加筋散粒体材料力学性能的大型三轴试验研究

着重研究了风积砂、加筋风积砂、砂砾、加筋砂砾等几种散粒体材料的强度和变形性能,分析了加筋对材料强度和应力-应变关系的影响。研究表明：通过三轴试验可以获得散粒体材料的强度参数c和!;同时,可以拟定材料本构关系的各主要参数。     

堆石体应力变形细观模拟的随机散粒体不连续变形模型及其应用

 从细观角度建立堆石体的随机散粒体不连续变形(SGDD)模型,该模型采用蒙特卡罗法建立堆石体的随机分布模型,通过基于修正的增广Lagrangian算法的非线性接触算法模拟颗粒间的相互接触作用,可以有效模拟颗粒相互作用及尖端破坏等因素。对堆石体三轴试样进行细观数值模拟和试验验证,再现了堆石体内部的颗粒运动变形规律。数值计算结果表明,SGDD模型能够较好地反映堆石体试验的瞬时变形规律。对室内试验缩尺效应进行探讨,采用试验级配与真实级配的2组三轴堆石体试样,运用SGDD模型进行对比分析。计算结果表明,在没有考虑堆石体流变和湿化的条件下,采用原始级配的SGDD模型在相同的应力水平和围压下表现出较小的变形。     

中主应力对散粒体材料强度和变形影响的数值模拟研究

采用PFC3D数值模拟软件,研究散粒体材料在真三轴试验条件下中主应力对强度和变形的影响,并用统计方法从细观角度探讨中主应力的影响机制。数值模拟结果表明,中主应力比b增大,材料的有效内摩擦角、轴向应力峰值以及对应的轴向应变都呈现先增大然后减小的变化规律。b值的增大使中主应力方向应变由拉伸变为压缩,体应变由剪缩变为剪胀。b值对散粒体材料有效内摩擦角的影响规律和Lade-Duncan准则比较一致。从细观层面上,b值影响颗粒间法向接触力的分布。在b值增大过程中,当b值较小时中主应力方向的增强效应占主导使得材料强度增大,b值较大时小主应力方向的减弱效应占主导使得材料强度降低。     

堆石体三轴剪切试验的三维细观数值模拟

从细观角度出发,采用随机模拟技术建立堆石体的三维随机颗粒模型,基于修正的增广Lagrangian算法的非线性接触算法模拟颗粒间的相互接触,采用损伤软化模型描述细观单元的应力应变关系,当细观单元的损伤度超过损伤阀值时删除该单元,采用Weibull概率分布描述堆石体材料物理力学性质的非均匀性。以水布垭面板堆石坝茅口组堆石为研究对象,进行其三轴剪切试验的变形体离散元细观数值模拟,采用应变控制加载,再现了堆石体的颗粒变形和运动规律。数值计算结果表明,数值模拟能够较好地反映堆石体三轴试验的变形规律,得到的轴向应变–偏应力曲线和轴向应变–体积应变曲线接近试验曲线。从能量角度分析了颗粒变形、颗粒间的摩擦、颗粒的损伤破碎、颗粒运动在加载过程中对系统的贡献。     

考虑颗粒破碎的堆石体三维随机多面体细观数值模拟

 基于随机颗粒不连续变形模型,在颗粒的细观单元之间插入界面单元,采用黏聚力裂缝模型模拟界面单元的起裂、扩展和失效,研究颗粒破碎对堆石体强度和变形的影响。从宏观、细观2个层面分析细观数值模拟结果,结果表明：本文提出的方法能直接模拟三维颗粒破碎现象,颗粒破碎降低堆石体的强度,其机制在于颗粒破碎弱化堆石体的剪胀性能,使得由于剪胀引起的内摩擦角显著降低,颗粒破碎的影响随围压的增加而增大;颗粒破碎时伴随着声发射,高围压下声发射数多于低围压下,表明高围压下颗粒破碎更明显,与试验结果一致;在剪切过程中,颗粒间接触法向逐渐由水平方向向竖直方向倾斜,法向接触力的主方向与加载方向相同,颗粒间平均法向接触力逐渐增大。     

锚杆加固散粒体的作用机制研究

采用细观数值模拟的方法研究岩土工程中散粒体锚杆加固的作用机制,基于随机模拟技术建立加锚散粒体的三维随机颗粒模型,采用颗粒形状系数控制颗粒表面的不均匀起伏程度,基于修正的增广Lagrangian算法的非线性接触算法模拟颗粒之间、颗粒与锚固体、颗粒与承托结构的相互接触,颗粒的物理力学性质服从Weibull概率分布,采用细观损伤软化模型描述颗粒的变形和破碎。分别建立散粒体和加锚散粒体的三轴数字试样,采用位移加载来进行不同围压下的常规三轴剪切试验,研究不同加锚密度对散粒体工程力学特性的影响。数值模拟结果表明:锚杆加固的作用机制为锚固体与颗粒紧密接触、相互咬合形成摩擦阻力,承托结构形成对颗粒体的径向助力,锚杆与其附近的颗粒形成锚固区;锚杆加固能显著提高散粒体的抗剪强度和整体性,峰值主应力差提高37.8%～88.8%,初始模量提高37.4%～93.2%,内摩擦角提高13.3%～24.2%。     

基于堆石体二元介质模型的面板坝数值计算

 对于高面板堆石坝而言,在高应力场作用下堆石颗粒破碎明显,从而导致坝体变形率增加,因此在数值计算中必须考虑颗粒破碎的影响,传统的堆石体本构模型由于不能合理反映颗粒破碎的影响,导致计算变形与实测变形差别较大。天生桥面板堆石坝为我国已建工程中同类坝型的第一座200 m级高坝,具有丰富的原型观测资料,在基于考虑堆石体颗粒破碎的二元介质模型的基础上,采用平面有限元分析坝体的应力变形性状,并与实测结果进行了对比分析,结果表明：考虑颗粒破碎后,坝料的剪胀量将会减小,剪缩量相应增大,建议模型的计算结果定性上更加精确,定量上也更为合理,可以更好地反映面板坝尤其是高面板坝的应力变形特性。     

堆石体应力变形的尺寸效应研究

 首先,基于前人的室内试验数据和随机散粒体不连续变形(SGDD)模型数值试验成果分析尺寸效应对堆石体瞬时变形的影响,结果表明：不考虑堆石体蠕变效应时,在相同的应力状态下,大尺寸试样的抗剪强度及抗变形能力均较小尺寸试样有所提高,表现出更“硬”的特点;其次,分别在尺寸为f50 cm×100 cm(颗粒最大粒径为10 cm)和f30 cm×60 cm(颗粒最大粒径为6 cm)的应力式三轴仪上进行堆石体蠕变试验,研究堆石体蠕变的尺寸效应,结果表明,尺寸效应对堆石体蠕变特性的影响显著,大尺寸试样的最终蠕变量明显大于小尺寸试样,而尺寸效应对蠕变速率因子λ的影响并无明显规律;最后,综合分析尺寸效应对堆石体总变形(瞬时变形+蠕变变形)的影响,从总体上看,大尺寸试样的总变形大于小尺寸试样。     

基坑开挖卸荷土体的本构模型真三轴试验研究

通过真三轴试验模拟基坑开挖过程中侧向卸荷土体的应力路径,针对武汉地区具有代表性的粉质粘土,进行了一系列真三轴排水和不排水固结剪切试验.试验分析结果表明,真三轴卸荷不排水试验的应力-应变关系曲线不符合Duncan-Zhang模型,但该试验曲线在低围压下基本符合Lade-Duncan弹塑性模型,在高围压下偏差较大;而卸荷排水试验的应力-应变关系曲线与不排水条件下Lade-Duncan弹塑性模型曲线吻合较好.由于排水试验耗时较长,因此在卸荷排水条件下的实际工程可以用不排水试验来代替,以便缩短试验时间.本文研究成果为进一步在该方面的研究和工程应用提供参考.     

基于微观力学分析的散粒体静力液化本构模型

针对散粒体的静力液化特性,在散粒体颗粒运动微观力学分析的基础上,在临界状态土力学框架内建立了一个简单的静力液化弹塑性本构模型。模型屈服函数和和硬化规律根据Chang提出的砂土微观力学模型,通过积分粒间接触力为宏观的应力不变量而建立,考虑了与材料状态相关的剪胀性和初始密度对散粒体应力应变关系的影响,并采用非相关联的流动法则。模型参数简单且有较明确物理意义,可以通过室内三轴试验确定。模型的数值结果与Toyoura砂以及砂粉混合土的三轴不排水剪切试验的应力应变曲线和应力路径吻合较好。     

堆石料剪切过程中的颗粒破碎研究

颗粒破碎直接改变堆石料本身结构,影响土体的剪胀、内摩擦角、峰值强度、渗透系数和流变变形。但是,目前对于堆石料在剪切过程中的破碎规律尚不明确。通过室内固结排水三轴试验,研究了古水面板坝玄武岩堆石料在制样、固结和剪切过程中的颗粒破碎规律。研究结果表明:堆石料在制样过程中会产生较为显著的颗粒破碎现象;在等向固结过程几乎不产生颗粒破碎。低围压下,颗粒间的翻越和滑移受围压约束较弱,剪切过程中的颗粒破碎不明显。髙围压下,颗粒间的翻越和滑移受到限制,颗粒间的咬合力显著提高,随着剪切应变的增大,土体颗粒不断发生破碎。在颗粒破碎过程中,大粒径颗粒首先破碎,破碎的颗粒从大粒径逐渐向小粒径扩展。粒径在0.5 mm以下颗粒的含量始终随剪应变的增大而增多,且增长幅度随着围压的增大而增大。土体颗粒破碎同时受围压和剪切变形的影响,相同围压下剪切过程中的相对破碎参量Br和剪应变之间的关系可采用双曲线公式描述。     

基于非共轴本构模型的砂土真三轴试验分叉分析

现有的弹塑性本构模型多数是基于共轴理论建立的,且只在三轴压缩应力条件下得到验证,因而不能合理描述真三轴状态下砂土的力学特性。为此,改进三维本构模型屈服函数的π面形态,运用非共轴分叉理论对真三轴状态下砂土的分叉强度与分叉前的应力应变关系进行分析。理论分析表明,真三轴条件下中主应力对分叉前应力应变曲线及分叉特性有着显著的影响,其中中主应力比超过0.2时应变局部化产生并决定了土体的峰值强度。真三轴试验结果与传统的共轴分叉理论的预测结果进行对比分析,验证了非共轴分叉理论预测的合理性。     

基于大型真三轴试验的砂砾石料强度–剪胀特性研究

为了揭示中主应力系数和应力水平对苏洼龙水电站坝基覆盖层砂砾石料的强度与变形特性的影响规律,结合一种微摩阻加载技术,开展一系列大型真三轴试验。在广义应力框架内讨论该砂砾石料的应力、强度和剪胀问题。结果表明:首先,对于该砂砾石料,内摩擦角随中主应力系数增加而增大,随应力水平提高而减小。3个经典强度理论中,Lade-Duncan准则的预测结果与试验结果更为相符,但当b值较大时,预测结果仍偏低估计了实际的内摩擦角;其次,随着中主应力系数b值增加,应力路径的斜率变缓,同时所达到的峰值强度提高,但峰值强度对应的q/p(q,p分别为广义偏应力和平均主应力)应力比越小,表明在单位平均主应力水平下所能发挥的最大强度减小。总体而言,剪胀角随应力水平增加而减小,亦随b增加而减小。     

基于大型真三轴试验的粗粒料强度特性研究

基于长江科学院自主研制的大型微摩阻土工真三轴仪,对某土石坝粗粒料开展不同中主应力系数(等b)条件下的真三轴试验,探讨三向应力条件下粗粒料强度变化特征。研究表明:(1)中主应力对粗粒料强度影响显著,强度随b值增加而增加,特别是b值在0~0.25区间内,相较于常规三轴试验其强度指标显著增长;(2)经与几种经典强度准则对比,拉德–邓肯强度准则能相对较好地反映粗粒料在三向应力状态下强度演化趋势;(3)通过一组平面应变试验认为,不同围压下当偏应力接近峰值时,b值基本稳定在0.17~0.19,实际工程在试验条件有限的情况下,平面应变试验成果可用于粗略估算粗粒料在复杂三向应力状态下的强度。研究成果可为合理确定粗粒料复杂应力状态下强度参数及精细化研究粗粒料强度准则提供参考。     

堆石料剪胀特性大型三轴试验研究

基于不同初始孔隙比e0和不同固结压力σc情况下筑坝堆石料大型三轴固结排水剪切试验,分析了堆石料应力应变关系与体积应变关系以及剪胀率ζ与塑性剪应变εsp关系的变化规律。研究表明:对于颗粒级配确定的堆石料,剪胀剪缩转化关系由临界初始孔隙比(e0)crit与临界固结压力(σc)crit共同决定;堆石料破坏时的剪胀率ζf可以成为材料剪胀性的判断标准。通过试验数据非线性拟合分析,提出了堆石料应力应变关系与塑性体积应变关系的统一表达式以及初始物理力学状态依赖的应力-剪胀方程和破坏时剪胀率ζf表达式,并由此获得了堆石料剪胀剪缩转化的判断准则。     

粗粒料变形特性的大型真三轴试验研究

三维应力状态下粗粒料的变形性状对土石坝的沉降尤为重要。通过大型真三轴试验系统,对粗粒料开展了等小主应力等中主应力系数加载试验。试验结果表明:小主应力较小时,粗粒料的剪胀性较强,随着小主应力的增大,粗粒料的剪缩性逐渐增强。中主应力系数从0增大到0.5时,粗粒料的剪胀性基本上是逐渐减小的,而当中主应力系数增大到0.75时,剪胀性又有所增强。大主应变均表现为压缩变形,小主应变均产生膨胀变形,中主应变在一般三维应力状态下表现为压缩变形,而在常规三轴应力状态下中主应变则产生膨胀变形。     

堆石料尺寸效应研究面临的问题及多尺度三轴试验平台

堆石料尺寸效应一直都是困扰工程设计和安全评价的一个难题。由于缺少较大尺寸的试验仪器和缺乏合理的尺寸效应评价体系,堆石料缩尺引起的强度和变形的变化规律还没有统一的认识,对缩尺引起的强度和变形差异的机理还不清楚。对相关研究涉及到的问题进行了分析、总结。笔者认为一套合理的堆石料尺寸效应评价体系,应该考虑试样边界约束尺寸效应、缩尺方法和标准及单粒细观特性尺寸效应等对宏观粒组变形特性的影响。为解决堆石料尺寸效应难题,大连理工大学近期完成了国内第一个超大三轴仪(试样直径800,1000 mm),连同早期开发和研制的系列三轴仪(试样直径100,200,300 mm)构成了多尺度三轴试验研究平台,为深入、系统地研究堆石料静动强度与变形的尺寸效应提供了技术支撑。     

堆石料剪切强度与变形的尺寸效应模拟

堆石料尺寸效应的研究对准确预测土石坝的强度与变形至关重要。但是受室内试验条件的限制,能反映原型足尺级配料试样特征的三轴试验难以开展。通过对10~40 mm粒径范围内的古水玄武岩颗粒进行单粒强度试验,分析了单粒强度的尺寸效应,采用离散元方法对室内三轴试验的强度和变形进行模拟,结果表明采用的模拟方法可以很好地重现室内缩尺级配料的特性。运用相似级配法将模拟的缩尺级配扩展到原型足尺级配料级配,对原型足尺级配料试样的偏应力、体变和轴向应变关系进行模拟预测,同时整理了不同尺寸试样的强度参数。研究成果为由室内缩尺试验参数推演原型足尺级配料试样的强度及变形参数提供了一种可能。     

结构性对原状黄土强度影响规律的真三轴试验研究

岩土材料的强度问题一直是岩土力学研究的热点。在对多种不同结构性原状黄土的真三轴试验基础上,分析了不同结构性原状黄土的强度变化规律。结果表明,当含水率较低时,干密度变化对结构性原状黄土的强度影响较大于含水率的变化,反之,含水率变化对结构性原状黄土的影响大于干密度的变化;当结构性黄土的强度越大时,其在#x003c0;平面上的破坏线越接近于抹圆曲边三角形;反之,当结构性黄土的强度越小时,其在#x003c0;平面上的破坏线越接近于抹圆角三角形;结构性黄土随着结构性的增大,在#x003c0;平面上的强度破坏线从抹圆角三角形逐渐向抹圆曲边三角形发展,最终趋近于Mises圆。各种原状黄土的摩擦角#x003c6;₁₃随中主应力比b值的增大而微弱减小,而内凝聚力c随着中主应力比b值的增大呈现先增大后减小的变化。