STUDY OF MESO-STRUCTURE DEFORMATION MECHANISM OF SILT LIGHTWEIGHT SOIL UNDER CYCLIC LOADING1)

基于新型室内固结试验及有限元数值模拟分析方法,研究了淤泥轻量土在循环载荷作用下的细观多相变形机理及其宏、细观变形特性之间的相互关系。结果表明,EPS(expanded polystyrene)颗粒掺量及其粒径大小对淤泥轻量土的细观变形特性有显著的影响。试验发现,在所选用的配合比中EPS掺量相差2.0%时,而淤泥轻量土最大体积变形量却相差了4.1%。在相同循环次数下,试样中上、中、下三个点位的EPS颗粒变形量及其应力应变大小关系并不相同,上点位的EPS颗粒变形量最大。通过对不同循环周期下淤泥轻量土各相细观变形关系定量计算分析发现,EPS颗粒变形量在其整个变形过程中占主导地位,平均占到约60%$\sim$80%。该研究可为后续有关EPS淤泥轻量土的微细观结构之间多相耦合作用的研究及其在软土路基填土工程中的应用提供一定的理论支持。     

荷载和干湿循环耦合作用下固化淤泥的屈服应力变化规律与机理研究

为研究固化淤泥在荷载和干湿循环耦合作用下的屈服应力变化规律,以取自无锡太湖地区的疏浚淤泥为研究对象,通过有荷条件下的干湿循环试验和固结试验,对不同水泥掺量条件下固化淤泥的屈服应力进行了研究。结果表明:对于水泥掺量为100kg/m~3的固化淤泥试样,在上覆载荷不大于25kPa的条件下,经过干湿循环后,固化淤泥试样的屈服应力比同掺量基准试样的小,随着上覆荷载的增大,经过干湿循环后试样的屈服应力不降反增;对于水泥掺量为150kg/m~3、200kg/m~3的固化淤泥试样,经过干湿循环后,固化淤泥试样的屈服应力比同掺量基准试样的大,且这种增长趋势随着上覆荷载的增加更加明显。经过干湿循环后,固化淤泥试样屈服应力的变化受干燥温度引起的水泥水化产物增加和裂缝发展的双重影响,且裂缝的发展与上覆荷载密切相关。与控制试样相比,经过干湿循环后固化淤泥的屈服应力均呈现明显下降趋势,说明仅考虑裂缝发展的影响时,干湿循环对试样屈服应力具有明显劣化作用。微观分析表明:水泥掺量越高,养护温度越高,固化淤泥生成的水化产物越多,内部孔隙被进一步填充,从而屈服应力越大。本文的研究结论可为固化淤泥土工筑物在上覆荷载作用下的干湿稳定性评价提供参考。     

坝前淤泥土与新填坝体接触面抗剪强度试验研究及工程应用

坝前淤泥面与新填筑坝体接触面是"坝前淤泥面加坝"技术的薄弱环节。为了探究不同工况下淤泥坝基、新填筑坝体,以及淤泥土-新填土接触面的剪切强度特性,以宁夏南部山区西吉县南川水库坝前淤泥面加坝工程为研究对象,通过常规应变式直剪仪、改进常规应变式直剪仪分别进行剪切试验,分析了淤泥土含水率和压实度变化时,淤泥土、新填土、淤泥土-新填土接触界面的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角的变化规律。试验结果表明:新填土抗剪强度最大,不同工况下淤泥土-新填土接触界面的抗剪强度介于淤泥土和新填土的抗剪强度之间;淤泥土含水率在12%~16%之间存在最优含水率,超过该含水率后,淤泥土及淤泥土-新填土接触界面之间的抗剪强度均显著降低;当淤泥土含水率从8%增加至12%、16%时,黏聚力减小8%左右后迅速减小至22%,具有明显的阶段性,而淤泥土-新填土接触界面的黏聚力呈现先增加后减小的趋势;当含水率相同时,随着压实度的增加,淤泥土、淤泥土-新填土接触面的黏聚力、内摩擦角总体呈增大趋势。最后根据试验结果对"坝前淤泥面加坝"工法的工程应用提出了相关建议。     

冻融损伤混凝土单轴压缩细观破坏研究

根据冻融循环试验测得混凝土损伤层厚度,利用离散元软件建立冻融损伤混凝土数值模型;基于单轴压缩试验得到应力-应变曲线,标定不同冻融循环次数下混凝土中水泥砂浆间以及水泥砂浆与粗骨料薄弱接触面的细观参数,并开展冻融损伤混凝土模型单轴压缩仿真模拟。将数值模拟得到的颗粒轴向位移与试验得到的轴向压缩变形进行对比,验证模型与所标定细观参数的正确性。通过研究颗粒间的接触力和裂纹发展过程,分析冻融损伤对混凝土力学性能的影响。结果表明:随着冻融次数的增加,第二阶段点颗粒间接触力最大值逐渐减小,第三阶段点颗粒间接触力最大值逐渐增大;第二阶段点冻融150次颗粒之间的最大接触力相比于冻融75次颗粒之间的最大接触力降低4%,第三阶段点冻融150次颗粒之间的最大接触力相比于冻融75次颗粒之间的最大接触力增大7.8%;随着冻融次数的增加,混凝土模型中的裂纹数量逐渐增多。不同阶段点对应的颗粒间接触力和裂纹发展可以反映出混凝土的细观破坏程度。因此,可以采用数值试验研究冻融混凝土的细观破坏过程。     

干湿循环效应对风化砂改良膨胀土膨胀力影响的研究

本文将0、10%、20%、30%、40%、50%的风化砂掺入膨胀土中,分别进行0、1、2、3、4、5次干湿循环,对干湿循环之后的试样进行膨胀力测试;研究了不同掺量风化砂改良膨胀土膨胀力的大小及增长时程随着干湿循环次数的变化规律,分析了干湿循环作用一定次数后,风化砂掺量对试样表面的剥落程度及裂隙发育的影响。实验结果表明:干湿循环效应对风化砂改良膨胀土的膨胀力影响较为显著,且膨胀力与干湿循环次数间的关系可以用三次方函数很好地进行描述;在风化砂掺量一定时,经过2~3次干湿循环时膨胀力降低幅度最大,且随着风化砂掺量的增加,这一降低幅度在逐渐减少,干湿循环4~5后膨胀力趋于稳定;当风化砂掺量相同时,随着干湿循环次数的增加,膨胀力达到稳定所需要的时间逐渐减少,而膨胀力的增长速度先增大后减小;干湿循环5次后,试样表面的裂隙发育已基本达到稳定,裂隙数量随着风化砂掺量的增加而逐渐减少;当风化砂掺量为30%时,试样周边基本上不存在剥落现象。     

火山渣掺配土质砾砂改良填料临界动应力及累积变形特性试验研究

火山渣是一种颗粒形状不规则且具多孔轻质特征的粒状特殊材料,在列车动载作用下的颗粒抗破碎能力及填料的变形和强度特性是影响其作为基床填料的关键问题。为论证火山渣用于基床结构的可行性,开展了体积掺配比2∶1及3∶1火山渣掺配土质砾砂改良填料室内动三轴试验,讨论了试样制备及动载加载过程中的颗粒破碎程度,分析了动应力幅值、围压及土质砾砂掺量对改良填料动力变形特性的影响规律。试验结果表明:土质砾砂的掺入能有效地抑制火山渣在制样过程中的颗粒破碎;处于压实状态的火山渣掺配土质砾砂改良填料在长期循环荷载作用下的相对破碎率低于3%,颗粒破碎不显著。不同动应力幅值下,火山渣掺配土质砾砂改良填料的累积塑性应变曲线可分为稳定、临界和破坏型,稳定和破坏型曲线可分别采用Stewart及Monisnith模型进行预测。体积掺配比2∶1及3∶1火山渣掺配土质砾砂改良填料的临界动应力约为静强度的0.4～0.5倍,分别能满足普通II级铁路对基床表层及底层填料动力特性的要求。     

水泥土细观破裂过程的实时观测试验

利用中科院武汉岩土力学研究所的岩石破裂过程细观力学实验系统,对不同水泥掺量的水泥土试件进行了单轴压缩细观实验,该试验系统可通过显微镜和数码视频装置实时观测水泥土试件的细观结构及其破坏的全过程,试验得到了水泥土破裂过程中的细观图像及其相应应力应变关系曲线.分析了不同水泥掺量的水泥土试件的细观破坏特征及其与宏观力学行为的关系,研究为水泥土细观损伤本构模型的建立提供了实验依据.     

颗粒离散元模拟堆积碎石土变形的参数灵敏度分析

采用颗粒离散单元方法,实现任意形状块石的模拟,基于室内试验数据标定滑坡坡体物质的堆(残、坡)积碎石土的细观参数,并考虑试样尺度效应,对影响堆积碎石土宏观变形特征的细观参数进行虚拟试验敏感度分析。研究表明,1以三轴剪切试验获得测试数据并标定颗粒离散元细观参数具有相对误差在5%以内的可靠性;2虚拟模型1(101mm×200mm)与模型2(300mm×600mm)对标定的细观参数具有尺度效应,但其相对误差控制在9%以内;3离散元颗粒间的摩擦系数与碎石土的内摩擦角、抗剪强度及残余强度为非线性正相关,摩擦系数每增加0.1,峰值主应力差平均增加118.85kPa,残余强度平均增加90.44kPa;4围压越大,材料的剪胀性越弱,围压在100kPa~500kPa时,剪胀特征值K在3~6之间变化,随着围压增加,模型破坏时的粘结力以近线性增加;5杨氏模量越大,碎石土的抗剪强度越大,但两者之间并不成线性关系,且不同杨氏模量对材料的残余强度没有显著影响。     

高频振动下岩土颗粒材料动力行为及细观机理

针对高频振动条件下岩土颗粒材料动力响应放大的现象,采用离散元法开展了一系列动双轴数值试验,分析了不同荷载频率下岩土颗粒材料的动力行为及其细观特征．试验结果表明：对于模拟的岩土颗粒材料,在加载频率为30～40 Hz时的动力变形尤其明显,加载过程中塑性变形快速发展,试件内部形成“八”字型剪切带,动刚度显著降低．提出了“竖向分布系数”描述试件内部的局部变形规律,并结合颗粒细观受力特征,探究了试件变形加剧和刚度弱化的细观机理．研究发现相较20 Hz和60 Hz工况,加载频率为40 Hz时试件中下部区域的局部动变形振动幅值明显增大,颗粒处于高度动力非平衡态,颗粒体系的排列结构和接触力剧烈调整,使得试件变形加剧、承载性能显著弱化．     

粗粒土离散元非球趋真颗粒模型

颗粒形状对粗粒土的物理力学特性有着显著的影响。离散元法广泛应用于粗粒土宏观物理力学特性的细观机理研究。为了考虑颗粒形状的影响,亟待发展计算高效的离散元非球趋真颗粒模型。本文基于X射线CT扫描技术并结合数字图像处理技术,对光滑和棱角性两类典型粗粒土(鹅卵石与碎石)进行三维重构,并提出了两类趋真颗粒模型,分别采用扩展超椭球模型和球多面体模型进行趋真逼近;开展了两类颗粒试样的3D打印和单轴压缩试验,分析了配位数和局部孔隙率分布等细观特性;基于离散元开源程序SudoDEM开展了两类试样的离散元模拟,并将模拟细观分析结果与物理试验进行了对比。结果表明,提出的两类趋真颗粒模型能够较好地对粗粒土颗粒进行离散元建模。     

黏性土宏细观参数相关性研究

运用颗粒流程序中的bond原理结合Mohr-Coulomb破坏准则对黏性土双轴试验进行了数值模拟,探讨了黏性土宏观强度指标与其对应的细观参数之间的关系.分析结果表明,黏性土内摩擦角与颗粒摩擦角呈线性关系,黏性土黏聚力-颗粒接触强度两者拟合曲线的斜率与颗粒间摩擦系数呈幂函数关系,且两者的相关性都很好.通过该宏细观关系,得出上海第②层褐黄色粉质黏土细观参数,对其进行了双轴试验的颗粒流模拟,计算得到的应力应变曲线与实测结果一致.研究成果对于黏性土细观参数的取值及颗粒流模拟具有指导意义.     

冻土力学的研究进展与思考

从冻结土的宏观力学性质,正冻土中的水、热迁移理论,正 冻土的水热力耦合模型四个方面分析综述了国内外冻土力学的发展 历史、研究现状与我国冻土力学研究中存在的问题,指出：（1）当 前冻土力学的研究内容应该从对冻结土的宏观强度与变形性质向更 切合实际工程需要的正冻土、正融土微、细观热、力学耦合性质方 面深化;（2）冻土力学的研究思路应该从对土样纯力学量的试验研 究向土样组构、级配、含水量、饱和度等土性指标在不同负温下对 土样颗粒排列与胶结特性的强度、变形影响机理方面转移;（3）冻 土力学的研究对象也应该从室内冻结试验的研究向具有各种不同水 热交换边界条件与水热迁移内在规律的冻土体发展。     

聚丙烯纤维加筋绍兴非饱和黏土的剪切特性研究

为了研究纤维加筋非饱和土的剪切特性,以绍兴地区广泛分布的非饱和黏土为研究对象,聚丙烯纤维为加筋材料,通过一系列非饱和直剪试验,探讨了纤维长度对加筋土剪切变形特性、抗剪强度及其指标的影响规律,并简要分析了聚丙烯纤维的增强机理,最后得出了0.2%掺量下补强效果最佳的纤维长度．研究结果表明：随着净法向应力的增大,土体的剪应力-剪切位移曲线由软化型逐渐向硬化型转化,纤维长度L为12 mm的加筋土样表现出的剪切硬化特性最明显;不同净法向应力下,纤维加筋非饱和土的抗剪强度均高于素土;随着纤维长度的增加,纤维加筋土的黏聚力呈先增加后减小,内摩擦角先增加后趋于平缓;当纤维长度L为12 mm时,聚丙烯纤维对土体抗剪强度指标的补强效果能够最大程度得到发挥．     

基于微形态模型的颗粒材料中波的频散现象研究

基于颗粒材料冲击与波动响应特性的调控波传播行为的超材料设计受到广泛关注,设计这类材料需要对颗粒材料的波传播机制及调控机理有深入认识. 波在颗粒材料中传播的频散现象及频率带隙等行为与材料的非均匀性密切相关,通常讨论频散现象是基于弹性理论框架建立微结构连续体或高阶梯度连续体等广义连续体模型来进行. 本研究基于细观力学给出了一个颗粒材料的微形态连续体模型. 在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且颗粒间的相对运动分解为两部分:即宏观平均运动和细观真实运动. 基于此分解,提出了一个完备的变形模式,得到了对应于不同应变及颗粒间运动的宏细观本构关系. 结合宏观变形能的细观变形能求和表达式,获得了基于细观量表示的宏观本构模量. 应用所建议模型考察了波在弹性颗粒介质的传播行为,给出了不同形式的波的频散曲线,结果显示此模型具有预测频率带隙的能力.      

冻融循环作用及风化砂掺量对改良膨胀土CBR的影响研究

首次研究了风化砂改良膨胀土的CBR值与风化砂掺量、冻融循环次数之间的定性和定量关系。膨胀土中分别掺入0%、10%、20%、30%、40%、50%的风化砂,经过0次、1次、3次、6次、9次、12次冻融循环后,在万能试验机上进行CBR值测试。试验结果表明:在同一冻融循环次数下,风化砂改良膨胀土的CBR值随掺砂比例的增大而增大;在同一掺砂比例下,风化砂改良膨胀土的CBR值随冻融循环次数的增大而减小,其减小的速率亦随冻融循环次数的增大而减小,且CBR值与冻融循环次数的自然对数呈较好的线性关系。     

NiTi 形状记忆合金热-力耦合循环变形行为宏微观实验和理论研究进展

本文对NiTi形状记忆合金热-力耦合循环变形行为研究的最新进展进行综述和评价。首先总结NiTi形状记忆合金在循环加载条件下的单轴、非比例多轴循环变形特性以及强烈的热-力耦合特性,阐述NiTi形状记忆合金在循环变形过程中出现功能性劣化的微观机理;然后,讨论在宏观和细观尺度上建立的三类NiTi形状记忆合金典型的循环本构模型,并评述代表性模型的预测能力;最后,总结已有研究存在的不足,对相关问题的进一步研究提出建议。在本构模型方面主要介绍了作者及其合作者在基于晶体塑性的热-力耦合循环本构模型方面的工作,突出了多种非弹性变形机制和强烈热-力耦合行为对形状记忆合金循环变形行为的影响。     

基于微形态模型的颗粒材料中波的频散现象研究

基于颗粒材料冲击与波动响应特性的调控波传播行为的超材料设计受到广泛关注,设计这类材料需要对颗粒材料的波传播机制及调控机理有深入认识.波在颗粒材料中传播的频散现象及频率带隙等行为与材料的非均匀性密切相关,通常讨论频散现象是基于弹性理论框架建立微结构连续体或高阶梯度连续体等广义连续体模型来进行.本研究基于细观力学给出了一个颗粒材料的微形态连续体模型.在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且颗粒间的相对运动分解为两部分:即宏观平均运动和细观真实运动.基于此分解,提出了一个完备的变形模式,得到了对应于不同应变及颗粒间运动的宏细观本构关系.结合宏观变形能的细观变形能求和表达式,获得了基于细观量表示的宏观本构模量.应用所建议模型考察了波在弹性颗粒介质的传播行为,给出了不同形式的波的频散曲线,结果显示此模型具有预测频率带隙的能力.     

胶结土石混合体力学特性的块石形状效应细观机理分析

考虑块石形状为球体、正方体和长方体三种情况,通过正方体与球体相比较来探究块石不同棱角度对胶结土石混合体力学特性的影响,通过长方体与正方体相比较来探究块石不同球度对胶结土石混合体力学特性的影响。首先,基于不规则颗粒三维离散元精细模拟技术实现了正方体和长方体块石数值模型的建立;然后建立含石量为30%和80%的块石形状分别为球体、正方体和长方体的胶结土石混合体三维离散元随机结构模型;最后,对土石混合体大三轴试验进行颗粒流数值模拟,获得了不同含石量、不同块石形状下胶结土石混合体的强度特征和变形特征,并分别就低、高两种含石量下块石形状对土石混合体力学特性影响的细观机理进行了深入地分析。结果表明：块石含量和形状均会显著影响胶结土石混合体的力学特性,并且两者间具有复杂的交互作用;微裂纹、块石颗粒平均旋转量、应变能和摩擦功等的演化规律能够很好地从细观水平上反映块石形状影响的作用机理。     

基于随机骨料模型的EPS混凝土细观力学特性分析

利用有限元分析软件,建立基于随机分布的EPS混凝土细观力学模型。对EPS混凝土的受压损伤破坏过程进行数值模拟,分析EPS颗粒面积占有率、排列方式、形状对EPS混凝土力学性能的影响。结果表明:当EPS颗粒面积占有率较小时,EPS混凝土的破坏表现出明显的脆性破坏,随面积占有率的增加,EPS混凝土破坏逐渐由脆性破坏转化为延性破坏;EPS颗粒含量较低时,规则分布与随机分布对混凝土应力-应变关系影响较小;随着EPS颗粒面积占有率的增加,规则分布较随机分布具有更大残余应力;相同面积占有率下,规则分布较随机分布脆性指数更小,规则分布表现出更好的延性;当EPS颗粒形状为三角形时,EPS混凝土应力最大延性最好,正方形时应力最小延性最差,形状为圆形和五角形时,EPS混凝土应力-应变关系与脆性指数相接近。     

基于离散元模型的土石混合体直剪试验分析

土石混合体是由高强度块石和低强度土体组成的一类特殊工程地质材料,其力学性质可通过直剪试验进行确定。本文针对土石混合体的细观材料特性,分别采用球形颗粒单元和非规则组合颗粒单元模拟土体和块石材料,对其在不同含石量和颗粒粘结强度下的直剪试验过程进行离散元分析。计算结果表明,土石混合体的抗剪强度随着含石量和粘结强度的增加而增加;通过不同法向应力下直剪试验的离散元分析,确定了不同含石量下土石混合体材料的内摩擦角和粘聚力。本文研究结果有助于进一步揭示土石混合体的抗剪强度特性。