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。     

土工合成材料与土界面的细观研究

利用颗粒流程序（PFC2D）对土工合成材料的拉拔试验进行模拟,着重从细观角度来分析土工合成材料与土的接触界面。通过室内拟合试验,选取和校准离散元的细观参数,土工合成材料用平行黏结模拟,土颗粒采用由3个圆形颗粒组成一个椭圆形团进行数值模拟。数值模拟结果表明,接触界面的厚度为6～7倍平均土颗粒直径,接触界面中的颗粒发生较大相对位移,孔隙率增大,接触数减小。PFC2D为从细观角度研究土工合成材料与土的接触界面特性的理想工具。     

土工合成材料与土界面的细观研究

 利用颗粒流程序(PFC2D)对土工合成材料的拉拔试验进行模拟，着重从细观角度来分析土工合成材料与土的接触界面。通过室内拟合试验，选取和校准离散元的细观参数，土工合成材料用平行黏结模拟，土颗粒采用由3个圆形颗粒组成一个椭圆形团进行数值模拟。数值模拟结果表明，接触界面的厚度为6～7倍平均土颗粒直径，接触界面中的颗粒发生较大相对位移，孔隙率增大，接触数减小。PFC2D为从细观角度研究土工合成材料与土的接触界面特性的理想工具。     

土钉拉拔接触面的细观模型试验研究与数值模拟

 利用数码可视化跟踪技术和土体变形无标点量测技术,通过室内模型试验,从细观层面对密砂中粗糙土钉拉拔时,钉土接触面的位移场、砂颗粒运动轨迹及剪应变规律进行研究,发现接触面颗粒先竖向运动,而后水平运动,且发生剪胀作用;土钉周围土体剪应变逐渐以径向为主,作用区域上下对称。以室内模型试验为基础,建立土钉拉拔的三维颗粒流模型,从细观力学角度验证室内模型试验中接触面砂土位移场规律,并进一步发现拉拔过程中土钉周围的孔隙率随着与土钉距离的增大逐渐减小,土钉端部处的土体孔隙率等值线为由一点逐渐向外扩散的同心的不规则圆;颗粒接触数在接触面处最小,然后向外逐渐增大等细观发展变化规律。研究成果对于进一步明确土钉拉拔的机制和接触面的发展规律都具有意义。     

土与结构界面细观研究进展及可视化剪切试验初探

对土与结构界面细观试验研究现状进行归纳总结,并利用新研制的大型可视化界面剪切仪,进行干砂-钢板接触面的直剪试验,试验过程中结合数字图像相关测量技术(DIC)从细观角度测量紧邻接触面及其上部砂土颗粒的剪应变和位移变化.由试验可知:剪切过程中砂颗粒在结构面的带动下产生平移、挤压、错动和转动,剪切带最终稳定厚度约为(2~5)D_(50);颗粒的细观运动影响颗粒接触,也是宏观剪胀的因素之一.     

界面特性及填料粒径影响格栅加筋性能的离散元研究

为研究筋土界面细观结构演化及填料粒径对加筋效果的影响,采用“clump”方法开发了可模拟砂土性状的椭球形颗粒,建立三维离散元模型并结合室内试验结果验证了模型的正确性,系统分析了拉拔阻力、格栅应变、局部孔隙率等力学响应并揭示了其发展规律。拉拔试验结果显示大粒径填料置换后表观黏聚力提高显著而摩擦角变化不大,进行宏细观分析后发现,置换体系颗粒发生了更大程度的位置重排,拉拔力增量主要来源于摩擦阻力。研究成果可为从细观角度探究筋土界面机理提供新的认识。     

筋土界面变形破坏模式细观试验研究

利用自制的模型试验设备,在平潭标准砂中对玻纤网布和土工格栅进行了一系列拉拔试验,应用数字照相变形量测技术,从细观角度研究土工合成材料(片状的和格栅状的)接触界面的变形模式,得出接触面的形式和厚度,还研究了土工格栅横肋作用下土体的破坏模式。接触界面区域在传统意义上并不被认为是剪切带,本文模型试验的结果表明二者在本质上是一致的。在土工格栅拉拔试验中,土工格栅的位移逐步从前部向后部发挥,出现上下两条接触面区域,其厚度在密砂和松砂拉拔试验中相当于5倍和7.5倍平均颗粒直径;在玻纤网布拉拔试验中,只出现一条接触面,其厚度为7.5倍平均颗粒直径;随着位移的增加,格栅横肋在土中的最大剪应变集中区域呈“x”形,但并不对称。本文揭示了加筋土的宏细观力学机理,研究内容、方法和主要结论可为类似的研究提供参考,并从细观机理上为接触界面的研究提供新的认识和理解。     

土工合成材料加筋边坡宏细观机理模型试验研究

通过包裹式加筋边坡模型试验对加筋边坡宏观变形模式、宏观力学性状、筋土界面细观作用和剪切破坏带处土颗粒运动进行研究,分析土工合成材料加筋边坡宏细观机理。砂土加筋边坡由于加筋体的存在,宏观变形上呈现为类似黏性土边坡的整体滑移破坏模式,出现圆弧状剪切破坏带;坡顶上部基础 p – s 曲线类似基础整体剪切破坏弹性、弹塑性和塑性破坏三阶段,曲线各阶段变化与主剪切破坏带整体发展有密切关系;细观上筋土界面处筋材与土颗粒摩擦和咬合作用提供“似黏聚力”;“主剪切破坏带”内颗粒的滚动摩擦、“过渡区”内颗粒的滚动摩擦和滑动摩擦和“稳定区”内颗粒的咬合作用构成整个剪切破坏带抗滑阻力。筋土界面处筋材与土颗粒相互作用所提供的“似黏聚力”和主剪切破坏带的发展和贯通所提供的滚动摩擦和滑动摩擦是形成加筋砂土边坡整体滑移、改变整个边坡破坏模式的内在原因。     

颗粒流模拟土的工程特性(英文)

本文基于颗粒流理论,引入不同的颗粒接触连接本构模型,分别建立了砂土和粘性土的颗粒流模型。通过颗粒流数值模型试验,从细观力学角度对土的工程力学特性作了初步的研究。对砂土和粘性土的室内平面应变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颗粒流试样与室内试验的应力应变关系曲线,基本再现了砂土和粘性土试样应力-应变关系。通过分析围压-时步曲线、体变曲线和不同阶段的颗粒位移场的变化规律,研究了剪切带的形成与发展规律。     

包裹式加筋砂土边坡离心机试验研究与对比分析

利用自主设计的宏细观可视化全程拍摄系统,对包裹式加筋砂土边坡进行了离心机模型试验。研究了20g离心场下包裹式加筋砂土边坡宏观变形模式和力学性状以及筋土界面处细观作用机理和土颗粒运动规律。将离心机试验结果与1g静力模型试验结果进行了对比,分析了不同应力场下加筋边坡变形破坏的宏细观机理。研究结果表明：不同应力场下包裹式加筋砂土边坡破坏模式不同,高应力状态下界面处摩擦咬合力峰值大于筋材拉伸断裂强度,而低应力状态下界面处筋材拉伸断裂强度大于摩擦咬合力峰值。筋土界面处不同的应力状态是影响筋土界面作用方式的重要因素。该研究对进一步认识包裹式加筋砂土边坡破坏机理有积极意义。     

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。     

格栅–砂土界面宏细观关联性与加筋性能评价方法研究

土工格栅与填料间作用特性对加筋土结构设计至关重要。为研究界面宏–细观力学响应关联及填料粒径对加筋效果的影响,采用三维离散元方法对三向土工格栅拉拔过程进行仿真模拟,系统分析拉拔作用下筋材及颗粒的力学响应,揭示拉拔力发展与细观组构指标演化规律,建立基于拉拔试验结果的格栅加筋性能评价方法。研究结果表明,界面颗粒速度场可即时反映筋土相互作用;选取组构演化系数描述宏观强度的发展是合适的;在一定粒径范围内,格栅加筋性能主要受控于颗粒体系比表面积,加筋土临塑荷载随填料粒径的增大而降低。     

基于精细化数值模拟的EPS轻质土宏细观变形机理研究

EPS轻质土是双固相组分（水泥土与EPS颗粒）、具有特殊细观结构的混合土。当前对其宏观力学特性研究较多，而对细观力学响应规律研究甚少。为此，分别在Mohr-Coulomb模型和Drucker-Prager模型框架内，基于水泥土和EPS材料试验结果规律总结，发展了二者的简单实用本构模型；基于水泥土和EPS材料界面剪切试验，总结了界面剪切硬化/软化规律；对EPS轻质土三轴剪切试验进行精细化数值模拟，再现了EPS轻质土宏观应力-应变响应规律和试样变形模式。基于精细化模拟分析发现，EPS轻质土的整体剪切、局部鼓胀、整体均匀3种宏观变形模式是细观力学响应的结果，EPS颗粒与水泥土两种材料力学特性的差异引起试样内部应力、应变的非均匀分布，EPS颗粒的非均匀排列强化应力、应变非均匀分布程度，两种因素共同决定试样宏观变形的非均匀性。     

静压开口管桩沉桩过程模型试验及数值模拟

利用侧面透明的模型箱和铝管半模桩模拟开口管桩在砂土中的沉桩过程.利用高分辨率数码摄录设备观察土塞形成的3个阶段,分析土塞形成的力学机制.在模型试验基础上,通过二次开发颗粒流程序PFC2D对沉桩全过程进行离散元数值模拟.结果表明,PFC2D能够模拟开口管桩从开始刺入砂土到形成土塞并最终呈现闭口管桩性态的整个过程;通过定性研究开口管桩在沉桩过程中土塞的形成演化规律、桩土接触面、土颗粒细观组构变化以及砂土颗粒运动规律等,从细观尺度出发探讨开口管桩沉桩过程中砂土的变形机制和土塞的形成机制.     

基于数字图像技术的砂土液化可视化动三轴试验研究

常规动三轴试验不能实现试样细观结构的观测,对原有CKC型振动三轴仪实施可视化改进,开发用于试验过程试样细观结构观测的试验系统。在砂土振动液化试验中,利用显微数码摄录技术全程动态摄录整个试验过程砂土细观结构的变化,从摄录录像中提取特征时刻的数字图像照片,导入自主开发的数字图像细观结构分析软件DeoDIP,对比分析液化前后砂土细观结构(颗粒定向性、接触法向、接触数)的演化规律,追踪标志砂颗粒的运动轨迹。结果表明:液化时,颗粒长轴没有明显的优选方向,制样引起的初始各向异性被消除;接触法向呈现各向异性特征,其主方向在整个试验过程中一直偏于竖直方向;平均接触数发生了损失,液化排水后得到恢复,说明试样振动密实。液化前,各标志颗粒具有基本相同的运动轨迹,颗粒运动以平动为主,旋转作用很小,颗粒运动与试样变形保持较好的整体性;颗粒之间相对运动加剧,颗粒之间不断接触分离,部分颗粒出现悬浮现象,且颗粒旋转明显。可视化三轴试验结果不仅有助于研究砂土液化的细观力学机理,并能为液化细观数值模拟提供试验基础。     

砂土中螺旋挤扩钻具下旋成孔过程的模型试验研究

 针对螺旋挤土桩钻具成孔过程对地基土产生的影响,利用自行设计的可视化模型装置,在均质砂土地基中,进行螺旋挤扩钻具下旋成孔过程模型试验探讨成孔机制。从宏观上分析螺旋挤扩钻具掘进过程中孔侧土体径向位移和环向剪切位移规律,以及土体应力场的变化规律;在细观层面,通过分析与钻具作用的土体组构演化规律,探讨钻具挤扩土体的细观机制。试验结果表明：螺旋挤扩钻具下旋挤扩对土体的影响与竖向应力相关,竖向应力越大,土体径向位移传递得更远,土体的径向位移主要产生在2.5倍钻径范围内,孔壁附近土体产生显著环向剪切位移,孔侧土体应力变化过程表现为加载–卸载–加载的过程,与钻具接触宽度约为5倍平均颗粒粒径区域的颗粒发生显著旋转,砂土颗粒与钻具接触由点面接触逐渐发展为面面接触,细观组构向同向性趋势演化。研究成果对进一步研究螺旋挤土钻具挤土扩孔机制以及螺旋挤土桩桩侧土体的宏细观力学特性都具有一定意义。     

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。     

基于微观图像处理技术的土体三轴试验颗粒流模型

以扫描电子显微镜拍摄获取的粉土图片为研究对象,把数字图像处理技术引入土体的细观结构观察和定量分析中,求解土颗粒孔隙度、颗粒粒径及颗粒形状等微观颗粒组成参数,为建立颗粒流离散元细观模型提供物理参数。在此基础上,对土样的三轴试验进行模拟,并研究细观力学参数(包括:摩擦系数、平行连接强度及刚度比)对宏观性质的影响。研究表明:通过颗粒簇模型和颗粒排斥法可以实现土体微观颗粒形状和粒径组成模拟。所建立的颗粒流模型能够很好地拟合土体的应力-应变关系和模拟试验中的剪缩-剪胀现象;摩擦系数、平行连接强度和刚度比对土体的初始模量和残余强度的影响规律有所不同;通过监测孔隙率的变化,可以反映土体剪切带发展的过程。     

边坡土体变形和剪切带形成机制室内试验与数值模拟研究

以砂土边坡为研究对象,建立室内试验模型,并采用图像采集和分析技术获取土体变形过程。同时基于有限差分软件FLAC3D建立滑坡三维模型,分析边坡内部剪切带和变形破坏机制。结合室内模型试验和数值模拟结果,分析了边坡剖面、剪切带(滑动面)处土颗粒位移场分布后发现:当土体完全失稳失去承载能力时剪切带完全贯通,滑移体内土体向下加速滑动;土体破坏失稳以后,边坡出现由坡顶贯通至坡趾上方的滑动面,滑动面上部接近圆弧状,下部水平呈直线型;随着加载的持续,土体受影响的范围增大的同时,位移也越来越大;剪应变云图可以直观地观察到剪切带贯通形成圆弧滑动面的过程,并且随着加载的持续,出现明显剪应变的区域由坡顶向下发展,剪应变主要集中在剪切带区域;边坡受载时边坡内部测点均经历土压力缓慢增大、快速增大、下降后趋于稳定3个阶段,以受荷面中心点向水平、竖直2个方向,土压力逐渐减小。