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.     

花岗岩残积土抗剪强度及其影响因素试验

为了分析花岗岩残积土路堤边坡水毁的主要内在因素,依托广佛肇高速公路路堤边坡修筑,以该地区花岗岩残积土为研究对象,通过室内颗粒分析试验和直接剪切试验,在不同初始干密度条件下进行了一系列重塑花岗岩残积土的抗剪强度试验研究。试验结果表明,在一般情况下,随着初始干密度的增大,花岗岩残积土的摩擦角变化范围很小,而粘聚力值随着干密度的增大而增大,其中,粗粒土成分对摩擦角的影响较大,细粒土成分对粘聚力的影响较大。分析了剪应力-剪切位移曲线与初始干密度、颗粒成分之间的关系,并归纳了花岗岩残积土在不同垂直压力、不同初始干密度、不同颗粒成分下对抗剪强度指标的影响,试验得到的有效抗剪强度指标c′,φ′值可为路堤边坡的合理设计提供参考依据。     

基于离散元的南海软粘土剪切变形模拟

软粘土剪切变形是决定海洋构筑物、管线安全存在的重要因素,离散元能有效模拟粘土剪切变形。通过对南海神狐海域原状软粘土开展固结不排水三轴试验,得到离散元模拟所需宏观剪切强度参数指标;采用试错法调整细观参数使得双轴压缩模拟结果与室内试验相吻合,标定出一组适用于南海软粘土的细观参数组合。离散元模拟结果得到,在应变达到5.3%时,土体发生破坏,形成一条与X轴反方向为49°的剪切带;应变增加到10%时,倾角增大到57°。测量圆对剪切带内外的应变进行监测得到,剪切带内土体初始应变较大,在达到4%应变后不再继续发生变形;剪切带边缘区域,土体应变持续增大;剪切带外应变较小。一般的室内三轴试验无法得到剪切带内外土体应变变化定量数据,离散元模拟是对室内三轴试验的重要补充。     

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。     

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。     

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.     

厚壁圆筒中多条绝热剪切带自组织行为数值模拟

针对304L不锈钢厚壁圆筒内聚压缩过程中出现的多条绝热剪切带自组织行为开展数值模拟研究.在宏观本构中通过引入概率因子描述材料内部微观结构导致的屈服应力分布不均匀性,数值模拟成功再现厚壁圆筒内聚压缩过程中多条绝热剪切带的起始和传播过程.实验研究发现,厚壁圆筒内绝热剪切带的发展方向在45°和135°两族中出现一族占优的“单旋性”现象.304L不锈钢柱壳初始样品的微观表征结果显示,柱壳内表存在一个加工硬化层,该加工硬化层内材料的晶粒表现出特定取向的旋转和损伤特性.数值建模中,使用带有特定取向的周期性单旋扰动描述加工层内晶粒特定去向的旋转、损伤特性,模拟结果成功再现厚壁圆筒中多条剪切带的单旋模式.     

高应力下干砂与饱和砂单剪特性比较

在自行改造、加工的高应力单剪仪试验系统上,对饱和粗砂、干粗砂、饱和细砂、干细砂与钢材、混凝土界面的剪切特性进行了正交试验研究.经过对试验数据的回归分析发现,高应力单剪条件下的剪应力-剪切位移关系曲线段与双曲线模型较一致.干砂界面的初始剪切刚度和界面抗剪强度均大于同基底下饱和砂界面的值.通过对试验数据的方差分析知,相对于土性和基底材料两影响因素,砂的干湿状态对剪切特性的影响比较显著.     

基于持续屈服节理模型的节理直剪数值试验

根据山西平朔露天煤矿砂岩岩石及节理室内试验确定力学参数,采用块体离散元软件3DEC内置FISH语言编制程序,实现基于持续屈服节理模型的节理直剪数值试验,研究节理粗糙度、初始摩擦角和基本摩擦角差值对剪切强度的影响。研究表明:采用持续屈服节理模型的节理面数值剪切试验能反映节理剪切应力随剪切位移变化的4个阶段,即曲线上升—峰值—软化—残余应力阶段;与室内试验结果相比,持续屈服节理模型能较好地表征节理剪切峰值强度及峰值强度前剪切应力与剪切变形的非线性关系,且能较好地反映峰值强度后应变软化及残余强度等节理面力学性质;随粗糙度增大,剪切峰值强度按幂函数增大;随摩擦角差值增大,节理剪切峰值强度线性增大。     

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.     

砾砂与混凝土管界面剪切力学特性试验

基于数字图像相关技术,通过自主研制的可视化直剪容器,对砾砂与混凝土管接触面在常法向应力作用下的剪切力学特性进行较系统的试验研究.试验结果表明:砾砂-混凝土管界面初始剪切模量随法向应力的增大而增大;D_r=0.8的砾砂土样与混凝土接触面的摩擦系数较D_r=0.4时增大约17.5%,相对密实度每增大0.2,摩擦角平均增大2°;砾砂-混凝土接触面的剪应力-剪切位移曲线软化程度随法向应力增大逐渐减小,硬化程度逐渐明显;土体剪切位移随着与接触面距离的增加而增大,剪切变形主要发生在剪切错动带内,剪切错动带厚度约为3D₅₀.     

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。     

应力路径对重塑黏土有效抗剪强度参数的影响

为探讨应力路径对黏土有效抗剪强度参数的影响,即临界状态线的惟一性问题,在确保试样的初始状态、应力历史、排水条件、加荷速率、试验仪器、破坏取值标准均一致的前提下,进行了常规三轴压缩与等p三轴压缩应力路径下同种重塑黏土的固结排水剪切试验.得到了两种应力路径下的有效抗剪强度参数和临界状态线参数,试验结果证实不同应力路径下重塑黏土有效抗剪强度参数有较大差别,临界状态线不惟一.定性分析表明:相对于常规三轴压缩路径,重塑黏土在等p三轴压缩路径下具有较低、有效内摩擦角的原因是剪切过程中围压的降低造成侧向卸荷引起的土体抗剪能力下降;产生凝聚力的原因是在排水剪切过程中存在超固结效应.     

直剪条件下钙质砂强度及颗粒破碎

钙质砂的主要成分是碳酸钙,由于其特殊成因,钙质砂具有孔隙特征。为了深入研究粒径、含水率及剪切速率对钙质砂强度及颗粒破碎特性的影响,本文在不同粒径、含水率和剪切速率等因素下对钙质砂进行直剪试验。试验结果表明：(1) 钙质砂的抗剪强度与内摩擦角与粒径之间存在正相关的关系,小粒径(<1.0 mm)情况下,粒径和竖向压力不再是影响颗粒破碎的主要因素,大粒径(>1.0 mm)情况下, 颗粒破碎程度出现剧增现象,粒间咬合和约束的存在是此现象的主要原因。(2)粒间水膜和颗粒损伤的存在,导致钙质砂的内摩擦角随着含水率的升高逐渐减小,含水率和内摩擦角之间呈指数函数关系。相对破碎随着含水率的升高先减小后增大。(3)颗粒在剪切过程中存在翻滚现象,但过大的剪切速率会使得颗粒直接从中间位置剪切,钙质砂的内摩擦角随着剪切速率的增大呈现先增大后减小再增大的现象,相对破碎则是随着剪切速率的增大呈现先减小后增大的趋势。     

基于离散元法的长短轴之比对散粒材料抗剪强度影响分析

杆状颗粒由于其形状与砾石、药品和谷物等真实颗粒的形状接近而受到研究者们的关注,其形状特征常用长短轴之比进行表征.以往许多学者曾通过离散元法研究过在相同孔隙率下杆状颗粒长短轴之比对其抗剪强度的影响,但在相同相对密度下的研究并不多见.通过控制颗粒摩擦因数形成具有相同相对密度的试样,研究了0%、35%、65%及100%相对密度下颗粒的长短轴之比对试样抗剪强度的影响规律.另外,还进行了相同孔隙率下的试验以进行结果对比.研究结果表明,相同相对密度下,峰值状态和临界状态时试样剪应力随长短轴之比增大而增大,与相同孔隙率下的结果一致,但峰值剪应力增大幅值要比相同孔隙率下的小.另外,对不同长短轴之比下试样内摩擦角进行分析,发现临界状态时内摩擦角随长短轴之比增大而增大,而峰值状态时内摩擦角受长短轴之比的影响相对较小.最后从试样剪胀性方面进行了分析,阐述了以上现象发生的机理.     

Scale dependence of direct shear tests

Direct shear test has been widely used to measure the shear strength of soils and other particulate materials in industry because of its simplicity. However, the results can be dependent on the specimen size. The ASTM （American Society for Testing and Materials） publications suggest that for testing soils the shear box should be at least ten times the diameter of the largest particle and the height of the box should be no more than half of its diameter. These guidelines are empirically based. A series of two-dimensional numerical direct shear tests are performed to investigate this scaling effect. By analyzing the bulk friction, particle translation and rotation, percentage of sliding, average volume （area） and shear strain and the evolution of the shear band, we find that the traditional guidelines for direct shear tests are questionable. Scaling dependency of bulk friction on the property of granular materials is clearly present. Our current analysis points out that the scaling effects can vary significantly depending on the particle properties other than their sizes. Of all the parameters we observed, particle rotation appears to have a decisive correlation with the bulk friction. Formation of a shear band is universal. As the shearing progresses, particle rotation begins to concentrate near the shear plane. By defining the width of a shear band as the standard deviation of the distribution of translational gradient or the standard deviation of the distribution of particle rotation, quantitative evolutions of shear band are presented. Both measures of the shear band width dropped rapidly during pre-failure stage. After peak stress both measures begin to approach steady state as the bulk friction stabilizes to the residual stage. These observations suggest that structure formation inside the shear band controls the scaling effect.     

无黏性土的冲刷机理

无黏性土的剪切强度主要来源于颗粒间的摩擦力,无黏性土的抗冲刷主要来源于土粒重量。根据无黏性土颗粒冲刷过程中的受力平衡分析,无黏性土颗粒冲刷临界剪切应力(冲刷启动剪切应力)与颗粒粒径成正比,已有的砂、砾冲刷试验结果验证了无黏性土颗粒冲刷临界剪切应力理论。     

基于颗粒流的粒状岩土材料高应力破碎分析

提出了基于颗粒流方法的黏结键断裂百分比作为数值模拟中颗粒破碎的新的度量方法.通过颗粒流方法中的接触黏结模型与CLUMP模型对高应力下岩土类材料的破碎过程进行了数值模拟分析,模拟了高应力下粒状材料的双轴剪切试验,数值试样由540个簇颗粒单元组成.数值试验结果显示:在颗粒破碎情况下,数值试样的峰值强度小于不破碎情况下的峰值强度;围压与黏结键断裂百分比表示的破碎率呈幂指数关系;随着围压的增加,颗粒破碎率增加,颗粒材料的摩擦角减小.     

粗砂与结构物接触面的剪切特性试验研究

利用同济大学研制的大型多功能界面剪切仪,对粗砂与结构物的剪切变形特性进行研究.采用在剪切盒内灌注彩色砂条的方法研究剪切带的空间分布特性.结果表明,彩色砂条的变形可以反映剪切带厚度和空间分布.剪切带厚度为6～11 mm,厚度随着法向应力的增加呈增加的趋势;剪切带厚度在空间上的分布呈现出不均匀性,在剪切方向(X轴方向)上呈现中间大两端小的趋势,在垂直剪切方向(Y轴方向)上离散性较小、分布近似均匀.剪切板凹槽的约束作用,使得凹槽内的砂土颗粒带动附近砂土颗粒运动,从而形成剪切带.土体的剪胀特性是由于剪切带内砂土的变形导致的,剪切初始时剪胀速率较快,达到抗剪强度后剪胀速率减慢.     

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。