颗粒介质压缩和剪切的可视化试验与分析

发布时间：2019-07-18 13:24

【摘要】：岩土是一种大自然的松散颗粒介质体，具有固、液、气三相，属于密集材料颗粒介质。同时岩土颗粒介质是由大小不一、形状各异的颗粒聚集一起而形成的非连续体，其力学性质与颗粒大小、形状、分布及颗粒间的连结方式等细观微结构相关，，具有十分复杂和特殊的力学性质。从细微观的角度来认识土颗粒介质意义重大，不仅有利于对颗粒介质体系内在机理的解释，也有利于对实际岩土工程问题提供合理有效的指导方法。本文在研究岩土颗粒介质时仅考虑固相物质，暂时不考虑液相和气相物质，理想地将岩土颗粒近似为圆形，该种假定能很好地研究土体有效应力（扣除孔压和水压）及其变形特性。因此，本文利用光弹试验技术法进行了压缩和剪切可视化试验与分析。本文的主要研究成果有以下几个方面：（1）颗粒体系力链分布如树杈或网状，在压缩试验中力链分布主要是竖直向下，剪切试验的力链分布主要是倾斜向上，力链分布具有不均匀性。剪切试验中搭拱效应的形成与消失，可视化地说明颗粒体系的剪切破坏和颗粒重组；从微观角度揭示了颗粒介质体系剪胀和剪缩的机理是由于颗粒之间的相互挤压、剪切松动或紧密后颗粒重新分布排列。体系的初始排列状态、颗粒体积分数、边界荷载作用形式、颗粒粒径大小及加强颗粒等因素都是影响力链网格发展的因素。（2）应力拱效应是颗粒介质不同于连续介质的特点之一。本文可视化地证明无粘性颗粒应力拱是存在的，其拱圈厚度与桩的截面宽度有直接关系，颗粒层厚度对应力拱形状影响明显。随着边界荷载的增大，应力拱效应会发生极限破坏，但随后新的拱结构逐渐形成，边界荷载大小影响应力拱高度。距径比影响应力拱的形成，本文定性地认为在粒径3mm颗粒体系中，距径比L/D设置为1：2时最为合理。（3）对压缩和剪切模型的光弹图片进行了数字图像分析。颗粒体系在未施加边界荷载前，其几何结构已经存在初始结构各向异性。压缩荷载使体系的各向异性增强，剪切荷载减弱体系的各向异性。颗粒介质的几何结构各向异性影响着体系内部应力的分布。粒径大小和颗粒级配影响着几何结构的各向异性，从而影响体系内部的应力分布。（4）颗粒可视化位移场的变化解释了应力拱效应形成的条件是：一是土颗粒之间产生不均匀位移或相对位移，二是作为支撑拱脚的存在。本文拟合出应力拱应力场，进一步阐述讨论边界荷载大小、颗粒层厚度及距径比是应力拱效应的主要影响因素。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU43

【参考文献】