土體材料尺寸效應(yīng)與剪切帶的分析研究.pdf

1、土體是一種特殊和復(fù)雜的顆粒集合體，尺寸大小對(duì)強(qiáng)度和變形特性有著極其重要的影響。土體材料的尺寸效應(yīng)一直以來都是巖土工程中的難題。在工程設(shè)計(jì)中，往往是依據(jù)和參考室內(nèi)小尺寸范圍內(nèi)的試驗(yàn)研究成果建立起來的理論和方法，很多情況與工程實(shí)際存在較大差異。只有系統(tǒng)地研究尺寸效應(yīng)，才能準(zhǔn)確地描述實(shí)際工程中土體材料宏觀的力學(xué)性質(zhì)和變形特征。本文以砂土為研究對(duì)象，從室內(nèi)三軸試驗(yàn)和顆粒流數(shù)值模擬兩方面入手，分析土體的試樣尺寸變化對(duì)應(yīng)力應(yīng)變、體積應(yīng)變、抗剪強(qiáng)度指

2、標(biāo)等特性的影響，證明土體材料尺寸效應(yīng)現(xiàn)象是客觀存在的。同時(shí)從細(xì)觀角度對(duì)剪切帶的形成和發(fā)展進(jìn)行描述，揭示其顆粒的細(xì)觀位移規(guī)律和局部孔隙率變化，分析產(chǎn)生土體尺寸效應(yīng)的原因。本文的主要工作和研究成果如下:
　　(1)制作廈門標(biāo)準(zhǔn)砂密砂試樣，進(jìn)行直徑φ39.1mm和φ101mm的排水固結(jié)三軸剪切試驗(yàn)，得到其力學(xué)性質(zhì)、變形特征以及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，探究試樣尺寸變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。結(jié)果表明:土體材料的尺寸效應(yīng)客觀存在。在較低圍壓(100kPa)

3、時(shí)，試樣尺寸變化對(duì)試樣力學(xué)性質(zhì)影響明顯，試樣尺寸越大，破壞主應(yīng)力差越大，隨著圍壓的增大，強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)變小。試樣都表現(xiàn)出密砂的體變趨勢(shì)，但大試樣在體縮階段體縮現(xiàn)象更明顯，小尺寸試樣的后期剪脹效應(yīng)更強(qiáng)。
　　(2)利用顆粒流程序PFC，建立砂土的雙軸試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。通過改變?cè)嚇映叽?，得到了寬高比相同、尺寸差異性很大的四種試樣，并通過改變顆?？紫堵?，分別模擬了松砂和密砂的尺寸效應(yīng)，對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)充。結(jié)果表明:顆粒流模擬得到了與室內(nèi)三

4、軸試驗(yàn)相同的規(guī)律，且試樣尺寸差異性越大，尺寸效應(yīng)更為明顯。試樣尺寸效應(yīng)對(duì)強(qiáng)度的影響隨著圍壓的增大而減弱，在圍壓大于900kPa后，強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)不再明顯，各試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎重合。對(duì)于密砂來說，在相同圍壓下，試樣尺寸越大，后期的體脹現(xiàn)象越不明顯?？梢酝茢嘣诠こ虒?shí)際中，剪切并不一定能引起大尺寸土體產(chǎn)生如室內(nèi)試驗(yàn)所得到的劇烈體脹現(xiàn)象。試樣尺寸變化對(duì)內(nèi)摩擦角的影響不大，但對(duì)c值影響較大。當(dāng)試樣為松砂時(shí)，體變的尺寸效應(yīng)較密砂更明顯。

5、>　　(3)利用顆粒流程序的位移場和量測圓程序，從細(xì)觀角度對(duì)顆粒流程序雙軸試驗(yàn)的剪切帶的形成和發(fā)展進(jìn)行研究。通過顆粒流位移場，直觀的觀察測量出剪切帶的傾角和寬度。結(jié)果表明:剪切帶的角度受試樣尺寸影響較小，但對(duì)剪切帶寬度影響較大。L1試樣(600mm×300mm)剪切帶寬度與試樣寬度比值約為10％～15％，而對(duì)于S1試樣（60mm×30mm），這一比值約為20％～30％。試樣尺寸增大，剪切帶占試樣的比例減小，試樣的體脹效應(yīng)也因此減小，由此