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。     

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。     

结构性砂土粒间胶结效应的二维数值分析

将理想胶结颗粒接触力学特性的测试结果引入到离散元胶结接触模型中,对结构性砂土粒间胶结效应进行离散元数值模拟。首先,胶结颗粒被理想化为两铝棒在指定部位形成胶结,通过一系列加载试验（拉伸、压缩、压剪）获得胶结铝棒在不同应力路径下的接触力学响应。随后,将测试结果提炼总结后引入到自行开发的二维离散元程序 NS2D 中,用以模拟不同初始密度和胶结强度的结构性砂土等向压缩试验。最后,通过与人工胶结砂土的试验数据进行比较,对文中的数值模拟结果进行验证。研究表明：离散元数值模拟能够有效的捕捉结构性砂土的主要力学特性,即屈服强度和体积模量均随初始密度和胶结强度的变化而变化,且胶结试样的屈服强度与试样内部颗粒间胶结点破坏率密切相关。     

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。     

结构性砂土胶结厚度分布特性试验研究

颗粒间胶结物厚度对胶结颗粒接触力学特性有显著影响,进而影响结构性砂土离散元模拟结果。为更好地模拟天然砂土的结构性,需要明晰结构性砂土中颗粒间胶结厚度分布特性,并且能在离散元模拟中反映该分布特性。本文采用人工制备结构性砂土,开展电镜扫描试验,对结构性砂土中颗粒间胶结厚度分布特性进行了研究。研究结果表明:在结构性砂土中,随着水泥含量的增加,平均胶结厚度近似线性增加;但是水泥含量对胶结厚度的概率分布规律影响不大,水泥含量不同的结构性砂土,其颗粒间胶结厚度概率分布均为先线性增大,后指数型衰减。在试验研究结果的基础上,提出了离散元模拟结构性砂土胶结厚度的方法,可以较好地反映结构性砂土中颗粒间胶结厚度指数型衰减的分布特性。     

非饱和结构性黄土侧限压缩和湿陷试验三维离散元分析

为了研究非饱和结构性黄土在侧限状态下受竖向荷载和增湿作用的宏微观力学性质,对非饱和重塑和结构性黄土侧限压缩和湿陷试验开展了三维离散元模拟分析。首先通过引入颗粒吸引力考虑黄土颗粒间范德华力和毛细力作用,引入胶结考虑结构性黄土颗粒间化学胶结作用,建立结构性黄土三维接触模型;然后采用分层欠压法并考虑颗粒间范德华力制成松散均匀的黄土离散元试样,在试样中施加毛细力模拟黄土的非饱和性,施加胶结模拟黄土的结构性;最后选择合适的接触模型参数,对试样施加分级竖向荷载并在多级荷载下进行了增湿试验分析。结果表明:离散元模拟能够再现黄土室内侧限压缩和湿陷试验的主要力学性质,如重塑黄土的屈服应力和结构性土的结构屈服应力随含水率的减小而增加,重塑黄土和结构性黄土单线法增湿变形结果基本与双线法结果相同。胶结破坏分析表明,结构性黄土离散元试样的胶结破坏存在阈值平均应力;增湿后达到的胶结破坏数与相同竖向压力下的饱和土胶结破坏数相差不大(单双线法相同);湿陷体应变与胶结破坏数量密切相关。     

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。     

不同胶结砂土力学特性及胶结破坏的离散元模拟

采用离散元法研究不同胶结砂土的宏观力学特性以及微观胶结破坏,其中一种胶结砂土胶结特性由离散元商业软件PFC2D中的胶结接触模型(Contact bond model)进行控制,另一种则采用蒋明镜等提出的无厚度改进胶结接触模型(改进的蒋氏模型)控制.首先,将改进的蒋氏模型引入PFC2D;其次,使用PFC2D对不同胶结强度和不同围压下的上述两种胶结砂土进行双轴压缩试验模拟,对比分析了两种不同胶结砂土的模拟结果.结果表明蒋氏试样(胶结特性由改进的蒋氏模型控制)应变软化和体积剪胀显著,峰值内摩擦角基本随胶结强度增大而增大;而PFC试样(胶结特性由Contact bond model控制)在高胶结强度时应变软化和体积剪胀性比较显著,低胶结强度时表现为应变硬化和体积剪缩,峰值内摩擦角随胶结强度增加而减小.离散元模拟结果在一定程度上与已有室内实测结果相符,蒋氏试样更能反映胶结砂土的主要力学特性.由胶结破坏微观信息统计可知,蒋氏试样中胶结点受拉破坏率远大于受剪破坏率,而PFC试样中两者相当,且蒋氏试样中的总胶结点破坏速率峰值要大于PFC试样.通过对改进的蒋氏模型参数分析可知,低围压条件下,试样宏观力学特性与胶结破坏形式对切向胶结强度与法向胶结强度的比值较为敏感.     

各向异性砂土主动土压力的离心模型试验研究

 利用新研制的土压力离心模型试验设备,通过土压力盒测量作用在挡土墙上的土压力分布,利用非接触图像测量系统(GIPS)测量土体位移,对各向异性的南京云母砂分别进行沉积面铅直和水平两个方向的土压力离心模型试验。通过对比试验得到的土压力分布与理论公式计算得到的各向同性砂土土压力分布,以及两种沉积方向的砂土的滑裂面位置,对各向异性砂土的土压力及土体变形破坏问题进行初步研究。结果表明：随着挡土墙向远离墙后填土方向运动的位移不断增大,作用在挡土墙上的土压力逐渐减小,墙后填土中各点的位移不断增大,在墙后土体中逐渐形成滑裂面。当挡土墙的位移量达到10－3H(H为试样模型高度)时,墙后填土达到主动极限平衡状态。受到片状云母颗粒排列方向的影响,沉积面铅直的土体滑裂面比沉积面水平的滑裂面略显平缓。     

用于离散元分析的胶结材料三维微观接触模型

岩石、结构性土、含水合物深海沉积土(能源土)等岩土材料均可视为由颗粒骨架和粒间胶结物共同构成的胶结型材料。简单实用的微观粒间接触模型是采用离散元数值方法分析胶结体系宏微观力学特性的基础。针对有一定厚度的粒间胶结形式,将胶结物简化为存在于颗粒之间有一定厚度的短圆柱。通过对胶结物内部应力分布进行适当简化推导了三维粒间接触模型,包括法向、切向、弯曲和扭转四个方向的相互作用规律。最终所得模型结合了理论推导和既有室内胶结接触力学试验成果,考虑粒间胶结物的法向压碎过程,能描述切向、弯曲和扭转单独作用的破坏过程以及剪弯扭共同作用下的破坏准则。模型形式简单,易于引入离散元程序。     

黄土各向异性强度特性的真三轴试验研究

黄土水平面内沉积结构及其发育的竖向裂隙构造使其具有明显的各向异性特征。通过黄土竖直裂隙向及其正交方向作用三维主应力状态几何空间八面体平面上3个空间域的真三轴试验,揭示了各空间域不同中主应力比值应力路径的剪切应力应变变化规律及抗剪强度变化规律。表明黄土竖向裂隙向作用大主应力的抗剪应力均大于水平面内正交两向作用大主应力的抗剪应力;中主应力增强作用能够诱导黄土的各向异性结构性;横观各向同性或者各向异性黄土八面体面上的强度破坏面随着平均球应力增大均呈椭圆、圆和曲边三角形变化,椭圆形破坏面可分别由轴对称压缩空间滑动面强度准则或轴对称挤伸空间滑动面强度准则近似地描述。     

Anisotropic swelling in black cotton soil

The influence of initial moisture content and the nature of granular material on the anisotropic swell behaviour in black cotton soil has been examined. It was observed that the amount and rate of swelling are guided by the initial particle orientation. For samples compacted with moisture below the optimum value, the variation in swelling trends in vertical and horizontal directions is a result of the particle arrangement, the pressure exerted by the air in the voids and also the subsequent expulsion of the same. In samples compacted with moisture content above the optimum, the initial dispersed state of the particles guides the anisotropy. The swelling in such samples is considerable in directions transverse to the particle orientation. At optimum moisture levels, because of the minimal differences in the particle arrangement for samples in vertical and horizontal directions, the swelling is similar in both cases and as such no anisotropic behaviour was noticed. Increasing presence of granular component in the soil reduces the rate of swelling, protracts the time for completion of swelling and also reduces the anisotropic behaviour. Reduction in the grain size of the granular material facilitates quick swelling. The variations in such samples for vertical and horizontal directions are explained on the basis of packing in the system and the constraints imposed by sand grains on osmotic swelling. Since similar variables exist in field conditions, the present study enables an understanding of their role in the anisotropic swell behaviour of black cotton soils.     

考虑主应力轴方向的砂土各向异性强度准则与滑动面研究

主应力加载方向对土体强度产生影响的根本原因是土体存在各向异性。对于横观各向同性砂土而言,沿不同平面的抗剪强度随该平面与沉积面夹角增大而增大。认为砂土固有各向异性强度与该平面的各向异性参数密切相关,给出了各向异性砂的峰值强度表达式。在SMP准则中,各个潜在滑动面上的剪正应力比相同,各向异性砂土的抗剪强度和滑动面位置由强度最低的潜在滑动面所决定。综合考虑主应力轴、滑动面以及沉积面之间的位置关系,得到了砂土的各向异性强度准则。采用福建标准砂进行了一系列定轴剪切试验,系统地观测了定轴剪切试验中试样滑动面的特征。已有试验数据和理论结果的对比表明,各向异性强度准则可以较好地预测各向异性砂土的强度与滑动面位置。     

松砂不稳定行为的数值模拟研究

针对松散砂土的不稳定行为和静态液化现象，开展了一系列的双轴剪切试验离散元数值模拟，从宏细观的角度研究了松砂不稳定行为的各种影响因素及其发生机理。通过数值模拟发现，砂土的不稳定行为不仅与初始孔隙比有关，而且与土体结构的各向异性和围压有关。当加载方向与由颗粒接触法向所表征的结构各向异性主方向不共轴时，不稳定行为的发生会同时伴随着各向异性主方向的旋转。两个方向的角度差愈大，不稳定行为愈容易发生，颗粒的细观运动和细观结构重组现象也愈剧烈。不稳定状态点处的剪切荷载主要由颗粒间法向接触力承担，切向接触力仅起次要作用。     

砂流法施工致沉管隧道管段竖向位移的试验研究

利用足尺砂流法模型试验模拟了砂流法处理沉管隧道地基施工致使管节竖向位移的全过程，获得了管节模型的相对高程-时程曲线、竖向位移量及砂盘的形态特征。结果表明：模型在试验中先后经历了砂盘正常扩展、缓慢跳动位移、快速平稳位移3个阶段；模型在缓慢跳动位移过程中的位移量、位移速率均较快速平稳位移过程中的要小。模型板的竖向位移使得流缝区域缩小，流槽厚度变薄且密集分布于砂盘顶面（占砂盘顶面积的30%以上）；砂颗粒压积于砂盘顶部形成水平薄层状结构，是模型板竖向位移的直接原因；模型板竖向位移过程明显影响砂盘的半径扩展。工程实践中可适当利用管节的缓慢跳动位移过程减小流缝、流槽厚度，但需采取措施保证砂盘半径在管节产生竖向位移前达到设计值。     

Shear banding in torsion shear tests on cross-anisotropic deposits of fine Nevada sand

A series of torsion shear experiments was performed on large hollow cylinder specimens of Fine Nevada sand with major principal stress directions relative to vertical, α, varying from 0° to 90° and with the intermediate principal stress, σ₂, varying from σ₃ to σ₁ as indicated by b=(σ₂–σ₃)/(σ₁–σ₃). The Fine Nevada sand was deposited by dry pluviation, thus producing a sand fabric with horizontal bedding planes and cross-anisotropic characteristics. The various stress conditions were achieved by varying the pressures inside and outside the hollow cylinder specimen relative to the shear stress and the vertical deviator stress according to a pre-calculated pattern. All stresses and all strains were determined from careful measurements so that analysis of the soil behavior could be made reliably. The soil behavior was determined for a pattern of combinations of α varying with increments of 22.5° from 0° to 90° and b varying with increments of 0.25 from 0.0 to 1.0. Thus, 25 test locations were established, but many tests were repeated to study the consistency of the results. The friction angles varied considerably with α and b, thus indicating the importance of the intermediate principal stress and the principal stress directions relative to the horizontal bedding planes. The observed shear bands essentially followed the expected directions, but due to the cross-anisotropy shear bands were also observed in the direction of the major principal stress in regions with high b-values. The strength variation was also influenced by the flexibility of the boundaries in these regions.     

砂层劈裂–压密注浆模拟试验系统研发及试验

劈裂–压密模式是砂层注浆扩散过程的主要模式之一。为研究砂层劈裂–压密注浆扩散过程,研发了一套可视化注浆模拟试验系统,该系统由模拟试验架、地应力加载模块、动态监测模块以及注浆控制模块4部分构成,可实现劈裂–压密注浆扩散过程的可视化模拟。以青岛地区含黏性土砂层为典型被注介质,开展了砂层劈裂–压密注浆模拟试验,揭示了注浆扩散过程中劈裂通道形态、注浆压力、应力场以及位移场随时间变化规律,获得了试验条件下的砂层劈裂–压密注浆影响范围。研究结果表明:砂层注浆起裂方向与劈裂通道扩展方向均与大主应力方向一致,浆脉厚度在浆脉扩展方向上存在明显衰减;注浆会引起与劈裂通道垂直方向的应力增加,且该应力沿劈裂通道扩展方向衰减,但注浆对平行劈裂通道扩展方向的应力没有显著影响;劈裂–压密注浆对劈裂通道两侧砂层的影响范围非常有限(20～40cm)。最后从单孔注浆量、钻孔布置方面对砂层劈裂–压密注浆设计方法提出了改进建议。     

黄土(Q_3)横观各向同性强度准则研究

针对黄土的竖向裂隙及强化联结与水平面内各向同性的横观各向同性结构,沿竖向分别施加大、中、小主应力,进行了不同固结围压常中主应力比值的固结排水真三轴试验研究。依据八面体平面上应力状态域关于竖向主应力轴的几何对称关系,分析了竖向和任意水平向施加大主应力的3个空间域不同中主应力比值子午平面的强度变化规律,以及黏聚力和内摩擦角随中主应力比值的变化规律;得到了横观各向同性结构黄土在八面体平面上关于竖向主应力轴对称的强度破坏面。在假定沉积面内正交两个主应力轴相对于竖向主应力轴无旋转的条件下,应用Lade提出的竖向主应力轴与沉积面内正交两向主应力对角线轴平面内主应力空间旋转的描述方法,对σ~(1/3)-SMP各向同性强度表达式进行修正,建立了横观各向同性的σ~(1/3)-SMP强度准则。与黄土试验结果相对比,表明该准则描述横观各向同性黄土的三维空间强度破坏面具有较好的适用性。