循环荷载作用下粗粒料颗粒破碎数值模拟分析

基于二维颗粒流程序建立颗粒破碎模型,开展粗粒料循环荷载作用下的颗粒破碎数值模拟研究,分析初始应力状态对粗粒料颗粒破碎的影响。数值模拟结果表明,初始应力状态对颗粒破碎影响较大,颗粒破碎率随着围压的增大而增大;相同围压条件下,动应力引起的颗粒破碎率随着固结应力比的增大而减小;竖向总应力相等条件下,颗粒破碎率随着固结应力比的增大而增大;颗粒破碎不仅发生在加载阶段,在卸载阶段也会有少量的颗粒破碎发生;在一个循环荷载加载周期内,随着循环荷载的施加,颗粒破碎率先缓慢增加,再急剧增加,最后趋于平缓;随着循环周次的增大,试样内部的颗粒破碎率先增加,后趋于稳定。     

粗粒土应力腐蚀蠕变影响因素的离散元分析

为探寻细观参数对蠕变的影响规律,基于应力腐蚀理论,编写了考虑颗粒破碎的粗粒土蠕变的ＰＦＣ５．０应力腐蚀程序命令流,探讨了接触模型和应力腐蚀模型细观参数对蠕变的影响规律及其敏感性,并基于室内蠕变试验结果进行了参数标定。结果表明:接触模型参数中,颗粒摩擦系数和胶结键粘结强度敏感性较强,颗粒刚度和密度敏感性较差,粗粒土颗粒表面摩擦和抗拉强度越大蠕应变越小;应力腐蚀模型中,激活应力对粗粒土的蠕变有显著影响,随着激活应力的增大,颗粒破碎量急剧减少,蠕应变减小;材料参数β１和β２均对粗粒土蠕变有较大影响,蠕应变随着β１和β２的增大而增大。基于应力腐蚀理论进行考虑颗粒破碎的粗粒土蠕变的离散元分析是可行的,标定的模型细观参数可作为粗粒土颗粒破碎蠕变机理进一步研究的基础。     

不同动应力比下加筋前后砾性土的动三轴试验分析

针对加筋前后饱和砾性土填料的动力特性,开展循环荷载下饱和砾性土动三轴试验。对比分析不同动应力比下加筋作用对饱和砾性土轴向累积应变、回弹模量和动孔隙水压力等动力特性的影响,并对不同动应力比下的轴向累积应变与振次关系进行拟合分析。结果表明:加筋前后,试样的轴向累积应变均随动应力比的增大而增大;与加筋前相比,加筋后的试样轴向累积应变均有减小;加筋前后,试样的回弹模量均随动应力比的增大而增大,且加筋试样的回弹模量均大于无筋试样;随着动应力比的增大,无筋试样的动孔隙水压力减小,加筋试样动孔隙水压力变化不大。加筋前后,砾性土轴向累积应变与振次的拟合公式和拟合参数可为预测加筋砾性土在长期循环荷载作用下的累积变形提供参考。     

CT技术在粗粒土组构研究中的应用

选择结构特征相对简单的粗粒土作为研究对象,结合医用CT机,实现了变形过程中试样内部结构动态变化的实时检测,取得了粗粒土的组构信息及其变化情况。试验结果表明:颗粒集合体的变形源于颗粒的位置调整,颗粒自身形变很小;在某一宏观应变下,试验中各部位颗粒位置调整的幅度差异较大,相同部位不同颗粒的调整幅度也不同;相邻颗粒间的错动明显,并伴有一定的转动;颗粒的平动和转动与围压的关系不明确,与轴向应变密切相关。     

基于离散元法研究颗粒球度对粗粒土抗剪强度的影响

粗粒土颗粒形状是决定其宏观力学性质的主要影响因素之一。为探究粗粒土颗粒形状对其抗剪强度特性的影响规律,以不同颗粒形状的3种粗颗粒土为研究对象,利用离散元数值分析手段,以球度指标为量化参数,研究了颗粒形状对粗粒土直剪试验过程中应力、位移变化及宏观抗剪强度的影响,并分析了抗剪强度参数的变化规律。同时通过室内直剪试验双向验证所揭示规律的可靠性。研究结果表明:法向荷载相同时,随着球度的减小剪应力越过峰值应力后的应变软化现象越明显,同时其峰值应力、位移及残余强度均逐渐增加;球度相同时,随着法向荷载的增大其峰值应力、位移和残余强度均呈规律性递增。黏聚力和内摩擦角随着球度的减小而增加,球形颗粒的黏聚力明显小于其它两种球度的颗粒。     

粗粒土二维模型试验研究

 粗粒土是土石坝的主要填坝材料,其力学特性研究是土力学热点之一,一般采用三轴试验来研究粗粒土的力学性质,由于试验方法的限制,很难观察到三轴试验过程中颗粒的运动。为了获得试验过程中颗粒的运动规律,研究粗粒土的细观变形机理,设计并开展了粗粒土二维模型试验。二维模型试验过程中可以清楚地观察到颗粒的运动,能定性地分析试样的受力变形特征。试验结果表明：①峰值偏应力随侧压力的增大而增大,峰后略有软化现象,体变随应变的发展先剪缩后剪胀,侧压力越小剪胀性越明显;②抗剪强度包线呈很好的线性关系;③颗粒破碎率随侧压力的增大而增大,在很小的侧压力下,就有颗粒破碎发生;④试样破坏时有较明显的剪切带。模型试验的上述规律和三轴试验成果具有很好的一致性,说明二维模型试验能够反映三轴试验过程。     

基于颗粒流模型的颗粒材料宏-细观力学研究

基于颗粒流模型对各向同性和落雨法两种不同初始状态的颗粒材料细观参数和应力进行研究,建立了细观组构、接触力、主应力比之间的表达式。通过数值离散元程序模拟了上述两种不同初始状态钢珠的室内三轴试验。结果表明:两者应力应变曲线基本一致;各向同性试样组构初始为均匀分布的球体,落雨法试样初始组构略呈椭球体,随着加载两种试样内颗粒配位数先增加后减小,水平面内和竖直面内组构减少且面内主轴发生偏转,试样破坏后的组构张量表现为花生状椭球体;法向接触力张量表现出与组构变化相似的规律,宏观上接触力的影响数值上大于组构张量,试样破坏后法向接触力张量空间分布呈现出更明显的两端和水平面内凹陷的花生状椭球体,且面内主轴有偏转。由莫尔库仑准则得出颗粒材料内摩擦角与组构、接触力细观参数表达式,并进行了验证,因此,可通过细观参数得出颗粒材料宏观内摩擦角。     

高应力下粗粒土颗粒破碎单向压缩试验研究

为探究高应力下粗粒土颗粒的破碎规律,采用改进的单向压缩仪对不同粒组粗粒土试样进行高应力水平下的颗粒破碎试验,定量分析了粗粒土颗粒破碎规律及试样孔隙比变化规律,并对粗粒土破碎机理进行了初步分析。结果表明:粗粒料颗粒破碎率与颗粒大小、轴向应力及粒径级配有关;粗粒土颗粒破碎存在临界应力,应力超过临界应力后才发生显著的颗粒破碎;粗粒土颗粒破碎实质上是土体中裂隙发展,土体强度低于临界应力,裂隙贯穿土颗粒形成的。     

含水率对红砂岩粗粒土压实变形特征的影响

为研究含水率对红砂岩粗粒土静力压实变形特征的影响,利用自制装置在电子万能试验机上进行静力压实试验,得到6种不同含水率红砂岩粗粒土压实试验的压力-位移关系,分析含水率对静力压实变形特征的影响。结果表明:红砂岩粗粒土在静力压实过程中的应力与应变符合指数关系;红砂岩粗粒土的压缩模量随对应应力范围终值的增大而增大,两者之间呈线性关系;红砂岩粗粒土的静力压实过程可分为3个阶段:压密阶段、破碎阶段和稳定阶段;在静力压实过程中,应变增长存在拐点;应变拐点的出现,标志着红砂岩粗粒土静力压实过程由压密阶段转向破碎阶段。     

密度和围压对粗粒土力学性质的影响

通过4组不同密度的粗粒土大型三轴压缩试验,研究了密度和围压对力学性质的影响。成果表明:对于同一种粗粒土,密度和围压是影响力学性质的重要因素,它们共同决定了粗粒土的应力应变曲线形态。疏松的粗粒土一般表现为应变硬化型和体积压缩,随着围压的增大,应力应变曲线的硬化特征更加明显,体缩变形也增大。密实的粗粒土在低围压下应力应变曲线一般呈软化型,且常常表现出较大的体胀变形;高围压下,则表现出硬化特征和体缩特征。密度相同时,围压越高,粗粒土的抗剪强度也越高;围压一定时,粗粒土的残余强度相同。初始孔隙比小的粗粒土在相同的应力状态下体积变形也较小。密度是决定初始弹性模量的根本因素,而剪切变形过程中弹性模量则是密度和应力状态共同决定的。三轴压缩试验条件下,剪应力引起的体积变形一般是先剪缩后剪胀的,其大小由密度和应力状态决定。     

考虑转动阻抗作用的砂土模拟直剪试验

基于离散单元法进行一系列砂土直剪数值模拟试验,探究存在转动阻抗作用时颗粒抗转能力与砂土相互作用间宏细观力学的内在联系。通过抗转动线性接触模型模拟砂颗粒间的接触本构关系,得出的宏观应力-应变特性、强度指标和剪切带变形规律与前人研究相类似,验证了砂土直剪数值模拟试验的可行性。细观层面,试样内平均力学配位数及强接触比例均随着抗转动系数的增大而减小。结合玫瑰图、偏组构和第二不变量表征的张量研究各向异性的演化规律发现:在剪切过程中,法向接触力和切向接触力的各向异性均随抗转动系数的增大而增大,其中强接触偏组构均大于整体接触偏组构,法向接触力张量均大于组构张量且与宏观抗剪强度变化规律具有一致性,这表明转动阻抗主要通过增大颗粒间强接触力的数值及其组构的各向异性程度提高抗剪强度,法向接触力各向异性对抗剪强度具有关键作用。     

颗粒形状及级配对粗颗粒土休止角的影响

为了准确且方便地测量粗颗粒土的休止角,研制了一种基于旋转容器法的粗颗粒土休止角测定仪。利用此装置,对2种粗颗粒土分别进行了15种级配下的休止角试验,并研究了颗粒形状和级配对粗颗粒土休止角的影响。试验结果表明:对于级配相同、颗粒形状不同的粗颗粒土,颗粒呈棱角状砾石料的休止角大于颗粒圆滑的卵石料,不同最大粒径下砾石料的休止角平均值比卵石料高1.3°~2.0°;对于颗粒形状相同、级配不同的粗颗粒土,休止角随最大粒径的增加而增大,最大粒径为20~40 mm时,休止角平均值增长曲线平缓,最大粒径为40~60 mm时,休止角平均值增长速率明显变快;休止角随平均粒径的增大而减小,随不均匀系数的增加而增大。     

上覆粗粒土层对堤基管涌破坏的细观机制研究

为了系统研究上覆粗粒土层对堤基管涌破坏的微观机制,采用PFC3D并结合"休止角标定法"对模型进行标定,快速、准确地建立了材料宏观参数与颗粒细观参数间联系,有效地模拟了粗粒土渗透变形的发展过程,获得了渗透变形的微观参数和运移规律。结果表明:上覆粗粒土层中细料含量为10%、20%时,在水压力作用下细颗粒在骨架颗粒间运动并发生流失,表现为管涌型破坏,且上覆粗粒土层中细料含量越少,细砂层越易破坏;当细料含量为30%时,管涌口附近土体发生流土型破坏,而后上覆粗粒土骨架颗粒与细砂层颗粒同步流失并逐步向上游发展,表现为管涌型破坏,整体颗粒流失呈现为过渡性渗透破坏;上覆粗粒土层为管涌型土时,上覆粗粒土骨架颗粒在水头压力作用下会发生快速沉降,上覆粗粒土层为过渡性土时,上覆粗粒土层初始没有发生下沉,在上覆土层发生流土破坏后,才逐渐开始下沉,且上覆粗粒土的沉降量随着上覆粗粒土骨架颗粒中细料含量的减少而增加。本研究在方法上可为三维颗粒流数值模拟中细观参数的标定提供一定参考,并揭示了上覆土层细颗粒含量对渗透变形的影响及颗粒微观运移规律。     

初始组构影响砂土液化势的细观数值模拟研究

本文基于PFC2D椭圆颗粒单元的二次开发，通过制备三种不同初始颗粒定向的数值试样，分别为随机定向（R试样）、水平定向（H试样）和竖直定向（V试样），研究了初始组构对砂土液化势的影响。数值试验采用常体积（面积）循环等应变幅加荷条件，试验过程在对比分析三种不同颗粒定向试样液化宏观力学响应的同时，从颗粒尺度层面探讨了不同颗粒定向试样的初始组构特征，揭示了初始组构影响砂土液化势的细观力学机理。结果表明，颗粒规则定向的试样其抗液化强度要高于随机定向试样，在细观机理上不仅与不同颗粒定向试样的初始平均接触数有关，而且与孔隙形态和孔隙率的分布密切相关；砂土的液化过程是一个组构各向异性的演化过程。     

级配不连续粗粒土渗透变形试验缩尺方法研究

目前,基于试样的干密度、抗剪强度、变形特性和渗透性等效,提出了各种粗粒土试验超粒径颗粒缩尺方法,但对渗透变形试验中超粒径颗粒的处理并没有明确说明。通过采用不同缩尺方法对具有不同渗透稳定性的级配不连续型粗粒土进行渗透变形试验,并与原级配土的试验结果进行对照,分析了各类缩尺方法对渗透变形试验的适用性。结果表明:对于缺级粒径小于5 mm的级配不连续型土,等量替代法不影响粗料的绝对孔隙体积和细料填充程度,对管涌型和流土型土进行缩尺处理不改变试样的渗透破坏形式和水力条件;相似级配法因土体粒径的等比例减小使反映粗料孔隙尺寸的特征粒径D20相应变小,对管涌型土进行处理后渗透破坏形式转变为过渡型,流土型土的渗透破坏形式虽不会发生改变,但土颗粒离散程度的增大使相应的临界和破坏坡降明显降低;等量替代法能取得优于相似级配法的缩尺效果。     

湿陷性黄土与膨胀土的分级增湿变形特性试验研究

对陕西张桥的湿陷性黄土和安康的膨胀土分别进行了分级增湿变形试验。根据试验结果分析了这两种土的应力应变关系曲线、增湿变形过程中基质吸力变化特点及增湿变形类型。分析表明，其两者的增湿变形应力应变曲线形态完全不同，湿陷性黄土的应力应变曲线明显分为压缩、湿陷变形和固结压密3段，并且在湿陷变形转变为固结压密时有一个明显的转点。膨胀土的应力则随变形增加呈衰减趋势，并且在增湿变形中以体积变形为主，剪切变形较少。湿陷性黄土和膨胀土在增湿过程中基质吸力变化亦表现出明显的差异，前者随含水率明显变化，随应力变化较小，而后者随含水率和应力的增加均有较大变化。最后提出湿陷性黄土的湿陷起始应力和膨胀土的膨胀应力两个概念，进一步合理分析了两者的特征力。     

粗粒土颗粒破碎大型直剪试验研究

颗粒破碎是粗粒土的基本属性。随着高土石坝的陆续兴建,高应力下粗粒土的颗粒破碎特征成为人们研究的一个重要方面。通过对不同粒径粗粒土试样的大型直剪试验,研究了高法向应力下粗粒土的颗粒破碎规律,并对接触面剪应力-剪位移关系进行了分析。结果表明:随着法向应力增加,颗粒破碎率增加;相同法向应力下,粒径越大,破碎率越大;级配越良好,破碎率越小;颗粒破碎主要形成次一级粒径。     

干湿循环条件下不同初始干密度土体的力学特性

利用应力-应变控制式三轴剪切渗透试验仪,测试了大连地区典型粉质黏土试样干湿循环前后的力学特性。通过对干湿循环前后试样固结不排水剪切试验的应力-应变关系、孔隙水压力和有效应力路径等试验结果的对比分析,探讨了干湿循环对不同初始干密度土体力学特性的影响,结果表明：土体对干湿循环的响应与土体的初始干密度有关。干湿循环使得初始干密度为1.61g/cm3的试样的应力-应变关系曲线由应变硬化转变为应变软化,孔隙水压力的发展由先增加后减小转变为孔压持续增长,循环前后有效应力路径的发展趋势发生了明显变化。初始干密度1.71g/cm3和1.76g/cm3试样干湿循环前后的应力-应变关系曲线形式未发生明显改变,干湿循环致使孔隙水压力的峰值所有增加,剪切初始阶段的有效应力路径位于未循环试样的左侧。干湿循环前后土体的电镜扫描（SEM）试验发现,干湿循环导致土骨架的结构性转变。干湿循环过程中试样内部结构调整和基质吸力的压密作用使得土体的力学特性发生了不可逆转的变化。     

不同初始静态荷载下混凝土动态抗压特性试验研究

利用大连理工大学自行研制、改造的大型液压伺服混凝土静动试验系统进行动态压缩试验，研究应变速率以及初始静态荷载对混凝土动态强度和变形特性的影响。试验结果表明，随着应变速率的增加，混凝土的强度有增加的趋势；初始静态荷载对混凝土的动强度影响明显，随着初始荷载的增加，动强度有降低的趋势；在初始静态荷载较大时，动强度降低的趋势更为明显；动强度随初始静态荷载变化规律接近指数函数。同时发现，在应变速率发生变化的位置，切线弹性模量也发生改变；在较大初始静态荷载作用时，切线模量的改变尤为显著，值得引起重视。