剑麻纤维/砂土复合材料三轴剪切强度特性

为改善砂土的抗剪强度特性,针对剑麻纤维加筋砂土复合材料,通过一系列不固结不排水三轴试验,对不同纤维掺量、纤维长度和砂土干密度条件下剑麻纤维/砂土复合材料的剪切强度特性进行深入研究,并对剑麻纤维加筋机制进行分析。试验结果表明：复合材料中纤维相对含量改变时,初始刚度变化不大;适量的纤维掺量和纤维长度可以在砂体内形成三维网状结构,对比未加筋试样黏聚力显著提高,表明纤维加筋可有效提高砂土的抗剪强度;由于密度增加使得剪切过程中纤维与砂颗粒间的咬合和滑动摩擦力增加使复合材料抗剪强度显著提高;围压增加纤维与砂土界面有效接触面积导致砂土抗剪强度与峰值偏应力明显增强。采用剑麻纤维加筋砂土可增强砂土间界面作用力,明显改善砂土抗剪强度特性。     

不同排水条件加筋红土三轴试验研究

以玻璃纤维和土工布作为加筋材料,对比研究红土在三种不同排水条件下加筋前后的抗剪强度特性.三轴试验结果表明:红土在完全固结排水条件下剪切,加筋能提高其抗剪强度,加筋层数越多,强度提高越大;在固结不排水条件下剪切,当加筋层数较少时,加筋后其抗剪强度反而比不加筋时降低,但随着加筋间距的减小,抗剪强度逐渐增大;而在完全不固结不排水条件下剪切,加筋降低其抗剪强度,且抗剪强度随围压的增大而减小.说明红土在不排水条件下加筋应慎重考虑.     

堆石料力学性能的数值模拟分析

摘 要：利用离散单元法研究了堆石料的力学和变形性能,以及数值模拟过程中相关参数对其力学性能的影响。根据离散元基本模型和相关的几何理论生成两种不同的堆石料颗粒模型,即球形单颗粒模型和不规则形状的颗粒簇模型,研究材料的颗粒形状对堆石料强度的影响。基于颗粒簇模型,运用控制变量法,研究摩擦角和杨氏模量对堆石料的剪切强度和变形特性的影响。通过数值模拟,得出不同试验条件下相应的应力-应变曲线,分析其峰值应力、残余强度、最大应变、弹性模量以及剪缩剪胀趋势等,从而研究试样的不同力学响应。结果显示：在相同的应变率加载条件下,随着围压从300 kPa增加到500 kPa和更高的1000 kPa,球形颗粒模型对应的峰值剪切应力从相应的500 kPa增加到1700 kPa;而不规则形状颗粒簇模型对应的峰值剪切应力则从1400 kPa增加到3500 kPa,明显高于相应围压条件下的球形颗粒模型所对应的峰值剪切应力。当试样摩擦角从10°增加到50°时,相应的峰值应力则从不到1000 kPa增加到3250 kPa,相应的最大体积应变从6.5%增加到20%。杨氏模量E从107 Pa变化到109 Pa时,峰值剪切应力随之从相应的1350 kPa增加到2575 kPa。在此过程中,试样整体应变则从剪缩过渡到剪胀。     

加筋地基承载特性与参数优化研究

地基加筋可显著增强土体的抗拉和抗剪强度,提高土体整体稳定性.基于离散元法软件PFC2D,建立土工格栅加筋地基颗粒流数值模型.对比分析了基础荷载作用下无筋和加筋2种工况下地基基础沉降和地基土位移的变化规律,并系统分析了加筋长度、加筋深度和加筋层数等加筋地基中重要设计计算参数对地基承载特性的影响.研究结果表明:筋材可有效减小基础沉降,增加地基承载力,限制土体竖向和水平位移;地基最佳加筋长度、加筋深度和加筋层数分别为3B、0.25B和2层.     

不同固化剂含量改良砂土力学特性数值模拟

对不同固化剂含量条件下的改良砂土进行室内无侧限单轴压缩试验,利用颗粒流数值模拟软件建立对应数值模型并进行数值模拟试验。通过研究不同固化剂含量下试样在不同加载阶段的微观破坏机理,发现固化剂的含量显著影响试样的抗压强度、抵抗变形能力以及试样破坏的宏观模式。随着固化剂含量的增加,试样的峰值强度、弹性模量均增大,而峰值应变减少。根据微观裂隙、接触力链及颗粒位移场的发育演化过程可以看出,随着固化剂含量增多,试样容易出现应力集中现象,发生局部破坏,破坏面由整体贯穿逐渐变为局部压碎破坏,破裂后力链弯曲程度由大逐渐变小,颗粒位移方向由紊乱分散逐渐均匀有序,试样的破坏模式由拉剪复合型破坏为主过渡到剪切破坏为主。     

微生物固化纤维加筋砂土抗剪强度试验研究

微生物固化（MICP）技术能显著提高土体的抗剪强度,但微生物固化土体也存在脆性破坏特征显著的缺陷。向待固化砂土中掺入一定量的纤维,以改善微生物固化砂土的脆性破坏特性,并基于固结排水三轴试验研究了微生物固化纤维加筋砂土的抗剪强度特性,在此基础上探讨胶结次数、纤维含量、纤维长度以及试样初始相对密实度等参数对微生物固化纤维加筋砂土剪切特性的影响。最后,结合电镜扫描测试探究纤维加筋对微生物固化砂土剪切特性影响的内在机理。结果表明：MICP过程中,碳酸钙晶体能有效沉积在纤维表面,提高其表面粗糙度,且碳酸钙与砂的混合体能对纤维提供锚固作用,从而在一定程度上提高微生物固化砂土抗剪强度,并改善其应变软化特性,纤维具备改善微生物固化土体脆性破坏特征的潜力。     

玻璃纤维加筋砂土剪切强度特性研究

纤维作为一种土体加筋材料,在土体中所表现出的力学特性有别于一般的土工合成材料.为了深入了解纤维加筋土的剪切强度特性,通过土工合成材料直剪仪,以砂土为研究对象、玻璃纤维为加筋材料,在控制含水量、纤维掺量和相对密实度条件下开展一系列的直剪试验.试验结果表明:纤维加筋砂土的内摩擦角随含水量的增大而减小,黏聚力没太大变化;玻璃纤维能有效提高砂土的剪切强度和破坏韧性,临界纤维掺量为0.4%;纤维加筋砂土的剪切强度和剪切强度参数(黏聚力和内摩擦角)随相对密实度的增加而增加.总体而言,低含水量、0.4%纤维掺量和高相对密实度能有效改善玻璃纤维加筋砂土的剪切强度特性.     

考虑内部侵蚀作用的砂土应力应变特性

为了研究内部侵蚀作用下砂土应力-应变特性,通过盐溶法进行一系列室内三轴剪切试验,研究了3种间断级配砂土由于内部侵蚀导致细颗粒流失后的应力-应变行为。通过在制样过程中向砂土样中加入一定量的盐,并在受控侵蚀条件下将盐溶于水中,以实现内部侵蚀过程中细颗粒的指定损失,然后对损失后试样进行了三轴压缩试验,研究了不同细颗粒流失量和不同间断级配条件下砂土的应力-应变特性。研究结果表明:随着砂土细颗粒流失量的增加,砂土试样的破坏强度峰值呈逐步降低趋势,摩擦角φ逐步减小,大致呈线性规律,间断级配1、2和3型砂土摩擦角φ分别下降了5.8%、4.3%和4.5%;相同围压作用下砂土试样破坏强度峰值随着细颗粒含量占比的增加呈递减趋势,且围压越大,破坏强度峰值增加越明显;砂土的粗颗粒含量越大,其摩擦角φ越大。     

砂-结构接触面直接剪切的物理试验与数值模拟

利用DRS-1型超高压直残剪试验系统以及颗粒流软件PFC2D,对砂与地下结构的接触面分别进行了直接剪切物理试验与数值模拟,获得了砂与地下结构接触面力学特性的宏观表象及内在机理.结果表明:砂与地下结构接触面的剪切应力-剪切位移曲线随法向应力的增加,其应变软化特性逐渐减弱而硬化特性逐渐增强.在一定法向应力条件下,随着结构面粗糙程度的增加,应变软化特性增强,且达到峰值剪应力所需要的剪切位移逐渐减小;随着法向应力的增加,结构面粗糙度对接触面力学特性的影响程度降低.在一定的法向应力条件下,对同一结构面,接触面的剪切强度符合摩尔-库伦强度准则;不考虑颗粒破碎时,颗粒的"剪胀"是引起砂-结构接触面剪切强度变化的主要原因之一;当相对粗糙度R较小时,结构面的存在所引起的剪胀量较小,接触面的峰值剪应力较小;随着R增大,颗粒受结构面的约束,引起的剪胀量变大,峰值剪应力增加;当R增大到一定程度时,结构面对颗粒运动的约束作用所引起的试样剪胀量变小,峰值剪应力亦随之降低.     

单一粗颗粒对矿岩颗粒体系剪切特性影响试验

为了探究不同垂直压力以及不同粒径、形状和位置的单一粗颗粒对矿岩颗粒体系抗剪强度和运移特性的影响,采用自主设计的矿岩颗粒体系非接触式剪切特性监测与分析系统开展直接剪切试验. 研究结果表明,当形状因子>0.5时,添加粗颗粒会显著增加5~10 mm矿岩颗粒体系的抗剪强度,粗细颗粒粒径比为3.07~4.23. 粗颗粒在剪出口时的矿岩颗粒体系抗剪强度最大,剪入口次之,位于可视面中心位置时的抗剪强度最小. 在所研究的取值范围内,矿岩颗粒体系抗剪强度随着垂直压力的增加呈线性增长规律. 当形状因子<0.5时,随着粗颗粒形状因子的增加,抗剪强度无显著变化,当形状因子≥0.5时,随着粗颗粒形状因子的增加,抗剪强度缓慢增加. 相较于粗颗粒形状,垂直压力对矿岩颗粒体系抗剪强度的影响更显著. 在所研究的取值范围内,不同粗颗粒粒径、形状和垂直压力影响下的四周细颗粒运移轨迹均符合Boltzmann分布. 粗颗粒四周细颗粒的垂直位移随着粗颗粒形状因子的增加会显著增加,随着垂直压力的增加,则会降低四周细颗粒的垂直位移;粗颗粒形状因子和垂直压力的二者增加均会提高细颗粒运移轨迹方向的有序程度.     

循环荷载作用下小间距加筋土动力响应特性试验研究

基于山西省太行一号风景道K43+175处加筋土桥台工程，开展不同加筋间距工况条件下加筋砂土的动三轴试验，分析循环荷载作用下加筋间距对加筋砂土动强度、动剪切模量、阻尼比、累积塑性应变等动力响应特性的影响，探讨加筋砂土动力响应特性的演化规律，从而为加筋土柔性桥台复合结构（Geosynthetic Reinforced Soil Integrated Bridge System，GRS-IBS）工程设计中的变形预测和稳定状态评估提供依据。结果表明：随加筋层数的增加，加筋砂土动应力-动应变曲线逐渐由双曲线型过渡为直线型，试样动强度和动模量也随之增大，且加筋越密，增幅越明显；增大围压和增加加筋层数均能减小动剪应变，提升动剪切模量，减小阻尼比；增加加筋层数能有效抑制轴向累积塑性应变随循环荷载作用增长的趋势，因此，在GRS-IBS结构中应控制加筋间距，以提高加筋土的临界循环应力比，保证其处于长期动力稳定状态。     

粗粒土大型直剪试验宏细观研究与离散元模拟

为研究粗粒土剪切试验过程中宏观力学特性与颗粒细观运动规律,采用可视化大直剪仪对不同级配粗粒土进行剪切试验,利用图像处理技术对宏细观参数变化规律进行分析,再通过离散元数值模拟研究试样内部颗粒运动规律.研究发现,剪应力-累计应变关系曲线属于剪切硬化型,颗粒在剪切过程中的破碎形态以接触点侵蚀破碎为主;对颗粒长轴定向、平面孔隙率和配位数的分析发现,剪切过程中颗粒发生翻滚重排以及细粒填充作用;直剪试验图像分析及离散元数值模拟均发现,剪切带不是严格按照水平主剪切面发展,而是与向上突起的弧形副剪切面共同形成拱形剪切带.     

土工布加筋粗颗粒土变形与强度特性试验研究

对不同土工布加筋层数的粗颗粒土试样进行常规三轴固结排水剪切试验,探讨试样加筋层数（简称筋数n=0～3）对粗颗粒土变形、强度特性的影响。结果表明：筋数n每增加1,不同围压下试样破坏时的轴向应变增大0.91%～2.00%,土体韧性增强,筋材可抑制试样的侧向变形;不同围压下,平均筋数n每增加1,试样变形模量增大5 378 kPa。加筋能够增大相变时的体积应变;在p-q平面内,同一筋数n下的相变点和破坏点均可用直线拟合。粗颗粒土的强度指标总体随筋数的增加而增大。对线性指标c和非线性指标φ₀、Δφ,其随试样筋数n的变化均可近似用直线表示;n每增加1,内摩擦角φ''增大1.75°。最后提出一个方便表述加筋量多少的指标-加筋疏密指数I_R,并给出三轴试验获得I_R的方法。整理发现试样黏聚力c及准黏聚力Δc（加筋土比素土黏聚力的提高量）与I_R均可用直线拟合;I_R每增加1 m^-1,c和Δc分别提高9.1和13.5 kPa。利用该参数对三轴试验下砂土、黏土和粗颗粒土加筋对其强度提高的效果进行总结分析,加筋对不同土c提高量差异显著,I_R每增加1 m^-1,砂土、黏土和粗颗粒土c分别提高0.07、0.50和8.75 kPa。基于准黏聚力原理,建立c及Δc与I_R的关系,可根据该公式直接估计土体加筋后的黏聚力或准黏聚力。     

南京粉砂三轴压缩过程中的三维孔隙结构演化特征

砂土三轴剪切过程中细观孔隙结构演化与其宏观力学性质之间存在着紧密联系。基于南京大学自主研发的微型三轴仪,对南京粉砂试样进行了三轴剪切试验,利用显微CT扫描,获得了加载过程中试样的三维孔隙结构演化特征。结果表明:试样表现出应变软化-硬化型的应力-应变关系曲线;端部摩擦阻碍试样体积膨胀,发生鼓形区状破坏;试样整体体孔隙率从初始的46.3%减小到40.9%,后增大到43.0%附近,且试样破坏区孔隙率显著增大;统计区状破坏区表征单元体孔隙参数,发现破坏前孔隙被压密消失,孔隙数量减少32.4%,平均孔隙半径减小48.8%,导致孔隙半径分布趋于集中,破坏后破坏区域内出现大量大半径的孔隙;颗粒间错动导致颗粒棱角破碎,使孔隙形状趋于规则。     

基于离散单元法的大豆力学特性研究

针对大豆颗粒粒径较大的特点,在室内大豆直剪试验的基础上标定大豆相应细观参数,采用离散单元法建立大型大豆直剪试验数值模型,验证了离散单元法模拟大豆直剪试验的可行性。分别设定试样的剪切速率、仓壁材料以及含水率为3个单一变量,其他参数为不变量,研究3个变量对大豆相关力学特性的影响,结果表明:试样的剪切速率在一定范围内变化时,大豆的抗剪强度峰值与内摩擦角变化不明显,但内部黏聚力由6. 12 k Pa增大至9. 31 kPa;在仓壁材料由光滑面变为混凝土板的过程中,大豆的内摩擦角由26. 9°增大至32. 33°,抗剪强度峰值也出现了一定程度的增长,但其内部的黏聚力保持相对稳定;不同含水率的大豆的抗剪强度不同,在大豆含水率由12%增长至21%时,大豆的内摩擦角由26. 9°增大至32. 5°,内部黏聚力由6. 12 kPa增大至11. 01 kPa。     

不同含石量下泥岩土石混合体剪切特性及细观破坏机制

为探究含石量对泥岩土石混合体剪切特性及细观破坏机制的影响,设计了含石量20%~80%共4组试样,分别在0.2、0.4、0.6、0.8 MPa这4种不同围压下进行室内大型三轴剪切试验,研究不同含石量试样的偏应力、体积应变及抗剪强度参数的变化规律;基于数字图像处理技术生成PFC^2D颗粒流数值模型进行一系列数值分析。结果表明：试样抗剪强度随含石量增大而不断增大。与其他类型的土石混合体不同的是,泥岩土石混合体在低围压下呈先剪缩后剪胀的变化规律,且含石量越高,最终剪胀效果越明显;在高围压下始终表现为剪缩,且含石量越低,剪缩效果越强。内摩擦角随含石量增大呈慢快慢的“S”型增长趋势,且在20%~80%含石量内增长较快;黏聚力随含石量增大不断降低,但下降速率逐渐减小。数值试验表明：土石混合体在剪切过程中存在拉剪混合破坏;随含石量增加,土石混合体骨架结构效应越来越显著,剪切带绕过块石,形成多个形状不规则的小剪切带。     

橡胶砂力学性能的三维离散元数值模拟

为揭示橡胶砂混合料强度特性、偏应力-轴向应变曲线及体应变-轴向应变曲线的变化规律,利用颗粒流软件,对三轴压缩状态下橡胶砂混合料的力学特性进行了三维离散元数值模拟,从宏观、微观两方面分析质量配比、粒径比和围压对橡胶砂力学及变形特性等方面的影响。分析结果表明：当ω(橡胶)<10%时,橡胶砂表现出类砂力学特性,即先剪缩后剪胀,应力-应变曲线呈软化型,当ω(橡胶)≥20%时,橡胶砂表现出类橡胶力学特性,试样单调剪缩,应力-应变曲线呈硬化型。随着橡胶含量的增加,橡胶砂应力-应变曲线峰值降低。胶砂粒径比对橡胶砂应力-应变关系存在一定的影响,主要表现为随着平均粒径比的增大,体应变增大,应力-应变曲线降低,抗剪强度减小。随着围压的增加,低橡胶含量的橡胶砂剪胀和应变软化特性得到抑制,而高橡胶含量橡胶砂剪缩和应变硬化特性增强。混合料抗剪强度的降低主要归因于软橡胶颗粒的加入所引起的橡胶砂试样刚度损失,而其膨胀反应受到抑制的原因是橡胶颗粒容易被挤压而产生体积收缩。     

水溶性聚合物强化砂土剪切强度及机理研究

针对加大砂土强度的问题,采用水溶性聚合物对其进行改良,对不同砂土干密度、固化剂含量及养护时间的改良砂土进行了直接剪切试验,并对其黏聚力及内摩擦角进行分析。结果表明：水溶性聚合物改良的砂土剪切强度得到一定程度地提高,这是由于水溶性聚合物加固砂土试样,形成包裹颗粒并相互联系的弹性黏膜,从而增加了土体强度;当养护时间一定时,改良砂土的剪切强度随着固化剂含量增加而上升,试样黏聚力最高可达183.52 kPa;当固化剂含量一定时,改良砂土的剪切强度随着养护时间增加而增加,试样黏聚力最高可达200.19 kPa;剪切强度的大小与固化剂含量、养护时间、试样干密度大小呈正相关。水溶性聚合物溶液在砂土中形成的弹性黏膜包裹砂粒,填充砂土空隙,进而增强土颗粒间的相互作用,改善砂土的工程特性。     

初始组构各向异性对类砂土直剪试验影响的非圆颗粒组模拟

针对圆形和单粒组颗粒模拟试验的缺陷,基于PFC2D的clump命令,开发了非圆形颗粒组,采用单向法、各向同法和沉积法生成不同初始组构特征的试验样品,模拟了砂土直接剪切试验过程.探讨了初始组构各向异性对砂土抗剪强度与剪胀性的影响规律,研究了剪切过程中力链的演化形式,分析了颗粒旋转以及剪切带内外颗粒长轴定向的变化特征.数值试验结果表明：颗粒初始组构的差异对抗剪强度的影响较大,对材料的剪胀性以及内摩擦角的影响较小;剪切过程应力主轴发生了偏转,颗粒接触角向主应力方向靠拢;颗粒旋转主要发生在8倍于平均颗粒半径的条带内,颗粒长轴定向也发生了偏转,偏转方向与主应力偏转方向相同,但滞后于主应力的偏转速度;初始组构的不同影响剪切带内颗粒的旋转速度.     

基于直剪试验的堆积碎石类材料细观参数标定方法及模拟验证

颗粒材料三维离散元数值模拟的可靠性取决于细观参数的合理标定,目前对细观模拟参数的标定方法还缺少系统性的研究。本文通过室内直剪试验和数模试验对比分析,揭示碎石颗粒材料宏观力学参数与颗粒间细观参数的相关性,提出碎石颗粒材料数值模拟细观参数的标定方法,并验证标定方法的合理性。研究结果表明：在线性模型中,碎石颗粒试样的宏观弹性常数与碎石的粒间法向接触刚度呈正相关,而对粒间切向接触刚度的变化不敏感,基于此提出的粒间接触刚度（法向、切向）标定方法;直剪数值试验的剪应力-剪位移曲线计算结果与室内试验值吻合度较高,结果验证了标定方法的可靠性及合理性;在直接剪切过程中,碎石颗粒内部力链网络随着剪位移的增加逐渐由垂直方向向剪切盒对角线方向偏转,随着颗粒的整体速度场变化而出现剪缩和剪胀现象;采用本文提出的细观参数标定方法对室内滑坡运动试验开展数值模拟,数值模拟滑坡碎石堆积形态与室内试验基本一致,验证了该方法在堆积碎石滑坡模拟分析中的适用性。