,该方法可作为工程堆积体确定力学参数的有益补充。     

桩土接触面力学特性大型剪切试验

土与混凝土接触面力学特性直接影响到桩侧摩阻力的发挥,相关研究对抗拔桩设计及应用至关重要。采用大型剪切系统,设计试验剪切模型箱,通过将预制混凝土板置于剪切装置中,以模拟抗拔桩的实际受力情况,分别从剪应力-剪切位移曲线、接触面剪切强度及剪缩剪胀性3个角度进行对比分析。结果表明:剪应力达到峰值强度后随剪切位移的增加线性递减,且在不同法向应力作用下,减小速率近似相等;接触面最大剪应力随着法向应力的增大而增大,两者呈良好的线型关系,但随含水率的增大而减小;接触面抗剪强度随含水率的增大而逐渐减小,相同法向应力下其值远低于土体抗剪强度;当法向应力较小,土样含水率较低时,土体发生剪胀现象,而在其他条件下均为剪缩,法向应力越大,其剪缩量越大。     

非连续剪切面的剪切过程模拟

在各类边坡工程中,坡体的破坏失稳过程往往就是其内部非连续剪切面的剪切贯通过程,这类剪切面的综合抗剪强度与非连续剪切面的分布状态有关.采用颗粒离散元方法,利用颗粒流模拟软件PFC建立了非连续剪切面的平面环剪模型,并模拟了剪切过程.模拟结果反映出非连续剪切面的综合抗剪能力除了与抗剪强度强弱区比例有关,还与非连续的分布形态有关;剪切过程中的颗粒间接触关系和接触应力的变化反映出剪切面的剪切破坏过程.     

考虑锯齿状节理的桩岩界面模型试验研究

针对嵌岩灌注桩嵌入软弱岩层的工况,考虑成桩过程中桩岩界面的剪胀效应,采用常法向刚度边界条件(CNS)模拟软岩对桩身的侧向变形约束,开展了模拟桩岩界面侧阻力发挥的室内大尺寸直剪模型试验.将桩-岩接触面的粗糙体简化为规则的三角形锯齿,根据不同的半波长分别制作了砂岩和混凝土试样,得到了剪切荷载、剪切位移、法向荷载和法向位移之间的关系曲线.试验结果表明,软岩锯齿的法向剪胀角随着剪切位移的增加呈非线性减小,且界面抗剪强度的发挥与法向约束刚度、粗糙体半波长和剪切位移等密切相关;同时,在考虑软岩表面锯齿的弹性压缩对界面剪胀角影响的基础上,采用幂函数拟合了软岩抗剪强度的经验关系式.最后,将试验结果与现有理论模型结果对比,表明了现有模型忽略桩岩界面剪胀角的非线性变化将高估嵌岩灌注桩侧阻力的发挥,这在实际工程中将偏于不安全.     

颗粒滚动阻力本构参数标定试验研究

针对颗粒滚动阻力本构参数难以通过阻力测量试验来直接标定，开展了两种离散元滚动阻力模型MDEM（modified discrete element method）和HDEM（hysteresis discrete element method）参数的试验标定方法研究。利用自由滚动颗粒的摆动过程建立了颗粒间滚动刚度系数K_r与滚动阻尼系数C_r的试验标定公式，搭建了激光位移传感器测量颗粒微振动的光学试验平台，通过测量试件摆动时程曲线实现了MDEM模型中K_r和C_r的标定；提出基于材料单轴循环拉伸试验的标定方法，利用颗粒本体材料加卸载循环作用下的滞回曲线实现了HDEM模型中的弹性滞后系数 β的标定。试验结果表明，该试验方法能够有效地标定颗粒间滚动阻力本构参数。     

粗粒土路堤填料力学特性及其细观模拟研究

为了研究粗粒土填料在荷载及降雨入渗作用下的力学特性变化规律,采用Autotriax全自动三轴试验系统对粗粒土填料进行静三轴试验。基于试验所得力学参数,结合颗粒流软件PFC3D对试验进行细观模拟研究,通过自编程序引入接触黏结模型,对比分析粗粒土在不同围压、含水率和压实度下的力学特性及变形规律。研究结果表明:运用PFC3D软件进行静三轴试验模拟,通过数值分析得到的应力-应变曲线变化趋势与室内试验结果变化趋势较一致;试件的体应变在高围压时表现为整体剪缩,低围压时表现为先剪缩后剪胀;随着应变增加,黏结断裂点快速发展,试件由单一的中间部位挤压呈现出多个潜在的剪切面,且颗粒间的黏结破坏具有滞后性,试件内部演变规律与应力-应变曲线变化规律相一致。     

基于三维重构的原岩硬性结构面抗剪强度

节理面形貌特征是影响岩石节理面剪切破坏的重要因素。具有相同形貌特征的岩石节理面，沿不同剪切方向其力学行为存在差异性。结合三维激光扫描和3D打印技术，针对天然节理岩石的表面形貌进行逆向处理，将其制备为不同剪切方向的人工节理试样，并进行5种法向应力条件下的直剪试验。依据室内试验结果与理论分析，提出了定量计算节理面三维粗糙度与沿剪切方向接触面积有效系数值的方法，建立了不同剪切方向下含有三维形貌参数的抗剪强度模型。结果表明，影响剪胀角的因素与节理面的粗糙度系数和沿剪切方向接触面积有效系数值有关；沿不同的剪切方向会得到不同的剪胀角。基于剪切破坏的爬升和摩擦效应理论，并利用非线性拟合方法，得到峰值剪胀角的变化规律。最后，与已有的Barton抗剪强度公式进行对比分析，进而验证了该方法的合理性。     

棒在颗粒物质中穿行时摩擦振荡行为的研究

实验发现，棒在颗粒物质中运动时滑动摩擦力具有准周期振荡性质. 根据颗粒物质的剪胀性对此现象进行了研究，提出相应的物理模型，建立了平均体积分数振荡方程和滑动摩擦力振荡变化关系式，理论计算分析结果与实验结果基本吻合.     

颗粒粒度与级配对碎石料与结构接触面剪切特性的影响

为了研究碎石料颗粒粒度与级配对土与结构接触面剪切强度与变形的影响,采用大型直剪仪分别进行4种不同粒度的单粒组碎石料以及3种不同连续级配碎石料与混凝土结构接触面的直剪试验,研究颗粒粒度、级配形式、结构面粗糙度以及法向应力对接触面剪切特性的影响。研究结果表明:颗粒粒度对碎石料与结构接触面的力学特性有显著影响,接触面剪切强度随颗粒平均粒度的增大而增大;而当平均粒度相同时,连续级配碎石料与结构接触面的剪切强度明显比单粒组碎石料与结构接触面的剪切强度高;接触面的体积变形在低法向应力下表现为先剪缩后剪胀,而在高法向应力下接触面则发生明显剪缩;在相同条件下,粗糙接触面的剪切强度和变形量(剪胀或剪缩)均比光滑接触面的高。     

不同粗糙度下锚固节理破坏机理宏细观研究

为了研究不同粗糙度下锚固节理岩体的破坏特征和锚固机理,利用二维颗粒流程序PFC2D生成6种不同粗糙度的锚固节理面,并对这6种粗糙度的锚固节理模型在5种法向荷载下进行剪切实验,探讨JRC值和颗粒摩擦因数对锚固节理抗剪强度的影响。并从宏细观角度分析不同节理粗糙度的形貌破坏和裂纹扩展演化特征。研究结果表明:当剪切试验中节理面的微凸体没有发生太大的破坏时,锚固体系的峰值剪切强度随粗糙度的增加而不断变大,但是当微凸体剪断破坏后峰值抗剪强度会有小幅的衰减,同时随着节理面摩擦因数的增加,锚固体系的峰值剪切强度也相应变大,并呈现很好的线性关系;细观裂纹开始主要在节理面的微凸体处产生,随后在锚杆周围快速大量产生,并且逐步扩展到模型的内部,产生的裂纹以张拉裂纹为主;锚固节理上的颗粒间接触力的数量和方位角的分布区域随剪切过程的进行逐渐衰减,并且接触方位角逐渐向剪切荷载施加的方向发生偏转。