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。     

变胶结厚度下胶结颗粒微观模型的初步研究

粒间胶结厚度对胶结作用有一定的影响,在已有研究基础上针对不同胶结厚度,设计加工了适用于设定胶结厚度的胶样成型装置及复杂应力辅助加载装置,制备了胶结厚度为1.5mm的铝棒60对,经一定时间的养护后,对其进行了一系列拉伸压缩剪切等力学加载试验,并将试验结果与蒋明镜等人^[8]的无胶结厚度及胶结厚度为0.6mm的相应试验结果进行对比分析,得出不同胶结厚度对铝棒间胶结物力学特性的影响。结果表明:随着胶结厚度的增加,抗拉强度增大,抗压强度减小,抗剪强度也减小。     

岩石微观颗粒接触特性的试验研究

 微观上,岩石是由许多大小不等的颗粒和粒间填充的胶结物构成,不同位置的胶结厚度不同。岩石的这种微观结构特征从根本上决定其宏观力学响应,从微观尺度出发采用离散元数值模拟有利于探索岩石宏观力学特性的微观机制。基于这一思路,通过室内铝棒胶结模型试验,研究不同胶结厚度下胶结颗粒在压剪扭加载作用下的接触力学特性,发现胶结铝棒在不同胶结物质、不同胶结厚度下的力学响应均呈现出一定的相似性。将蒋明镜提出的岩石微观胶结模型与D. O. Potyondy和P. A. Cundall提出的岩石微观接触力学模型进行对比分析发现,蒋明镜模型提出的破坏准则与岩石的实际较为符合,进一步为离散元模拟岩石奠定基础。     

结构性砂土力学特性三维离散元分析

利用离散元法对结构性砂土的三轴试验进行了三维数值模拟并对其宏观特性进行了分析。首先将考虑胶结尺寸(宽度和厚度)的三维胶结接触模型导入离散元软件PFC3D中,对结构性砂土数值试样进行三轴试验数值模拟;然后对比分析离散元模拟与室内试验结果;最后从宏观力学角度对试验结果进行了分析。离散元模拟结果表明:结构性砂土与无胶结松散砂土表现不同,其在低围压时表现出应变软化和体积剪胀特征,并随胶结含量的增加或围压的减少而愈发显著,在高围压时则呈应变硬化和体积剪缩现象;低平均应力时,随胶结含量的增加,试样峰值内摩擦角、黏聚力以及内摩擦角均增加,其中黏聚力增加较为明显,随着平均应力的增加,峰值强度包线逐渐趋向于无胶结土。     

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.     

不同应力路径下砾石土力学特性的宏细观研究

 利用空心圆柱仪对砾石土进行三轴压缩、扭剪、三轴–扭剪联合3种单调加载路径试验以及应力主轴旋转路径试验。通过设计新型加载路径,实现应力主轴在不同应力水平下往复旋转,并在旋转时保持广义剪应力不变。试验结果表明,随着应力水平的增加,主轴旋转产生的广义剪应变呈现先增大、后减小、再增大的规律;主轴旋转会造成试样强度明显下降,内摩擦角显著减小,其破坏时刻的应力圆位于三轴–扭剪联合加载路径应力圆的内部。对三轴压缩和扭剪2种路径试验进行离散元细观分析,发现扭剪力作用下试样会形成水平滑动面。最后,对应力主轴旋转造成试样强度下降的原因进行分析和讨论。     

粉质黏土–混凝土接触面特性单剪试验研究

 利用改进的循环单剪试验系统进行粉质黏土–混凝土接触面剪切性能试验。混凝土表面粗糙度分为光滑、一般和粗糙3种状态,法向压力为5～200 kPa,土样厚度分为10,20 mm两种情况,主要考查接触面粗糙度、法向压力以及试验选取的土样厚度对接触面剪切性能的影响规律。试验结果表明：接触面主要表现出2种破坏模式,一种是接触面附近土体自身剪切破坏,另一种是接触面滑移破坏,接触面的强度即为这2种破坏强度的下限,接触面加载路径最终达到哪一段强度曲线决定接触面的应力–应变特性;接触面粗糙度和法向压力越大,越趋向于土体自身剪切破坏;土样厚度对试验测得的接触面应力–应变曲线存在影响,但这种影响随着接触面粗糙度和法向压力的增大而减小。     

考虑胶结强度正态分布下砂土力学特性离散元模拟

自密实混凝土在重力坝施工过程中受施工工艺、施工质量及施工环境等因素的影响,砂土颗粒间的胶结强度可能各不相同。为研究不同胶结强度的胶结砂土的力学特性,借助PFC3D自带的微观胶结模型,将胶结砂土中的胶结强度的分布定义为正态分布,并系统地分析了在不同方差和胶结含量下胶结砂土的力学特性。研究表明,胶结试样在数值试验中表现出应力应变软化特性及体变剪胀性,且随着胶结含量的增大,软化及剪胀程度提高;当偏应力达到峰值时,随着轴向应变的增大,体变由剪缩变化为剪胀。在假定的胶结砂样的胶结强度服从正态分布的情况下,峰值应力随着胶结含量成线性增大,但正态分布方差的变化对胶结砂样强度的影响不大。     

考虑宽度与厚度的颗粒胶结模型理论分析

在深海能源土、岩石风化等问题离散元模拟中,颗粒间胶结物的增减将对材料宏观力学特性有显著影响,因此需要建立考虑胶结厚度和宽度的胶结模型。针对离散元理论中粒间真实形状胶结物在粒间力作用下的刚度和强度确定问题,基于原始的Dvorkin理论,给出高精度的胶结力学响应理论解。求解中将位移函数对称化,提出一种修正位移试函数的方法,提高了二维颗粒微观胶结模型应力场的对称性和精度,经验证解答在定性和定量上符合有限元模拟结果。根据所得解答对胶结物几何参数进行了分析,讨论了胶结宽度和厚度对胶结刚度的影响,并给出了针对一般常见材料的刚度拟合公式。采用双剪统一强度理论分析了脆性和塑性胶结材料的初始破坏区位置,给出拉/压剪复合受力状态的强度包线。本文解答可方便快捷地获得胶结模型的大量力学响应信息,可作为试验数据的验证和补充,协助建立胶结物在复杂荷载作用下的破坏判据,进而建立完整的离散元胶结模型。     

含超径颗粒土石混合体的大型三轴剪切试验研究

 为研究土石混合体在含超径颗粒情况下的力学响应,利用大型三轴剪切试验仪,分别对体积含石量为25%,35%的非常规土石混合体试样在3种不同围压条件下进行固结不排水剪切试验。试验结果显示：含超径颗粒土石混合体在不排水剪切条件下仍然存在体积变化;含石量35%的土石混合体在围压较高情况下,体应变表现为加载初期剪缩,随后剪胀,二次剪缩,再次剪胀的特征;含石量25%的土石混合体的应力–应变曲线较为平滑,但含石量在35%的情况下,应力–应变曲线则呈现锯齿状特征,且伴随着间接性的应力跳跃现象,相应的体应变、孔隙水压力也出现跳跃现象,且与试样的应力变化具有很好的对应关系。     

理想胶结砂土力学特性及剪切带形成的离散元分析

根据近期胶结铝棒接触力学特性的实测结果,提炼出用于模拟胶结砂土粒间胶结作用的胶结接触模型,并将该模型引入二维离散元商业软件PFC^2D。通过对不同胶结强度和不同围压下胶结砂土的平面应变双轴压缩试验的离散元模拟,分析了理想胶结砂土的宏观力学特性及其剪切带的形成规律。结果表明：相比同一孔隙比的无胶结试样,胶结试样具有更高的峰值强度、显著的应变软化和剪胀现象以及明显的剪切带,宏观力学特性与其胶结接触微观力学机理密切相关,模拟结果与已有室内试验结果具有规律上的一致性;由胶结试样内部的微观信息统计可知,胶结试样剪切带的形成一般在其峰值强度之后,且剪切带的形成是试样变形、胶结破坏、孔隙比、平均纯转动率和位移场等微观参量局部化的综合表现。     

岩石微观胶结模型及离散元数值仿真方法初探

 基于胶结铝棒接触力学特性的系列室内微观试验,提出用于模拟岩石的微观胶结接触模型,并将该模型引入二维离散元商业软件PFC2D,模拟岩石室内单双轴压缩、直接拉伸和巴西试验,并将数值试验结果与室内试验实测结果进行对比分析,验证该数值方法在反映岩石基本力学特性方面的有效性,研究结果表明,基于水泥微观胶结模型的离散单元法能够合理地描述岩石的主要力学特性;通过胶结破坏数目与轴向应力之间的关系曲线可以识别岩石裂纹扩展的规律及各个阶段,并能够确定裂纹扩展过程中的起裂应力、裂纹损伤应力和峰值应力。     

不同厚度及边界胶结颗粒抗压特性离散元分析

为研究胶结厚度和边界条件对胶结颗粒抗压特性的影响,利用离散元数值方法模拟了胶结颗粒的室内微观压缩试验,并与室内试验结果进行了对比。结果表明,胶结厚度对胶结颗粒抗压强度影响较大,抗压强度随胶结厚度的增加呈指数形式下降并趋近恒定值,这一现象与室内试验结果吻合较好。而胶结厚度的影响程度与边界约束有关,当边界约束较强时微观剪切破坏占主导,抗压强度较高。另外,边界形状对微观胶结破坏模式 (拉伸破坏或剪切破坏)有一定影响,平面边界由于边界约束效应更强,导致胶结颗粒的抗压强度更高。     

Investigation into macroscopic and microscopic behaviors of bonded sands using distinct element method

This paper presents an investigation into the inter-particle bonding effects on the mechanical behaviors of structured sands using the distinct element method (DEM) incorporating measured inter-particle mechanical behaviors. The inter-particle mechanical behaviors are first studied by testing on idealized bonded granules under designed loading paths, which demonstrates a linear pre-failure force–displacement relationship and normal force-dependent shear strength of bonded particles. Then a modified contact model is proposed by employing different force–displacement laws for pre-failure and post-failure bonded particles, in which a failure criterion is introduced to describe the inter-particle debonding. The third part deals with the DEM numerical simulation of isotropic and biaxial compression tests to investigate the bonding effects on the mechanical behaviors of bonded sands, where the proposed model has been verified capable of capturing the main mechanical behaviors of bonded sands. In addition, the investigation into the microscopic responses quantitatively figures out the effects of inter-particle cementation on the mechanical behaviors and the loss of soil structure.     

粒间胶结尺寸对圆形颗粒法向接触响应的影响

粒间胶结物的存在改变土体颗粒间接触力的传递方式,因此,显著影响天然结构性土体的宏观力学响应和强度。为了研究粒间胶结的几何尺寸对理想圆形颗粒法向接触力学行为的影响,采用有限元方法模拟了圆形胶结颗粒微观抗压试验,分析了粒间胶结厚度和宽度对粒间法向接触应力分布和抗压强度的影响,并将模拟结果与模型试验进行了对比。结果表明,数值试验所得到的峰前荷载-位移曲线与室内试验结果吻合较好。粒间法向接触应力分布不均,中心大,外缘小。塑性区分布与高应力区不重合,塑性区在胶结物中心和外缘之间产生,逐渐向中心和边缘方向扩展。胶结抗压强度随厚宽比增加而降低,相同厚宽比下抗压强度基本一致。     

Tensile properties and pullout behaviour of AFRP and CFRP rods for grouted anchor applications

Fiber-reinforced-plastic (FRP) rods have been introduced in the market for grouted ground anchors. The resistance to corrosion and chemical attack, high strength-to-weight ratio, and ease of handling of these rods make them a better alternative to steel tendons in some applications of ground anchors. However, to fully utilise FRP rods as tendons for cement grouted anchors, some aspects of their behaviour have to be determined, including tensile properties, tensile capacity, bond strength in cement grout, long-term strength and durability in alkaline environments. In this paper, the tensile characteristics, bond strength and pullout behaviour of AFRP and CFRP rods embedded in cement grout are discussed. The pullout test program involved four types of rods, four types of cement grouts and three types of anchorage tubes with three bonded lengths. The experimental results have shown that the tensile properties of the FRP rods are close to the manufacturers’ data. The surface geometry of FRP rods, the properties of the filling grout and the stiffness of the host medium (anchorage tube) influence the pullout behaviour, pullout capacity and maximum bond stress of cement grouted FRP anchors.     

不同温压环境下深海能源土力学特性离散元分析

深海能源土宏观力学特性与所处温度与水压环境密切相关,明晰温压对能源土力学特性的影响对水合物的安全开采具有重要意义。首先,介绍深海能源土的温度-水压-力学微观胶结模型,用以描述能源土粒间的水合物胶结接触力学特性;其次,将该模型导入至离散元商业软件PFC2D中,开展不同温度与水压环境下的离散元双轴试验;最后,结合离散元双轴试验结果及同已有室内试验结果的对比分析,探讨温度与水压对深海能源土宏观力学特性的影响规律和微观作用机理。结果表明：引入胶结模型的离散元双轴试验可较好地描述深海能源土强度、变形等力学特性随温度与水压的变化关系;温度与水压影响深海能源土宏观力学特性的微观机理是颗粒间水合物胶结强度与刚度同温度与水压间的相关性;建议采用温压距离参数L（在无量纲化的温度-水压坐标平面内,水合物赋存温度与水压点至其相平衡线的最小距离）评价实际复杂温压场下的深海能源土宏观力学特性。