侧限条件下密实砂土蠕变的颗粒运动特征

任何构筑物长久安全稳定的重要性使得土的时间效应成为该领域学者最为关心的问题之一。基于3D打印杆件的等效砂土颗粒,通过侧限条件下的蠕变试验,采用近景摄影测量与粒子图像测速(particle image velocimetry,简称PIV)技术,从单颗粒运动与颗粒间接触运动的角度出发,探究密实砂土蠕变的内部颗粒运动特征及其与宏观蠕变变形的关系。试验结果表明,3D打印杆件能够很好地反映密实砂土蠕变的宏观变形特性,侧限条件下蠕变变形随时间的增加而增加,随蠕变应力的增加而减小,蠕变变形呈现出蠕变速率减小并趋于稳定的初始蠕变阶段与稳态蠕变阶段。其原因为蠕变最初阶段颗粒整体向下平动,并发生较大转动,颗粒间孔隙明显减小,蠕变变形主要由颗粒间孔隙的压密提供;而后颗粒间孔隙减小不明显,趋于稳定,颗粒发生不规则方向平动,蠕变变形主要由局部的颗粒位置调整与重排列控制,揭示了宏观的蠕变变形与微观的颗粒平动变化有着密切联系。颗粒间的接触运动随着蠕变时间的增加而明显增大。蠕变过程中,接触滚动和接触滑动同时发生,并逐渐集中在某些易发生移动的接触点上。强运动接触点的平均滑动距离与平均滚动距离存在着良好的线性关系,随着时间的增加,平均滑动距离逐渐大于平均滚动距离,表明颗粒间滑动产生体积收缩,控制宏观蠕变变形。

密实砂土剪切过程中的微观结构响应

砂土的结构性是影响砂土力学行为的重要因素。在考虑了颗粒间的滚动摩擦的离散元方法进行双轴压缩试验数值模拟的基础上,深入分析颗粒排列、颗粒间接触方向、接触力、孔隙等的微观结构变化对于砂土剪胀的影响,以及各组分微观结构变化之间的联系,从而较全面地揭示砂土剪胀过程的微观结构响应。结果表明:(1)考虑了滚动摩擦的数值模拟结果在宏观力学响应上与真实试验更加吻合。(2)试样剪切强度主要由法向力贡献,并受强力链上接触法向的各向异性控制,弱力链对试样剪切强度贡献较小。(3)孔隙的各向异性程度与应力应变曲线具有很好的一致性,并都趋向于朝垂直方向排列;大孔隙各向异性及形状变化幅度相对较小,但其对试样体应变的贡献大,对剪切强度贡献小;小孔隙各向异性的变化幅度大、形状改变也较大,但对变形贡献较小,对剪切强度贡献大。(4)孔隙的各向异性、形状与接触法向各向异性的变化有着密切联系,即,颗粒接触法向的各向异性增加使得其对应主方向的孔隙周围的接触法向朝主方向集中,孔隙变小、形状变得更扁平,从而提高试样剪切强度并使试样剪缩,反之则使孔隙周围的接触法向偏离主方向,孔隙变大,从而减小试样剪切强度并使试样剪胀。