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.     

砂卵石土直剪试验颗粒离散元细观力学模拟

砂卵石土作为一种特殊的岩土材料越来越受到研究者的重视。以三维颗粒流程序(PFC3D)为工具,建立砂卵石土直剪试验数值模型,并与试验结果进行对比分析,由于砂卵石土是一种三维不连续介质,并具有任意的形状,数值模拟结果相对于试验数据偏低。为更好地研究其抗剪特性,采用多面体颗粒近似模拟砂卵石土,并将其结果与以传统的球形颗粒模拟砂卵石土的结果进行对比分析。结果表明:多面体颗粒相对于球形颗粒而言,能较好地反映砂卵石土直剪试验的剪切破坏现象,与试验数据更加吻合。细观参数敏感性分析表明:抗剪曲线的峰值段主要受接触刚度和摩擦系数的影响,剪切曲线的上升段主要受接触刚度的影响。     

砂土单调剪切特性的非圆颗粒模拟

针对纯圆颗粒模拟的缺陷,利用颗粒流"团颗粒"方法开发了形状近似椭圆的"椭圆团颗粒",研究了颗粒形状变化对数值试样宏观剪切特性的影响及其细观机理;分析了加荷过程中平均接触数的变化规律以及颗粒形状对临界接触数的影响;对比了纯圆颗粒和椭圆团颗粒的不同颗粒旋转特性,并初步探讨其机理;分析了剪切过程中椭圆团颗粒试样的组构各向异性演化规律。结果表明,颗粒形状对试样的强度和变形特性具有重要影响,其在细观机理上与平均接触数有关;剪切荷载作用下椭圆团颗粒试样呈现明显的组构各向异性,颗粒长轴逐渐趋于水平定向,接触法向逐渐偏于加荷的大主应力方向。     

直剪试验颗粒流模拟参数敏感性分析

利用离散元颗粒流程序PFC2D对砂土的直剪试验进行了模拟,试验中通过改变颗粒的孔隙比、接触刚度和粒间摩擦系数等微观参数的取值,来探究宏观参数如初始弹性模量和内摩擦角的变化。得到颗粒的平均配位数随孔隙比的变化曲线、不同围压下颗粒的法向重叠量随颗粒刚度的变化曲线和材料内摩擦角和颗粒摩擦系数间的关系曲线,有益于理解土体的本构模型。     

基于直剪试验的金坛盐岩力学特性研究

 采用RMT–150C试验机对江苏金坛拟建储气库埋深段盐岩试样进行一系列直剪试验研究。将盐岩作为多晶聚合体考虑,深入分析试验过程中的剪切应力、剪切变形、剪胀以及破坏特性。试验结果表明：盐岩剪切破坏是一种延性破坏,盐岩剪切峰值对应的剪切位移一般为4～6 mm,个别试样可达7～8 mm,且整个剪切应力–剪切位移曲线都较平缓,剪切峰值不明显,这主要是由于局部位错交替导致的;得到盐岩抗剪强度参数c,? 值分别为3.16 MPa,44.7°;发现残余强度基本上与法向应力呈正比例关系,且残余应力较大,约为峰值应力的50%～80%,表明盐岩摩擦承载能力较强;盐岩剪胀终止发生在峰值应力之后、残余应力之前,且在较大法向应力作用下剪胀起始应力与剪胀终止应力接近;盐岩的剪切破坏位置不是一个面,而是一个破碎带,破碎带上下一定范围内有不同程度损伤;表面局部有明显擦痕,类似于摩擦学的“犁沟效应”,有利于提高其抗剪能力。试验研究成果对深入理解金坛盐岩破坏机制及地下盐岩储气库稳定性研究具有一定的参考价值。     

颗粒形状对粗砂直剪特性影响研究

岩土材料物理力学性质变化的本质是其细观结构发生改变,颗粒形状作为砂土细观结构的重要参数,必然会对其力学性质产生影响。借助颗粒形貌扫描设备对3种不同形状的粗砂进行测试,并通过室内直剪试验探究颗粒形状对粗砂抗剪强度的影响。结果表明:4种颗粒形状参数敏感性由大到小依次为:长宽比>扁平度>磨圆度>球度;粗砂颗粒形状愈规则,其颗粒重排列所主导的峰值内摩擦角就愈小,所以峰值内摩擦角随颗粒形状规则程度的提高而减小;颗粒形状愈规则,剪切后期颗粒间的滑动摩擦力就愈小,相应的残余内摩擦角就愈小。     

基于黏结颗粒模型某滑坡土石混合体直剪试验数值模拟

 介绍基于数字图像处理建立数值模型的基本过程,实现由现场数字照片直接生成土石混合体的颗粒流模型。以溪洛渡水电站坝址附近某滑坡土石混合体为例,基于实拍照片建立其细观数值模型,利用PFC2D程序分析碎石和土体数值模型中微观力学参数的反算问题,分别为滑坡体中的碎石和土体选定与其宏观力学特征相一致的微观力学参数,进行直剪试验的数值模拟,并与均质土体的模拟结果相比较。结果显示：利用双轴试验反算的土体微观参数运用于直剪试验获得的宏观力学参数与实际一致;一定含量的碎石使土石混合体的初始剪切刚度较均质土有所增大,达到峰值抗剪强度所需的剪切位移减少;假定土石界面的黏结强度为土体内部的1/10时,土石混合体的内摩擦角明显增大,而黏聚力则稍有减少;与均质土体直剪形成的破裂面相比,土石混合体模型中的裂隙部分集中于剪切面呈宽带状,部分存在碎石与土体分界面,基于此可定性探讨一定碎石含量的土石混合体抗剪性能优于均质土体的原因。     

筋土接触面直剪试验研究

为研究筋材与砂土接触面剪切特性,在改造的直剪仪上进行了筋材与砂土界面的直剪试验。结果表明:筋土接触面摩擦关系曲线符合摩尔-库仑强度准则。在本次试验的含水率范围内,筋土接触面的粘聚力随着含水率的增加而增加,摩擦角随着含水率的增加而减小。含水率为4%,筋土接触面的粘聚力和摩擦角随着砂土干密度的增大而增大。     

颗粒介质剪胀、软化特性的直剪试验研究

颗粒介质的宏观力学行为特征与其微观组构演化密切相关,涉及孔隙比、颗粒形态、颗粒破碎以及各向异性等因素的交叠影响.采用DRS-I型超高压直剪试验系统对3种不同粒径的钢球进行0.4～12 MPa法向压力下的直剪试验,避免颗粒形态、颗粒破碎及各向异性的交叠影响,进而单独分析峰值强度、残余强度与孔隙比演化的关联性,以期为揭示颗...     

土工合成材料大型直剪界面作用宏细观研究

利用大型直剪模型试验设备，在不同竖向压力下进行一系列的土工合成材料直剪试验，应用数码可视化跟踪技术，结合土体变形无标点量测技术来研究双向土工格栅与砂土直剪界面作用的宏细观特性，同时分析界面附近土压力分布规律，并研究界面颗粒运动变化规律和细观组构演化特征与宏观特性的关联。分析结果表明，直剪筋土界面附近竖向压力分布从前端依次向后端减少；直剪界面位移达25 mm时，形成了稳定的剪应变集中带；在筋土界面（6～8）D₅₀粒径厚度范围内，界面颗粒以旋转和平动方式同时位移，该范围外颗粒以平动方式沿剪切方向位移，且位移较小；在剪切过程中，界面颗粒发生旋转，土体发生剪胀，孔隙率增大，平均接触数减小，颗粒重新被压密，孔隙率减小，平均接触数增多，颗粒长轴排列趋于水平方向，各细观组构处于相对稳定状态。     

巴基斯坦盐岩直剪试验研究

采用YZW100型直剪试验机对巴基斯坦高纯度盐岩开展了直剪试验,分析了盐岩的剪切强度、剪切变形与破坏模式.结果表明:盐岩的剪切破坏是一种延性破坏,剪切应力-位移曲线较为平缓,且残余应力较大,摩擦承载能力强;盐岩的抗剪强度和残余强度均随法向力的增加而提高;巴基斯坦盐岩的黏聚力为7.41 MPa,内摩擦角为44.1°,残余...     

散体颗粒介质变形局部化宏–细观机制研究

散体颗粒是自然界中广泛存在的一类特殊的介质,受内部组构影响,散体颗粒介质在外荷载作用下发生明显的变形局部化效应,这也是岩土力学领域一直研究的热点问题之一。然而目前对于其机制研究方面大都局限于细观统计参数的分析,忽视了宏观现象与细观机制的内在联系。本文以砂土颗粒介质为例,运用离散元法对其在直剪试验过程中的宏–细观力学特性及变形破坏机制进行系统分析,并取得一些有意义的认识。根据数值试验中试样在不同法向应力下剪应力比的发展,从颗粒运动角度探讨试样宏观抗摩擦特性变化趋势的细观机制;发现描述细观组构的各向异性参数及主方向与宏观上剪应力比的发展具有同步性,反映试样宏细观演化的统一性;通过对于颗粒旋转的统计分析,揭示颗粒间摩擦作用是维持细观力学结构相对稳定的重要因素;通过对力链网络的形态演化分析,发现试样大主应力方向与各向异性主方向一致,力链密集程度随剪切过程下降,试样孔隙度随之上升;提出不同法向应力下的2种主要力链结构的力学模型,通过稳定性分析与能量累积释放理论解释宏观力学参数波动情况的原因,揭示散体颗粒介质变形局部化和体应变剪胀的细观机制。     

基于直剪试验的页岩强度各向异性研究

 层理面的存在是页岩地层力学性质、强度特征和破裂模式表现出明显各向异性特征的根本原因,也是引起水平井井壁易失稳的重要原因之一。为分析层理面的力学性质及其影响下页岩的抗剪强度各向异性特征,开展不同角度页岩的直接剪切试验,并根据剪切破坏机制的各向异性和剪应力集中系数,从不同角度分析抗剪强度各向异性的原因,试验和理论分析结果表明：(1) 层理面是页岩地层的薄弱面,其黏聚力和内摩擦角明显小于页岩基质体,抗剪强度也最低,其剪应力–剪切位移曲线并没有表现出岩石剪切强度随滑动而弱化的特点,而是其残余摩擦力甚至还略大于抗剪强度。(2) 0°,30°,60°和90°四个方向中,页岩抗剪强度的最大值在60°时取得,且0°,30°和60°试样的剪应力–剪切位移曲线均表现出剪切强度随滑动而弱化的现象。(3) 页岩剪切破坏机制可分为沿页岩本体的剪切破坏、沿层理面张拉和本体剪切的复合破坏、以及沿层理面的剪切滑移3种模式;页岩抗剪强度的各向异性是由其剪切破坏机制的各向异性控制的。(4) 剪应力集中系数在一定程度上反映了岩石直接剪切时剪切承载力的强弱,可用来分析页岩抗剪强度的各向异性特征;不同方向页岩直接剪切时,剪应力集中系数仅与沿剪切方向的弹性模量和剪切层的厚度有关;相同法向应力下,90°试样的剪应力集中系数最大,抗剪强度最小,而60°试样的剪应力集中系数最小,抗剪强度最大。该试验和理论分析结果可为深入分析岩质边坡中滑动面的运动特征和页岩气水平井井壁稳定性等提供一定参考。     

测定各向异性砂土抗剪强度特性的新型直剪装置及初步应用

各向异性颗粒材料的变形和强度与相对于沉积方向的剪切方向或大主应力作用方向相关。为研究各向异性颗粒材料任意剪切面的抗剪强度特性,研制一套可实现剪切面与沉积面的夹角 在0°～180°全定义域区间任意变化的直剪试验装置。所研制的直剪盒的特点是各侧壁均独立可拆卸,因此在制样过程中可根据不同的需要进行组装,使该直剪试验盒的某些侧面和顶面打开。在验证该直剪试验装置有效性的基础上,对福建标准砂进行 在0°～180°范围内、间隔为15°的系列直剪试验。试验结果表明： 在0°～90°区间的某个面相对应有最小峰值内摩擦角,此后峰值内摩擦角随 的增加而增加;但具有最大峰值内摩擦角的面不是与沉积面垂直即 = 90°的面,而是 ＞90°(?≈105°)的某个面。材料各向异性程度不同,相对应最大和最小峰值内摩擦角的 亦不同。     

基于大型直剪试验的土石混合体颗粒破碎特征研究

土石混合体剪切时存在细观上的颗粒破碎现象,并对其宏观力学性质产生影响。基于此,以4种含水率的土石混合体为研究对象,通过室内大型直剪试验和筛分试验,分析土石混合体剪切后的颗粒破碎特征,并建立细观颗粒破碎与宏观力学性质的联系,从而加深对宏观力学性质的认识。研究结果表明:土石混合体剪切后的颗粒破碎较明显,可分为完全剪断型、表面破裂型和表面研磨型3类;颗粒破碎细观上表现为粗粒组含量降低、细粒组含量增加、中等粒组含量波动变化,统计上表现为级配曲线上移,宏观上表现为低含水率出现应变软化破坏、高含水率出现应变硬化破坏、中等含水率出现塑性应变破坏、剪应力–剪切位移曲线"跳跃"和强度非线性特征,本质上是颗粒间接触力作用产生应力集中的结果;颗粒相对破碎率随着含水率的降低或法向压力的增大而增大;黏聚力和内摩擦角均随着含水率的增大而呈幂函数规律降低。     

砂土环剪力学特性与数值模拟

鉴于常规直剪仪与三轴仪等受其应变范围所限,本文首先利用环剪仪开展干砂环剪试验,通过控制剪切速度与固结压力,获得了不同条件下的干砂剪切强度,试验结果证明剪切速度与固结压力对干砂残余强度影响较大,几乎呈线性关系。根据砂土剪切强度,进一步获得不同围压和剪切速率条件下的表观黏度系数。然后从微观角度入手,通过运用一种新型力学方法——分子动力学方法(简称MD)分析了低围压下砂土的流动特性,进而验证了分子动力学数值模拟方法在砂土流动问题中的适用性,有利于进一步提高防治土体大变形流动灾害的研究水平,具有重要的现实意义。     

基于PFC2D的泥质灰岩软弱夹层结构面直剪试验颗粒流模拟分析

对取自于某滑坡滑带上的泥质灰岩软弱夹层进行颗粒流PFC程序数值直剪试验模拟,并对直剪过程中结构面的力学演化机制和破坏特征进行细观方面的深入分析。分析得以下几点结论：（1）在结构面直剪开始至破坏阶段,中后部分的颗粒承受了更多的剪应力。（2）在剪切应力-位移曲线表现出塑性特征的剪切过程中,产生张拉裂纹,在此阶段裂纹急剧增加,裂纹的发展使得结构面上颗粒间的法向接触数量将明显减少,同时导致颗粒之间的接触压力显著提高,造成结构面上的张拉裂纹与剪切裂纹数量增加显著,剪切破碎带形状明显。     

再现性条件下的砂土直剪试验方法

为减小直剪试验的误差,文章采用再现性方法研究了日本丰浦砂在直剪试验中的力学行为,包括不同密实度和压应力条件下的应力应变关系和剪胀行为。研究表明,再现性条件下的直剪试验方法,既保留了操作方便快捷的特点,同时又提高了试验结果的可靠性和准确性。     

砂土各向异性与非共轴特性的本构模拟

在考虑组构各向异性的砂土状态相关本构模型的基础上,引入了修正的非共轴流动法则建立了相应的非共轴本构模型。对于逆向加载的塑性问题,比如纯环剪加载,将通过引入边界面的概念进行处理。同时根据广义应力状态下的剪胀方程推导的塑性势面,建立了π平面内的非关联共轴流动方向。另外,将非共轴流动方向定义为同当前应力状态主方向正交的方向,并同共轴流动方向一样与塑性加载因子相关联。对Toyoura砂的空心圆柱两种加载模式的剪切试验,即固定主应力轴方向的单调加载和纯环剪切,进行了模拟,结果表明本模型能较好地描述砂土力学行为中的各向异性和非共轴特性。     

原状黄土与结构接触特性直剪试验研究

采用大型直剪仪对常、变法向应力下原状黄土与混凝土接触面力学特性开展研究。结果表明:法向应力及混凝土表面粗糙程度均对剪应力—剪切位移曲线影响很大,接触面抗剪强度符合摩尔—库仑定律。