土体力学特性颗粒尺度效应的理论与试验研究

土体是一种复杂的颗粒体系,其强度与变形具有显著的颗粒尺度效应。为考虑土体不同尺度土颗粒对其宏观力学特性的影响,根据土颗粒间相互作用产生的黏聚和摩擦物理效应而非纯粹几何尺寸,划分土颗粒尺度层次以构造反映土体内部材料信息和颗粒特征信息的土体胞元。基于土体不同尺度结构层次上力学响应的特征,引入微重比的概念,建立具有多尺度分层次理论框架的胞元土体理论,解释土体力学特性颗粒尺度效应的物理机制,把微细观土力学理论从定性分析推进到定量计算的水平。设计一系列饱和重塑土的三轴不固结不排水剪切试验对土体的颗粒尺度效应进行测试,并定量计算胞元土体理论的应变梯度和內禀尺度等微细观计算参数。试验和理论计算结果均表明,土体强度和变形的颗粒尺度效应随加强颗粒的体分比增加以及粒径减小而增强,反映出土体强度和变形显著的颗粒尺度效应;土体强度和变形尺度效应的理论预测与试验结果具有较好的一致性。

土体强度与变形尺度特性的理论与试验分析

土体是一种颗粒介质,其强度与变形特性具有显著的颗粒尺度效应。采用胞元土体模型和三轴抗剪试验分析了土体强度和变形的尺度效应特性。根据土体中不同尺度颗粒间相互作用表现出的聚集和摩擦效应,提出了"基体-增强颗粒"土体胞元模型,胞元体由基体和增强颗粒组成,其中基体由微小土颗粒集成,而增强颗粒为砂粒,宏观土体则简化为由许多胞元体构成的介质。引入广义球应变和广义等效应变,基于应变能导出了考虑颗粒尺度效应的应力-应变关系以及屈服应力计算公式;同时,针对增强颗粒不同粒径和体分比的土体进行一系列三轴不排水抗剪试验,给出了应力-应变和屈服应力尺度效应的测试结果。试验和理论计算结果均表明,土体强度和变形的尺度效应随增强颗粒的体分比增加以及粒径的减小而增强,由此反映出土体强度和变形显著的尺度效应;土体强度和变形尺度效应的理论预测结果与试验具有较好的一致性。

土体介质直剪力学特性颗粒尺度效应的理论与试验研究

土体是一种复杂的颗粒体系,其强度与变形具有显著的颗粒尺度效应。为考虑土体不同尺度土颗粒对其宏观力学特性的影响,根据土颗粒间相互作用产生的黏聚和摩擦物理效应,划分土颗粒尺度层次以构造反映土体内部材料信息和颗粒特征信息的土体胞元;基于土体不同尺度结构层次上力学响应的特征,引入协调微裂纹的概念,建立具有多尺度分层次理论框架的土体胞元模型,求解土体不同尺度结构层次之间的变形和应力转换关系,把微细观土力学理论从定性分析推进到定量计算的水平。采用多种颗粒组合制备土体胞元模型的饱和重塑土试样,进行一系列直接快剪试验,对土体直剪力学特征的颗粒尺度效应进行测试,同时定量计算土体胞元模型中的应变梯度和內禀尺度等微细观模型参数。试验结果表明:土体的屈服强度随加强颗粒体分比的增加而增加;当加强颗粒体分比较小时(≤0.125),土体的屈服强度随加强颗粒粒径的减小而略为增加;当加强颗粒体分比较大时(≥0.177),土体的屈服强度随加强颗粒粒径的增加而略为增加。加强颗粒诱发其邻近基体产生应变梯度和协调微裂纹,是土体力学特性产生颗粒尺度效应的微细观物理机制。土体胞元模型建立的土体剪切屈服强度计算公式初步验证试验结果与模型预测的一致性。

土体力学特性尺度效应的三轴抗剪试验分析

土体的物理力学特性受到颗粒尺度及其级配的强烈影响,具有显著的颗粒尺度效应。文中采用天然黏土和商品石英砂,制备具有不同颗粒粒径和体分比的一系列三轴抗剪试样,通过不固结不排水和固结不排水三轴抗剪试验,测得了应力应变关系曲线以及剪应力屈服强度,基于试验结果对土体力学特性的颗粒尺度效应进行分析;同时,引入胞元土体模型,对土体力学特性颗粒尺度效应的物理机制进行解释。实验结果表明,随着土体中砂粒体分比增加和粒径的减小,土体的变形特性明显增强,其剪应力屈服强度也随之显著提高;砂粒的体分比对变形和强度颗粒尺度效应的影响比粒径的影响更为显著;胞元土体模型解释了实验结果的颗粒尺度效应的物理机制。