不同正压力下钙质砂颗粒剪切破碎特性分析

钙质砂受力后易产生颗粒破碎,从而使其力学性质发生变化。对取自我国南沙某岛礁的钙质砂样进行了不同正压力下的直剪试验。分析了钙质砂颗粒剪切破碎特性,并就不同试验压力下剪切后钙质砂样的颗粒破碎程度通过筛分试验进行了粒径级配分析。结果表明,在不同正压力下进行直剪试验,钙质砂存在一定的颗粒破碎现象,随着正压力增大,颗粒破碎越来越严重;由于钙质砂颗粒破碎的影响,剪切后钙质砂的颗粒级配性质发生改变,随正压力增大钙质砂由级配良好逐渐变得级配不良。钙质砂直剪试验强度包络线为峰值强度包络线,而非残余强度包络线。钙质砂残余强度的摩擦角数值等于或接近砂的天然休止角。从工程安全角度考虑,选用钙质砂的内摩擦角应等于或接近天然休止角。     

多次加-卸载条件下考虑颗粒破碎的钙质砂一维压缩特性研究

南沙群岛附近海域钙质砂多为珊瑚礁碎屑,是一种未胶结的疏松松散颗粒聚集体,颗粒极易产生破碎。为研究钙质砂颗粒破碎特性对其压缩特性的影响,对钙质砂开展多次加-卸载条件下的一维压缩试验,采用相对破碎率为度量指标,评价钙质砂在多次加-卸载过程中颗粒破碎情况;根据试验数据得到反复加-卸载过程中砂样的塑性功,通过建立塑性功与相对破碎率的关系,探讨颗粒破碎对钙质砂一维压缩特性的影响。研究表明:颗粒破碎率随压力的增大而显著增大,颗粒破碎过程具有明显的应力历史依赖性,随着反复的加-卸载,颗粒破碎率的增幅越来越小;同时钙质砂的颗粒破碎率与塑性功呈幂函数关系,且随着塑性功的增加,颗粒破碎率的变化率逐渐减小。     

考虑颗粒破碎的钙质砂压缩特性试验研究

针对钙质砂的颗粒破碎与压缩变形问题,开展了不同含水率条件下的钙质砂侧限压缩试验,分析了粒径、含水率对颗粒破碎和压缩变形的影响规律。试验结果表明:粒径越大,钙质砂颗粒越容易破碎,由此引发的形变越大;不同含水率条件下,颗粒破碎机制不同,当处于低含水率条件下时,颗粒破碎随含水率的增加而加剧,当处于高含水率条件下时,颗粒破碎随含水率的增加而减弱;含水率对压缩变形影响显著,不同含水率条件下的钙质砂压缩性不同。     

饱和钙质砂孔压发展特性试验研究

在岛礁建设中，钙质砂场地会受海浪等周期性荷载影响，因此有必要开展循环荷载下钙质砂的动力响应研究。采用动三轴试验探究了循环荷载作用下，在不同的固结围压、相对密实度和循环应力比条件下饱和钙质砂的孔隙水压力发展规律；将张建民孔压模型用于各工况归一化孔压发展模式的分析，并给出各条件下的推荐孔压模型。研究结果表明：张建民模型C型适用于描述循环应力水平较大时的孔压发展模式，而固结围压、相对密实度较高且处于中等应力水平时可采用修正的张建民模型A型，其余情况均可用B型拟合。此外，各模型的拟合参数与相对密实度和固结围压均有较好的相关性。     

密度与应力水平对珊瑚砂颗粒破碎影响试验研究

珊瑚砂在剪切过程中容易发生颗粒破碎,而颗粒破碎与应力水平、初始密度以及应力路径等因素有关。为了研究密度和应力水平对珊瑚砂颗粒破碎的影响,对珊瑚砂进行了三轴压缩试验和侧限压缩试验。文中建立了三轴压缩条件下颗粒相对破碎与围压和试样初始孔隙比之间的定量关系表达式,以及相对破碎与试样平均粒径之间的关系表达式。研究表明,在三轴压缩和侧限压缩条件下,试样的相对破碎均随着应力水平(围压或竖向应力)和试样密度的增大而增大,但两种应力路径下的颗粒破碎程度有显著的不同。     

可破碎颗粒材料中螺旋桩贯入特性的离散元模拟

作为一种新型完全挤土桩,螺旋桩在各类工程建设中已得到广泛应用。基于离散单元法,以钙质砂为模拟对象,对螺旋桩在沉桩过程中土体颗粒破碎情况进行数值模拟。颗粒破碎采用碎片替换法,破碎应力判定选取八面体剪应力准则。分析了螺旋桩在不同初始应力、不同贯入转速比条件下桩周土体位移场、速度场、应力场分布及土体颗粒破碎演化规律。数值模拟结果表明:在螺旋桩贯入地基土过程中,土颗粒在高应力诱发下发生破碎,桩端土体破碎严重,桩侧颗粒破碎稍弱;随着贯入深度增加,破碎颗粒数量增加,桩侧土体级配发生演化,发生破碎的地基土中桩尖应力略低于不破碎地基土体;提高初始应力,会导致更剧烈的颗粒破碎,破碎颗粒的散布范围更广,桩尖应力明显减小;提高贯入转速比会增加颗粒破碎的程度,在高转速比条件下,破碎颗粒均匀散布在桩侧,螺纹附近的颗粒速度、位移较大;而低转速比工况下,土颗粒的速度、位移峰值主要集中在桩尖下部。开展可破碎颗粒材料中螺旋桩贯入特性的研究,对分析较脆弱砂土场地上的桩基稳定、保障工程建设的安全具有指导意义。     

竖向循环荷载下钙质砂单桩沉降特性模型试验研究

钙质砂中的桩基础时常需要承受构筑物上的竖向循环荷载。研制了新型循环加载桩基模型试验系统,通过电位移计、微型土压力盒等传感器,研究了加载次数、循环荷载幅值对桩顶累计沉降、沉降速率、桩端和桩侧阻力变化的影响,分析了循环荷载对钙质砂单桩沉降规律和机理。试验结果表明:①桩顶循环累计沉降随循环次数增加而增大,二者满足对数函数关系;在不同动荷载比(动荷载幅值与桩基极限承载力比值)下,可分为稳定型、渐进型、破坏型3种沉降形式,有着显著的“门槛效应”。②动荷载比越大,桩顶循环累计沉降终值越大,存在一个临界循环次数,达到临界循环次数后,桩顶循环沉降速率(沉降量增量与循环次数比)随循环次数的增加而减小。③循环加载时,桩端和桩侧分担上部荷载比例不断变化,循环桩侧平均摩阻力随循环次数增加逐渐减小,存在“累积损伤”现象,致使循环桩端平均阻力增大,循环荷载加剧桩端钙质砂颗粒破碎和密实,对桩顶累计沉降增加有弱化趋势,动荷载比与桩侧平均摩阻力弱化系数满足Logistic函数关系。研究成果对钙质砂桩基工程设计、施工具有指导意义。     

粗粒土颗粒多点接触下的破碎准则研究

室内多采用2点加载的单颗粒破碎试验获取岩石颗粒的破碎强度，而在实际工程中颗粒大多处于多点接触受力状态，单颗粒破碎试验获得的颗粒强度是否适应多点接触破碎判别需要深入研究。以凝灰岩室内试验的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和巴西劈裂抗拉强度作为基准标定平节理模型的细观力学参数，用标定后的参数建立岩石颗粒的平节理模型试样。首先进行单颗粒破碎试验的数值模拟，分析颗粒在2点加载下的破坏过程；随后随机挑选100个加载构型，模拟颗粒受到不同接触力数量作用下的颗粒破碎，分析多点接触下最大主应力准则、平均主应力准则、八面体剪应力准则和最大接触力准则的适用性。结果表明:岩石颗粒在单颗粒破碎试验中的破坏过程有弹性阶段、裂纹稳定扩展阶段、劈裂破碎阶段；当颗粒处于多点接触受力状态，最大接触力准则判断颗粒破碎仍然适用。     

基于MIP和CT试验的钙质砂孔隙分布特征研究

钙质砂是一种以碳酸钙为主要成分的岩土介质，含有丰富的内孔隙。内孔隙的存在，对钙质砂宏观力学性质具有重要影响。为了研究钙质砂的微观孔隙结构特征，选取南海某岛礁建设地基的钙质砂试样，根据粒径大小将其分为４个不同的粒组，联合使用ＭＩＰ压汞试验和ＣＴ扫描试验，对不同粒径钙质砂的微观孔隙性状进行了定量表征。结果表明:钙质砂孔隙分布特征曲线表现出双峰特征，小孔隙的体积占比最大，约为５０％左右，其次是大孔隙，而微孔隙的含量则很少。随着粒径的增大，钙质砂的孔隙率也在不断增大，但增大的幅度逐渐减小。钙质砂的封闭内孔隙率约在１％上下浮动，远低于连通孔隙率。     

基于统计损伤理论的邓肯—张修正模型研究

由于邓肯—张EB模型没有考虑颗粒破碎损伤对材料变形及强度的影响,不能模拟堆石料应变软化的缺陷,故将统计损伤理论引入邓肯—张双曲线模型。通过探讨堆石料应力—应变曲线不同阶段损伤变量的规律,描述堆石料的损伤破碎过程,考虑其损伤阈值的影响,建立了邓肯—张修正模型表达式,该模型参数能通过试验数据拟合得出。经过验证,邓肯张修正模型在高围压下能较好的模拟堆石料破碎损伤的全过程,低围压下退化为常规邓肯—张模型。与传统邓肯—张模型、统计损伤模型、弹塑性模型及试验结果相比较,其形式简单、参数少。研究成果可应用于底部围压较大的高堆石坝分析,为堆石坝的设计计算提供参考。     

钙质砂中桩基承载性状的模型试验研究

通过室内模型试验研究钙质砂中桩的承载性状,并采用石英砂进行对比。试验结果表明:在钙质砂和石英砂中桩的承载性状差异显著;开、闭口对桩的承载性能影响不大,相对密实度越大表现越明显;相同相对密实度下钙质砂中闭口桩的承载力较石英砂中低很多;钙质砂中桩侧荷载分担较小,大部分荷载由桩端土体承担,桩身下部与上部轴力相差不大,密实度越大,桩端轴力分担比例越高;石英砂中,桩身轴力沿桩身呈迅速减少,轴力衰减速率随深度增加而增大;与钙质砂相比,石英砂中桩侧摩阻力大很多;钙质砂和石英砂中桩侧摩阻力分布形式相似,近似呈抛物线型,表现出相同的性质;钙质砂中桩侧摩阻力未随相对密实度的增大而明显增加,而石英砂中桩侧摩阻力随相对密实度的增大而增加十分显著。     

双斜滑动面地基对胶凝砂砾石坝破坏模式的影响研究

为探究复杂地基对胶凝砂砾石坝(CSG坝)安全稳定性的影响,对均质地基、断裂双斜滑动面地基和完全发育双斜滑动面地基上的CSG坝开展了三维地质力学模型试验研究。通过分析试验中坝体、坝基的变形特征,以及模型的破坏过程与破坏形态,探究了影响坝体安全稳定的控制性因素。研究结果表明:(1)均质地基模型、断裂双斜滑动面地基模型和完全发育双斜滑动面地基模型的超载安全系数K_p分别为6.8、6.4和6.0。(2)模型的破坏模式与地基整体性有很大的关系,其由坝体沿坝基面产生的贯通裂缝破坏,逐渐发展为跟随地基中的滑移通道滑动,形成坝踵下降、坝趾抬升的滑动翻转破坏。(3)复杂地基中结构面的抗滑稳定性决定着CSG坝的稳定性;CSG坝在受到双斜滑动面地基影响后,各模型的破坏超载安全系数随着地基的发育逐步降低,严重影响着工程安全性,在坝址选取时应尽量避免可能形成潜在滑动面的危险断层。试验成果可对CSG坝后续发展、设计及施工提供参考依据。     

扁平管袋裸坝基于波浪作用的稳定性公式推求

为获得扁平管袋裸坝结构在波浪作用下的变形稳定特性,分析了扁平管袋在波浪作用下的受力情况,通过引入管袋变形因子,分别推导出考虑管袋变形情况的裸坝结构滑动失稳和倾覆失稳稳定性公式。结合管袋裸坝结构模型试验得到的管袋失稳方式和相应的变形参数,探讨了变形对管袋裸坝结构发生滑动失稳时所受波浪力和自重力及倾覆失稳时相应力矩的影响,计算出相应的变形因子,进一步完善了考虑管袋变形情况下管袋裸坝结构稳定性公式。该公式充分考虑波浪引起的管袋变形特征,具有普遍适用性。     

考虑剪胀性和应变软化的粉细砂双屈服面本构模型

针对上海粉细砂不存在唯一临界状态线的特点,对传统的砂土本构模型进行了改进,提出了一个能合理描述粉细砂剪胀性和应变软化特性的弹塑性本构模型.该模型采用双屈服面形式,可同时反映剪切变形及压缩变形机理.模型对传统修正剑桥模型中的剪胀性公式进行了改进,考虑了反映塑性体积应变由正转为负时对应的特征状态应力比与初始有效围压的相关性.为了描述应变软化特性,提出了一个利用残余状态应力比和峰值应力比的应变软化公式,可较为合理地反映粉细砂的应变软化特性.通过对上海粉细砂的多组试验结果模拟,验证了本文模型的合理性和有效性.     

饱和砂土液化后强度与变形特性的试验研究

利用双向振动三轴试验装置,进行了饱和砂土液化后静力再加载试验。从砂土受振动荷载结束后所处的拉伸、压缩两种状态出发,对饱和砂土液化后的强度变形特性进行分析,研究了液化程度和围压对饱和砂土液化后不排水变形特性的影响。试验结果表明：振后处于拉伸状态的试样,液化后的变形由低强度段、超线性强度恢复段和次线性强度恢复段三段组成;振后处于压缩状态的试样,液化后的变形则只有次线性强度恢复段。提出了统一描述两种状态下砂土液化后应力应变关系的三阶段模型,并给出了模型参数的推导过程。与试验结果对比显示,该模型的预测值与试验值吻合较好,该模型有较好的适用性。     

广东粉土质砂的力学特性试验研究

选取广东粉土质砂(SM)为研究对象,在一系列室内试验基础上,研究该土的渗透、变形和强度等力学特性,并探讨粉土质砂的应力应变关系和邓肯模型参数。试验成果表明:粉土质砂在压实和胶结程度高的条件下,其渗透性较低,压缩性中等,抗剪强度极高;其应力-应变关系表现有明显峰值和应变软化特征,在剪应力作用下土体开始表现为剪缩特性,当变形达到一定值后,表现出剪胀特性;此外,土体的本构关系能较好地采用邓肯模型来反映。研究结果为解决粉土质砂的工程问题提供了很好的基础和依据。