基于SBISP的易扰动土变形机理研究

【摘要】土工室内试验和原位测定是岩土工程和地质工程中的重要内容之一。随着岩土工程测试技术的发展,人们逐渐认识到获得不扰动或较少扰动土样进行常规室内试验是非常困难的,这促使相关学者研制新型原位测试仪器以排除取样时的扰动作用。新型自钻式原位剪切旁压试验(Self-boringIn-situShearPressuremeter)是综合了测定变形模量的原位旁压试验,与测定抗剪强度的直剪试验的一种组合试验方法。与之前的试验方法相比,它可以同时直接测出土的变形与抗剪强度参数,具有传统测试方法无法比拟的优势。SBISP能够自钻式掘进成孔,尽可能的减少了对周围土体的扰动；无需采样、制样就可以得到原位土体的实验结果,节省大量时间；特别适合于难采样、易扰动、强度低的土层,如砂土、淤泥质土的强度试验。从微观角度看,易扰动土的变形和破坏主要是由于各个土颗粒的平移和转动以及颗粒之间的相互作用所引起的,是细观结构变化所表现出来的宏观现象；因此,研究试验过程中土颗粒在探头作用下的变形响应具有重要意义。然而SBISP试验采用多级加载方式,测定器与周围土体的受力变形机理复杂,采用传统室内试验方法较难进行研究。本文通过引入三维颗粒流(ParticleFlowCodeinthreeDimensions)理论,并开发颗粒流数值模拟技术。基于SBISP室内模型验证试验,建立自钻式原位剪切旁压试验PFC3D数值模型。通过一系列颗粒流数值试验,对多级加载过程中SBISP测定器周围土体的变形机制进行了较为系统的研究。主要内容包括：1.SBISP数值试样位移场演化研究。颗粒流数值试验中,应力的施加对颗粒位移影响呈现分区化特征：中间区域细颗粒受影响较显著,而外围大颗粒基本无影响；随着剪应力的增加中间区域颗粒的位移量明显增大,且逐渐呈现一致向上的方向性,至第5级剪应力作用时,测定器外围影响域内颗粒位移矢量呈“倒锥形”形态。随着上覆固结压力的增大,测定器周围球颗粒的位移量减小,其影响范围也相应变小,但影响范围主要位于测定器的高度范围内。在同一级应力作用下,试样半径越大影响范围反而小。2.SBISP数值试样中颗粒运动轨迹研究。在10倍于测定器半径试样中,测定器周围附近球颗粒的运动轨迹呈台阶状展布,中部区域土颗粒运动轨迹可分为三个特征区；球颗粒的Z向和XY向位移量成负指数形式衰减,其中Z向位移量衰减速率更快。3.SBISP数值试样中应力场研究。随着多级应力的逐级施加,测定器周围土体内径向应力竖向应力逐步增大。径向应力在测定器两侧附近,沿着测定器高度方向上近似对称出现了数个应力集中区—“应力核”。同时,竖向应力在测定器两侧附近形成了扁平状的应力集中带,且在测定器顶端因膨胀而形成的肩部产生了较高应力区。在同一级应力作用下,试样半径越小,土体径向应力和竖向应力越大。4.不同粒径球形颗粒进行SBISP试验研究。分析了不同粒径球形颗粒对抗剪强度、颗粒位移、颗粒接触性质的影响规律：(1)当粒径为2～3.2mm和3～4.2mm两种情况时,在同一级径向应力作用下,随着粒径的增大,剪切应力峰值也增大；同一径向应力下,两试样的内摩擦角φ值基本不变—两条径向应力-剪切应力曲线基本上是平行的。但当颗粒粒径增大到4～5.2mm和5～6mm时,就不再适合上述趋势,说明砂颗粒越大,其强度随意性越大,试样强度需进行专门研究。且在同一级径向应力作用下,随着颗粒半径的增大,测定器半径趋于不断增大。(2)输出了各级剪切应力作用下试样中的最大位移量。发现在同一粒径数值试样中,随着剪切应力的逐级施加,试样中最大位移量不断增大。在同一级剪切应力作用下,试样的最大位移量随着颗粒粒径的增大不断的增大。另外,监测了不同粒径数值试样中距测定器不同距离处颗粒的Z向位移量变化；发现在距测定器距离小于约50mm时,随着试样颗粒粒径的增大,Z向位移量哀减速率较快；在大于约50mm时逐渐趋于平稳。(3)在100kPa上覆压力作用下,施加完各级应力之后,提取了中部试样中各接触的性质。发现在同一粒径球形颗粒试样中,随着应力的逐级施加,其总接触数趋向于逐渐变少。对比同一级径向应力和剪切应力接触数据,可以发现,施加径向应力后的有效接触数均大于施加剪切应力后的有效接触数,而施加径向应力后的无效接触数均小于施加剪切应力后的无效接触数。这说明施加径向应力使试样中的颗粒压密在一起,相互之间的接触增多；而施加剪切应力时颗粒随着测定器向上移动,颗粒之间又发生了相互脱离。随着各级应力的施加,同一试样中颗粒之间的平均接触力是不断增大的,最大接触力整体呈增大趋势。在同一级应力作用下,随着试样粒径的增加,由于颗粒数量减少,其接触数都是不断减小的；但其平均接触力和最大接触力却不断增大。反映出接触的数量越多试样中的应力分布越均匀。5.不同形状颗粒试样SBISP数值试验研究。得到结论如下：(1)随着类圆柱体颗粒含量的增多,数值试样的内摩擦角φ逐渐增大,且内摩擦角增大幅度随着径向应力的增大而增大。(2)在均为类圆柱体颗粒试样的数值试验中,随着剪切应力的逐级施加,在测定器的带动下,颗粒长轴偏竖直方向的颗粒数量不断增加,这反映出SBISP试验加载过程中砂颗粒运动不仅有平动,而且还发生了转动。(3)通过数值试验发现三种多棱角颗粒试样的抗剪强度值均大于圆形颗粒试样。在同一级应力作用下,多棱角颗粒试样中颗粒的最大位移量均小于球形颗粒试样中的最大位移量；类圆柱体试样的最大位移量大于类六面体试样。这说明多棱角状颗粒之间的互相咬合·作用限制了颗粒的移动。(4)本研究中所建的三种棱角颗粒试样,随着颗粒棱角的增多,试样中的接触是不断增多的；且随着接触的增多,平均接触力和最大接触力呈减少的趋势。6.不同测定器长径比对SBISP数值试验影响研究。在SBISP数值试验中,随着长径比L/D的增大,数值试样剪切应力峰值-径向应力指数似合曲线逐渐趋于平缓,当L/D大于某一值时,此拟合曲线基本不再发生变化,表明L/D较小时所得到抗剪强度指标φ偏大,并且偏大量随着径向应力的减小而增加。随着L/D的增大,周围土体的变形在测定器高度上近似符合平面应变条件。7.不同长径比自钻式旁压(Self-boringPressuremeter)数值试验研究。根据SBPM测定器长径比的不同,可把测定器周围土体受力分为两种形式：当长径比L/D=6时,位移场和应力场分布呈“弧形壁灯笼状”,测定器周围土体变形在其高度上不符合平面应变轴对称条件,且L/D=6时的土体应力小于后三值(L/D=10、15、20时)；当L/D=10、15、20时,则呈“直壁灯笼状”,此时在测定器高度上应力分布比前者均匀,其变形基本符合平面应变轴对称条件,此时随着L/D的增大土体径向应力逐渐减小。本文主要创新点包括：1.运用颗粒流程序模拟了SBISP多级加载过程,分析了测定器周围试样中位移场、应力场和运动轨迹等变化情况,揭示了测定器周围土体的力学响应机制。2.探讨了颗粒几何性质对试样强度、位移场和试样中接触性质的影响。3.分析了测定器长径比对SBISP试验中抗剪强度的影响,及位移场、应力场变化情况。
【作者】张亚飞；
【导师】徐光黎；
【作者基本信息】中国地质大学，地质工程，2014，博士
【关键词】自钻式原位剪切旁压试验；易扰动土；颗粒流；变形机制；颗粒几何性质；不同长径比；

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