直剪试验下砂土剪切带形成的细观变形机制

剪切带的形成与发展是影响土体变形破坏的关键因素。利用数值模拟试验方法,对砂土直剪试验中剪切带的形成和演化机制进行研究。试验中采用条块法对试样进行标记,以观测其变形及发展过程;并记录剪应力及剪切位移的变化,分析试样的应力应变特征;最后从细观角度对颗粒试样的平均转动量、配位数及孔隙变化率等参数进行统计分析,以揭示试样的细观变形规律。研究表明:砂土剪切带的形成是一个渐进的过程,呈现出累进破坏的特征;且剪切过程中颗粒试样会发生局部变形并形成狭长的剪切带,剪切带的厚度受平均粒径及颗粒摩擦系数的直接影响,当颗粒粒径为1.25倍平均粒径且颗粒摩擦系数为0.5时,剪切带厚度达到最大值;此外,剪切带区域的强力链较为密集,通过对强力链进行光密度及面积占比分析发现峰值时刻最为显著（平均光密度约为1.4,强力链面积占比约为52%）,这表明力链网络的结构变化与剪切带的形成及演化具有同步性;同时发现剪切带内、外颗粒体系的平均转动量、平均配位数及孔隙变化率等细观参数存在显著差异,说明剪切带对外荷载的响应较为强烈。     

颗粒长轴比对粗粒土抗剪强度影响的细观机理

长轴比是表征粗粒土颗粒形状的重要指标之一,研究长轴比在剪切过程中的影响和作用,对粗粒土抗剪强度特征的精确描述具有一定理论意义。以可视化直剪试验和数值分析为手段,研究剪切过程中剪切带内颗粒长轴旋转角度、剪切带宽度、空间位置差Δ和配位数等组构要素变化特征,并从细观尺度揭示不同颗粒长轴比粗粒土强度发挥过程中力链网络存在的差异性。研究结果表明:剪切过程中剪切带形成的空间分布位置存在差异性,颗粒长轴比Se越大,剪切带的空间位置差Δ越小;剪切带内颗粒长轴平均旋转量较大,向两侧逐渐减小,同时长轴比Se越大,颗粒长轴平均旋转量越小; Se影响着剪切带内强力链的密度和形态,Se越大的颗粒间接触越密集,颗粒间空隙越小,剪切带内强力链密度越大,力的传递性越好,稳定性越强,在外力作用下断裂重组后形成更稳定的结构。