制样方法对初始各向异性砂土三轴剪切力学特性的影响研究

基于砂土颗粒的毛细效应特性和冻融试验原理,提出一种砂土试样制备方法,能够在0°~90°范围内任意选取沉积方向,且适用于不同颗粒级配的试样。在中围压条件下进行三轴固结排水剪切试验,研究结果表明,毛细效应、冻融相结合的制样方法能够减缓压缩剪切试验的应力–应变关系增长速度,降低试样的抗剪峰值强度,对残余强度的影响相对较弱。在其他应力路径条件下,例如拉伸、减压压缩、等应力压缩等试验中,可以不考虑装样方法的影响。建议的制样方法能够合理应用到砂土初始各向异性的研究工作中。     

INFLUENCE OF SAMPLE PREPARATION TECHNOLOGY ON SHEAR BEHAVIOR OF INHERENT ANISOTROPIC SAND IN TRIAXIAL TESTS 1)

基于砂土颗粒的毛细效应特性和冻融试验原理,提出一种砂土试样制备方法,能够在0°~90°范围内任意选取沉积方向,且适用于不同颗粒级配的试样。在中围压条件下进行三轴固结排水剪切试验,研究结果表明,毛细效应、冻融相结合的制样方法能够减缓压缩剪切试验的应力-应变关系增长速度,降低试样的抗剪峰值强度,对残余强度的影响相对较弱。在其他应力路径条件下,例如拉伸、减压压缩、等应力压缩等试验中,可以不考虑装样方法的影响。建议的制样方法能够合理应用到砂土初始各向异性的研究工作中。     

一种初始各向异性砂土本构模型的数值应用及试验验证

基于砂土颗粒的毛细效应特性制备砂土试样,在0°～90°范围内选取若干沉积方向,在中围压条件下进行三轴固结排水剪切试验。试验表明:沉积方向对试样强度和变形特性有显著影响。通过对试验数据进行拟合得到沉积方向和偏应力的关系,结合试验结果对Mohr-Coulomb屈服准则进行修正,建立一种密砂初始各向异性本构模型;对本构模型进行数值积分,并对密砂固结排水剪切试验进行数值模拟,分析偏应力、体积变化以及主应力方向的变化。将数值分析结果与试验结果进行对比,结果表明:二者相吻合,本构模型能够合理地预测试验结果。所建立的本构模型可用于砂土初始各向异性的研究工作中。     

沉积方向对密砂固结排水剪切强度的影响研究

基于砂土颗粒的毛细效应制备具有不同沉积方向的密砂试样,通过三轴固结排水剪切试验研究沉积方向对试样强度和体变特性的影响,建立沉积方向和峰值强度的拟合公式。研究结论表明,在0°～90°范围内,沉积方向对峰值强度和变形的影响比较显著,对残余强度的影响较弱。当沉积方向与破坏面方向(45°+φ/2)接近时,试样更容易达到破坏状态,所对应的峰值强度更低。拟合公式能够反映沉积方向和峰值强度的关系,围压对该关系有显著的影响,同时,公式能够预测最不利沉积方向的大小。     

INFLUENCE OF SEDIMENTARY DIRECTION ON SHEAR STRENGTH OF SATURATED DENSE SAND IN CONSOLIDATED DRAINED TRIAXIAL TEST1)

基于砂土颗粒的毛细效应制备具有不同沉积方向的密砂试样,通过三轴固结排水剪切试验研究沉积方向对试样强度和体变特性的影响,建立沉积方向和峰值强度的拟合公式。研究结论表明,在0°~90°范围内,沉积方向对峰值强度和变形的影响比较显著,对残余强度的影响较弱。当沉积方向与破坏面方向(45°+ϕ/2)接近时,试样更容易达到破坏状态,所对应的峰值强度更低。拟合公式能够反映沉积方向和峰值强度的关系,围压对该关系有显著的影响,同时,公式能够预测最不利沉积方向的大小。     

激光金属沉积GH4169在不同应变率下的剪切特性及破坏机理研究

为了能在传统的分离式Hopkinson压杆上准确可靠地测试激光金属沉积GH4169的动态剪切特性，基于数值模拟方法对比分析了三种不同动态剪切试样形式及尺寸对剪切区应力分布的影响，结果表明:经过尺寸优化后的双剪切试样的剪切区剪应力占主导地位，可实现近似纯剪切的动态剪切实验。利用此试样形式，系统测试了不同取向（扫描方向、沉积方向）的LMD GH4169试样在不同应变率下的剪切应力应变曲线，并对破坏后试样进行了SEM分析观察。结果表明:(1) 本文中选用的试样形式剪切纯度高，应力沿剪切区宽度厚度分布均匀，可以更好地得到材料的动态剪切特性；(2) 对实验所得剪应力-剪应变曲线进行分析，发现本材料在扫描路径方向和沉积方向并没有表现出明显的各向异性，但随着应变率的增加，具有明显的应变率强化效应；将单轴压缩和动态剪切应力应变曲线同时转换为等效应力应变曲线，对比证实了试样形式能很好反应材料的剪切特性；(3) 通过对LMD GH4169剪切变形破坏试样的微观分析发现，随着应变率升高，断口韧窝尺寸和深度减小，韧性降低，在更小的变形量下容易剪切失效。初始微观缺陷容易导致材料的动态剪切破坏。     

土的工程力学性质的颗粒流模拟

基于颗粒流理论,引入不同的颗粒接触连接本构模型,分别建立了砂土和粘性土的颗粒流模型．通过颗粒流数值模型试验,对砂土和粘性土的室内平面应变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颗粒流试样与室内试验的应力应变关系曲线,基本再现了砂土和粘性土试样应力．应变关系．通过砂土和粘性土PFC试样剪切带模拟表明,当围压较小时试样内部颗粒位移量小而且分布范围较广,当围压增大时,试样内部颗粒位移量也增大,而且发生较大位移颗粒的分布范围趋于集中,同时随着围压的增大试样内部形成明显的剪切带．无论砂土还是粘性土的PFC试样,随着围压的增加剪切带的形状趋于集中,而且剪切带宽度在减小．在围压很小时,试样内形成大的破坏区域,在围压较大时出现明显的线破坏区．这些规律基本与室内试验结果相似。     

不同加载状态下TA2钛合金绝热剪切破坏响应特性

一般认为绝热剪切现象在宏观上表现为材料动态本构失稳,即热软化大于应变硬化.本文采用帽型受迫剪切试样研究TA2钛合金的动态力学特性和本构失稳过程.首先对剪切区加载应力状态进行理论和数值分析,通过合理设计帽型试样,剪切区变形可近似按剪切状态处理;结合二维数字图像相关法(two-dimensional digital image correlation,DIC-2D)直接测试试样剪切区应变演化,给出帽型受迫剪切实验的等效应力-应变响应曲线.进一步,利用Hopkinson压杆对TA2钛合金开展动态压缩及帽型剪切对比试验研究,比较压缩、剪切试验得到的等效应力-应变曲线,采用"冻结"试样方法分析试样中绝热剪切局域化演化过程,探讨不同加载状态下TA2钛合金的绝热剪切破坏现象及其动态力学响应特性.实验结果表明,在塑性变形初始阶段,动态压缩及剪切加载下的等效应力-应变曲线符合较好,但随塑性损伤发展及绝热剪切带形成,两者出现分离,表明损伤及绝热剪切演化过程与应力状态相关.剪切试样实验得到的本构"软化"特性能够反映绝热剪切带起始、破坏演化过程的力学响应特性,而在动态压缩实验中,即使试样中已出现双锥形的绝热剪切带及局部裂纹分布,其表观等效应力-应变曲线并不出现软化特征,动态压缩实验无法得到关于绝热剪切起始、发展以及破坏的本构软化响应特性.     

基于临界状态的砂土本构模型研究

砂土孔隙比及所受压力是其力学特性的重要影响因素. 本文基于砂土临界状态线特性分析,采用以e-(p/p_a)ξ平面内的线性关系描述其等向压缩线. 通过对比分析两种不同压缩线函数 与临界状态线函数之间的关系提出更适合描述砂土在等向压缩下的参考压缩线,并给出了基于参考压缩线的等向硬化规律. 建议了适用于 描述砂土剪切特性的屈服面函数,并给出利用等向压缩和等p路径确定屈服面形状参数μ的方法. 将不同应力比对应的压缩线作为砂土状态参量参考线,以获取潜在强度M_f与特征状态应力比M_c,进而描述砂土压缩与剪切特性;基于等向压缩与等p路径建立了当前应力比与状态参量参考线之间的相关关系,从而实现了砂土状 态参量参考线由参考压缩线向临界状态线平稳过渡. 建立的砂土本构模型共11个参数,均能够通过常规土工试验或经验获取. 基于模型预测与Toyoura砂的等向压缩、三轴不排水剪切试验及排水剪切试验的对比结果,本文建立的砂土本构模型很好地描述了Toyoura 砂在不同孔隙比和不同压力下的压缩与剪切特性.      

基于临界状态的砂土本构模型研究

砂土孔隙比及所受压力是其力学特性的重要影响因素.本文基于砂土临界状态线特性分析,采用以e-(p/p_a)~ξ平面内的线性关系描述其等向压缩线.通过对比分析两种不同压缩线函数与临界状态线函数之间的关系提出更适合描述砂土在等向压缩下的参考压缩线,并给出了基于参考压缩线的等向硬化规律.建议了适用于描述砂土剪切特性的屈服面函数,并给出利用等向压缩和等p路径确定屈服面形状参数μ的方法.将不同应力比对应的压缩线作为砂土状态参量参考线,以获取潜在强度M_f与特征状态应力比M_c,进而描述砂土压缩与剪切特性;基于等向压缩与等p路径建立了当前应力比与状态参量参考线之间的相关关系,从而实现了砂土状态参量参考线由参考压缩线向临界状态线平稳过渡.建立的砂土本构模型共11个参数,均能够通过常规土工试验或经验获取.基于模型预测与Toyoura砂的等向压缩、三轴不排水剪切试验及排水剪切试验的对比结果,本文建立的砂土本构模型很好地描述了Toyoura砂在不同孔隙比和不同压力下的压缩与剪切特性.     

石英砂粒径对水合物沉积物力学性质的影响

利用自主研发的水合物沉积物原位合成与力学性质测试的高压低温三轴仪,通过多级加荷的试验方法,以不同粒径的砂粒作为沉积物骨架进行三轴压缩试验,得到了剪切过程的应力-应变关系曲线,以及不同粒径尺寸沉积物的强度,还有剪切过程中的体积变化关系。结果表明:含水合物沉积物强度随着沉积物粒径尺寸的增大而增强;在降压剪切过程中,所有粒径的水合物沉积物式样均有明显的剪缩现象。     

软弱结构面粒度成分与抗剪强度参数的关系探讨

软弱结构面一直是水电工程建设中的一个重要工程地质问题, 选取合理的力学参数对大坝建基面的选取及未来坝基抗滑稳定性具有重大意义。本文在大量试验资料基础上, 研究了沉积岩地区某重力坝电站坝址区软弱夹层粒度成分和抗剪强度参数之间的相关关系, 建立了不同稠度状态下的相关方程。并结合《混凝土重力坝设计规范》中提出的用粒度成分定量指标选取软弱结构面抗剪强度参数, 对软弱结构面抗剪强度参数取值问题进行了探讨。     

含粘粒砂土抗液化性能的试验研究

通过对含粘粒砂土所作的试验研究, 包括: 粘粒矿物成分不同、粘粒含量不同的重塑土样所作的室内动三轴试验; X光衍射试验, 试验结果对比分析后, 得出了含粘粒砂土抗液化性能的特性。并得出以下结论: (1)粘粒矿物成分不同, 也引起砂土动力稳定性的变化; (2 )动剪应力强度与粘粒含量并非呈单调增加关系, 而呈抛物线型, 并给出回归方程; (3)含粘粒的砂土, 其抗液化能力最低点总是在粘粒含量 8.5～ 9.5 %之间。     

考虑颗粒形状和破碎的胶结钙质砂力学行为离散元模拟研究

质砂作为一种建筑材料,近年来广泛应用于我国南海岛礁工程建设中。本文通过建立考虑钙质砂真实颗粒形状和颗粒破碎的胶结钙质砂离散元模型,研究了二维剪切条件下试样的宏微观力学行为,包括应力-应变行为、颗粒破碎、胶结破坏、位移场和裂纹随剪应变的演化规律,讨论了颗粒形状、颗粒粒径范围、颗粒强度和水泥胶结强度对胶结钙质砂力学行为的影响规律。结果表明,钙质砂颗粒粒径区间越宽,胶结钙质砂的强度越高。同一级配条件下,考虑真实颗粒形状的胶结钙质砂试样比圆颗粒试样的强度更高,试样总体颗粒破碎率也更高。钙质砂颗粒的强度越高,胶结钙质砂的性能越好。但是提高水泥的强度对胶结钙质砂力学性能的影响并不显著。本文的研究结果可为实际工程中钙质砂的加固提供理论依据。     

Scale effects on strength of geomaterials, case study: Coal

Scale effects on the strength of coal are studied using a discrete element model. The key point of the model is its capability to discriminate between the “strictly sample size” effect and the “Discrete Fracture Network (DFN) density” effect on the mechanical response. Simulations of true triaxial compression tests are carried out to identify their respective roles. The possible bias due to the discretization size distribution of the discrete element model is investigated in detail by considering low-resolution configurations. The model is shown to be capable of quantitatively reproducing the dependency of the maximum strength on the size of the sample. This relationship mainly relies on the DFN density. For all given sizes, as long as the DFN density remains constant with a uniform distribution or if discontinuities are absent in the considered medium, the maximum strength of the material remains constant.     

散粒体卸载特性的三轴伸长试验研究

根据岩土体的加卸载变形过程和应力状态,卸载曲线分为弹性卸载段和卸载伸长段.采用三种不同粒径的玻璃珠和标准丰浦砂散粒材料进行了三轴伸长卸载试验,对比分析了不同材料、初始偏应力和不同围压下散粒体的卸载特性.研究表明散粒体的单向伸长卸载强度主要取决于与卸载方向垂直的围压和颗粒的内摩擦,且与围压成线性关系,初始偏应力状态及各向异性对于散粒体的伸长强度无影响,但影响其破坏发展形态.此外,材料特性包括表面粗糙度和级配、孔隙率等对内摩擦及伸长卸载特性均有影响.     

无泥型软弱层带在动荷载作用下的阻尼特征

通过对三组含不同粒度成分的无泥型软弱层带室内土动三轴试验, 表明阻尼比有随动应变增加而增大的趋势, 但粒度成分和含水状态又对阻尼比产生不同的影响。分析显示, 以粗碎屑为特征的无泥型软弱层带对地震动荷载的反应程度可初步认为应属于不明显的土, 即其动力学性质变化 (衰减幅度)较松散～中等密实的饱和砂土要小。     

Numerical and experimental direct shear tests for coarse-grained soils

The presence of particles larger than the permissible dimensions of conventional laboratory specimens causes difficulty in the determination of shear strength of coarse-grained soils. In this research, the influence of particle size on shear strength of coarse-grained soils was investigated by resorting to experimental tests in different scale and numerical simulations based on discrete element method (DEM). Experimental tests on such soil specimens were based on using the techniques designated as "parallel" and "scalping" to prepare gradation of samples in view of the limitation of laboratory specimen size. As a second approach, the direct shear test was numerically simulated on assemblies of elliptical particles. The behaviors of samples under experimental and numerical tests are presented and compared, indicating that the modification of sample gradation has a significant influence on the mechanical properties of coarse-grained soils. It is noted that the shear strengths of samples produced by the scalping method are higher than samples by the parallel method. The scalping method for preparing specimens for direct shear test is therefore recommended. The micromechanical behavior of assemblies under direct shear test is also discussed and the effects of stress level on sample behavior are investigated.