土體材料尺寸效應與剪切帶的分析研究.pdf

1、土體是一種特殊和復雜的顆粒集合體，尺寸大小對強度和變形特性有著極其重要的影響。土體材料的尺寸效應一直以來都是巖土工程中的難題。在工程設計中，往往是依據(jù)和參考室內小尺寸范圍內的試驗研究成果建立起來的理論和方法，很多情況與工程實際存在較大差異。只有系統(tǒng)地研究尺寸效應，才能準確地描述實際工程中土體材料宏觀的力學性質和變形特征。本文以砂土為研究對象，從室內三軸試驗和顆粒流數(shù)值模擬兩方面入手，分析土體的試樣尺寸變化對應力應變、體積應變、抗剪強度指

2、標等特性的影響，證明土體材料尺寸效應現(xiàn)象是客觀存在的。同時從細觀角度對剪切帶的形成和發(fā)展進行描述，揭示其顆粒的細觀位移規(guī)律和局部孔隙率變化，分析產(chǎn)生土體尺寸效應的原因。本文的主要工作和研究成果如下:
　　(1)制作廈門標準砂密砂試樣，進行直徑φ39.1mm和φ101mm的排水固結三軸剪切試驗，得到其力學性質、變形特征以及抗剪強度指標，探究試樣尺寸變化對試驗結果的影響。結果表明:土體材料的尺寸效應客觀存在。在較低圍壓(100kPa)

3、時，試樣尺寸變化對試樣力學性質影響明顯，試樣尺寸越大，破壞主應力差越大，隨著圍壓的增大，強度的尺寸效應變小。試樣都表現(xiàn)出密砂的體變趨勢，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更強。
　　(2)利用顆粒流程序PFC，建立砂土的雙軸試驗模型。通過改變試樣尺寸，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，對室內試驗進行進一步補充。結果表明:顆粒流模擬得到了與室內三

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

5、>　　(3)利用顆粒流程序的位移場和量測圓程序，從細觀角度對顆粒流程序雙軸試驗的剪切帶的形成和發(fā)展進行研究。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。結果表明:剪切帶的角度受試樣尺寸影響較小，但對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，試樣的體脹效應也因此減小，由此