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.     

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.     

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。     

粗颗粒组分含量对中细砂抗剪强度的影响

粒径级配决定了砂体颗粒结构特征,影响着砂体的剪切力学行为。为查明粗颗粒组分含量对中细砂抗剪强度的影响,在中细砂中逐级加入粗颗粒组分,配制了5组混合砂样,并对其进行了直剪试验研究。结果表明:随着法向应力的增大,各组混合砂样的抗剪强度也随之增大;直剪试验中各混合砂样直剪峰值强度后均出现略微软化,随剪切位移的增大又发生硬化;当法向应力的增大时,各组混合砂样硬化现象更加明显;在同一法向应力作用下,增加粗颗粒含量,各组混合砂样抗剪强度均表现出先降低后升高的趋势,在粗颗粒含量由0%增加到20%时,混合砂样抗剪强度持续降低,在20%粗颗粒含量时达到最小,之后开始增大;在不同的级配及法向应力作用下,混合砂样的摩擦系数等强度指标变化均在20%粗颗粒含量时发生改变。     

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.     

剪切试验中筋土界面土颗粒运动的细观量测

基于互相关理论,将粒子图像测速(PIV)技术应用到筋土界面直剪试验中,从细观角度来研究试验过程中土颗粒的运动情况.筋土界面的剪切试验分别在法向应力为50和87.5 kPa下进行.通过对一系列试验结果的分析,可以得到:界面附近砂颗粒的水平位移和竖向位移均随着剪切位移的增加而增加,但增加的速率随剪切位移逐渐减小;试验中砂颗粒的水平变位较为明显,但随着距离筋土界面高度的增加,变位的程度有所减弱;试验中界面附近发生变位的砂颗粒范围不超过45 mm,即剪切带的范围大致为45 mm,相当于试验用砂平均粒径的7～9倍.     

节理岩体剪切强度的计算方法及其应用

根据36组直剪试验结果,对基于起伏度和粗糙度等剪切强度公式进行对比,给出其建议适用性范围.研究结果表明:在只考虑起伏度时,Ladanyi-Archambault公式的计算结果更接近实际值;而只考虑粗糙度时,采用JRC-JMC模型和Grasselli改进公式进行预测更加合理;节理岩体的峰值剪切强度与法向应力有关,当法向应力较小时,节理面起伏度是节理岩体峰值强度的主要影响因素,而随着法向应力的增大,采用粗糙度计算结果与实际值相吻合.     

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.     

不同锯齿高度对软弱结构面剪切特性的影响

为分析不同法向应力与锯齿高度情况下软弱结构面的剪切行为,通过数值方法建立不同锯齿高度情况下的结构面计算模型,模拟在不同法向应力情况下的直剪试验,探讨结构面抗剪强度峰值前后的应力应变关系。建立剪胀角?与锯齿高度h之间的线性关系表达式。研究结果表明:随着锯齿高度增大,峰值抗剪强度对应的位移逐渐增大;应变软化阶段应力下降的速率呈先减小后增大的趋势,当锯齿高度与夹层厚度相同时达到最小值;峰值抗剪强度与残余抗剪强度均随锯齿高度的增大而呈线性增大,当锯齿高度达到一定值后,残余强度不发生变化;当锯齿高度较大如80 mm时,结构面法向应力与抗剪强度之间呈现显著的线性关系,而当锯齿高度较小时,两者之间的关系表现出一定的非线性特征,并且此时对应较小法向应力的剪切强度基本相同;随着法向应力增大,应变软化阶段应力下降的速率不断减小,残余强度与峰值强度的比值呈先增大后减小的趋势,最大值为0.961 4。     

粗粒含量对砂卵石土宏细观力学特性影响分析

摘 要: 砂卵石土粗粒含量对基坑及隧道围岩等稳定性影响较大,然而不同粗粒含量砂卵石土宏细观力学特性尚不明确。采用室内大型粗粒土三轴试验与数值三轴试验相结合的方法,对不同粗粒含量砂卵石土宏观及细观力学特性开展研究。研究结果表明：随着粗粒含量增加,砂卵石土的应力应变曲线表现为应变软化性;围压不变时,砂卵石土随着粗粒含量增加,应力峰值增大而达到峰值时的应变逐渐减小;建立了砂卵石土粗粒含量与内摩擦角和粘聚力等力学指标之间函数关系,随着粗粒含量的增加,砂卵石土的内摩擦角与粘聚力呈线性增大;提出了不同粗粒含量砂卵石土的接触模量、颗粒刚度比、摩擦系数、接触粘结强度等颗粒离散元细观参数。研究成果为砂卵石地层工程精细化设计及施工提供理论支撑。     

模拟月壤颗粒形状特征及其对抗剪强度影响分析

为研究颗粒形状特征对抗剪强度的影响,对模拟月壤颗粒进行体视显微镜扫描拍照,并利用图形处理软件对各粒径组颗粒的形状特征进行量化统计.结果表明:模拟月壤颗粒的主要形状有圆形、类椭圆形、类三角形和类正方形等.利用PFC 3D软件中的"Clump"命令构造出不同形状的模拟月壤颗粒并通过三轴试验数值模型研究其抗剪强度指标值,模拟结果表明:颗粒形状对模拟月壤的抗剪强度指标值有着明显的影响,其中构造出的类椭圆体颗粒试样抗剪强度最大,而规则的球体颗粒试样的抗剪强度最小;当颗粒形状都是类三角体时,凹凸度越大,试样的抗剪强度指标值也越大.     

颗粒物质三维直剪实验的数值模拟

为了获取断层物质的受压剪切特性,用离散元法生成5种非规则颗粒单元来模拟自然条件下断层物质的直剪过程,以实验数据为参数,探讨了不同法向应力、摩擦系数、颗粒形状、试样颗粒组构对断层物质的剪应力的影响。结果表明,剪应力随法向应力、摩擦系数、非规则颗粒含量的增加而增大,不同法向应力、颗粒形状、试样组构下孔隙率的变化反映了剪应力的变化。     

滑带土抗剪强度特性的环剪试验研究

以黄土坡滑坡滑带土为研究对象,采用环剪仪研究了天然含水率的滑带土在不同法向应力与剪切速率下的抗剪强度特性。试验结果表明:滑带土的峰值强度和残余强度均随着法向应力的增大而增大,并呈现出较强的线性关系;0.1~10mm/min范围内的剪切速率对滑带土的残余剪切强度影响不明显,变化幅度在±6%以内;但剪切速率越大,滑带土需要更多的变形以达到残余强度;随着剪切速率地增大残余黏聚力不断地减小,残余内摩擦角逐渐地增大,峰值强度及峰值黏聚力、内摩擦角均增大;剪切速率对滑带土的软化特性影响明显,并且较大的剪切速率使得剪切过程中从剪切盒侧壁流失的黏粒与孔隙水增多,因此在进行滑带土排水环剪时,宜采用较小的剪切速率。     

不同温度环境下加肋土工膜与砂土界面拉拔试验的颗粒流数值模拟

为了研究垃圾填埋场衬垫系统中加肋土工膜与砂土界面特性,通过对比室内拉拔试验,运用离散单元法的二维颗粒流程序(2D particle flow code,PFC2D),模拟了不同加肋高度和温度组合下的加肋土工膜与砂土界面拉拔试验,得到了加肋土工膜与砂土界面的宏观应力-应变曲线、细观颗粒间位移场和应力场的变化规律.研究结果...     

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。     

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。     

粗颗粒土颗粒破碎影响因素试验研究

通过室内粗颗粒土的大型三轴和单轴试验,对粗颗粒土的颗粒破碎特性进行了研究,并分析了粗颗粒土母岩性质、级配、围压及应力状态对颗粒破碎的影响.结果表明:粗颗粒土的母岩强度或细颗粒含量越高,或粗颗粒土的浑圆度越好,颗粒破碎率越小;随着围压和应力的增大,粗颗粒土的颗粒破碎率也呈增大趋势.     

预留缝宽度对大理岩直剪试验结果的影响

在岩石直剪试验过程中,上下剪切盒（夹具）之间往往需预留一定宽度的缝隙,但预留缝隙的宽度值没有明确的规定。本文采用相同直径、不同高度的大理岩试样进行直剪试验,研究了上下剪切盒预留缝宽度对岩石抗剪强度和破坏特征的影响。试验结果表明：同一法向应力下,随着试验预留缝宽度的增加,试样剪切断裂面的正视图由一条近似直线逐渐变成三段近似直线构成的折线,剪切断裂面由水平曲面逐渐变为倾斜曲面,主导试样破坏的应力由剪应力逐渐变为拉应力;在同一法向应力下,试验预留缝宽度越大,测得的峰值抗剪强度值越小;随着预留缝宽度的增加,直剪试验获得的试样黏聚力整体上呈增加趋势,但变化不大,较为平稳,而内摩擦角则逐渐减小,且变化明显,幅度较大。试验预留缝宽度的取值对试验获得的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角均存在影响,因此目前情况下在岩石直剪试验中应尽量减小预留缝宽度,而预留缝宽度的定量取值尚需开展进一步的研究。