不同胶结厚度下粒间胶结力学特性的试验研究

为研究胶结物厚度对粒间胶结强度的影响,在蒋明镜等[1-4]已完成的0.6 mm厚度的环氧树脂和水泥微观胶结模型试验基础上,进一步选取1.0 mm和1.5 mm两种胶结厚度,通过一系列接触力学特性测试,并结合0.6 mm厚度的试验数据,分析了在不同胶结厚度和不同胶结物类型下,粒间胶结强度指标的变化规律。试验结果表明:随着胶结厚度的增加,峰值抗拉荷载增大,峰值抗压荷载减小;同一胶结厚度下,随着法向压力的增大,两种胶结物的峰值抗剪和抗扭荷载均先增大后减小,而同一法向压力下,随着胶结厚度的增加,二者的峰值抗剪和抗扭荷载均随之减小。在三维应力空间中(法向压力-扭矩-剪力),两类胶结强度包线分别为水滴状、橄榄球状且随胶结厚度的增加而缩小,但形状不发生变化。

人工胶结砂土力学特性的离散元模拟

采用离散单元法(DEM)对胶结砂土力学特性进行模拟。将基于室内试验测得的理想胶结颗粒接触力学响应引入到开发的二维离散元程序(NS2D)中,模拟胶结砂土颗粒间的胶结作用。对不同胶结强度和围压的胶结砂土进行平面应变双轴压缩试验模拟,并将模拟结果与Wang和Leung[1]提供的人工胶结砂土的试验结果进行比较。最后对数值模拟中胶结试样的微观力学响应(接触力链、胶结点破坏率和位移场)进行分析。结果表明,离散元数值模拟能够有效地反映胶结砂土的主要力学特性,相比同一初始孔隙比的无胶结松散砂土,胶结砂土将具有更高的强度,应力-应变关系呈应变软化,体变为先剪缩后剪胀,且两者的差异随胶结强度的增大和围压的减小而越趋显著。此外,胶结砂土宏观力学响应(应力-应变关系和剪胀性)与其微观力学响应密切相关。

结构性砂土粒间胶结效应的二维数值分析

将理想胶结颗粒接触力学特性的测试结果引入到离散元胶结接触模型中,对结构性砂土粒间胶结效应进行离散元数值模拟。首先,胶结颗粒被理想化为两铝棒在指定部位形成胶结,通过一系列加载试验(拉伸、压缩、压剪)获得胶结铝棒在不同应力路径下的接触力学响应。随后,将测试结果提炼总结后引入到自行开发的二维离散元程序NS2D中,用以模拟不同初始密度和胶结强度的结构性砂土等向压缩试验。最后,通过与人工胶结砂土的试验数据进行比较,对文中的数值模拟结果进行验证。研究表明:离散元数值模拟能够有效的捕捉结构性砂土的主要力学特性,即屈服强度和体积模量均随初始密度和胶结强度的变化而变化,且胶结试样的屈服强度与试样内部颗粒间胶结点破坏率密切相关。

多种应力路径下结构性土胶结破损演化规律离散元分析

结构性土体通常指粒间含有胶结的土体,可看成一种特殊的胶结颗粒材料,探明结构性土体的胶结破损演化规律是加深结构性土体宏微观力学性质认识及建立结构性土本构模型的关键。由于试验手段难以定量获取胶结破损信息,通过离散单元法分析了结构性土体的胶结破损演化规律。首先采用相对完备的胶结接触模型建立了结构性土体离散元试样,接触模型考虑了颗粒及胶结物质的抗转动和抗扭转作用以及胶结尺寸对刚度和强度的影响;然后开展了结构性土侧限压缩、等向压缩、等应力比压缩以及常规三轴和真三轴试验的离散元数值分析,再现了结构性土的主要宏观力学特征;在此基础上的胶结破损演化分析表明胶结破损参量B0演化具有明显的应力路径相关性,而新提出的破损参量Bσ应力路径相关性低,通过Bσ与等效塑性应变的指数函数关系,可以描述结构性土体的胶结破损演化情况。