饱和悬浮塑料砂流动特性的试验研究

饱和砂土在液化状态下呈现出非牛顿流体的特性,而常规动力试验要获得稳定的液化状态比较困难。采用塑料砂和相等密度的氯化钠溶液配制成了有效应力接近于0的饱和悬浮塑料砂试样,基于流体力学低雷诺数绕球流动理论并结合粒子成像测速(PIV)技术,开发了饱和悬浮塑料砂流动特性的试验装置。利用紧贴透明模型箱内壁的半球在饱和悬浮塑料砂中运动时塑料砂颗粒的运动来分析其流动特性,并通过拉力与速度的关系计算饱和塑料悬浮砂的表观黏度。试验结果表明,饱和塑料悬浮砂试样是剪切稀化非牛顿流体,可作为液化砂土的相似材料用于液化问题的研究。基于试验中的细观规律,提出了零速度线、剪切区、剪切角、剪切区高度等实用概念。研究表明,拖球速度对剪切角有重要影响,速度越大,剪切角也越大,相应剪切区也越大。剪切区高度反映了拖球运动方向的影响范围,提出拖球试验中应保持球体形心与边界之间的距离要大于6倍球体直径。分析了拖球试验中的孔洞产生机制,提出在拖球和拖管试验中,应降低拖球的运动速度,以符合低雷诺数绕球(管)流动的基本理论。

饱和悬浮塑料砂流动变形可视环剪试验研究

为了分析剪切条件下零有效应力状态砂土的流动变形规律,对传统环剪仪进行了试样可视化改造,研制了透明环形剪切盒,通过对剪切盒膨胀性能分析及与标准砂的剪切试验对比,验证了环剪装置改造的合理性。通过分析不排水条件下饱和悬浮塑料砂的剪应力-应变曲线,发现其剪切强度具有应变软化的特性。通过分析环剪仪中饱和悬浮塑料砂试样的有效应力,证实了可视环剪试验中的土体基本处于零有效应力状态。开展了饱和悬浮塑料砂的流动变形可视环剪试验研究,结果表明:饱和悬浮塑料砂在固结不排水条件下剪切变形不连续,直接在剪切面发生断裂;在不固结不排水的条件下饱和悬浮塑料砂的剪切变形表现出流动形态,且与剪切速率有关:在低剪切速率下,剪切变形仅在剪切面处形成具有曲线轨迹的流动变形而在其他区域不发生变形;而在高剪切速率下剪切变形为整体的倾斜变形,符合黏性流体的流动变形特征。