三维离散颗粒单元模拟无黏性土的工程力学性质

基于三维离散单元颗粒流理论,引入了在极限剪力状态下颗粒间可以发生滑动的接触本构模型,建立颗粒体试样,并赋予颗粒相应的细观结构参数进行无黏结摩擦材料的三维应力应变数值模拟。通过大量的颗粒流数值试验,从细观力学角度对砂土的工程力学特性进行了初步的模拟研究。对砂土的室内常规三轴试验及其剪切带形成和发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压下三维颗粒体试样与室内三轴的应力应变关系曲线,基本再现了试样的加载曲线。通过进一步分析颗粒细观结构参数变化对组成材料的宏观力学的影响及其剪切位移场的形成和发展规律,结果表明颗粒介质之间的摩擦系数、颗粒组成材料的孔隙率对材料的宏观力学行为有比较明显的影响。研究的意义在于理想的颗粒流数值模拟试验能够突破常规的室内土工试验能力及其局限性,对于砂土的细观结构的影响研究成为可能,并且揭示了微观的一些规律,对今后的岩土工程的颗粒模拟提供了有价值的参考。     

三维空心扭剪试验的颗粒流模拟关键技术研究

空心圆柱扭剪仪是一种研究土在复杂条件下应力–应变关系的十分有力的工具。基于三维离散单元颗粒流理论,引入叠式刚性墙体模拟技术,模拟空心圆柱砂土试样在定向剪切条件下的三维应力–应变关系及微观参数的变化;并且对叠式刚性墙的优势进行探讨,表明叠式刚性墙能较好的捕捉到砂土试样的局部化效应。结合室内空心圆柱扭剪试验,对比三维颗粒体试样与室内试验的应力–应变关系曲线,再现试样的加载曲线,对剪切带的宏观和微观特性进行探讨。通过不同测试圆的参数变化,再现空心圆柱加载过程中局部效应,包括不同部位的应力、应变、孔隙率和接触数的变化,并对室内空心圆柱仪的适用性进行评价。最后给出由孔隙比和剪应变速率表征的剪切带在不同应变条件下的形成和发展的过程。通过三维颗粒流数值模拟空心圆柱扭剪试验,突破室内试验测试技术的局限性,使对砂土在复杂应力状态下宏细观参数的研究成为可能,为今后岩土工程的颗粒流模拟提供参考。     

基于PFC2D的砂土原生各向异性微观机理数值试验

采用颗粒流PFC数值模拟方法,生成符合标准砂室内单元试验结果的离散元数值试验试样。运用重力沉积法建立不规则砂土颗粒单元的平面双轴试验模型,给定不同沉积步数对试样不同初始原生状态进行模拟,然后分别从水平和竖直方向上施加荷载增量,得到不同沉积条件下不同加载方向上砂土试样宏观应力应变曲线和力学参数。数值试验结果显示,重力沉积步数对颗粒微观长轴定向排列、平均配位数有显著影响;初步建立了砂土微观结构变化和宏观应力应变曲线及力学参数的联系;分析了砂土试样表现出的宏观原生各向异性力学特性与内部颗粒结构的关系。     

岩土材料破损特性的颗粒流研究

基于颗粒流理论,利用颗粒接触胶结本构模型,建立结构性岩土材料的颗粒流模型。通过颗粒流数值模拟试验,对结构性岩土材料破损的细观机理作了初步的研究。试验中采用胶结在一起的小圆盘去代替一个可破碎颗粒,再在可破碎颗粒之间施加适当的胶结,形成结构性岩土材料试样。在试验过程中通过记录胶结破损的数目和空间位置,就可以直观反映结构性岩土材料破损特性。试验表明试样在低围压下压缩试验中应力应变曲线表现为软化型,伴随剪切带的形成,有必要区分体积破损率和面积破损率。试样在高围压下压缩试验应力应变曲线表现为硬化型,没有明显的剪切带形成,表现为体积破损。分析表明颗粒流方法是研究岩土材料破损特性的一个有力工具。     

堆积体三轴试验及离散元模拟研究

对典型地区松散堆积体进行大三轴剪切排水试验,基于细观结构离散元理论,在PFC~(3D)平台嵌入自编程序,引入反映颗粒形状的Clump颗粒,形成与堆积体三轴试验相对应的三维颗粒流数值模型。对比了不同围压下数值模型与三轴试验的应力—应变关系。结果表明:随着围压的增大,堆积体试样强度呈现应变硬化型到应变软化型的过渡,并伴随剪胀现象;数值模拟的应力变形曲线规律与实体三轴剪切试验结果基本一致,颗粒流离散元方法可以较好地模拟堆积体三轴试验的力学特性。     

H-V加筋土性状的颗粒流细观模拟

正交水平-竖向(H-V)加筋是一种新型的土工加筋技术,在H-V加筋土中除了有传统的水平筋条外,还在水平筋条上设置了竖向齿筋。结合已完成的加筋土三轴试验,采用基于离散元理论的颗粒流软件(PFC2D)对试验进行了仿真模拟,较好地拟合了H-V加筋砂土三轴试验的应力–应变曲线,并通过观测颗粒的受力情况分析了H-V加筋砂土的受力机理。通过引入颗粒流理论,对H-V加筋砂土试样的剪切带形成进行了细观数值模拟,揭示了H-V加筋土中剪切带产生、扩展的渐进破坏规律。     

常压至高压下中砂剪切特性及应力–剪胀关系

为研究高围压范围内砂土相对密实度和围压对土体强度和变形特性的影响,对3种不同相对密实度砂土试样在常至高围压下进行常规三轴固结排水剪切试验,获得偏应力–轴向应变–体应变关系曲线,同时进行颗粒破碎分析。结果表明:在常至中压范围(0.8 MPa≤σ_3≤2 MPa),应力–应变曲线均表现出不同程度的应变软化,其剪胀性随相对密实度增加和围压的降低而增强;当进入高围压范围时(σ_32 MPa),应力–应变曲线逐渐向应变硬化型转变,试样体积逐渐趋于剪缩。颗粒破碎程度随着围压和密实度的增大而增大,在高围压时由于中密和密砂剪切后期出现了明显的颗粒破碎,导致剪切过程中出现了二次相变。不同密实度土体的破坏内摩擦角和对数围压表现良好的线性关系,拟合确定了破坏内摩擦角随对数围压增加的衰减率,同时基于Bolton应力–剪胀关系拟合确定了试验砂土的临界状态内摩擦角,建立了剪胀指标与初始相对密实度及平均有效应力的关系式,为高压情况下砂土地基稳定性分析等提供强度参数。     

基于室内试验和离散元模拟的砂土强度研究

通过室内三轴试验和二维离散元数值模拟的方法,研究了砂土颗粒排列对其剪切强度的影响。通过制备同一相对密实度下的四种不同排列方式的室内三轴试样和相同情况下的二维离散元数值剪切试样,分别进行室内试验和二维离散元数值模拟,探讨了土体结构性中的排列方式对砂土强度的影响。结果表明,砂土的整体强度与试样的排列方式有很大关系,不同的排列方式所对应的内摩擦角是不同的,这些成果将更有利的指导非饱和土特性的研究。     

砂土直剪力学性状的非圆颗粒模拟与宏细观机理研究

基于PFC2D非圆颗粒单元的二次开发,对砂土直剪力学过程进行了非圆颗粒仿真模拟,分析了数值试样的应力–剪胀关系并与实际砂土进行对比,探讨了颗粒位移与颗粒旋转特征及其与剪切带演化的内在关联,研究了主应力与主应变增量的非共轴效应,揭示了细观组构各向异性的演化规律及其与宏观剪切强度之间的宏细观关联。研究结果表明,数值试验能够较好的模拟实际砂土的应力–剪胀关系和剪切过程主应力与主应变增量的非共轴效应;剪切带的演化与颗粒位移和颗粒旋转密切相关,颗粒形状影响剪切带的厚度;试样宏观的剪切强度主要受控于粒间法向接触力的分布及其各向异性演化;整个加荷过程中,剪切带内大主应力的偏转方向与法向接触力各向异性的主方向保持了良好的一致性。     

花岗岩三轴压缩颗粒流模拟研究初探

颗粒材料在外力作用下会发生一定的变形,颗粒内部产生一定的应力和应变,从而产生类似流体的运动。基于颗粒流理论,引入颗粒平行连接本构模型,建立了花岗岩的三轴压缩试验颗粒流数值模型。通过对颗粒流数值模型试验中的轴向偏应力的监测,得到了一定围压下颗粒流试样的应力应变关系、体积应变与轴向应变的关系,发现能较好的表征硬脆性岩石的力学特性。轴向应力先呈现线性递增到一定值,然后会随着试样的破坏而逐渐降低。从对PFC3D软件建立的花岗岩三轴压缩试验颗粒试样的分析来看,颗粒尺寸对数值颗粒试样的宏观特性有较大的影响。     

南京及邻近地区新近沉积土的动剪切模量和阻尼比的试验研究

通过对南京及其邻近地区河漫滩相成因的粘土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土与粉砂互层土、粉土、粉细砂等6类新近沉积土的自振柱试验，详细地探讨了围压大小、剪应变水平、土的颗粒组成和结构性对这6类新近沉积土的剪切模量G及阻尼比λ的影响。通过与Seed和Idriss建议的砂土G／Gmax-γ和λ-γ曲线变化范围的对比，结果表明，不能将粉质粘土与粉砂互层土简单地当作砂土或粉质粘土对待。通过试验和理论分析，给出了南京及其邻近地区6类新近沉积土动剪切模量和阻尼比随剪应变变化的平均曲线的拟合曲线、包络线及其参数的推荐值，对实际工程具有一定的借鉴作用。     

常压至高压下砂土强度、变形特性试验研究

 砂土材料常压至高压下的强度、变形特性是构建砂土模型的首要问题。开展3种粒组砂土8 MPa围压范围内的等向压缩试验以及0.2～6.4 MPa围压范围内的三轴剪切试验,将砂土常压至高压范围内的力学特性进行系统分析,以获得能够将常压至高压范围内的强度、变形特性进行统一描述的力学参数。通过研究发现：(1) 砂土在高压下出现一定量的颗粒破碎,改变了砂土的剪切耗能机制,使得砂土三轴压缩剪切由剪胀软化特征向剪缩硬化特征转变;(2) 砂土材料的三轴压缩剪切峰值应力比受砂土粒径、围压共同影响,M-C强度准则在高压条件下不再适用;而残余应力比则基本不受粒径、围压的影响,是典型的无黏性摩擦型岩土力学参数,应作为砂土基本力学特性指标;(3) 砂土材料在常压至高压范围内的剪切过程中存在较明显的临界状态现象,临界状态曲线与等向压缩曲线形态相同均呈指数衰减型并在高压条件下产生交叉,两者共同构成砂土材料的状态区间能够体现常压至高压范围内的剪胀与剪缩特征。     

基于粒度熵概念的贝壳砂颗粒破碎特性描述

对取自福建莆田湄洲湾海域的贝壳砂进行了不同围压、不同相对密度下的三轴排水剪切试验,同时考虑了尺寸效应的影响。依据试样试验前后粒径分布资料,在统计熵概念基础上提出颗粒破碎粒度熵模型对其破碎率进行了度量,并与Hardin颗粒破碎模型进行了比较,结果表明：贝壳砂颗粒破碎率与围压、相对密度及试样尺寸均有关系,在相同试验条件下,贝壳砂颗粒破碎程度随着试样尺寸的增加而增大,随着围压的增加而增大;当相对密度较低时,颗粒破碎率呈增大趋势;相对密度增加到较高值时,颗粒破碎程度减弱;贝壳砂三轴压缩前后的级配曲线均可以通过粒度熵模型参数表征,其中相对基础熵参数（NB）较好地反映了颗粒破碎程度大小,破碎率愈高,NB值愈小,NB与Hardin破碎率存在显着的线性关系。贝壳砂颗粒破碎粒度熵参数能较好地描述其颗粒破碎行为,为岩土介质材料的颗粒破碎分析提供了一个新的量化指标。     

颗粒破碎对砂土剪切性质影响的离散单元研究

采用离散单元方法,建立了圆形颗粒、不破碎非圆形颗粒和破碎非圆形颗粒的数值试验模型,进行了砂土的双轴剪切试验,研究了颗粒破碎现象对砂土物理力学性质的影响,分析了颗粒破碎和颗粒形状对试样强度的影响以及围压对颗粒破碎性质的影响。研究结果表明：颗粒破碎现象严重影响砂土的峰值强度以及体积应变性质,并且低围压下颗粒形状对强度影响大于颗粒破碎,随着围压增大,颗粒破碎的影响逐渐增强;围压影响颗粒破碎发生的速率和最终的破碎率;由对颗粒破碎的位置和试样内位移场的追踪可得到颗粒破碎的细观演化规律及破碎带的分布范围,破碎带分布范围与围压有关。     

粒径对剪胀特性的影响及其细观机理探讨

剪胀是由剪切变形导致的真正的剪胀,从砂土变形细观机理出发,建立了一个仅考虑剪切变形影响的简化模型,分析了粒径对孔隙比和体积应变的影响,发现在经历相同的从＂疏松＂到＂紧密＂的过程时,粒径并不改变孔隙比变化值和体积应变值的大小;并通过PFC2D双轴实验,对不同粒径的土样进行了数值模拟,从实验得出的体积应变曲线和孔隙比变化曲线可推出粒径对剪胀影响无关的结论。     

高速剪切条件下土的颗粒流模拟

 以高速环剪仪试验为原型,利用颗粒流模拟程序PFC建立无黏性土的环剪模型,进行在高速剪切条件下的环剪试验。通过将模拟试验结果与高速环剪仪所作砂土剪切试验结果进行对比,模拟试验和高速环剪试验试样的不均匀系数分别为1.64和1.45,2个试验的应力变化趋势相近,应力水平接近,模拟结果所反映的应力变化与物理试验的一致。模拟试验中代表土颗粒的球单元之间的接触模型采用的是线性接触模型,适合模拟无黏性土。模拟试验中发现剪切边界对剪切带的形成影响较大,对比墙、球环和球环+齿状结构3种剪切边界的剪切效果发展,球环+齿状结构的剪切边界可以保证剪切试样内外剪切速率的一致性。     

On the Relationship between Particle Breakage and the Critical State of Sands

Ring shear and shear box tests were used to investigate the relationship between volume change and particle breakage during the shearing of two sands. One sand was a carbonate sand which was sheared under a high confining stress to examine whether, in the region of compressive shearing behaviour due to particle breakage, the breakage would ever cease and the soil reach a stable grading. The other sand tested was a quartz sand that was sheared at low confining stresses, to investigate whether a dilatant sand would also be subject to particle breakage. In both cases breakage was found to continue to very large strains, with no evidence of a stable grading being reached within the range of strains used. While the breakage was very small for the quartz sand it was large for the carbonate, emphasising that any definition of a critical state by means of conventional triaxial or shear box testing would be approximate only, because of the limited strains that they allow.     

加筋红砂岩风化土强度和变形特性

红砂岩风化土是湖南公路路堤工程中应用较多的填筑材料,采用直剪试验研究了不同压实度的红砂岩风化土的强度和变形特性,以及加筋对其工程性质的影响。试验表明,随压实度增大,红砂岩风化土的峰值抗剪强度明显提高,但主要由粘聚力的增大引起,随剪切位移增大,粘聚力减小,抗剪强度大幅度降低,其应力–应变曲线呈现随应变软化型。加筋提高了红砂岩风化土的峰值抗剪强度和残余强度,更重要的是明显减小了峰值后强度的降低幅度,且达到峰值抗剪强度的剪切位移增大,峰值区域增宽,土体延性提高,改善了红砂岩风化土的强度和变形特性;对于不同的加筋层数和不同的筋材模量,以及在不同的压实度和试验竖向压力下,加筋对红砂岩风化土的强度和变形特性的改变不同;根据试验结果,还对红砂岩风化土的工程性质以及加筋的抗剪作用机理进行了初步探讨,阐述了加筋材料在土的应力–应变关系中的主要功能和作用。     

高频循环剪切下结构与松砂接触面的土体特性

应用颗粒离散元分析理论,深入地研究了高频循环剪切荷载下松砂与结构的接触面土体响应特性,对各种颗粒因素和剪切条件对接触面土体孔隙率和体应变的影响进行详细分析.数值仿真分析结果表明,松砂颗粒摩擦系数和颗粒刚度越大,接触面附近土体剪缩性越不明显;松砂的颗粒刚度比对其力学性质影响不大;边界围压越大,松砂的剪缩性越明显;高频循环...