粗粒土三轴试验的细观模拟

对排土场粗粒土进行室内三轴固结排水试验,以此试验结果为基础,基于三维离散元颗粒流理论,从细观角度出发,以PFC3D为工具,通过自编程序并引入接触黏结模型,得到按级配生成的粗粒土三轴试验三维颗粒流模型.对比了不同围压下颗粒流模型与三轴试验的应力应变关系.分析了颗粒细观参数对粗粒土强度的影响.结果表明:按级配曲线得到的PFC数值模型的应力应变曲线的变化趋势与试验值一致,但强度值略低于试验值.粗粒土强度随颗粒间摩擦系数、接触处黏结强度的增大而提高;颗粒形状对材料的抗剪强度影响显著.研究意义在于从细观角度揭示影响粗粒土强度的因素,突破了常规三轴试验的局限性.     

椭球颗粒体系宏、细观特性的3维离散元分析

颗粒材料由大量不同形状的离散颗粒组成,其力学特性与构成颗粒体系的颗粒形状密切相关。目前,关于颗粒形状对颗粒材料剪切强度的影响已有大量的物理试验或数值模拟试验研究,而非球形颗粒材料在复杂应力路径下的宏、细观力学特性认识还不够充分。本文采用离散单元法(DEM)对按一定级配生成的不同伸长率的椭球颗粒体系进行等σ₃(第3主应力)及等b(中主应力比)的真三轴加载数值模拟试验,研究椭球颗粒体系的3维宏、细观力学特性,并验证常用3维强度准则对椭球颗粒体系的适用性。结果表明：在3维加载路径下,不同于圆球颗粒体系宏、细观演化规律的一致性,椭球颗粒体系的宏观应力面与细观组构面演化规律不一致,宏观应力比与强接触网络组构偏值/均值比线性不为1,这是因为椭球颗粒体系弱接触网络对宏观应力的贡献;椭球颗粒体系宏观体应变、细观法向接触力分布、接触数目及配位数分布等宏、细观指标与加载路径无关;随着椭球伸长率L_AR增大,Mohr–Coulomb准则、Lade–Duncan准则、Mastsuoka–Nakai准则及施维成3维强度准则对φ_max(峰值内摩擦角)...     

椭球颗粒体系宏细观特性的三维离散元分析

颗粒材料由大量不同形状的离散颗粒组成,其力学特性与构成颗粒体系的颗粒形状密切相关,目前关于颗粒形状对颗粒材料剪切强度的影响已有大量的物理试验或数值模拟试验研究,而非球形颗粒材料在复杂应力路径下的宏、细观力学特性认识还不够充分。本文采用离散单元法(DEM)对按一定级配生成的不同伸长率的椭球颗粒体系进行等σ₃(第三主应力)等b(中主应力比)的真三轴加载数值模拟试验,研究了椭球颗粒体系的三维宏、细观力学特性,并验证了常用三维强度准则对椭球颗粒体系的适用性。研究结果表明在三维加载路径下,不同于圆球颗粒体系宏、细观演化规律的一致性,椭球颗粒体系的宏观应力面与细观组构面演化规律不一致,宏观应力比与强接触网络组构偏值/均值比线性不为1,归因于椭球颗粒体系弱接触网络对宏观应力的贡献;椭球颗粒体系宏观体应变、细观法向接触力分布、接触数目及配位数分布等宏、细观指标与加载路径无关;随着椭球伸长率η增大,Mohr-Coulomb、Lade-Duncan、Mastsuoka-Nakai及施维成三维强度准则对φmax(峰值内摩擦角)~b关系预测准确度逐渐增大,其中Lade-Duncan准则能更好地拟合不同加载路径下椭球颗粒体系的数据点。本文的研究为提高人们对真实应力状态下椭球颗粒材料的宏、细观特性提供了一定的理论基础。     

等应力比加载下颗粒材料的宏细观定量关系探讨

为了建立颗粒材料的组构张量与应力张量的定量关系,采用离散单元法,开展了一系列等应力比双轴压缩试验.模拟结果表明,随着应力的增加,颗粒间的接触法向朝着大主应力的方向集中,试样的各向异性程度逐渐提高.当应力足够大时,由接触法向定义的组构张量将不再发生演化,对应的第二偏不变量与应力比大致呈二次函数关系.进一步,将组构张量与应力张量按照某种形式相乘,得到的组合张量是与应力比无关的常量,这表明组构张量与应力张量的关系可以用一个隐式方程来描述.从而在特定条件,即圆形颗粒材料在等应力比加载下颗粒排列达到稳定时,确定了宏细观物理量之间的定量关系,为建立多尺度的本构模型提供一种潜在思路.     

试样尺寸对粗粒土强度及变形试验影响研究

对某堆石料进行了3种（大、中、小）不同直径试样的三轴固结排水剪切试验,研究在不同试样尺寸下粗粒土的应力一应变及强度特性差异,初步探讨了试样尺寸大小对应力一应变及强度性质的影响。结果表明：不同尺寸大小的试样所测定的应力一应变关系及剪胀性相似,但量值大小有差异;对相同围压下同一种级配粗粒土,较小尺寸试样峰值强度高于较大尺寸试样的强度,随着试样尺寸的增大,增加幅度呈减小趋势;低围压下试样直径变化引起的摩擦角测定值变化较大,高围压下直径影响变小。对应l％应变的割线杨氏模量和体积模量随试样大小有一定程度的变化,其变化规律有待更多试验验证。     

土工格栅-玻璃砂界面细观特性离散元研究

为分析剪切带的形成机制和演化机理,明确拉拔试验中筋土界面参数的宏细观联系,基于离散元数值方法,使用PFC2D软件模拟土工格栅加筋玻璃砂的拉拔试验,并与物理拉拔试验结果进行对比分析.在数值试验中采用分段函数重现格栅非线性应力-应变关系,根据玻璃砂颗粒位移值确定剪切带的平均厚度,重点分析剪切带内接触力链、颗粒位移、颗粒旋转等因素以及大主应力方向与细观组构参数的联系.结果表明,在格栅拉拔位移较小时,离散元数值方法能较好地分析玻璃砂与土工格栅界面之间的力学行为,试样宏观的体积剪胀主要受剪切带内颗粒的运动控制;通过PFC2D程序采用FISH语言开发的颗粒旋转颜色显示程序,显示格栅上下界面砂颗粒出现不同的旋转方式,颗粒位移和旋转形成了一个呈"锯齿"分布的剪切区,揭示颗粒位移和颗粒旋转是剪切带演化的重要特征;接触力的分布及其各向异性演化决定了试样宏观的力学性质和剪切带基本形状;整个拉拔阶段,剪切带内大主应力方向的偏转与接触力各向异性主方向的偏转呈相近趋势.     

细颗粒截断粒径对堆石体力学特性影响的数值模拟

建立考虑颗粒破碎的随机散粒体的SGDD数值模型,进行堆石体细颗粒截断粒径的敏感性分析,对三组不同截断粒径的数值试样进行不同围压的常规三轴试验,分析截断粒径对堆石体力学特性的影响并研究其细观机理.研究结果表明,在保持相对密度一致的条件下,数值试样的强度参数和变形参数随截断粒径的变化而单调变化;在细观层面上,颗粒体的各向异性演化规律与截断粒径密切相关.颗粒的配位数、接触失效率随截断粒径的减小而减小.截断粒径越小的试样含有的无效颗粒数越多,从数值试样的宏观强度、变形结果来考察数值剪切试验的精度,在本文数值试样的加载条件下,截断粒径取15mm时,其对宏观强度和变形的影响是可接受的.     

混凝土双轴压-压细观统计损伤本构模型

细观损伤机制对混凝土材料宏观力学性能产生重要的影响。基于细观统计损伤理论及宏观试验现象,建立了混凝土双轴压-压细观统计损伤本构模型。考虑断裂、屈服两种细观损伤因素,损伤演化过程由主方向的压应变驱动;引入等效传递拉损伤应变的概念,受压方向的压损伤由侧向拉损伤应变控制。采用本文模型对双轴压-压应变比例加载路径下应力-应变曲线形成的包络面进行了预测,提取出双轴压-压强度包络线;从双轴强度、变形特性、包络面形状等角度对材料的双轴压缩损伤机制进行探讨。结果表明：该模型能够有效模拟双轴压-压加载情况下混凝土材料宏观力学行为,能够揭示细观损伤演化机制;细观屈服损伤模式在材料变形破坏过程中起到决定性作用,将整个变形过程分为统计均匀损伤及局部破坏两个阶段;区分峰值应力状态和局部破坏的临界状态,建议后者作为本构模型的最终破坏点。     

粗粒料静止侧压力系数及其变形特性试验

土体的静止侧压力系数K0是其重要的力学参数之一,合理地确定土体的K0系数对土工结构应力变形的准确计算有重要的理论意义与实用价值。然而,土体的K0系数的准确测量并不容易,对粗颗粒土则更加困难。目前为止,能研究粗颗粒土K0的试验仪器极少,对K0系数的研究成果相应地也很少,而对粗颗粒土在不同初始孔隙比下K0系数的变化规律的研究几乎空白。为研究粗颗粒土的静止侧压力系数在不同初始孔隙比下的变化规律,研制了一种新型K0试验仪。该仪器既能用于测定粗颗粒土的K0系数,也可用于一般黏土或砂土K0的测定,而且可用于高应力条件。对某级配粗粒料进行了不同初始孔隙比状态下的K0压缩试验。试验粗颗粒土的母岩为似斑花岗岩,其颗粒粒径范围<20mm。试样高度8cm、直径10cm,初始孔隙比为0.3、0.4、0.5、0.6,试验最大竖向压力为3.7MPa。试验结果表明：对所试验的粗粒料在K0状态下加载时,侧向应力与竖向应力之间呈较好的线性关系,K0为常数。初始孔隙比为0.3、0.4、0.5、0.6时K0范围大致0.3~0.45,孔隙比对K0系数的影响显著;粗粒料的静止侧压力系数随着初始孔隙比的增加而增加,且两者之间近似呈直线关系;不同初始孔隙比条件下,试样的体积应变与平均正应力（或竖向应力）之间可用幂函数拟合,提出了能够反映不同初始孔隙比的粗粒料K0条件下应力应变关系的经验公式。     

粗粒土大型直剪试验宏细观研究与离散元模拟

为研究粗粒土剪切试验过程中宏观力学特性与颗粒细观运动规律,采用可视化大直剪仪对不同级配粗粒土进行剪切试验,利用图像处理技术对宏细观参数变化规律进行分析,再通过离散元数值模拟研究试样内部颗粒运动规律.研究发现,剪应力-累计应变关系曲线属于剪切硬化型,颗粒在剪切过程中的破碎形态以接触点侵蚀破碎为主;对颗粒长轴定向、平面孔隙率和配位数的分析发现,剪切过程中颗粒发生翻滚重排以及细粒填充作用;直剪试验图像分析及离散元数值模拟均发现,剪切带不是严格按照水平主剪切面发展,而是与向上突起的弧形副剪切面共同形成拱形剪切带.     

橡胶集料混凝土细观损伤特性的加载速率效应

基于颗粒离散元理论,选取对应不同级别应变率的0.001、0.01、0.1、1.0、3.0 m/s五种加载速率,模拟实现普通混凝土(NC)和橡胶集料混凝土(CRC)单轴抗压强度试验,系统分析了加载速率对本构关系、裂纹扩展、细观损伤及能量演化的影响规律。结果表明:材料的单轴抗压强度以及相应峰值应变随加载速率增的加呈现非线性增长关系,CRC较NC表现出更为明显的加载速率敏感性;加载速率与NC裂纹生成速率呈现负相关关系。而与CRC裂纹生成速率呈正相关关系。提出了两种材料细观损伤变量与加载速率间的拟合方程,拟合效果较好,同时分析了不同加载速率对材料弹性应变能和动能的演化规律影响。     

考虑内部侵蚀作用的砂土应力应变特性

为了研究内部侵蚀作用下砂土应力-应变特性,通过盐溶法进行一系列室内三轴剪切试验,研究了3种间断级配砂土由于内部侵蚀导致细颗粒流失后的应力-应变行为。通过在制样过程中向砂土样中加入一定量的盐,并在受控侵蚀条件下将盐溶于水中,以实现内部侵蚀过程中细颗粒的指定损失,然后对损失后试样进行了三轴压缩试验,研究了不同细颗粒流失量和不同间断级配条件下砂土的应力-应变特性。研究结果表明:随着砂土细颗粒流失量的增加,砂土试样的破坏强度峰值呈逐步降低趋势,摩擦角φ逐步减小,大致呈线性规律,间断级配1、2和3型砂土摩擦角φ分别下降了5.8%、4.3%和4.5%;相同围压作用下砂土试样破坏强度峰值随着细颗粒含量占比的增加呈递减趋势,且围压越大,破坏强度峰值增加越明显;砂土的粗颗粒含量越大,其摩擦角φ越大。     

缩尺效应对粗颗粒土静止侧压力系数影响规律试验

准确把握粗颗粒土静止侧压力系数K₀对分析以及设计土石坝等岩土工程有十分重要的作用。由于缩尺效应的存在,室内试验结果往往无法正确反映原级配粗颗粒土静止侧压力系数。为研究分析缩尺效应对粗颗粒土静止侧压力系数影响规律,找出消除其影响的方法,利用自行研制的大型K₀测试仪对某砂卵砾石料及堆石料进行了大量K₀试验。通过改变试样的颗粒最大粒径、缩尺方法,相对密实度等初始条件,研究了不同密实度条件下粗颗粒土静止侧压力系数随级配的演化规律。试验结果表明：相对密实度及缩尺方法不变时,粗颗粒土静止侧压力系数会随着颗粒最大粒径的增加而显著减小,因此,缩尺效应对粗颗粒土静止侧压力系数的影响无法忽略;缩尺方法对粗颗粒土静止侧压力系数有一定影响,相对密实度及颗粒最大粒径相同时,采用等量替代法缩尺后试样静止侧压力系数值最小,因此,采用等量替代法缩尺可减小缩尺效应对粗颗粒土静止侧压力系数的影响;相比颗粒最大粒径,相对密实度对粗粒土静止侧压力系数的影响更为显著,相对密实度越大的土样,颗粒最大粒径对粗粒土静止侧压力系数影响更明显。基于静止侧压力系数试验结果及前人的研究,建立根据室内试验结果反推现场粗颗粒土料静止侧压力系数的公式,以消除缩尺效应对粗颗粒土静止侧压力系数的影响。最后,利用K₀试验结果验证了该经验公式的准确性及适用性。     

石灰岩粗颗粒湿化接触力学特性

为探究岩土粗颗粒湿化后的粒间接触力学特性,将粗颗粒间接触形式简化为点-面接触,利用改造后的岩石双轴流变仪开展不同湿化程度下的粗颗粒法向和切向接触试验,分析粗颗粒湿化接触力学性质,归纳出粗颗粒湿化接触经验模型．针对不同湿化程度的粗颗粒土体进行大型直剪试验,利用湿化接触模型对直剪试验进行离散元数值模拟,通过数据对比验证湿化接触模型的可靠性．研究结果表明,湿化水平影响粗颗粒点-面接触的破坏形态;表面湿润状态的粗颗粒法向和切向接触刚度略有减小,而浸泡状态的接触刚度减小明显;湿化后的颗粒接触刚度曲线可以利用幂函数拟合为经验模型,利用该模型对大型直剪试验进行数值模拟,计算误差不超过5%．研究结果可为粗粒土工程离散元数值计算提供依据．     

混凝土双轴压缩强度尺寸效应机理

为了研究混凝土双轴强度尺寸效应产生的机理,考虑混凝土尺寸效应及其宏观力学非线性源于其材料组成的非均质性,结合混凝土细观结构形式,从细观角度将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质和界面过渡区组成的三相复合材料,建立了尺寸分别为150 mm×150 mm、300 mm×300 mm和600 mm×600 mm的数值混凝土试件.首先通过对150 mm×150 mm方形混凝土试件进行单轴压缩力学特性模拟,采用反演法确定了界面过渡区的力学参数,进而对双轴压缩加载下混凝土的破坏行为及其尺寸效应进行了分析.研究结果表明:1)损伤破坏形式随试件尺寸发生变化,试件最终破坏消耗的断裂能不同是导致混凝土双轴压缩强度产生尺寸效应的主要原因;2)混凝土单、双轴压缩强度均存在明显的尺寸效应行为,并且Bazant尺寸效应律能够较好地描述混凝土在单、双轴压缩加载下的强度尺寸效应.     

土石混合体细观力学参数对宏观力学特性影响研究

为了系统地研究土石混合体细观力学参数对其宏观力学特性的影响,首先在不规则块石体三维离散元模型的基础上,建立了符合宏观统计规律的含石量为50%的土石混合体三维离散元模型;然后进行了不同石-土颗粒法向刚度的比值、不同石-土颗粒法切向刚度比的比值、不同石-土颗粒摩擦系数的比值和不同石-土颗粒间黏结强度与土-土颗粒间黏结强度的比值等情形下的土石混合体大三轴试验三维颗粒流数值模拟,分析了各种情形下土石混合体的宏观力学响应;最后从微裂纹演化、摩擦功、块石颗粒转动特征等多个角度对各细观力学参数影响的细观机理进行了揭示.结果表明:随着石-土颗粒法向刚度比值的增大,试样初始模量增大,破坏应变和峰值强度均减小;石-土颗粒法切向刚度比的比值和石-土颗粒间黏结强度与土-土颗粒间黏结强度的比值对土石混合体的宏观力学行为影响不显著;石-土颗粒摩擦系数的比值越大,峰值强度和残余强度越大.     

双轴压缩试验中砂土剪切带形成的离散元模拟分析

采用离散单元法软件PFC2D模拟了大量砂土试样双轴试验,分析了砂土剪切带形成机理及发展过程,并通过研究试样剪切带内外应力-应变关系及孔隙比、平均接触数及配位数等参数的变化情况,研究了带内外宏微观性质的差异。研究表明:砂土剪切带的形成过程即为试样内部应变局部化过程,也为试样内部平均转动率(averaged pure rotation rate, APR)的局部化;剪切带开始形成点也为试样剪缩、剪胀分界点;剪切带内外各宏微观参数变化规律上存在明显的差异,主要表现为近剪切带位置土体及带内土表现为应变软化现象,而距带中心较远土体应力应变关系曲线出现‘回滞圈’现象;带内变形量明显大于带外,且带内较带外松散。     

级配碎石层协调沥青混合料层温度收缩变形行为

为揭示级配碎石基层与沥青混合料面层的温度收缩协调变形规律,本文采用动静态应变采集系统实时获取沥青混合料层的温缩应变,基于PFC6.0 Suite和FLAC3D构建了组合结构连续-离散耦合模型,探究了级配碎石层与沥青混合料层温缩协调变形宏观和细观响应规律。研究结果表明:连续-离散耦合模型与室内试验的吻合度相比连续介质模型高,温缩系数相对误差最大为8.1%;沥青混合料及其组合试件温缩应变-时间关系曲线均呈先快后慢的非线性变化规律,沥青混合料类型及降温温差对级配碎石的约束作用基本无影响;组合试件温缩变形主要发生在前1 h内,沥青混合料层整体由“翘起”状逐渐过渡到“平缓”状;级配碎石层通过颗粒向内挤压运动,使两端松散膨胀及颗粒接触重组来实现与沥青混合料层的协调变形。本文从宏观应变响应与空隙率、配位数及三维组构细观响应揭示温缩协调变形机制,研究结果可为级配碎石基层沥青路面低温抗裂研究提供理论参考。     

初始组构各向异性对类砂土直剪试验影响的非圆颗粒组模拟

针对圆形和单粒组颗粒模拟试验的缺陷,基于PFC2D的clump命令,开发了非圆形颗粒组,采用单向法、各向同法和沉积法生成不同初始组构特征的试验样品,模拟了砂土直接剪切试验过程.探讨了初始组构各向异性对砂土抗剪强度与剪胀性的影响规律,研究了剪切过程中力链的演化形式,分析了颗粒旋转以及剪切带内外颗粒长轴定向的变化特征.数值试验结果表明：颗粒初始组构的差异对抗剪强度的影响较大,对材料的剪胀性以及内摩擦角的影响较小;剪切过程应力主轴发生了偏转,颗粒接触角向主应力方向靠拢;颗粒旋转主要发生在8倍于平均颗粒半径的条带内,颗粒长轴定向也发生了偏转,偏转方向与主应力偏转方向相同,但滞后于主应力的偏转速度;初始组构的不同影响剪切带内颗粒的旋转速度.     

砂土内在各向异性的本构模拟

基于砂土的应力-应变-强度关系受土骨架结构朝向和主应力方向间相对关系影响,相同状态砂土在三轴压缩条件下剪切膨胀,在三轴拉伸条件下剪切收缩的研究.介绍一个模拟砂土内在各向异性的本构模型.模型采用描述材料内在各向异性的二阶对称组构张量和各向异性状态变量(组构张量和应力张量的联合不变量)描述土的各向异性.在e-p平面,临界状态线不固定,而与各向异性状态变量相关.塑性模量也与各向异性状态变量相关.模型能在很大应力和密度变化范围内模拟砂土的剪缩和剪胀行为,特别是主应力方向和土骨架结构朝向间夹角对砂土性质的影响.模拟结果与实验数据吻合.