基于室内试验和离散元模拟的砂土强度研究

通过室内三轴试验和二维离散元数值模拟的方法,研究了砂土颗粒排列对其剪切强度的影响。通过制备同一相对密实度下的四种不同排列方式的室内三轴试样和相同情况下的二维离散元数值剪切试样,分别进行室内试验和二维离散元数值模拟,探讨了土体结构性中的排列方式对砂土强度的影响。结果表明,砂土的整体强度与试样的排列方式有很大关系,不同的排列方式所对应的内摩擦角是不同的,这些成果将更有利的指导非饱和土特性的研究。     

砂卵石地层盾构开挖面稳定性分析

分析了成都砂卵石地层工程地质和水文地质条件,通过大型三轴试验对砂卵石层力学特性进行了研究。针对砂卵石层粘聚力低、离散性强的特点,选用颗粒离散元法作为数值计算工具,通过对大型三轴试验的数值模拟,对砂卵石层的细观参数进行了标定。研究了支护压力对开挖面变形、地表沉降、开挖面的最大位移和土层应力的影响。研究结果表明：1)开挖面土体破坏形状和砂土的离心试验模型相符;2)当支护压力较小时,开挖面前方土体颗粒接触力很低,颗粒流动趋势明显,因此容易引起超挖,从而导致盾构施工后形成地层中的空洞;3)开挖面前的上方土体成拱作用明显,即使土层内部形成空洞也不会立刻引起地面塌陷,这是目前成都盾构施工引发地面滞后沉降的主要原因。     

四川地区砂卵石土动强度试验分析

基于GBS LABV2动态三轴仪的砂卵石土的固结不排水振动三轴试验，对试验过程及试验成果进行了分析。初步探讨了围压及饱和度对砂卵石土试样动强度及液化特性的影响，以及孔压变化的规律，对其中的问题提出了几点浅显的认识。     

不同含水率砂卵石围岩宏细观力学特性研究

含水率对具有颗粒物质性质的隧道砂卵石围岩稳定性有较大影响,通过室内大型三轴试验与颗粒离散元数值三轴试验相结合的方法,对中密状态下不同含水率砂卵石围岩在100、200、300 kPa三种围压下的宏细观力学特性展开研究,分析了含水率对隧道砂卵石围岩宏细观力学参数影响规律。研究结果表明:随着含水率的增加,砂卵石围岩的应力峰值、内摩擦角和粘聚力均随之减小;砂卵石围岩变形破坏时轴向应变约为4%,其应力峰值后仍可承受较大的应力特性;确定了中密状态时不同含水率砂卵石围岩的接触模量、摩擦系数、颗粒刚度比、法向接触强度等离散元细观参数。研究成果为砂卵石地层隧道围岩稳定性离散元精细化模拟提供理论依据。     

饱和砂土三轴试验中反压设置与抗剪强度的研究

为增加试样饱和度而采用反压饱和是室内三轴试验中普遍采用的技术手段,但现行规范对试样中反压取值没有具体规定。通过对福建标准砂的一系列固结不排水和固结排水三轴试验,分析了不同反压、围压下饱和砂土的应力–应变关系、孔压发展规律,并分析了几种常用破坏取值标准下土体强度指标的差异。试验结果表明固结不排水三轴试验中,反压对砂土应力应变关系、孔压发展有明显影响,从而影响强度取值;而在固结排水试验中,施加不同的反压对于砂土抗剪强度则基本无影响。在不排水剪切中,建议反压设为300～500 kPa,且在同一组试样中采用统一的反压对试样进行饱和。在破坏标准上,建议采用最大有效主应力比(σ'₁/σ'₃)_max对应强度作为砂土的不排水抗剪强度;而在考虑土体残余强度时,建议采用超静孔压下降为零为破坏标准。     

土压平衡盾构掘进对散粒体地层扰动和开挖面破坏特性研究

 采用自主研制的? 800 mm土压平衡盾构掘进试验系统,对砂卵石与砂土地层开展室内缩尺掘进试验研究,以分析土压平衡盾构掘进对地层的扰动特征;同时,针对室内缩尺掘进试验,开展离散元数值模拟以分析盾构掘进开挖面的变形与破坏形态。研究表明：砂土地层地表沉降曲面自上而下呈现逐渐收缩的“圆形漏斗”状,砂卵石地层地表沉降曲面自上而下呈现逐渐收缩的“V型河谷”状;砂卵石地层地表横断面沉降槽宽度系数相比砂土地层要小;2种地层地中沉降槽宽度参数都随地中深度比的增加而呈线性增大,相同深度比条件下砂卵石地层地中沉降槽宽度参数要小于砂土地层;砂土地层沉降时间效应曲线较为渐进和连续,而砂卵石地层则呈现突变性;2种地层开挖面破坏形态均为烟囱状,但砂卵石地层的开挖影响范围无论在横向还是纵向上都要小于砂土地层。     

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。     

密度对砂土应力应变强度特性影响试验研究

针对某级配砂土,对不同密度试样进行常规三轴固结排水剪切试验,探讨了密度对砂土应力应变特性、强度特性的影响。试验结果表明:密度对砂土应力应变的形态影响不大,对试样破坏时的轴向应变有显著影响;砂土试样发生相变时的体积应变受密度影响显著。通过研究密度和围压对变形的影响,定量分析了相变体积应变随相对密实度和围压的变化关系,同时,发现砂土密度对其变形模量影响较大;密度对试样破坏偏应力比影响较大。试样砂土的强度指标总体上随相对密实度增大而增大,但在试验范围内影响有限。对非线性指标φ_0,Δφ,随试样相对密实度变化均可近似用直线表示;D_r每增大0.1,内摩擦角φ增大0.66°。     

砂卵石土动强度与动弹性模量试验分析

通过砂卵石土动三轴试验,深入研究了砂卵石土动力特性,得到了砂卵石土的动强度和动模量在不同围压及固结应力比条件下的变化规律。试验结果表明,围压是动强度提高的重要影响因素,固结应力比不同的条件下,动强度及动模量变化也较大。     

围压和固结应力比对砂卵石土动力特性的影响

通过砂卵石土室内动三轴试验，对砂卵石土的动力特性进行了较为深入地研究。得到了在不同围压、不同固结下砂卵石土的动强度和动模量的变化规律。试验结果表明，围压对动强度和动模量都有明显的影响，在不同的固结应力比条件下动强度及动模量变化也较大。     

舟山海域海相砂土循环激振下的液化破坏孔压模型

 为探究舟山海相土在海洋环境中的液化失效规律,选用2类代表性海相砂土：乌石塘海相粗砂MS1及东沙海相细砂MS2,利用X射线衍射(XRD)及扫描电镜(SEM)试验获得微细观物相结构,二者均属石英矿相碱性海相沉积物。在不同激振幅值下,采用GDS动三轴系统进行一系列双向循环激振加载试验。试验结果表明：海相粗砂MS1产生高周循环液化时对应的激振幅值较低,而在低周液化下激振幅值则较高,海相细砂MS2在液化偏应力较小时可承受高周循环加载,而在液化偏应力较大时只可承受低周循环。基于归一化初始液化周数比建立舟山海相砂土的液化孔压模型并给出参数取值,模型揭示：2类海相砂土均随激振应力比增加而更易于液化;基于循环增量孔压比及Finn破损参数,建立舟山海相砂土初始液化破坏内时模型,并给出试验参数,模型揭示：过大的激振压缩应变诱发剪缩变形,导致海相粗砂MS1液化破坏,而海相细砂MS2的液化破坏则源于拉应变增大诱发的颗粒间接触失效。海相砂土宏观尺度的初始液化破坏是其微细观物相结构劣化积聚的最终结果,宏观力学机制与微细观试验分析结论吻合。     

围压和固结应力比对砂卵石土动力特性的影响

通过砂卵石土室内动三轴试验，对砂卵石土的动力特性进行了较为深入的研究，得到了在不同围压、不同固结下砂卵石土的动强度和动模量的变化规律。试验结果表明，围压对动强度和动模量都有明显的影响，不同的固结应力比条件下，动强度及动模量变化也较大。     

Effects of System Compliance on Liquefaction Behavior of Thin Sandy Layer in Undrained Cyclic Triaxial Tests

In a case history of dip slope failure caused by the 2004 Niigata-ken Chuetsu Earthquake, it has been reported that the slope contained a thin sandy soil layer. The layer may have liquefied if it had been saturated at the time of the earthquake. Undrained cyclic triaxial tests comprise one of the available experimental approaches for evaluating the liquefaction behavior of such thin sandy soil layers. In this study, a series of undrained cyclic triaxial tests was performed on specimens containing an artificial sand layer in order to investigate the effects of system compliance that are possibly induced by partial drainage caused by the changes in volume of the filter paper used to saturate the sand layer and the local drainage at the interface among the specimen, the top cap and pedestal, and the rubber membrane. The observed liquefaction behavior depended on the thickness of the sand layer under otherwise similar conditions, suggesting the significant effect of system compliance. By conducting special tests, while correcting the partial drainage, it was possible to reduce its effect on the liquefaction behavior. Cylindrical specimens with a top cap and pedestal, all having the same diameter, exhibited a smaller effect from partial drainage than prismatic specimens with an oversized top cap and pedestal.     

双层立体加筋砂土的强度特性

在提出立体加筋方式的基础上,对水平–竖向复合加筋和竖向加筋两种加筋形式的立体加筋砂土进行大量的三轴试验。结果表明,相对于无筋土及传统的水平加筋砂土而言,立体加筋砂土强度有大幅度提高。对比分析竖向加筋率与立体加筋砂土强度之间的关系,比较不同围压下的强度变化。在试验基础上,分析立体加筋砂土的工作机制,并利用极限平衡理论建立双层立体加筋土的强度模型,最后将竖向加筋砂土的部分试验结果与理论值进行对比,结果表明二者基本吻合。     

加筋砂土挡墙承载力及渐进性变形破坏的有限元分析方法

 为开发一种可以合理模拟加筋砂土挡墙承载力及渐进性变性破坏特征的数值分析方法,利用可考虑应变局部化的非线性弹塑性有限元法对一系列的加筋砂土挡墙模型试验结果进行从小变形到破坏的全过程数值分析。有限元分析中,砂土的本构关系采用基于修正塑性功的硬化–软化弹塑性模型,该模型引入应变局部化参数S用以描述砂土单元峰值以后的局部剪切破坏效果。模型试验结果与有限元计算结果比较表明：建议的非线性弹塑性有限元分析不仅可以较好地模拟分析加筋砂土挡墙基础底面的平均压力与沉降之间的关系,而且也能合理地模拟加筋砂土挡墙基础的剪切破坏的发生与发展状况、筋材的拉力以及挡墙面板的水平土压力分布等,它可以定量化地分析加筋砂土挡墙的渐进性变形破坏特征以及条带加筋材料的加固机制。     

Strength enhancement of geotextile-reinforced carbonate sand

The mechanical behavior of carbonate sand reinforced with horizontal layers of geotextile is invetigated using a series of drained compression triaxial tests on unreinforced and reinforced samples. The main factors affecting the mechanical behavior such as the number of geotextile layers, their arrangement in specimens, confining pressure, particle size distribution, geotextile type and relative density of samples were examined and discussed in this research. To make a precise comparison between the behavior of reinforced siliceous and carbonate sand, triaxial tests were performed on both types of sands. Results indicate that geotextile inclusion increases the peak strength and strain at failure, and significantly reduces the post-peak strength loss of carbonate specimens. The amount of strength enhancement rises as the number of geotextile layers increases while two other parameters including confining pressure and particle size affect adversely. The strength enhancement of reinforced carbonate sand is greater than the corresponding siliceous sample at high axial strains. Reinforced and unreinforced carbonate specimens exhibit more contractive behavior than their corresponding siliceous samples and tend to dilate at higher axial strains. By increasing the relative density of the samples, the peak strength of reinforced specimens rises due to enhanced interlocking between geotextile layers and sand particles. This process continues as long as the geotextile is not ruptured. The utilization of geotextiles with high mass per unit areas was found to be uneconomical due to slight differences between the strength augmentation of geotextiles with high and low mass per unit areas. It should be noted that geotextile layers limit the lateral expansion of specimens which leads to changing the failure pattern from a shear plane to bulging between the adjacent layers of geotextile.     

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。