基于柔性边界的非饱和土三轴试验及离散元分析

非饱和土三轴试验的离散元模拟,对于从细观角度揭示其力学特性至关重要,但目前研究多采用刚性边界条件.使用黏结球颗粒代替橡胶膜,实现围压柔性加载.在此基础上,提出非饱和土三轴数值试验模拟流程,并进行不同围压下的三轴数值试验.从宏观破坏形态和细观剪切带、配位数、接触力等方面研究不同围压下非饱和土的力学特征.结果表明：非饱和土力学特性受围压影响较大,峰值应力和弹性模量随围压增大而增大,围压越大,剪胀性越小;试样主要表现为鼓胀破坏,破坏后剪切带在形态上呈对称的“X”形,剪切带的形成开始于颗粒的转动,到达峰值应力时,内部转动颗粒发生贯通,剪切带基本成型,围压越大,剪切带上转动颗粒数目和转动角度越小;配位数先增加后减少,与体应变变化趋势一致,且随围压增大而增大;剪切使法向接触力概率密度函数峰值左移,并且使法向接触力不均匀性增大,围压越大,法向接触力分布越均匀.该研究成果可为从细观认识非饱和土的力学行为提供途径.     

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.     

土石混填体变形力学特性大型三轴试验研究

为了进一步研究土石混填体的变形力学特性,全面考虑含水量、含石量、岩性及土性等因素的影响作用,采用YS30-3型应力路径三轴剪切试验机,基于正交试验方法进行了一系列土石混填体大型三轴压缩研究.试验结果表明,在三轴受力条件下,土石混填体在低围压下的应变软化特征不明显,试样的粘聚力普遍较低而内摩擦角则比较高,且内摩擦角更容易受其他因素的影响而发生显著变化.含石量对土石混填体的抗剪强度影响程度最大,随试样中的含石量从25%增加到70%,其内摩擦角从34.54°近似线性增长至46.39°.含石量和围压分别是影响土石混填体体变特性最主要的内因和外因,即在含水率、岩性、土性相同的情况下,含石量越低试样高压剪缩性越明显,含石量越高其低压剪胀性越明显.     

改良粗粒土填料大型三轴试验

为了解路基填料级配改良后的物理力学特性,向素土中掺加3种粒径范围内不同质量比的碎石,制成4种具有不同颗粒级配的改良填料,采用大型三轴剪切仪对素土和复合砾进行三轴剪切试验。在试验基础上提出轴向应变与侧向应变的二次函数关系,建立体积应变与轴向应变的函数方程,并对试样三轴试验的体积应变和切线泊松比进行预测。研究结果表明:粗颗粒质量分数较高的试料在低围压下出现剪胀现象,在高围压下出现剪缩现象;在低围压下,随着粗颗粒质量分数升高,试样体变由剪缩趋势逐渐转为剪胀趋势;应用邓肯-张模型并求得其参数,得出试样的黏聚力c、内摩擦角φ及切线弹性模量Et随粗颗粒质量分数的增加而增大;邓肯-张模型不能很好地反映粗粒土填料的变形特性;预测结果表明改进模型能较合理地描述粗颗粒土填料的体积应变特性。     

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。     

岩石剪胀效应的数值模拟研究

应用FLAC 3D数值模拟软件,分别对不同剪胀角与围压作用下,岩样的剪切带分布及强度特征进行模拟研究.结果表明:随着剪胀角的增加,单轴压缩试验岩样由单一剪切破坏向共轭剪切破坏转变,同时韧性有所增强;围压的增加使得剪胀角为零的岩样由单一剪切破坏发展为双"X"形剪切破坏,剪胀角大于零的岩样由复合共轭剪切破坏过度到单一"X"形剪切破坏,剪切带宽度不断增大;岩样的剪切带倾角随着剪胀角的增大而增大,随围压的增加而减小;围压使得岩样峰值强度与残余强度增加,对岩样残余强度的提高显著;相同围压条件下,剪胀角越大岩样的强度越高但增加幅值不大;随着巷道围岩剪胀效应的增强,围岩的变形量增加显著,合理有效地控制巷道围岩的剪胀变形是支护的关键.     

交通荷载作用下砂土力学性质的颗粒流模拟

采用二维颗粒流方法,建立隧道下卧层砂土的离散元数值试样．通过与室内试验的对比,标定了试样的细观参数,模拟了固结排水条件下砂土在循环等应力荷载作用下的剪切试验,分析了固结方式、平均应力、动应力水平等因素对其动力特性的影响,并从配位数和颗粒间接触力的空间分布和变化规律上对加载过程中的宏观动力特性做出了解释．模拟结果表明：应力-应变关系的非线性以及累积塑性应变与动应力水平正相关;动应力水平越高,剪胀效应越明显而高围压下剪胀效应则不明显;动应力幅值越大,砂土密实度越高,而平均应力越大,则密实度越低．     

赣南花岗岩残积土的抗剪强度及其影响因素

为研究赣南花岗岩残积土抗剪强度影响因素,采用X射线粉晶衍射和扫描电镜等方法对赣南地区的黑云母二长花岗岩残积土和黑云母花岗岩残积土的矿物成分及微观结构进行了分析,并通过三轴固结不排水剪切试验对2类花岗岩残积土的原状样与重塑样的抗剪强度进行了研究。结果表明:赣南花岗岩残积土矿物成分主要为石英矿物和高岭石、伊利石等黏土矿物,原生结构强度明显,原状样的抗剪强度高于重塑样;各围压下原状样和重塑样的应力-应变关系均呈应变-硬化型,表现为塑性破坏;受孔隙度大和粗颗粒多的影响,孔压-应变关系在低围压下表现为先剪缩后剪胀,在高围压下始终表现为剪缩;其内摩擦角受粗颗粒含量影响明显,黏聚力受细颗粒含量影响明显。     

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。     

密实散粒体宏微观特性的直剪试验离散元数值分析

为了分析直剪试验中试样内部的应力、应变状态,采用离散元商业软件PFC2D在不同围压下对密实散粒体进行了大量的数值模拟,分析了试验的边界效应,应力偏转,应力、应变路径以及颗粒群的微观运动状态.模拟结果表明:边界摩擦影响室内直剪试验的测试结果,所得密实散粒体的强度指标偏高,内摩擦角存在1.5°的误差;剪切过程中,主应力大小和方向均发生变化,中心点主应力偏转约44°.由剪切带内外颗粒运动状态和应力、应变路径分析可知,剪切带内部是主要的剪胀区,存在大幅度的加卸载反应,并且应力路径峰值超出了试样峰值强度包线;剪切带外体变较小,主要处于加载状态,应力路径峰值未超出试样残余强度包线.     

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。     

某冰水堆积体层流-紊流过渡状态渗流特性试验研究

澜沧江上游两岸河谷地带广泛分布一套规模巨大、形成于第四纪更新世中晚期的冰水堆积体,这类冰水堆积体往往具有较特别的渗流特性。通过对澜沧江某冰水堆积体的结构特征调查和颗粒组成试验分析,从沉积相的角度,认为该冰水堆积体可分为两层:表层厚约40 m的混合巨粒土,和底部厚约17 m的粗颗粒土。通过对这两层冰水堆积体的渗流特点试验研究,结果表明地下水在表层混合巨粒土中的渗流方式主要表现为层流-紊流过渡阶段的特点,渗流速度与水力梯度成幂函数关系;而在底部粗颗粒土中的运移方式主要表现为层流特点。根据混合巨粒土的渗流特点,文中提出了两种计算其渗透系数的方法,即根据渗透速度和水力梯度关系曲线估算渗透系数,或采用文中提出的公式计算渗透系数。     

圆形洞室模型在双轴加载下的力学特征分析

为探究圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学特征变化,对制作的含圆形洞室的类岩石材料进行双轴加压试验,运用数字图像技术记录全场应变演化过程,并根据室内试验建立颗粒流模型,探究了围压对洞室围岩的抗压强度以及裂纹的发育的影响。结果表明：尺寸效应对模型的力学特征影响较大,圆形洞室模型峰值抗压强度随着洞室尺寸的增加而减小;当围压增大时,压剪作用增强,洞室模型的破坏模式由以张拉应变为主向拉剪复合破坏为主转变;圆形洞室应变集中区域会随着围压的增大由洞口上下侧向两帮转移;当围压逐渐增大,张拉作用被抑制,洞口两侧破坏程度逐渐增加,收缩变形程度逐渐增大;最后通过数值模拟验证了圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学变化特征。     

水泥土泥皮下土与结构接触面的单剪特性

采用大型单剪仪进行粗粒土与混凝土接触面在水泥土泥皮(粘土中掺入水泥)条件下的剪切试验,揭示泥皮条件下接触面的力学特性与机理.试验结果表明,峰值强度以及剪胀发生所对应的位置与法向应力大小有关,峰值强度所对应的剪应变滞后于产生剪胀的位置.剪切破坏时,在同一高度处,法向应力越大,切向位移也越大;同样的法向应力及高度处,切向位移随水泥含量的提高而增大.以单剪试验为原型,采用颗粒流模拟程序PFC建立水泥土泥皮条件下粗粒土与混凝土接触面的单剪模型,通过对接触面试验试样内部特征点在剪切过程中运动状态的追踪,分析了土体的扰动高度及其主要影响因素.研究发现,扰动高度与粗粒土的最大粒径、法向应力以及粗糙程度(有无泥皮)等有关.对粗粒土,靠近结构面3～4倍最大粒径的区域内土颗粒切向位移明显,形成明显的剪切错动带,因此,建议该剪切错动带厚度为有厚度接触面单元厚度.     

南京地区粉土的不排水三轴压缩试验

通过全自动三轴仪进行了南京地区粉土的三轴不排水的试验,研究了围压和干密度对应力-应变曲线、孔隙水压力曲线和有效主应力比曲线的影响.试验表明:高围压状态下粉土试样呈现出弱应变软化型,而低围压状态下呈现出应变稳定型;低围压下试样在加载初期产生正孔隙水压力,随后产生负孔隙水压力,其后基本保持稳定;干密度越大,主应力差峰值越大,表现出较大的剪胀性,孔隙水压力易出现负孔隙水压力;干密度值较高时,土样处于密实状态,表现出剪胀特性,有效主应力比-应变曲线近于应变软化型;围压较低、干密度较大时,试样易表现出软化特征,试样出现剪切带破坏,强度明显下降.     

非线性卸荷速率下的硬岩破坏特性与裂纹演化规律

为研究硬岩卸荷阶段速率非线性变化时的破坏特性,利用室内三轴压缩试验和颗粒流数值模拟开展余弦型、直线型和指数型三种卸荷速率变化方式的硬岩破坏研究.结果表明: 指数型卸荷的硬岩首先失稳破坏,余弦型卸荷的硬岩则不易发生破坏,前期较快的卸荷速率对整个卸荷过程的损伤积累影响更大; 硬岩卸载过程中的承载强度受初始围压和卸荷方式的共同影响,且围压愈高则卸荷方式影响愈显著; 根据Mogi-Coulomb准则,指数型卸荷通过内摩擦角影响硬岩强度,而直线型和余弦型卸荷的硬岩强度主要受黏聚力影响;指数型卸荷因前期快速卸荷易在端部产生部分破碎,直线型卸荷随围压升高由陡倾角剪切破裂带过渡多个“V”型剪切破坏,余弦型卸荷随围压增大呈塑性破坏特征趋势.     

砼-土界面抗剪特性试验研究

利用改进的直剪装置对砂岩泥岩混合土料和不同粗糙表面的混凝土块进行直剪试验,观察土料变形特征,探究不同的界面粗糙度对砼-土界面剪切特性的影响。通过简化应力应变关系曲线的方法得出计算参数,利用峰值剪应力得出接触面抗剪性能,分析切向刚度系数k的意义。通过观察可以证实土体的基本变形阶段和破坏变形阶段的过程,即达到峰值剪应力前的基本变形过程,之后的破坏变形过程。结合试验现象对两个阶段的土体摩擦过程进行分析,即土体与结构物接触面的摩擦过程和土体与残余在结构物上的土体的摩擦过程。     

水合物沉积物试验岩样制备及力学性质研究

水合物沉积物现场取心及原位力学试验技术难度大、成本高,室内制备岩样是目前对其力学性质研究的主要手段。采用三轴压力室内直接合成和混合制样两种方法,分别以覆膜砂和膨润土为基质试验制备水合物沉积物岩样,并进行三轴压缩力学试验。结果表明:尽管沉积物中水合物对基质骨架颗粒存在一定胶结作用,但水合物沉积物的力学性质仍主要由基质的性质决定,覆膜砂基质水合物沉积物的力学性质明显好于膨润土沉积物;水合物沉积物的强度及弹性模量随着围压的增加而增加,但泊松比与围压无明显相关性。