不同应力路径条件下的砂土剪切特性试验研究

为了探讨不同应力路径条件下的砂土剪切特性,进行了8种不同应力路径的单调剪切试验。试验结果表明,在不同剪切路径条件下,砂土的剪切特性明显不同。即在压缩条件下的剪胀特性明显大于拉伸条件下的剪胀特性,而同样的压缩路径,减压压缩路径下的剪胀特性最显著,增压剪切路径下的剪胀特性最小,常规压缩路径下的剪胀特性在其中间。且相对于均等固结,在偏压固结条件下表现出更显著的剪胀特性。在不同剪切路径条件下,砂土所发挥的最大内摩擦角也有所不同,即在三轴拉伸条件下所发挥的内摩擦角普遍比三轴压缩条件下的内摩擦角大3°~4°,而在相同的压缩或拉伸条件下,内摩擦角以及临界状态应力比基本一致,与加载路径无关。     

中主应力系数及应力路径对砂土剪切特性影响的真三轴试验研究

针对福建标准砂,进行了系列真三轴排水剪切试验,重点探讨了应力路径、中主应力系数对砂土应力-应变关系、广义剪应力比-应变关系及抗剪强度指标的影响,并利用试验实测的三轴拉伸和压缩条件下的内摩擦角及不同中应力系数条件下的强度实测值,验证了岩土材料非线性统一强度模型在π平面上的强度包线。试验结果表明,应力路径完全相同的情况下,砂土的抗剪强度q和广义剪应力比q/p随中主应力系数的增大而减小,强度指标?随中主应力系数的增大而增加;中主应力系数越大,砂土的剪胀特性越明显;不同应力路径对砂土应力-应变关系影响很大,但对应力比-应变关系及抗剪强度指标?的影响相对较小;岩土材料非线性统一强度模型能够很好地描述砂土的非线性强度特性。     

胶结砂土力学特性的三维离散元简化分析

离散单元法(DEM)是一种基于非连续介质力学的数值模拟方法,能够有效地分析胶结颗粒材料的宏微观力学响应。本文通过三维离散元商业软件PFC3D,采用其自带微观胶结接触模型BPM,对不同胶结含量和不同围压下的胶结砂土进行常规三轴压缩试验模拟,以分析理想胶结砂土的宏微观力学特性。简化模拟结果表明:与同一初始孔隙比的无胶结试样相比,胶结试样具有更高的剪切强度,试验得到的应力应变曲线表现出明显的应变软化,体变曲线表现为剪胀性;随着胶结含量的增大,胶结砂土试样的峰值强度增大且软化、剪胀程度提高;而随着围压的增大,胶结砂土试样峰值强度增大、剪胀程度减小但软化程度不变。此外,试样的内摩擦角和黏聚力也受到胶结含量和围压的影响。     

考虑物理状态变化的砂土本构模型

本文基于临界状态理论，在已有模型的基础上，通过将状态参数引入剪胀方程和塑性硬化模量表达式，建立了一个新的砂土本构模型。该模型可以描述加载过程中相对密度和有效围压变化引起的物理状态变化对材料强度和变形特性的影响，模型形式较简单，仅有8个材料参数，适用于排水及不排水的情况。数值模拟的结果与三轴试验结果吻合较好。     

颗粒材料定向剪切特性的空心圆柱离散元模拟

基于PFC3D离散元模拟平台构建空心圆柱型数值模型,研究了固定主应力方向条件下颗粒材料数值试样的定向剪切宏细观力学响应,重点分析了大主应力方向角对试样单调剪切特性的影响。数值建模中,采用"分离式簇墙"技术近似模拟室内试验橡皮膜的柔性边界效应,开发了顶部扭矩层颗粒旋转速度的"动态更新法"并较好地实现了剪应力的施加。结果表明,离散元数值模型能够较好地还原室内空心圆柱砂样定向剪切试验的应力路径和应力—应变响应;大主应力方向角α的变化显著影响数值试样的剪切强度,α=60°试样的峰值内摩擦角最低,且数值模拟得到的规律与已有的实际砂土室内试验规律相一致;数值试样剪切带的宏观演化在细观上可由试样内部局部孔隙比和配位数的变化规律来表征。     

单剪与常规三轴条件下土石混合体强度特性差异

开展土石混合体的大型叠环式单剪试验与大型三轴试验，根据颗粒材料及砂土的单剪试验规律分析单剪试样应力状态，探讨两种试验条件下土石混合体的强度特性差异。结果表明：(1)对应相同小主应力，试样在单剪过程中的大主应力率水平更低、变化范围更小，主应力比峰值更低，对应极限应力摩尔圆更小；(2)单剪条件下的割线剪切模量各向异性，其中水平向割线剪切模量在剪切过程中恒低于三轴条件下的割线剪切模量，但差值随主应力轴与主应变轴间的非共轴度减小而减小；(3)对于采用试料，单剪条件下的摩尔-库仑抗剪强度指标值显著低于三轴条件下的值，其中内摩擦角低约9.5%。初步研究认为，单剪过程中的主应力轴旋转以及非共轴性是造成土石混合体2种试验强度特性差异的重要原因。     

颗粒级配对砂土剪切特性的影响及细观机理研究

为了探索砂土颗粒级配对其剪切特性的影响,以标准砂为基本材料,制备4种不同人工级配砂进行室内直接剪切试验;同时建立了和4种人工制备砂土相同级配的离散元数值试样进行数值剪切试验。直剪试验结果表明,颗粒级配对砂土内摩擦角影响比较明显,总体表现为内摩擦角随不均匀系数的增大而增大,随曲率系数的增大而减小。离散元数值模拟表明,砂土初始级配对孔隙率、颗粒配位数以及颗粒滑动率的影响都比较显著;砂土试样的破坏是与颗粒级配有关的渐进破坏过程;剪胀系数均随d_(10),d_(30)和d_(60)的增大而先减小后增大。     

堆石料广义塑性模型对不同应力路径适应性研究

针对同一系列某花岗岩堆石料不同应力路径加载试验,进行了修正广义塑性模型与修正南水模型的应力路径适应性对比研究。研究结果表明:两类模型均可以很好地预测常规三轴加载试验结果;对于等p加载应力路径试验,二者可以很好地预测强度特征,但是预测的体变偏差较大,两类模型均低估了等p试验下堆石料的体缩特性;对于等应力比加载试验,南水模型预测结果优于广义塑性模型,对剪胀(缩)规律预测较好。广义塑性模型预测结果与试验值相差较大, 主要原因在于常规三轴试验下的剪胀方程并不适用于等应力比试验,采用本文建议的修正剪胀方程后,广义塑性模型对等应力比路径试验预测精度明显提高。     

考虑剪切中主应力方向的砂土本构模型

考虑状态依赖性的弹塑性本构模型是当前现代砂土本构理论发展的一个主流方向,目前所引用的状态参量虽能够反映孔隙比与平均有效应力的联合效应,但尚不能反映剪切过程中的主应力方向对砂土应力-应变关系的影响.大量复杂应力条件下的空心扭剪试验证明,剪切中的主应力方向对砂土的变形和强度特性具有重要的影响.本文基于考虑砂土状态依赖性的本构理论,提出了一个含有主应力方向的砂土状态参量,并将其同时引入剪胀方程和塑性模量,以此为基础建立了一个能够反映剪切中主应力方向的砂土弹塑性本构模型.通过同相关试验数据的对比和分析,验证了该模型可以较好地模拟砂土在不同主应力方向下的应力-应变关系.     

砂土直剪试验离散元数值模拟与细观变形机理研究

基于离散元法进行砂土直剪试验模拟与剪切宏细观响应研究。采用试样分条带法研究砂土剪切过程中的变形发育情况;记录应力-位移关系,分析砂土剪切应力、应变特性与剪胀特性。通过分析接触力链、接触组构分布、配位数及滑动接触百分比等细观行为演化研究颗粒细观接触状态演变;基于局部孔隙率变化分析颗粒细观分布状态演变;采用颗粒累积转动量和速度场分析颗粒细观运动状态及剪切带发育的细观机制;对离散元软件PFC^2D进行二次开发,实现主应力的可视化。研究表明应变局部化集中于颗粒转动、接触滑动、体胀明显的剪切带内,剪切带内外颗粒不同的运动状态导致细观参量的变化,剪切带厚度为(10~15)d₅₀;力链网络、接触组构和主应力场本质上是一致的,三者主方向在剪切过程中发生了近似一致的偏转。     

粗粒料三维应力状态强度准则研究

中主应力对粗粒料强度有重要影响,而强度研究中常用的大型三轴试验不能考虑中主应力对粗粒料强度的影响。通过大型真三轴各向等压固结等比例加载试验,研究了三维应力状态下粗粒料的强度特性。试验结果表明:随着中主应力系数b的增大,粗粒料大小主应力之差的峰值也逐渐增大,特别是中主应力系数从0增大到0.25时,大小主应力之差的峰值的增大幅度较大,增加了近50%。Lade-Duncan准则较好地描述了粗粒料内摩擦角的变化趋势,不过高估了内摩擦角;SMP准则较好地反映了中主应力系数从0增大到0.25时的内摩擦角的数值大小,但中主应力系数>0.25之后,SMP准则计算的内摩擦角基本随着b的增大而减小,低估了粗粒料的内摩擦角。提出采用的Lade-Duncan准则与SMP准则相结合的单参数复合强度准则,较好地反映了粗粒料强度的数值大小和变化趋势。提出的强度准则在三维主应力空间呈三角锥曲面族形状,轴对称应力状态下的内摩擦角越小,强度越小,三角锥曲面越小,锥角越浑圆,越接近于圆形,而内摩擦角越大,强度越大,三角锥曲面越大,锥角越尖锐,越接近于正三角形。     

考虑级配影响的堆石料强度与变形特性

利用大型三轴仪选用一种典型堆石料,通过设置4种级配、4种相对密度开展一系列不同围压作用下的大型三轴压缩试验,以研究级配、密度、应力状态等因素对堆石料强度与变形特性的影响。基于以上试验,对比分析不同级配、不同密度、不同围压条件下堆石料的应力变形特性,结果表明:试样颗粒越粗,剪切过程中试样越呈现应变硬化和压缩变形特性,随着颗粒逐渐变细,应变软化和剪胀特性愈加明显;堆石料强度与变形特性不仅与其密实和所处的应力状态有关,而且初始级配对其强度与变形特性有显著影响;堆石料强度包络线符合幂函数关系,并通过分析计算验证了其合理性与正确性。分析结果为进一步研究堆石料的状态相关剪胀理论及状态相关本构模型奠定了基础。     

围压和密度对粗粒料临界状态力学特性的影响

粗粒料的力学特性不仅取决于有效围压,还与密实程度密切相关。通过4组不同初始干密度粗粒料的大型三轴固结排水剪切试验,研究了围压和密度对粗粒料临界状态力学特性的影响。试验结果表明:软化型应力应变曲线破坏状态偏应力大于相变状态偏应力,而相变状态偏应力与临界状态偏应力较为接近;不同围压、不同密度的试验,随着剪切的进行,偏应力与平均正应力的应力比逐渐趋向于临界应力比,软化型试验应力比曲线呈单驼峰型形态,硬化型试验应力比曲线呈爬升型形态;临界孔隙比随临界平均正应力的增大而减小,随初始孔隙比的增大基本呈线性增大。研究成果可为特征状态参数研究和临界状态本构模型的建立提供依据。     

考虑剪切中主应力方向的砂土本构模型

考虑状态依赖性的弹塑性本构模型是当前现代砂土本构理论发展的一个主流方向，但目前所引用的状态参量虽能够反映孔隙比与平均有效应力的联合效应，但尚不能反映剪切过程中的主应力方向对砂土应力—应变关系的影响。大量复杂应力条件下的空心扭剪试验证明，剪切中的主应力方向对砂土的变形和强度特性具有重要的影响。本文在考虑砂土状态依赖性的本构理论的基础上，提出了一个含有主应力方向的砂土状态参量，并将其同时引入剪胀方程和塑性模量，以此为基础建立了一个能够反映剪切中主应力方向的砂土弹塑性本构模型，通过同相关试验数据的对比和分析，验证了该模型可以较好地模拟砂土在不同主应力方向下的应力—应变关系。     

三维应力下密度对粗粒料力学特性的影响

通过4种不同初始干密度的粗粒料大型真三轴等小主应力、等比例加载固结排水剪切试验,研究了密度对三维应力状态下粗粒料力学特性的影响。试验结果表明:小主应力一定时,随着初始干密度的增大,应力曲线逐渐升高变陡,软化性增强,体缩变形减小,剪胀性增强。体变增量与大主应力方向应变增量之比即体变增量比随初始干密度的增大而减小,体变增量比从一正值逐渐减小趋向于0但>0时为应变硬化型;若体变增量比从正值减小到负值,体变从压缩变为膨胀,为应变软化型;到最小值时,体胀变形发展最快,应力达到峰值,对应于破坏状态。孔隙比随平均正应力的增大而单调减小,为硬化型曲线;若孔隙比先减小后增大,为软化型曲线;随着初始干密度的增大,孔隙比降低幅度减小,体缩变形减小,硬化性减弱。强度随初始干密度或小主应力的增大基本呈线性增大。研究成果对充分认识粗粒料的力学性能并科学进行应力变形分析、合理开展设计施工提供参考。     

颗粒破碎对粗粒料力学特性的影响研究

易破碎是粗粒料显著的特点,颗粒破碎对粗粒料的抗剪强度、内摩擦角、剪胀以及渗透系数均会产生影响。通过室内大型三轴试验,对粗粒料的颗粒破碎以及应力进行了分析,建立了破碎耗能与塑性功之间的关系式,并将其引入土体受力变形过程中的能量方程,采用相关联流动法则推导出了粗粒土的屈服函数,并绘制出在不同围压下经颗粒破碎修正的屈服面。     

基于热力学的砂土统一模型

考虑剪胀对砂土内部状态的依赖，建立了统一的弹塑性本构模型以描述具有不同密度和应力水平的砂的变形特性。从热力学基本理论出发，根据能量耗散函数构造模型，建立初始状态参数与旋转硬化规律之间的关系，把状态变量间接引入剪胀函数。这种模型既考虑了剪胀与材料状态的联系，又由模型的热力学基础保证了屈服面和剪胀函数的协调。在给定模型参数和旋转硬化规律的条件下，模拟计算了排水和不排水三轴试验的结果，说明本文统一模型能够模拟松砂和密砂变形的一般规律。通过拟合Toyoura砂的部分三轴试验数据，确定模型参数；根据拟合获得的参数，计算了一组三轴试验曲线，计算结果与试验数据基本一致，验证了模型的有效性。     

堆石料的临界状态探讨

高应力水平时堆石料的颗粒破碎对其强度和变形机理有重要影响。为此,本文对堆石料进行了固结应力从400kPa到4MPa的18组固结排水和固结不排水常规三轴压缩试验,及6组等向压缩试验。结果表明:(1)围压低时颗粒破碎轻微,固结排水时试样剪胀,固结不排水时孔压先增加后稍有降低;围压高时颗粒破碎严重,固结排水时试样剪缩,固结不排水时孔压也是先增加后降低;等向压缩时随着平均有效应力增加颗粒逐渐破碎,但不明显;(2)不同的固结应力时,在排水条件和不排水条件下试样都趋于临界状态;(3)堆石料的临界状态在q-p′平面和e-lgp′平面均为非线性变化。最后提出了堆石料的临界状态的数学描述并较好地验证了试验结果。