颗粒形状对交通荷载条件下砂土力学性能的影响分析

交通荷载长期作用下,软土地基的稳定性会受到很大影响;作为持力层的砂土也会因此受到影响。利用空心扭剪仪模拟交通荷载条件下主应力轴旋转角变化对砂土强度的影响进行研究。为了研究砂土颗粒形状对主应力轴旋转角的响应,利用三种不同砂土颗粒(丰铺砂、玻璃微珠和Ottawa砂)在不同应力加载路径下砂土试样强度进行对比分析。研究结果表明,不同形状的砂土颗粒非共轴现象差异较大,试样的强度也出现不同;形状相同但粒径不同的玻璃微珠的应力应变曲线也存在差异。     

砂土的形变能破坏准则

本文基于国内外有关中主应力对砂土抗剪强度影响的模型，讨论了中主应力对砂土抗剪强度的影响机理，导出了以形变能破坏准则为基础，适用于复杂应力条件的强度指标计算公式，较好地考虑了砂性土在三轴压缩与三轴拉伸条件下强度指标的差异和中主应力对强度指标的放大效应。本文公式在考虑粘结应力的情况下，也可推广到对粘性土强度变化的研究。     

土体强度特性影响因素的试验研究

选取不同孔隙比的天然砂土试样进行排列后,对其在不同固结压力下进行常规三轴试验,重点探讨相同试验条件下,排列对砂土抗剪强度的影响。结果表明:排列情况下的砂和混合情况下的砂,试样的偏应力均随围压的增大而增大;相同围压下,排列试样的偏应力峰值明显高于混合试样的偏应力峰值;排列砂样的内摩擦角要大于混合砂样的内摩擦角。同时,利用kf曲线间接获得了排列和混合情况下砂土试样的抗剪强度曲线,并结合试验结果对莫尔-库伦准则进行了修正。     

空心扭剪试验技术在南海钙质砂动强度测试中的应用

通过对中砂空心圆柱试样制备和饱和方法进行改进,结合动循环应力加载方式的实现,完善了复杂应力路径加载下砂土动力特性室内试验测试技术,并应用于南海钙质砂动力特性研究项目中,重点研究了偏应力比、平均主应力对饱和钙质砂动强度特性和孔压增长模式的影响。结果表明:土体动强度随平均主应力的增加而提高,随初始偏应力的增加而降低;不同初始偏应力比下归一化孔压发展规律较为接近,且表现出良好的对数函数关系。     

主应力轴旋转下原状软黏土的变形及强度特性

为研究主应力轴旋转情况下饱和软黏土的变形及强度特征,采用先进的空心圆柱扭剪仪(HCA)对软黏土进行了一系列不排水剪切试验。试验采用等压固结模式对软黏土空心薄壁试样进行固结,并在3种不同中主应力系数情况下,对试样进行不同主应力轴旋转角度下的不排水剪切试验;剪切过程中保持平均应力、中主应力系数及主应力轴旋转角度不变,只增加偏应力,研究不同中主应力系数情况下主应力轴旋转角度对软黏土应力应变特征以及强度特性的影响。研究结果表明:不同主应力轴旋转角度下天然软黏土的变形及强度特征存在明显的差异,在中主应力系数b=0.5的非轴对称加载情况下,不排水剪切强度随着主应力轴旋转角度的增大呈勺形变化;在b=0的轴对称压缩条件及b=1的轴对称拉伸条件下,随主应力轴旋转角度的增加,不排水剪切强度均呈递减趋势。     

掺入轮胎橡胶颗粒对砂土剪切性状的影响

为有效提高砂土填料的抗剪强度并降低其重度,利用废弃轮胎橡胶颗粒的良好表面摩擦性与低重度特性,将其掺入到砂土填料,形成加筋机制,通过直剪和三轴压缩试验,研究多种掺入比与不同围压条件下砂土剪切性状,对应力-应变特征进行模拟,并提出模型参数.根据实验结果,峰值剪切强度随橡胶颗粒掺入量增加而减小,峰值偏应力或峰值应力比在300～400 kPa围压下随橡胶掺入量增加而减小,在100～200 kPa围压下,基本不变,砂土泊松比受橡胶颗粒掺入量影响,并随主应力发生"弯转".围压小于200 kPa,掺入10%～20%的轮胎橡胶颗粒可提高砂土的抗剪强度,并降低材料重度,砂胶混合材料应力-应变关系可用Duncan-Chang模型模拟.     

不同应力路径及颗粒级配下青岛海砂试验研究

进行青岛海砂在不同应力路径下的三轴试验.利用GDS三轴试验系统,得到青岛海砂的应力-应变曲线,分析青岛海砂在不同应力路径下力学响应的细观机理.分别探讨了标准三轴路径、等p路径、被动压缩路径、等主应力比路径下青岛海砂的力学性质.将不同应力路径下青岛海砂的应力-应变曲线进行对比,分析不同应力路径和颗粒级配对青岛海砂力学性质的影响.标准三轴路径下青岛海砂的峰值强度最高,等p路径下次之,被动压缩路径下最低;被动压缩路径下体应变值最大,等p路径次之,标准三轴试验最小.这说明随着围压的增大,砂土强度值逐渐增大,体应变值会逐渐减小.颗粒级配对峰值强度有一定影响,但对剪胀量的影响不明显.     

定轴剪切实验中砂土的非共轴变形特性

针对目前主应力轴固定单调剪切情况下砂土是否存在非共轴性这一争议,以山东汶河粉细砂为研究对象,采用空心圆柱仪对砂土进行一系列不同大主应力方向角的定轴剪切排水实验,对饱和砂土的强度、应力应变以及非共轴变形特性进行研究。结果表明:大主应力方向角对于砂土的强度特性具有明显的影响,随着大主应力方向角的增大,强度呈现先减小后增大的规律,同时变形表现出明显的各向异性;更为重要的是,在不同大主应力方向角下进行主应力轴固定单调剪切时,主应力方向与主应变增量方向存在明显的非共轴角,这种非共轴现象不可忽略。     

初始相对密实度对砂土强度特性影响的试验

针对两种级配不同的福建标准干砂,在不同固结压力下进行常规三轴试验,着重探讨不同初始相对密实度对砂土抗剪强度的影响.试验结果表明:考虑砂土的初始结构性,即初始相对密实度不同时,砂土的强度特性会发生较为显著的变化.相同试验围压下,随着密实度的增加,试样的初始切线模量有所增长、试样的峰值偏应力逐渐增大;而相同密实度的情况下,随着试验围压的增加,初始切线模量也有较为显著的增长、试样的峰值偏应力也逐渐增大;试样的内摩擦角随着初始相对密实度的增加基本呈线性增长.结合试验结果建立了砂土抗剪强度指标与初始相对密实度之间的关系,进而考虑初始相对密实度对莫尔-库伦准则进行修正.     

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.     

土工格室加筋砂土试验颗粒流分析

为了进一步分析土工格室在土体中的加筋作用,以高强土工格室作为研究对象,采用室内3轴试验和颗粒流模拟的方法,研究土工格室加筋砂土的特性,并通过3维颗粒流分析程序(three dimension particle flow code, PFC~(3D))模拟加筋砂土在不同工况下的应力-应变特性、接触力分布情况、位移场分布规律等.结果表明,用PFC~(3D)能够较好地模拟加筋砂土的应力-应变特性;随着土工格室焊距的增大,加筋砂土模型的承载力也增大;土工格室的高度越高,加筋砂土的承载力越大;随着围压的升高加筋砂土的承载力也增大.最后,分析了在荷载作用下的加筋砂土的位移情况,得出在土工格室中间及其影响区域内土体颗粒在位移方向排列比较集中和整齐,且土体颗粒基本上沿着主应力方向,在土工格室影响区域外围向外扩散.     

可燃冰沉积物宏细观力学特性真三轴试验离散元模拟

为了研究孔隙填充型可燃冰沉积物在复杂应力状态下的力学特性,采用三维离散元法对孔隙填充型可燃冰沉积物试样进行在不同平均应力、不同中主应力系数下的真三轴压缩模拟试验,研究平均应力和中主应力系数对宏、细观力学性质的影响以及细观力学机制的演化与宏观力学特性的联系。结果表明:平均应力的取值主要影响可燃冰沉积物的峰值强度;大、中、小主应力以及大、中、小主应变受到中主应力系数的取值影响较大,其变化趋势与颗粒接触的强接触组构主值表现出良好的相似性;在三向应力不等的情况下,可燃冰沉积物的破坏强度符合Lade-Duncan准则;随着中主应力系数逐渐增大,XY平面上的法向接触力更倾向于朝着中主应力方向发展。     

排水条件下饱和砂土单调剪切特性试验研究

应用大连理工大学研发的土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪,控制试验过程的平均主应力和中主应力系数保持恒定,改变主应力方向,针对相对密度为30%、60%的饱和福建标准砂,进行一系列排水单调剪切试验.主要探讨排水条件下主应力方向和相对密度对砂土应力-应变关系、有效内摩擦角及体变特性的影响.试验结果表明:主应力方向对饱和砂土的单调剪切特性具有显著影响;不同主应力方向对应的应力-应变关系所表现出的变化规律取决于水平面与竖直面上受到的剪应力作用,相变及峰值广义剪应力和有效内摩擦角与主应力方向角之间存在抛物线型关系.同时相对密度的影响也不容忽略;同中密砂相比,松砂的剪缩现象明显,其峰值抗剪强度降低.     

不同加载应力路径下饱和砂土力学特性试验研究

通过全球数字系统(global digital system, GDS)动三轴测试系统,对砂土进行了常规三轴压缩试验和偏压固结下的等p(平均应力)、等σ_3(围压)、等σ_1(围压)等不同应力路径的试验。通过对所有的实验结果进行了对比分析,研究了砂土材料在不同应力路径下的应力-应变、变形特性、强度特性。试验研究结果表明,等压应力路径试验中试样都是先体积收缩随后出现体积膨胀现象,这与高围压下砂土的剪胀性变化情况不一样;偏压固结试验中,整个加载阶段前期表现为应变硬化,但是后期的软化现象不是很明显,这与等压固结试验应变硬化-软化现象略有不同。虽然常规三轴和偏压固结下的σ_3等试验采用的是两种不同的固结方式,但是达到的峰值强度基本上是一样的,说明固结方式对于试样的强度没有太大的影响。偏压固结试验中,不同的应力路径达到峰值强度时所对应的轴向应变是不同的,而且峰值强度也不一样,说明不同的应力路径会对砂土的强度造成影响,同时也说明了砂土力学特性对于应力路径的依赖性。     

排水循环剪切条件下砂土体变特性试验研究

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,针对饱和福建标准砂,在各向均等与三向非均等固结条件下,进行了排水循环扭剪试验.通过试验讨论了初始主应力方向、相对密度和剪应变幅度对排水条件下饱和砂土体积变化特性的影响.研究表明:循环剪应变幅度和相对密度显著地影响饱和砂土体积变化规律,循环剪应变幅度越高,相对密度越大,越易于发生剪胀.在三向非均等固结情况下,饱和砂土在排水循环剪切条件下的体变特性密切地依赖于砂土的初始主应力方向.不同初始主应力方向时应力-应变关系表现出不同的变化模式,体积变化累积规律的具体模式取决于正应力水平与垂直平面上所存在的初始剪应力.     

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.     

砂土单调剪切力学性状的颗粒流模拟

利用离散单元法中的二维颗粒流方法(PFC2D),采用了两种不同接触刚度模型对福建标准砂常规三轴试验结果进行了细观数值模拟,并探讨了不同围压水平下两种接触刚度模型的适用性.研究结果表明:对于Hertz-Mindlin接触模型,细观剪切模量影响数值试样的宏观变形模量,颗粒摩擦系数影响试样的峰值强度,细观泊松比变化对试样宏观响应影响不大.当考虑一个确定围压水平下的三轴试验模拟时,两种接触刚度模型均能得到较理想的结果;而当考虑不同围压条件时,由Hertz-Mindlin接触模型得到的结果要比线性接触模型更加符合实际砂土的性质.     

循环荷载下钙质砂单颗粒破碎试验研究

钙质砂是长期在饱和的碳酸钙溶液中经物理、生物化学及化学作用过程而形成的海洋沉积物,是人工岛建造常用的岩土工程材料,其力学特性直接影响人工岛的安全使用.海洋环境下钙质砂不间断承受海洋动荷载的影响,因此有必要探究循环荷载作用下钙质砂单颗粒动强度特征.为此采用自行设计研制的单颗粒循环加载仪器对不同形状、粒径的南海钙质砂进行单颗粒破碎试验,利用Weibull统计函数描述每种粒径下的单颗粒动强度分布规律.基于试验所得力-位移曲线,发现钙质砂单颗粒在动荷载试验过程中的破坏模式分为两种:一种是颗粒破碎发生在加基值力之前,一种是颗粒破碎发生在加基值力之后.对不同粒径单颗粒动强度统计分析,发现单颗粒动强度的分布与粒径有关,粒径越大则强度越低;相同粒径下不同形状的单颗粒动强度规律为:块状颗粒条状颗粒片状颗粒;同一形状下单颗粒强度服从Weibull分布,在双对数坐标轴下,特征单颗粒动强度与粒径呈线性关系.     

循环预剪作用对饱和松砂抗液化强度影响

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在均等固结条件下,针对福建标准砂(Dr=30%),进行了不同应力幅值的循环预剪试验和二次加载液化试验,探讨了波浪荷载的循环预剪作用对饱和砂土抗液化强度的影响.试验结果表明:循环预剪作用降低了饱和砂土孔隙比,但其影响程度较小.在较小的应力幅值范围和一定的循环次数内,循环预剪作用过程中所产生的最大孔隙水压力随着所施加的循环应力幅值的增加而呈线性的增长.在循环预剪过程中饱和砂土未发生液化条件下,随着循环预剪应力幅值的增加,饱和砂土的抗液化强度也不断得到提高.分析其原因,主要是在施加循环预剪作用时,饱和砂土孔隙的均匀化过程和砂土颗粒间咬合作用的增强,使砂土形成了较为稳定的结构.     

三轴围压下土受冲击荷载的试验研究

对在不同速率冲击荷载下,原状粉土、粉砂土及粉质粘土在不同围压下的三轴试验进行了说明,对在一定围压下不同加载速率对土样强度特性的影响进行了研究。结果表明,对于粉土及粉砂土,在一定围压下,土样的应力-应变曲线随冲击荷载速率的增大而升高,表现为强度的增大;对粉质粘土,在一定的围压下,土样的应力应变曲线随冲击荷载速率的增大而降低,表现为强度的降低;对不同种类的土,在相同的冲击荷载速率下,土样的抗剪强度都随围压的增大而增大。