循环荷载下砂土变形的细观数值模拟I:松砂试验结果

采用颗粒流方法模拟不同排水条件下砂土的双轴试验,研究了循环荷载作用下松砂渐进破坏过程中配位数、接触方向、粒间接触力的演化规律,应用表征上述量的组构参数研究了砂土的诱发各向异性,探讨了饱和砂土液化、状态转换面产生的微细观机理。研究表明:宏观的液化对应于细观组构上配位数的连续累积丧失和粒间接触力的不断减小,其根本原因在于循环荷载往返过程中,组构各向异性与应力各向异性发展的不匹配。研究成果对于揭示砂土变形的细观机理以及建立砂土的细观力学模型都具有意义。     

循环荷载下砂土变形的细观数值模拟Ⅰ：松砂试验结果

采用颗粒流方法模拟不同排水条件下砂土的双轴试验，研究了循环荷载作用下松砂渐进破坏过程中配位数、接触方向、粒间接触力的演化规律，应用表征上述量的组构参数研究了砂土的诱发各向异性，探讨了饱和砂土液化、状态转换面产生的微细观机理。研究表明：宏观的液化对应于细观组构上配位数的连续累积丧失和粒间接触力的不断减小，其根本原因在于循环荷载往返过程中，组构各向异性与应力各向异性发展的不匹配。研究成果对于揭示砂土变形的细观机理以及建立砂土的细观力学模型都具有意义。     

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。     

水泥固化海砂抗液化试验及细观数值模拟研究

海砂天然含水量高、黏聚力低、稳定性差，在振动荷载下容易发生振动液化。工程建设中，常用水泥加固以提高砂土的抗液化能力，而水泥剂量对海砂抗液化能力的影响规律及细观作用机制目前尚不清楚。以水泥固化海砂为研究对象，利用英国GDS动三轴仪进行有效围压400 kPa下的循环荷载试验，利用颗粒流程序PFC2D建立与室内试验相匹配的数值模型，进行循环荷载作用下的细观模拟试验，研究不同水泥剂量(0%、3%、5%)试样的抗液化能力及细观力学特性。研究表明：模拟试验与室内试验规律基本相符，水泥剂量对水泥固化海砂样抗液化能力影响显著，水泥剂量越大，试样的抗液化能力越强；细观组构上，三种水泥剂量试样在达到初始液化后，试样内颗粒接触总数随振次先急剧下降，后变得波动缓慢下降。且水泥剂量越大，黏结破坏数越多，试样内部黏结破坏产生的微裂缝分布越均匀。     

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。     

循环荷载作用下盐岩三轴变形和强度特性试验研究

 为研究三向应力状态下循环荷载作用对盐岩变形、强度及损伤特性的影响,利用TAW–2000 型微机伺服岩石三轴试验机进行不同荷载波形参数(上、下限应力、应力幅值和频率)和不同围压下的盐岩试样的循环加、卸载试验。试验得到盐岩轴向初始变形和稳态变形两阶段演化规律;通过提高循环荷载上限应力、降低下限应力、增大应力幅值或者降低载荷频率、减小围压等途径,均会加速盐岩试样不可逆变形的发展,提高盐岩循环稳态应变速率,减小稳态阶段在整个变形阶段的比例,从而加速试样变形破坏;荷载波形参数中上限应力和应力幅值对循环荷载作用下盐岩变形演化速率、试样损伤发展的影响最大。循环荷载作用下,盐岩弹性模量随循环次数或加载时间呈指数递减趋势,并在50～100个循环后其值接近常数;循环加载后二次压缩盐岩强化与否,取决于循环加载时所施加荷载水平是否造成盐岩内部损伤的累积,通过试验可间接推断盐岩三轴循环变形破坏的上限应力阈值为80%～89%。     

循环荷载下断续裂隙岩体的变形特性

断续裂隙岩体在地震、波浪冲击、动力机器运转等动力循环荷载作用下的疲劳特性是岩石力学的一个基础课题。采用预制断续裂隙类砂岩模型试样单轴动循环加载试验,借助测试到的荷载–位移曲线从不可逆变形与总变形随循环次数的演化规律入手探讨了含2、3条裂隙试样循环荷载下的疲劳变形规律,并对影响裂隙试样疲劳变形的加载频率、循环荷载水平及裂隙空间位置等因素进行了讨论分析。研究发现:断续裂隙岩体的疲劳变形演化规律与完整岩石、完全离散的节理化岩体一致,均可划分为3个阶段:初始变形阶段、等速变形阶段与加速变形阶段;其疲劳破坏时的变形量与周期荷载的上限荷载在静态荷载–位移曲线峰值后区对应的变形量相当;同时,断续裂隙岩体疲劳变形除受加载频率及荷载水平的影响之外,还受到裂隙空间位置的明显影响。     

循环荷载下岩石损伤的CT细观试验研究

 利用CT机专用加载试验设备,进行实时的两级循环荷载作用下岩石疲劳损伤演化CT细观试验,得到岩石细观疲劳损伤扩展的初步规律。研究表明：一级循环荷载为强度的38%～76%时,随着循环次数的增加,上限应力处全区CT数标准差有增加的趋势,密度和CT数有减小的趋势,但变化很小,说明这一过程损伤的积累是缓慢的;二级循环荷载为强度的45%～90%时,虽然试验时循环次数少于一级循环荷载,但上限应力处全区CT数标准差、密度和CT数变化要大于一级循环荷载;在岩石破坏前的1个循环,CT数标准差、密度和CT数有较大变化。     

分级循环荷载下层理煤岩力学特性试验研究

为研究层理煤岩在循环荷载作用下的变形破坏与力学特征,沿与层理平行和垂直方向分别制作圆柱形煤岩试样,并开展不同应力上限下的单轴分级循环加卸载试验。基于试验结果,分析在循环荷载过程中试样的残余变形、弹性模量及损伤变量等变化规律,结果表明在低应力循环作用下,2种层理试样的弹性模量均随循环次数的增加而有所上升,但随着应力上限的提升,试样内疲劳损伤不断累积,弹性模量最终呈下降趋势。同时,在循环荷载作用下层理煤岩具有显著的各向异性特征,具体表现为:对于加载方向与层理垂直的试样,其损伤变量在试样发生局部破坏时陡增,呈现出脆性断裂的破坏形式,而加载方向与层理平行的试样在完全破坏前损伤变量呈连续增长趋势,表现出明显的塑性变形特征。     

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。     

各向异性砂土宏微观特性三维离散元分析

各向异性对砂土强度和变形特性有显著的影响,为了研究各向异性砂土的宏微观特性,基于三维离散元法,对7个不同沉积角的试样进行了一系列的三轴模拟试验。利用"Clump"命令生成近似椭球形状颗粒,并且采用三维抗转动模型来模拟颗粒间的抗转动能力。离散元模拟结果与已知室内试验结果吻合很好。结果表明:随着沉积角的增大,偏应力和轴向应变的关系逐渐由应变软化向应变硬化发展。沉积角较小的试样剪胀性更强并且容易到达临界状态,颗粒组构–应力联合不变量(表征颗粒长轴组构张量和应力张量的相对角度)的值接近于-1,且颗粒长轴组构各向异性先增大后减小;然而对于沉积角较大的试样,在轴向应变50%处,仍不能达到临界状态,并且联合不变量的值大于-1,颗粒长轴组构各向异性先减小后不断增大。对于法向接触组构,组构主轴方向迅速向应力主轴方向偏转,组构各向异性的演化规律与偏应力随轴向应变的演化规律相似。     

间歇性变围压循环荷载作用下饱和软黏土变形特性

交通荷载由循环加载和间歇停振两部分组成,间歇停振对土体动力特性的影响不容忽视。交通荷载引起的应力场包含循环变化的轴向偏应力和围压。因此,通过对软黏土开展一系列间歇性变围压循环加载试验,对饱和软黏土在间歇性加载和循环围压作用下的变形特性进行了研究,分析了循环围压和间歇停振阶段排水条件对软黏土累积轴向应变的影响。研究结果表明,不同试验条件下软黏土累积轴向应变增量随加载阶段的变化趋势保持一致,即累积轴向应变增量随加载阶段的增加逐渐减小。累积轴向应变增量随循环围压的增大而减小。间歇停振阶段不同排水条件下,试样累积轴向变形变化规律也有所区别：部分排水条件下,循环加载阶段产生的超孔隙水压力在间歇停振阶段消散,试样累积轴向应变在间歇停振阶段有一定程度的增长;不排水条件下,循环加载阶段产生的一部分变形在间歇停振阶段得以慢慢恢复,试样累积轴向应变有所减小。上述研究成果可加深对间歇性循环荷载作用下软黏土变形规律的认识。     

基于数字图像的粒状材料细观组构特征分析技术

针对由特殊截面形状的金属棒所组成的理想二维粒状材料,基于数字图像技术,提出了一种细观组构特征分析方法,并编制了程序IPFA,实现了颗粒识别、接触搜索与组构分析等功能。该方法首先对粒状材料试样的原始数字图像进行增强,以消除噪声干扰。在此基础上采用模板匹配技术进行颗粒识别,并将识别结果用于颗粒间的接触搜索,最后给出试样内颗粒长轴方向与接触法线方向等组构特征的统计分析结果。该方法特别适用于由规则颗粒组成的二维粒状材料,识别精度与效率均较高,可作为粒状材料的细观组构特征及其演化规律分析的有效工具。     

湿干冻融耦合循环作用下膨胀土裂隙演化规律

裂隙的发生与演化是膨胀土在各种外部条件作用下的显著特征。针对北疆高寒地区膨胀土渠道边坡劣化问题,以渠基土每年经历通水、停水及冻结、融化过程为研究条件,开展了单向湿干冻融耦合循环作用下膨胀土裂隙试验。采用计算机断层扫描(CT扫描)及三维重建技术,对湿干冻融耦合循环作用下膨胀土试样内部裂隙演化特征进行定量描述,研究了不同湿干冻融耦合循环次数对膨胀土三维裂隙演化规律的影响。试验结果表明,湿干冻融耦合循环作用下的试样内部裂隙发育存在明显的区域性分布特征,裂隙的发育深度在5次循环后逐渐趋于稳定,对应于试样初始总高度的40%。对比不同循环次数作用下试样内部裂隙的发育形态可知,试样内部裂隙发育模式由循环初期浅层分散分布向后期深层汇聚偏转进行转化。采用切片裂隙率、弯曲度、分支数及死端点4个指标能较好地定量描述裂隙空间分布及连通性随循环次数的演化规律。研究成果对进一步揭示干湿冻融耦合作用下膨胀土渠道的劣化过程和破坏机制具有一定参考价值。     

循环荷载作用下粗粒土与结构接触面变形特性的试验研究

使用新研制的大型土与结构接触面循环加载剪切仪,对粗粒土与结构接触面在循环荷载作用下的力学特性进行了系统的试验研究,从宏观和细观两个层次进行了分析测量,讨论了循环荷载作用下接触面受力变形的规律和机理。试验表明,在循环荷载作用下,粗粒土与结构接触面的相对法向位移总体上表现为单调增长,但在一个剪切循环内表现出有规律的增减变化,因此接触面的剪胀体变可以划分为可逆性和不可逆性两个分量。接触面表现出由于初次剪切造成的细观结构异向性导致的宏观结构异向性。剪切过程中接触面存在着土颗粒破碎和剪切压密两种物态变化机制,共同支配着接触面力学性质的变化。     

颗粒材料的组构-应力关系与等效应力法

对已有各向异性本构模型的建模思想进行系统地回顾,指出组构方向性的刻画大都归结为组构-应力坐标变换问题。对于各向异性材料而言,沿不同方向的土骨架的有效承载面积不同,总应力需要以各组分实际承载面积为权重进行分配。通过引入变换张量,提出等效应力张量,使之可以综合地描述颗粒材料的各向异性水平、材料内部真实应力的大小以及组构-应力的方向关系。将颗粒材料的宏观各向异性视为细观尺度上各向异性应力作用在各向同性材料上的结果,以等效应力张量描述细观尺度上的各向异性应力,以已有本构模型来刻画等效各向同性材料的力学特性,提出对现有的各向同性破坏准则与本构模型进行"各向异性化"改造的一般性方法——等效应力法。以SMP准则为例进行"各向异性化"改造,通过与已有试验结果对比,验证了这种"各向异性化"改造的合理性和有效性。     

重塑膨胀土干湿过程中细观结构变化试验研究

为了研究水分对膨胀土裂隙演化的影响,对重塑膨胀土进行了无约束条件下的湿干循环试验,并在试验过程中对土样进行CT扫描,跟踪试样裂隙生成以及闭合情况.研究结果表明:无约束条件下增湿和干燥都能引发裂隙的产生的和闭合;在增湿过程中小裂隙会闭合而大裂隙会扩展;在干燥过程中小裂隙会扩展而大裂隙会收缩.基于CT细观数据定义了损伤变量,建立了湿干循环过程中土的损伤演化方程.     

循环荷载下非饱和土的各向异性弹塑性双面模型

在BBM模型及弹塑性双面模型的基础上,建立一个在静态及循环荷载作用下考虑非饱和土各向异性的弹塑性双面模型。在模型中引入反映各向异性的硬化参量,通过各向异性参量的初始值来反映初始各向异性,利用旋转硬化法则来描述循环加载过程中各向异性的变化规律。模型含有一个边界面和一个加载面,二者在应力空间中按照等向硬化、运动硬化以及旋转硬化法则来进行演化。同时,采用径向映射法则和移动的记忆中心来反映非饱和土的循环塑性特征。通过与相关试验数据的比较,模型可以较好地反映循环荷载下非饱和土的各向异性以及动态力学特征。     

重塑膨胀土干湿过程中细观结构变化试验研究

为了研究水分对膨胀土裂隙演化的影响，对重塑膨胀土进行了无约束条件下的湿干循环试验，并在试验过程中对土样进行CT扫描，跟踪试样裂隙生成以及闭合情况。研究结果表明：无约束条件下增湿和干燥都能引发裂隙的产生的和闭合；在增湿过程中小裂隙会闭合而大裂隙会扩展；在干燥过程中小裂隙会扩展而大裂隙会收缩。基于CT细观数据定义了损伤变量，建立了湿千循环过程中土的损伤演化方程。     

软土地基桶形基础室内模型试验研究

针对竖向循环荷载作用下软土地基桶形基础的承载特性进行模型试验。首先,采用真空预压的方法制备模型土池,通过土的物理性试验和不固结不排水三轴压缩试验测得土池中土的基本物理力学性质;然后,在确定桶形基础竖向静承载力的基础上进行循环荷载试验,在不同动静荷载组合作用下观测地基的破坏特性,记录循环累积变形与循环振次的关系。结果表明,模型槽内不同位置不同深度土的基本物理力学性质指标相差不大,真空预压制备土池的方法可行;桶形基础在循环荷载作用下的产生的累积变形与蠕变过程相似;软土地基桶形基础的循环承载特性与动、静荷载水平有较大的关系,在其应用过程中要综合考虑动、静荷载作用。