饱和砂土液化过程中细观组构的模型试验研究

采用室内振动台模型试验对液化过程中饱和砂土颗粒的细观组构进行研究.分析了砂土颗粒在液化破坏过程中颗粒长轴方向、平均配位数、孔隙率的演化规律及其与宏观现象之间的联系.应用表征上述量的组构参数分析了砂土的诱发各向异性,指出在循环荷载的作用下,砂土颗粒不断重新排列定向以适应新的应力状态,导致累积配位数的丧失、孔隙率增大,继而导致液化的发生.研究成果对于揭示砂土变形(液化)的细观机理以及建立砂土的细观力学模型都具有重要意义.

基于数字图像的粒状材料细观组构特征分析技术

针对由特殊截面形状的金属棒所组成的理想二维粒状材料,基于数字图像技术,提出了一种细观组构特征分析方法,并编制了程序IPFA,实现了颗粒识别、接触搜索与组构分析等功能。该方法首先对粒状材料试样的原始数字图像进行增强,以消除噪声干扰。在此基础上采用模板匹配技术进行颗粒识别,并将识别结果用于颗粒间的接触搜索,最后给出试样内颗粒长轴方向与接触法线方向等组构特征的统计分析结果。该方法特别适用于由规则颗粒组成的二维粒状材料,识别精度与效率均较高,可作为粒状材料的细观组构特征及其演化规律分析的有效工具。

粗粒土细观组构分析的影响因素研究

基于离散元方法,采用PFC2D模拟分析了土样在双轴等向压缩和双轴剪切两种不同加载方式下的细观组构及接触演化规律.通过采取不同的颗粒级配、不同的试样尺寸、不同的制样方法和不同的加载方式等数值模拟条件,从试样颗粒的接触力网络、平均接触数、组构偏量和应力应变关系变化等方面研究各种条件变化对粗粒土结构及细观组构演化规律的影响.研究表明:试样的颗粒级配和制样方法对粗粒土的细观组构和各向异性组构分析有一定的影响;试样的几何尺寸对组构各向异性分析的影响较小,但是试样尺寸大小对研究土样的应力—应变关系会有影响;加载方式是土样诱发各向异性和导致土样力学行为差异性的根本原因.

岩石细观裂隙组构的平面测定方法

考虑岩石裂隙的体密度、几何尺寸和空间分布的关系,提出裂隙组构的测定新方法.该方法采用归一化的思想定义裂隙组构张量理论表达式,新的定义使得裂隙组构的零阶、二阶,四阶张量的迹均为1,极大方便了裂隙组构的试验测定.用平面裂隙张量的第二不变量定义幅值参量来描述各向异性大小,用第三不变量定义参量描述其方向,该张量的二阶、四阶形式可以用定义的参量来等价描述,参量均为标量,物理意义清晰.煤岩的CT细观试验验证表明:采用体视法原理能够很好地用于岩石细观裂隙定量测定,测试线的密度对平均裂隙率的影响较大,对裂隙平面分布的影响较小.测试线的形式对裂隙平面分布测定的影响较大,需要根据采集的图像来选用测试线的形式.二阶模拟能够很好地模拟试验的椭圆形裂隙分布规律,四阶模拟能够描述4个方向平面裂隙的分布规律.

单调荷载下砂土变形过程数值模拟及细观机制研究

采用离散单元法的颗粒流理论,模拟了松砂和密砂在单调荷载作用下的变形过程,研究了砂土渐进破坏过程中的宏观力学行为和细观组构参量的演化规律。采用PFC的FISH语言开发了细观组构统计程序,通过记录加载不同时刻试样的细观参量,如配位数、接触法向分布、粒间法向接触力、切向接触力等的演化,分析了砂土变形过程中细观组构变化与宏观力学响应之间的内在联系。应用表征上述量的组构参数研究了砂土的诱发各向异性,探讨了松砂剪缩、密砂剪胀的细观机制。研究成果对于揭示砂土变形的细观机制以及建立砂土的细观力学模型具有重要意义。

循环荷载下砂土变形的细观数值模拟I:松砂试验结果

采用颗粒流方法模拟不同排水条件下砂土的双轴试验,研究了循环荷载作用下松砂渐进破坏过程中配位数、接触方向、粒间接触力的演化规律,应用表征上述量的组构参数研究了砂土的诱发各向异性,探讨了饱和砂土液化、状态转换面产生的微细观机理。研究表明:宏观的液化对应于细观组构上配位数的连续累积丧失和粒间接触力的不断减小,其根本原因在于循环荷载往返过程中,组构各向异性与应力各向异性发展的不匹配。研究成果对于揭示砂土变形的细观机理以及建立砂土的细观力学模型都具有意义。

粗粒土力学特性的大型三轴试验及离散元—有限元耦合模拟

本文旨在探究粗粒土的力学特性,并揭示细观力学组构与宏观变形特征之间的内在关系。综合室内大型三轴试验及离散元—有限元耦合技术,建立还原大粒径块石含量及形状的粗粒土三维数值模型,基于柔性围压加载,考虑Rigid Block刚性块优化块石的细观模型,采用PFC程序对粗粒土试样开展了大型三轴试验数值模拟研究,分析粗粒土试样的宏观变形特征及细观力学组构特性。试验研究表明:该试样呈现出应变强化效应,在围压柔性加载下,试样侧向鼓胀变形,试样中部发育“X”形剪切带,竖直方向接触力链逐渐加强,呈现贯通趋势。结合宏观变形特征和细观力学组构综合分析,发现试样在竖直方向由压缩引发的变形程度较试样径向方向由剪切破坏所引发的变形程度更为显著,且竖直各向异性变化程度大于水平各向异性变化程度,这表明细观力学组构与宏观变形特征的变化趋势具有明显的一致性。

循环荷载下砂土变形的细观数值模拟Ⅱ:密砂试验结果

采用颗粒流理论模拟了不同排水条件下密砂的双轴试验,通过开发的细观组构统计程序记录加载不同时刻试样的细观组构演化,研究了循环荷载作用下密砂变形过程中细观配位数、接触方向、粒间接触力等的演化规律及其与试样宏观力学响应之间的内在联系。探讨了密砂在循环荷载作用下诱发各向异性、剪胀软化、循环活动性等产生的微细观机理。与松砂相比,密砂在循环荷载作用下,组构各向异性与应力各向异性彼此相协调,没有产生配位数的连续累积损失。

基于模型试验的散装铁精矿流态化细观规律

利用室内振动台模型试验,对散装铁精矿流态化细观规律进行了研究.基于细观图像采集分析系统,研究了铁精矿在流态化演化过程中颗粒间及颗粒与水分间的相互作用,分析了颗粒长轴方向、平均接触数、平面孔隙率等演化规律,探讨了铁精矿流态化细观规律及其与宏观现象间的联系.结果表明:水分迁移在铁精矿流态化演化过程中至关重要,其宏观表现是水液面上升;细观组构是控制铁精矿宏观力学行为的重要参数,其所反映的规律与宏观现象一致.

宏-细观结合的砂土单剪试验非共轴特性分析

针对传统本构理论无法描述土体单剪试验非共轴变形的不足,采用非共轴修正模型进行改进。模型基于材料状态相关临界状态理论,采用宏-细观结合的方法,将1个新的各向异性状态变量引入本构模型来描述砂土的各向异性。考虑细观组构张量和应力张量的几何关系的变化,模型可以描述砂土在主应力轴旋转条件下材料状态的变化,材料状态变化直接导致模型的硬化规律和剪胀性发生变化,因此,模型可以描述该条件下原生向异性对砂土变形的影响。引入非共轴理论对本构模型进行修正,建立了三维非共轴各向异性模型。单剪试验的加载条件会造成主应力轴相对土体沉积面发生旋转,修正模型不但能够描述砂土在主应力轴旋转条件下其原生各向异性对变形的影响,而且可以描述主应力轴旋转造成的应力诱发各向异性对土体变形的影响,因此,该模型能够对整个单剪试验的变形规律进行描述,而且物理意义清晰。通过铝棒堆积体和Toyoura砂单剪试验验证表明,非共轴修正各向异性模型能对单剪试验的整个变形过程进行较好的模拟。

宏细观结合考虑主应力轴旋转的砂土破坏特性

采用宏细观结合各向异性破坏准则对主应力轴旋转条件下砂土的破坏特性进行分析。该准则是加载应力、组构各向异性程度和应力与组构几何关系3个因素的函数,可描述细观特性对任意应力旋转角度条件下破坏特性的影响。根据空心圆柱扭剪试验的特点推导一般正交坐标系下主应力轴旋转条件下的破坏关系式,考虑应力与砂土细观组构的几何关系,推导的关系式即可分析该条件下破坏特性。材料为各向异性时,主应力轴旋转造成破坏特性发生变化,细观各向异性程度越小变化越小;材料为各向同性时,则不会造成砂土破坏特性的变化。该式表明主应力轴旋转条件下不同破坏特性存在的根本原因是砂土各向异性的存在。采用空心圆柱试验结果进行验证,结果表明建立的关系式能较好描述不同应力加载角度条件下砂土的破坏特性。初步验证了由于砂土各向异性的存在使得主应力轴旋转造成了不同的破坏规律。

等应力比加载路径下堆石料力学特性的细观数值分析

堆石料的力学特性与应力路径相关,而常规三轴试验的应力路径与堆石坝工程填筑期坝体内的应力路径差别较大,因此本文采用考虑颗粒破碎效应的随机颗粒不连续变形分析(SGDD)方法进行等应力比加载路径下堆石料三轴试验的细观数值模拟,研究固结应力和加载应力比对堆石料强度和变形特性的影响.模拟结果表明:固结应力和加载应力比对堆石料的力学特性影响较大,随着固结应力的增加、加载应力比的减小,应力应变曲线由应变软化型向硬化型转化,试样也由低压剪胀向高压剪缩转变;p-q平面内的强度包络线具有明显的非线性;细观组构量的演化规律与堆石料的宏观力学特性密切相关.

降雨对滑坡形态影响的宏细观分析

进行人工降雨诱发边坡滑坡的模型试验,着重研究不同降雨强度对滑坡形态的影响。基于不同降雨强度下边坡发生滑坡的破坏过程,利用高速动态数据采集仪和孔隙水压力传感器进行孔压量测;利用土体水分传感器监测降雨过程中坡体内部含水率的变化情况,研究含水率和饱和度对滑坡形态的影响;并结合细观组构变化进行水土作用机理分析。研究结果表明:不同降雨强度下坡体发生滑坡的宏观破坏形态、孔压变化规律不同;随着降雨强度的增加,坡体滑坡形态从牵引式向推移式转化;牵引式滑坡形成机理为坡脚发生渗透破坏,坡体失去坡脚支撑作用而分层下滑;推移式滑坡形成机理为坡体上部雨水聚集导致孔压上升、土体强度降低,当下滑力大于抗剪强度时,上部土体挤压下部土体,突然整体滑动。本文研究有助于工程中对降雨诱发滑坡的预防和治理。

抗转动对颗粒材料组构特性的影响研究

颗粒材料大多由不规则形状的颗粒组成,如砂土、谷物等,抵抗转动是不规则形状颗粒的固有特性。已有研究表明,颗粒抗转动特性对其宏观力学特性有显著影响。因此,在颗粒材料的细观数值模拟中或采用非圆颗粒,或在圆颗粒离散元模拟中采用考虑抗转动的接触模型。采用有限元-离散元耦合方法(FDEM)和离散元方法(DEM)分别对椭球形状颗粒和具有抗转动能力的圆球颗粒进行三轴剪切数值模拟,指出了采用抗转动接触模型考虑颗粒形状影响的局限性,并基于颗粒的局部排布结构揭示了形状影响的细观来源。峰值内摩擦角和剪胀均随着转动摩擦系数和形状偏离圆球程度而单调增加,但颗粒形状对它们的影响呈现出明显的收敛趋势。细观组构分析也表明,虽然颗粒形状和转动摩擦都能显著增强组构各向异性,但是组构各向异性的演化模式有明显的区别。造成以上结果的差异在于其抵抗转动的影响机制不同。转动摩擦是通过限制颗粒转动,增强了颗粒间的稳定承载能力,而非圆颗粒是通过咬合作用形成稳定的局部排列结构。由于椭球颗粒腹部比端部能够传递更大的接触力,颗粒受剪切后发生转动,颗粒长轴倾向于正交大主应力方向,呈现交错排列,颗粒间相互锁定。

单剪试验的细观模拟研究

采用离散单元法的颗粒流理论,模拟了松砂和密砂的单剪固结排水试验,研究了单剪试验中砂土细观力学行为和细观组构的演化规律。本文采用PFC2D实现了单剪试验的模拟,记录了实验中颗粒的分布图,接触力分布图,位移图等,同时也测得应力-应变关系,以及配位数等,并用origin软件将其绘制成图表。分析了砂土变形过程中细观组构的变化,并对比分析了松砂、密砂在剪切过程中变形机制的区别。最后阐述了剪切过程中应力主轴的旋转问题。

煤粉影响格栅加筋道砟力学特性的细观分析

为了研究格栅道砟界面力学响应及煤粉对格栅加筋性能的影响,基于颗粒流软件,对5组不同数量煤粉侵入格栅加筋道砟试样进行一系列拉拔试验,系统分析格栅拉拔力及轴力的发展规律,研究了煤粉的运动状态及对道砟法向接触力的影响。结果表明,随着法向应力的增加,峰值拉拔力出现滞后性,且首条横肋承担主要的拉拔荷载;加载箱内煤粉呈不均匀分布,在拉拔过程中更多的煤粉逐渐下沉;随着煤粉数量的增加,对试样的剪缩剪胀行为有显著的影响,从细观角度分析,法向接触力逐渐减小。

循环荷载下砂土液化特性颗粒流数值模拟

利用PFC2D常体积循环双轴试验条件,对砂土在不排水循环荷载作用下的液化特性进行了颗粒流数值模拟,数值模拟按等应力幅加荷方式进行。颗粒流数值模拟的优点在于得到试样液化宏观力学表现的同时,通过不同循环加荷时刻试样内细观组构参量(包括配位数、接触法向分布、粒间法向接触力、粒间切向接触力)的演化规律,分析砂土液化过程中细观组构变化与宏观力学响应之间的内在联系,从而可进一步探讨砂土液化的细观力学机制。数值模拟研究结果表明,砂土液化现象在宏观力学表现上反映为超静孔隙水压力的累积上升和平均有效主应力的不断减小,在细观组构上对应于配位数的累积损失和粒间接触力的不断减小。砂土液化细观机制分析表明,试样配位数的减少与循环加荷过程中组构各向异性滞后于应力各向异性有关。

粗粒土CT三轴流变试验研究

一些土石坝在建成后后期变形明显,这与粗粒土的流变密切相关。目前,粗粒土流变研究主要集中在力学性质试验和本构模型研究等方面,较少对粗粒土流变中的颗粒运动规律进行研究。通过单级配矾石CT三轴流变试验,研究了粗粒土流变过程中颗粒运动规律。试验结果表明,粗粒土的流变过程就是粗粒土颗粒位置相互调整的过程,即颗粒从不稳定结构状态向稳定结构状态调整变化的过程,直到所有颗粒的能量都达到最小状态,此时颗粒不再发生错动、转动和破碎,粗粒土达到流变稳定状态。对粗粒土三轴流变过程中颗粒运动规律的认识,有助于加深对粗粒土流变性质的了解,为工程应用提供参考。

玉龙雪山西麓原状冰碛土CT扫描试验研究

冰碛土是冰川行进融化过程中漂石、碎石、砂砾、粉土和黏土在毫无分选的条件下快速混杂堆积生成的一种特殊岩土材料,由其引发的工程问题日益受到岩土工程界关注。砾石颗粒细观组构是冰碛土独特沉积历史的反映,直接影响土体的岩土力学性质,但迫于原状冰碛土样极难取得,岩土工程领域迄今罕有研究。对此,采用人工精细切削的方式,成功取得了玉龙雪山西麓原状冰碛土样,并对取回的6块冰碛土原状样进行了CT扫描,首次获得了冰碛土内部真实细观组构图像。借助Matlab对CT图片进行二值化和消噪处理后,运用常规统计方法对冰碛土内砾石颗粒的面含石量、颗粒定向以及颗粒形状等剖面组构指标进行了描述。结果表明,垂直剖面之间的统计数据差异较小,但垂直剖面与水平剖面之间差异较大。

循环荷载作用下砂土液化特性的非圆颗粒数值模拟

针对纯圆颗粒模拟的缺陷,利用颗粒流计算程序的团颗粒方法开发了形状近似实际角粒砂的角粒团颗粒,研究了颗粒形状变化对数值试样液化特性的影响及其细观机理。利用自行开发的随机数制样方法制备出多种形状颗粒随机混合的仿真试样,分析了振动液化过程中细观组构的演化规律,并与砂土可视化模型试验结果进行了对比。结果表明,颗粒棱角度越大,试样抗液化能力越强,其在细观机理上与初始平均接触数大小有关;随机混合仿真试样可以从定性角度反映实际砂土振动液化过程中的细观组构演化规律,为今后进一步的定量研究奠定了基础。