考虑颗粒级配效应的砂土剪切强度

为了研究颗粒级配对砂土剪切强度的影响,以室内直剪试验和二维离散元数值模拟为基本方法,研究了砂土颗粒级配和大小对其剪切强度的影响。通过制备15种不同级配的室内剪切试样和15种离散元数值剪切试样,在标定微观参数的基础上,同时进行了室内试验和离散元数值模拟,结果表明:曲率系数和不均匀系数对砂土剪切强度影响很明显。粒径d10、d30、d60对内摩擦角分别有着明显的影响作用,尤其是d10对其影响最为显著。数值试验结果表明,试样在剪切过程中颗粒级配对于孔隙率、配位数以及局部剪应力都有一定的影响作用,而细小颗粒所占的比例起着主导作用。     

砂土微宏观性质相依关系研究

为了研究砂土微观力学性质,采用了离散单元法对砂土进行三轴试验模拟,并引入抗转动模型来表征砂土颗粒的抗转动效应。通过对选取的不同法向接触刚度、刚度比、颗粒内摩擦角、滚动刚度系数以及塑性弯矩系数进行三轴排水数值试验,得到了砂土不同微观参数与其宏观力学性质的对应关系。试验结果表明:法向接触刚度对砂土弹性模量影响显著,并呈现正相关线性关系;刚度比与砂土泊松比呈现较为显著的负相关线性关系;颗粒内摩擦角对砂土宏观内摩擦角影响显著,滚动刚度系数影响砂土残余强度,塑性弯矩系数主要影响峰值强度。     

淤泥质砂土抗液化性能的动三轴试验研究

通过分别对不同配比的重塑淤泥质砂土试样进行室内动三轴试验,以进行淤泥质砂土抗液化性能的研究,探究砂颗粒粒径、颗粒级配和淤泥含量对淤泥质砂土抗液化性能的影响。研究结果表明:当粒径单一时,其抗液化性能随粒径的增大而增大;当为两种以上颗粒级配时,颗粒粒径跨度较大的级配不利于抗液化,连续的颗粒级配有利于抗液化;淤泥含量为影响其抗液化性能的重要因素,10%左右淤泥含量时抗液化能力最差,在此基础上增大或减小淤泥含量均增强其抗液化能力。     

考虑级配影响的堆石料力学特性研究

基于分形理论,分别进行了8组级配堆石料的相对密度试验及室内大型三轴压缩试验,试验之后对部分级配进行筛分处理,分析了堆石料不同级配制样分形维数与试样干密度、破碎率、强度特性、破坏比、初始切线模量参数以及体积模量参数之间的规律,建立了堆石料邓肯E-B模型参数与制样分形维数之间的函数关系式,并选用一组级配的三轴试验结果验证函数关系合理性.结果表明:级配是影响堆石料力学特性的重要因素,不同级配本构模型参数的拟合曲线相关性较好,制样分形维数的函数式可以较好地反应级配对堆石料物理力学性质的影响.     

级配碎石塑性变形特性及其安定行为的数值模拟

应用颗粒流理论构建了级配碎石动三轴数值试验方法.通过动三轴室内试验验证了数值方法的可靠性,模拟了级配碎石在动荷载作用下的塑性变形规律.通过塑性变形累积方程探讨了级配碎石破坏临界应力与破坏临界应变.结果表明,级配碎石塑性变形数值试验结果与实际安定行为规律吻合;级配碎石的合理破坏临界应变为2.5%,在此临界应变标准下,级配碎石临界应力与围压呈现比例相关关系,比例系数为4.95;提高围压可以显著强化级配碎石的抗塑性变形性能.     

级配碎石塑性变形特性及其安定

应用颗粒流理论构建了级配碎石动三轴数值试验方法.通过动三轴室内试验验证了数值方法的可靠性,模拟了级配碎石在动荷载作用下的塑性变形规律.通过塑性变形累积方程探讨了级配碎石破坏临界应力与破坏临界应变.结果表明,级配碎石塑性变形数值试验结果与实际安定行为规律吻合;级配碎石的合理破坏临界应变为2.5%,在此临界应变标准下,级配碎石临界应力与围压呈现比例相关关系,比例系数为4.95;提高围压可以显著强化级配碎石的抗塑性变形性能.     

考虑转动阻抗对砂力学特性影响的离散元分析

基于离散元法进行一系列砂真三轴剪切模拟试验,探讨了颗粒间转动阻抗对砂宏细观力学特性的影响。分析了不同抗转动系数下砂的力学特性,并从细观角度解释了转动阻抗的影响机制。结果表明:随着抗转动系数的增加,偏应力峰值及其对应的峰值内摩擦角相应增加,同时应变软化现象逐渐加剧。在细观层面,从有效配位数、概率密度、颗粒间法向接触力和各向异性的角度分析转动阻抗的影响机理。研究进一步发现,转动阻抗抑制了砂颗粒之间的相对转动,导致砂颗粒之间的平均配位数降低;砂颗粒间强接触力概率密度及接触力大小均随着抗转动系数的增大而增大;通过三维直方图直观定性分析由不同转动阻抗对法向接触力以及应力诱发各向异性的影响,同时结合第二不变量表征组构张量和法向接触力张量的各向异性,发现各向异性系数均随着抗转动系数的增大而增大。     

标准砂直剪试验的PFC数值模拟

直剪试验作为一种常用的室内土工试验,在实践中得到了广泛的应用,但是目前在细观尺度上对其剪切带的研究还不多,因为这涉及到试验手段和试验仪器方面的问题.PFC(particle flow code)是目前使用较多的模拟软件,其以颗粒为基本单元,可以较好地模拟材料的颗粒属性.因此利用PFC数值模拟的方法,探讨了颗粒形状、试样初始孔隙率对直剪宏观力学行为的影响.在成功建立砂土直剪试验数值模型的基础上,分析了试样内颗粒配位数、颗粒速度场以及局部孔隙率分布,发现砂土直剪中的剪切带并非是完全水平的直线,而是具有一定的斜率和曲率,其剪切带厚度大约为平均粒径的10.37倍.     

考虑流固耦合效应的储层砂岩力学响应分析

用柱坐标系下的三维颗粒流数值方法研究储层砂岩的力学响应。通过实际颗粒级配的数值模拟与室内三轴试验对比,确定砂岩颗粒的细观力学参数,建立基于流固耦合效应的射孔试验模型。结果表明:砂岩的宏观应力反映了油藏流速对砂岩应力的增幅,但均未超过储层砂岩的峰值强度,最大塑性区约为12.9 mm,显示局部化的砂岩破坏过程;胶结应力的变化表明流速大于3 m/s时,增幅明显的剪应力加速了砂岩的剪切破坏,且颗粒平动和转动加剧,说明砂岩的胶结破坏严重,离散颗粒数呈量级增大,塑性区扩大明显。考虑流固耦合效应的三维数值方法能有效反映油井出砂的力学特性,当油藏流动对砂岩起控制作用时,出砂几率显著提高。     

基于离散元弹性边界模拟的砂土剪切行为分析

采用二维离散元方法开展数值双轴试验研究砂土剪切力学行为。将室内试验中橡皮膜对砂土试样的柔性包裹效应抽象为作用在试样边界颗粒上的指定法向压力,对传统离散元数值双轴试验进行了改进。改进后的离散元双轴试验能有效模拟室内试验中砂土试样剪切破坏后的侧向不均匀变形现象,并以此开展参数研究,探明了围压、颗粒摩擦因数等参数对砂土剪切行为的影响规律,最后从细观角度得到了剪切带形成过程与相关机理。研究结果表明:砂土应变软化与剪缩现象均随围压的增加而增强,剪胀效应则随围压增加而减弱;砂土变形模量随围压增大而增大,但增幅不明显;砂土残余强度基本不受围压影响,但峰值强度受围压影响明显,砂土峰值强度和对应的轴应变均随颗粒摩擦因数增大而增大,围压和颗粒摩擦因数对试样峰值强度的贡献是有限的;剪切带两侧的砂土颗粒均沿相反方向平移,接触力链主要沿加载方向分布,表现出卸载特性;剪切带内部的砂土颗粒出现相互错动,同时绕自身形心转动角位移较大,接触力链相应发生水平向偏转,出现明显的应变局部化现象,应变局部化首先发生在试样中心,此后迅速贯穿整个试样,同时砂土试样到达峰值强度。剪切带内部砂土颗粒结构疏松,颗粒间接触减弱,颗粒配位数减小,土体孔隙率增大。     

基于微观尺度的砂土剪切波速度

运用宏观等效与微观接触理论相结合的方法研究砂土剪切波速度。在宏观上将砂土看作均匀连续各向同性介质,在微观尺度上假设砂土为等效球体半径相等、材料性质相同、随机堆积的固体颗粒的集合体,结合颗粒接触理论,引入颗粒形状修正系数,推导出砂土的等效剪切模量和宏观剪切波速度公式。通过定量计算进行参数分析。研究结果表明:孔隙比、砂土颗粒弹性模量、埋深和颗粒形状修正系数对砂土剪切波速的影响显著;有效内摩擦角、砂土颗粒泊松比、砂土密度和与配位数有关的常数对剪切波速影响较小。将理论计算结果与实测值进行对比,吻合较好,验证了本方法的可行性与正确性。     

土的室内平面应变试验的颗粒流模拟

作为颗粒理论实际应用的前期可行性研究，针对具有凝聚力和无凝聚力的两类典型的内摩擦地质材料粘性土与砂土进行了材料试样室内平面应变试验结果的颗粒流PFC^2D仿真。对比研究表明利用颗粒流理论所建立起来的PFC^2D数值仿真试验模型是能通过改变计算模型中颗粒单元的性质，以及颗粒集合体的级配特征等给出与真实材料土工试验类似的本构行为的。这种可行性最根本的意义在于基于颗粒流理论的数值仿真试验能够突破常规土工试验在仪器设备能力及试验条件上的局限性，对实验土样的本构行为作出理论方面的某种预测。此外针对颗粒流仿真试样的细观力学特征与物理试样宏观力学响应之间的关系进行了参数研究，并揭示了一些规律。这些工作对颗粒流理论在岩土工程实际应用方面的研究和开发有一定的参考价值。     

基于三轴试验的AC-20级配优化

为了提高沥青混合料的高温稳定性,利用PFC~(3D)(partical flow code in 3 dimensions)软件构建沥青混合料三轴数值模拟方法,结合室内三轴试验评价了其可靠性.通过三轴数值模拟和室内三轴试验,研究粗集料级配、细集料级配和粗细集料比例对沥青混合料抗剪强度的影响规律.通过研究19.000,4.750,0.075 mm筛孔通过率对AC-20性能的影响,提出基于抗剪强度的AC-20矿料级配,并验证其路用性能.结果表明:沥青混合料三轴数值模拟结果与室内试验结果吻合度较好;当粒径为19.000～26.500,16.000～19.000,13.200～16.000,9.500～13.200,4.750～9.500 mm的粗集料的体积比为4:12:4:10:15、细集料取I=0.75时所对应的级配、粗细集料体积比为60:40时,沥青混合料抗剪强度最大;建议在19.000,4.750和0.075 mm通过率范围分别为90.0%～100.0%,35.0%～45.0%和4.0%～7.0%时,确定基于抗剪强度的AC-20优化级配范围;与规范级配相比,优化级配AC-20混合料抗剪强度和动稳定度分别提升26%,29%.     

饱和砂土液化过程中细观组构的模型试验研究

采用室内振动台模型试验对液化过程中饱和砂土颗粒的细观组构进行研究.分析了砂土颗粒在液化破坏过程中颗粒长轴方向、平均配位数、孔隙率的演化规律及其与宏观现象之间的联系.应用表征上述量的组构参数分析了砂土的诱发各向异性,指出在循环荷载的作用下,砂土颗粒不断重新排列定向以适应新的应力状态,导致累积配位数的丧失、孔隙率增大,继而导致液化的发生.研究成果对于揭示砂土变形(液化)的细观机理以及建立砂土的细观力学模型都具有重要意义.     

砂卵石层隧道离散元细观参数标定及影响规律研究

砂卵石层隧道围岩具有大小颗粒混杂,形状不规则等特点.在进行数值分析时与传统有限元计算差别较大.因此,运用离散元颗粒流软件对砂卵石层隧道围岩进行细观参数标定及数值模拟,通过开展室内试验以及砂卵石层细观参数影响规律研究.结果表明,二维模型和三维模型的细观参数标定结果不同,且相同细观参数情况下,二维模型得到的峰值强度远大于三维模型;颗粒粒径与试样尺寸对于应力应变曲线形态有显著影响,但当颗粒粒径与试样尺寸比值大于1/60时,影响减弱;颗粒形状对于应力应变曲线特征值有较大影响,颗粒越扁平,峰值强度越高,颗粒越接近圆形,则峰值强度越低.通过对砂卵石层围岩进行数字图像处理,得到了砂卵石层围岩的颗粒性状,结合筛分试验和大型三轴剪切试验,标定得到了不同相对密实度及不同含水率情况下的砂卵石层细观参数.     

南海钙质砂微观构造三维图像分析与表征

将侧限压缩试验与CT断层扫描技术相结合,获取钙质砂样本在压缩过程中的三维图像,采用自适应分水岭法对图像中颗粒进行分割,获取颗粒尺寸、形状(球度、凸度、棱角度等)和主轴方向等基本信息,对土样微观形态进行三维表征,并对颗粒形状与尺寸参数进行相关性分析;同时,基于膨胀算法获取颗粒间接触网络,并对受力过程中颗粒配位数及接触方向演变特性进行分析。研究结果表明：钙质砂颗粒形状和配位数与其尺寸存在明显相关性,本研究可为钙质砂本构模型开发与离散元数值模型验证提供参考。     

级配碎石动三轴试验的数值模拟方法

为了高效、深入地研究级配碎石材料动态特性,开发了级配碎石动三轴试验的数值模拟方法.基于PFC2D构建了级配碎石动三轴试验的数值模型,通过数值模拟分析了试验条件和微力学参数对模拟结果的影响规律,提出了模拟方法的试验条件及其微力学参数标定方法.结果表明:当试件高度大于40 cm、直径大于20 cm时,试件尺寸对其轴向应变模拟值影响甚微,建议模拟试件尺寸为20 cm×40 cm;结合汽车荷载对路面作用规律,确定动载作用和作用间隔时间分别为0.2和1.8 s;失稳偏应力随围压增大而增大,轴向应变随法向刚度、切向刚度和摩擦系数的增大而减小;轴向应变与动载作用次数曲线的模拟结果与室内实测结果基本吻合,证明模拟方法是可靠的.     

级配碎石基层填料回弹模量特性及预估模型研究

采用基于颗粒堆积理论提出的石砂比设计不同的透水性级配以及用于对比的常规骨架密实型级配,通过控制剪应力比设计不同水平的围压和循环偏应力组合,开展不同应力路径下的重复加载三轴试验,研究级配和应力状态共同影响下级配碎石基层填料回弹模量的变化规律;针对60组室内重复加载三轴试验数据,对比分析14种回弹模量预估模型的预测效果,进而提出可同时考虑级配和应力状态影响的回弹模量预估模型,并验证模型的准确性。研究结果表明：同时考虑级配和应力状态影响的回弹模量预估模型的准确性较高,对级配碎石基层填料回弹模量的预测精度更高,可为透水性基床级配碎石填料的高效利用和可持续推广提供理论依据和技术参考。     

制样方法对砂土液化力学性质影响的离散元模拟

基于PFC2D软件对湿捣法和落砂法制备的砂土试样进行不排水循环剪切试验模拟,分析了砂土颗粒在动力加载过程中细观结构的变化规律。结果表明,施加荷载后,试样颗粒长轴方向在压缩侧偏向水平,拉伸侧趋向竖直,而接触法向的趋势则与之相反,二者的各向异性系数均逐渐上升。试样整体配位数随荷载的作用逐渐下降,液化后于0～3范围内波动。湿捣法试样比落砂法试样的各向异性程度更小,液化所需的加载循环数更多,即具有更高的抗液化强度。密实度越高,两种试样的液化强度差别越大。     

粗粒土级配及颗粒破碎分形特性

验证颗粒质量-粒径分布分形模型用于表示粗粒土级配的适用性,研究粗粒土在不同缩尺粒径的情况下,采用不同缩尺方法缩尺后土体分形维数的变化规律;基于分形维数建立缩尺级配与原始级配之间的联系,分析不同母岩材料、级配和颗粒形状粗粒土三轴试验资料,推算粗粒土的相对破碎率,并探讨分形维数与相对破碎率的关系。研究结果表明:分形维数能定量描述粗粒土的原始级配和缩尺级配,不同缩尺方法得到的粒度分形曲线形态有较大差别,与原始级配的粒度分形曲线有不同程度的偏离,缩尺粒径越小偏离程度越大。在所研究的4种缩尺方法中,分形维数与缩尺粒径的对数呈较好的线性关系;围压越大,破碎分形维数和相对破碎率越大,试验前粗粒土的分形维数越大,剪切试验后相对颗粒破碎率越小。不同母岩、级配和颗粒形状的破碎分形维数与相对破碎率呈幂函数关系,通过分形维数和拟合参数可估算不同围压下的相对破碎率。