水泥固化滨海风积砂力学特性试验及细观数值仿真

滨海风积砂因结构松散、自稳能力差、级配不良不易压实,被视为一种特殊土。水泥固化是常用的加固手段,而水泥剂量对风积砂力学性能的影响规律及细观作用机制目前尚不清楚。利用GDS土工三轴试验仪,对不同水泥剂量(0%,4%,6%)的水泥固化滨海风积砂进行不同有效围压(50,100,150 k Pa)下的CD试验。结合室内试验数据和水泥砂样显微照片,建立水泥固化滨海风积砂细观结构的颗粒流PFC2D模型,进行三轴试验的细观数值仿真分析。研究结果表明,水泥固化滨海风积砂应力–应变关系呈应变软化型,水泥剂量对滨海风积砂强度贡献明显,对体变影响相对较小。采用颗粒平行黏结方式的颗粒流数值仿真能有效反映水泥固化滨海风积砂的细观力学特性,水泥剂量对水泥固化滨海风积砂的黏结破坏数、配位数、位移场均有显著影响。     

水泥固化漳州滨海风积砂液化特征试验研究

利用GDS动三轴仪对水泥固化漳州滨海风积砂进行液化强度试验,分析水泥固化漳州滨海风积砂在不同水泥剂量、不同龄期、不同基准应变和不同等幅循环应变幅值下的液化特性。试验结果表明:砂样的抗液化能力随水泥掺量的增加近似呈线性提高;随龄期增长而增强,但基准应变越高,增强越弱;随循环应变幅值的减小而显著增强;基准应变对砂样抗液化能力的影响受水泥掺量的制约。孔压半对数模型可以较好的反应水泥固化漳州滨海风积砂土的孔压发展规律;存在一个临界基准应变,使得抗液化能力随水泥剂量的增加得到最大化提高。     

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。     

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。     

基于三维颗粒离散元法的喷射混凝土单轴抗压试验研究

以喷射混凝土室内单轴抗压试验为基础,研究喷射混凝土单轴抗压试验的三维颗粒离散元模拟方法。根据平行黏结模型的黏结尺寸理论,将室内试验级配进行合理简化,建立三维数值力学试验模型。研究试件在数值试验中的受力全过程和细观破坏形态,得到试验数据,绘制应力-应变曲线和裂缝数-荷载步曲线,与室内试验结果进行对比分析。结果表明:利用简化模型,可提高计算速率;三维颗粒离散元单轴抗压试验模拟获得的喷射混凝土强度特性、微观裂缝的发展过程和试件破坏特点与室内试验结果吻合;三维颗粒离散元法可以描述喷射混凝土这类具有明显非连续性特征材料在单轴受压状态下的细观破坏特征,为研究其在复杂受力条件下的破坏机理奠定基础。     

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。     

考虑颗粒破碎的砂土高应力一维压缩特性颗粒流模拟

以Toyoura砂室内高应力一维压缩试验结果为基础,利用二维颗粒流方法中的接触黏结模型生成簇颗粒单元来模拟实际砂土的颗粒破碎特性。高应力一维压缩数值试验中,数值试样由887个簇颗粒单元组成。数值试验与室内试验结果对比表明:数值试验得到的压缩曲线形状及颗粒破碎屈服应力大小均与Toyoura砂室内试验结果一致,说明数值试验能够较好地再现实际砂土在高应力一维压缩条件下的颗粒破碎特性。与室内试验相比,利用数值试验不仅能得到宏观的颗粒破碎现象,而且还能通过分析内部接触力的变化和对黏结破裂位置的追踪来研究颗粒破碎的细观演化规律,从而可进一步探讨颗粒破碎的细观力学机制。最后,就细观参数、加荷速率、簇颗粒数量及试样平均粒径等因素变化对数值试验结果的影响进行了分析。     

循环荷载下砂土变形的细观数值模拟Ⅱ:密砂试验结果

采用颗粒流理论模拟了不同排水条件下密砂的双轴试验,通过开发的细观组构统计程序记录加载不同时刻试样的细观组构演化,研究了循环荷载作用下密砂变形过程中细观配位数、接触方向、粒间接触力等的演化规律及其与试样宏观力学响应之间的内在联系。探讨了密砂在循环荷载作用下诱发各向异性、剪胀软化、循环活动性等产生的微细观机理。与松砂相比,密砂在循环荷载作用下,组构各向异性与应力各向异性彼此相协调,没有产生配位数的连续累积损失。     

应力路径和颗粒级配对砂土变形影响的细观机制

利用GDS应力路径三轴试验系统与颗粒流程序PFC2D,对2种不同颗粒粒径与级配的青岛海砂进行不同应力路径下的室内三轴试验与数值模拟试验,探研应力路径和颗粒级配对砂土影响的细观机制。首先,进行青岛粗细砂在不同密实度与3种应力路径下的室内三轴试验,获得青岛粗细海砂的宏观力学响应,并进行初步地机制分析;然后,进行与室内试验匹配和补充的PFC2D数值模拟试验,挖掘室内物理试验中难以得到的细观信息,如颗粒配位数,转动速度,颗粒位移等,定量地解释不同级配的砂土在不同路径下力学响应的细观原因;最后,进行不同颗粒级配砂土在循环加载路径下力学性质的PFC2D数值试验,从细观角度分析砂土在该路径下的变形机制。     

复杂动荷载作用下全级配混凝土损伤机理细观数值试验

提出了一种适用于复杂应力状态下的双折线弹性损伤模型,对混凝土试件进行了轴向拉压细观数值模拟试验,同时探讨了复杂应力状态下混凝土损伤破坏机理。然后基于实际工程采用的混凝土细观动态参数试验实测值,利用细观数值模型对循环荷载作用下全级配大坝混凝土试件进行了弯折损伤破坏模拟。其数值计算结果与材料试验测的数据吻合较好,进一步验证了在循环动荷载作用下预静载对动弯拉强度也存在强化现象。本文轴向拉压细观数值模拟试验表明,细观界面黏结强度是控制混凝土宏观抗压强度和宏观抗拉强度的关键参数,而黏结面泊松比的大小对混凝土宏观抗压强度影响很大。这个研究结果表明,混凝土材料受拉破坏机制与剪切破坏机制在本质上可统一为受拉破坏机制。     

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。     

滨海软黏土加速蠕变特性试验研究

为了研究滨海软黏土加速蠕变特性,采用典型的滨海相软黏土进行室内蠕变和加速蠕变试验,研究不同围压、加荷比、振动频率、动应力比对软黏土蠕变特性的影响,并通过对比得出了不同试验条件下滨海软黏土的加速蠕变的变化规律。试验结果表明:滨海软黏土具有非线性应力–应变关系的流变特性,其蠕变试验曲线呈衰减型,蠕变变形大部分应变量发生在蠕变前期,变形随时间增长趋于一个定值;静载作用下,围压越大初始蠕变速率越大。初始加荷压力一致,加荷比越大破坏应力越小。循环动荷载作用下,应变在动荷载阶段变化缓慢,而动荷载结束后进入稳定阶段后应变发生突变,急剧变大最后趋于稳定;此外在不同振动频率和动应力比下试样承受荷载等级不同,均存在一个临界安全荷载,超过这个临界值试样会发生蠕变破坏现象。     

活性MgO碳化固化土的干湿循环特性试验研究

碳化固化技术是一种利用二氧化碳对搅拌有活性氧化镁的土体进行碳化,以达到快速提高强度的低碳搅拌处理软土的创新技术。通过室内试验研究干湿循环对碳化固化土物理力学特性的影响,并与相同掺量下水泥固化土进行对比。结果表明:活性Mg O固化粉土碳化3 h试样的无侧限抗压强度可达5 MPa,粉质黏土碳化24 h试样可达2.6 MPa;干湿循环后碳化固化土的干密度降低,而水泥土干密度基本不变;6次干湿循环后粉土碳化试样的无侧限抗压强度仍然能达到4 MPa以上,为水泥固化粉土强度的2倍,具有较好的抗干湿循环性能;经过6次干湿循环后,粉质黏土碳化试样的残余强度仅为35%,而水泥固化粉质黏土降到65%,表明固化粉质黏土的抗干湿循环性能均较差,且粉质黏土碳化试样的抗干湿循环能力不及水泥固化粉质黏土试样。通过X射线衍射(XRD)、电镜扫描(SEM)及压汞试验(MIP)测试表明干湿循环对粉土碳化试样的累计孔隙影响不大,因此粉土试样仍然具有比较大的密实度来保证试样强度;粉质黏土碳化试样因孔隙增加明显而变得疏松,因此强度显著降低。     

桩-桶基础上拔载荷试验的数值模拟

对桩-桶基础进行了上拔荷载作用下的颗粒流数值模拟试验.通过颗粒流理论和PFC2D程序,应用细观力学的方法对上拔荷载作用下的桩-桶基础进行了模拟试验,研究了桩-桶基础在承受上拔荷载过程中土颗粒的分布及变化、土颗粒的位移与变化,基础的上拔位移与时步关系,土体受上拔荷载影响区域的范围及其变化.根据土颗粒的分布、颗粒的结构、颗粒的位移及其变化,基础位移与时步曲线的凸、凹变化表明了土体的稳定与破坏,判定了基础上拔时的土中滑动破坏面为锥体,对基础受荷过程中土颗粒细观结构变化,针对颗粒流仿真试样的细观力学特征进行了初步研究并揭示了一些规律.     

水泥胶凝砂土动力特性研究

通过室内动三轴试验研究了砂土与水泥胶凝砂土在不同应力条件下的动力变形特性及抗液化特性,结果表明:胶凝材料的掺入显著提高了砂土在动荷载作用下抵抗变形的能力,在较低水泥掺加量条件下,胶凝砂土中砂土的动力特性仍占据主导地位,其动力特性仍可用沈珠江提出的砂土动力黏弹性模型来模拟;胶凝砂土的动模量比砂土大3倍以上,而抗液化动剪应力则为砂土的2倍以上,但初始变形量及累计动残余变形量值均较砂土大幅降低;胶凝作用对低应力状态更为敏感,应力水平越低,胶凝作用对砂土抵抗动力变形能力的提高越显著,随着胶凝材料掺入,浅层砂土已很难发生地震液化,深层砂土的液化破坏主要为变形破坏,但破坏时也累积了较大的动孔隙水压力。     

软弱夹层对水泥土单轴压缩影响研究

为探究软弱夹层厚度比对水泥土试样单轴压缩力学参数和破坏模式的影响规律,借鉴含单夹层盐岩的制样方法制备含不同软弱夹层厚度比的单夹层水泥土试样,进行室温和冻结状态下的单轴压缩试验。在室内试验研究的基础上采用PFC2D对水泥土单轴压缩进行模拟,分析试样受荷后的细观力学响应机制。最后建立软弱夹层与荷载耦合作用下水泥土单轴压缩损伤本构模型,探讨软弱夹层厚度比对试样损伤变量演化的影响。研究结果表明:(1)室温和冻结状态下水泥土试样单轴抗压强度和弹性模量均随着软弱夹层厚度比的增加呈负指数规律衰减;破坏应变随软弱夹层厚度比增加呈抛物线变化规律。(2)PFC2D模拟得到的不同软弱夹层厚度比的水泥土试样单轴压缩力学参数以及破裂模式与室内试验结果比较吻合,数值模拟和室内试验均表明软弱夹层厚度对试样破坏模式影响较大。(3)软弱夹层与荷载耦合作用损伤本构模型能够较好地描述室温和冻结状态下含软弱夹层水泥土试样在单轴压缩荷载下的应力-应变关系,软弱夹层的存在使试样变形过程中损伤程度差异明显。软弱夹层厚度比越大,在很小的轴向应变时试样总损伤变量就达到很大值,试样很快就出现破坏。     

海砂–海泥混合料作为海堤填料的可行性试验研究

提出海砂–海泥混合料作为海堤填筑材料。通过室内试验对不同掺合比的海砂海泥混合料的土体强度参数、压缩性能以及渗透性能进行对比分析,结果表示海砂–海泥按质量比1.5∶1掺合时,混合料的物理力学性质指标最接近工程要求。为改善混合料工程性质,采用水泥作为固化剂,通过一系列室内试验对掺合比1.5∶1的固化混合物的强度特性、压缩特性、渗透特性进行研究。结果表明:随着水泥掺量和龄期的增加,固化混合料的无侧限抗压强度、抗剪强度均有很大提高;存在7 d的早期强度;应力应变曲线在水泥掺量为8%与10%时具有有明显的峰值,且脆性破坏特征明显;渗透系数大幅度降低;水泥掺量为6%时,28 d龄期固化混合料便属于低压缩性土范畴。     

矿物颗粒形状的岩石力学特性效应分析

岩石作为矿物颗粒的集合体,其宏观力学特性主要影响因素为矿物的细观形态特征。基于颗粒流理论,建立了4种代表颗粒形状用于模拟石英砂岩的矿物颗粒,并采用球度指标对矿物颗粒形状进行参数量化。通过石英砂岩的室内三轴试验校准了颗粒流模型的细观参数,在此基础上进行四种矿物颗粒形状试样的岩石三轴力学模拟试验。研究结果表明：颗粒的球度越大,试样的启裂强度、损伤强度和峰值强度均越低。随着颗粒球度的增加,试样的弹模降低,泊松比增大。内摩擦角和黏聚力则随球度的增大而下降。根据岩样数值试验中的变形数据,研究了不同颗粒形状剪胀角随着塑性剪切应变的演化规律。     

冻融循环后高温冻结粉土在循环荷载下的动力特性试验研究

对经过10次冻融循环的青藏人工冻结粉土试样在-1℃恒温状态下进行了3Hz和5Hz两种加载频率、不同动应力幅值的单轴循环动荷载压缩试验。试验结果表明:冻融循环后高温冻结粉土的累积应变随着振动次数的增加呈增长的趋势,在相同的振次时,动荷载应力幅值越大,累积应变越大;频率越高,临界动应力越小;初始阶段应变速率随时间的增大而减小,但随着振动时间的增加,破坏型曲线的应变速率达到一个最小值后开始增大,稳定型曲线的应变速率则在一定幅度的范围内波动;在振动时间相同时,动应力幅值越大、动荷载振动频率越高,应变速率越大;动应力幅值越大,破坏应变越大,破坏时间越短;同一动应力幅值下,频率越高,破坏时间越短。     

干湿循环与荷载耦合作用下红黏土胀缩特性

为获取符合工程设计的实际参数,对常规固结仪进行了改造,提出了一种模拟土体在荷载作用下的干湿循环试验方法,对红黏土进行了有荷载条件模拟干湿循环过程的试验研究,得到其胀缩变形的变化规律。结果表明:该方法可以实现不拆卸试样干湿循环试验,克服了以前荷载为0的土体干湿循环试验的缺陷,为工程设计提供更加合理的技术指标;干湿循环下红黏土的胀缩变形不可完全恢复,上覆荷载可以抑制其膨胀性,增强其收缩性;荷载小于50 kPa时,试样膨胀,且压实度越大和初始含水率越小,膨胀性越强;荷载大于100 kPa时,试样收缩,压实度越小和初始含水率越大,收缩性越强;第1次干湿循环对红黏土胀缩性能影响最为显著,随着干湿循环次数的增加,胀缩率曲线越来越平缓,胀缩性能趋于稳定状态。