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直剪试验下砂土剪切带形成的细观变形机制

潘远阳 魏玉峰 李远征 杨豪 雷壮

潘远阳,魏玉峰,李远征,等. 直剪试验下砂土剪切带形成的细观变形机制[J]. 水利水运工程学报,2020(3):82-91 doi:  10.12170/20190520002
引用本文: 潘远阳,魏玉峰,李远征,等. 直剪试验下砂土剪切带形成的细观变形机制[J]. 水利水运工程学报,2020(3):82-91 doi:  10.12170/20190520002
(PAN Yuanyang, WEI Yufeng, LI Yuanzheng, et al. Study on microscopic deformation mechanism of sand soil shear zone in direct shear test[J]. Hydro-Science and Engineering, 2020(3): 82-91. (in Chinese)) doi:  10.12170/20190520002
Citation: (PAN Yuanyang, WEI Yufeng, LI Yuanzheng, et al. Study on microscopic deformation mechanism of sand soil shear zone in direct shear test[J]. Hydro-Science and Engineering, 2020(3): 82-91. (in Chinese)) doi:  10.12170/20190520002

直剪试验下砂土剪切带形成的细观变形机制

doi: 10.12170/20190520002
基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2017YFC1501000);四川省教育厅科研计划重点项目(18ZA0045)
详细信息
    作者简介:

    潘远阳(1994—),男,贵州遵义人,硕士研究生,主要从事岩土体稳定性方面的相关研究。E-mail:1349222812@qq.com

    通讯作者:

    魏玉峰(E-mail:weiyufeng@cdut.edu.cn

  • 中图分类号: TU411

Study on microscopic deformation mechanism of sand soil shear zone in direct shear test

  • 摘要: 剪切带的形成与发展是影响土体变形破坏的关键因素。利用数值模拟试验方法,对砂土直剪试验中剪切带的形成和演化机制进行研究。试验中采用条块法对试样进行标记,以观测其变形及发展过程;并记录剪应力及剪切位移的变化,分析试样的应力应变特征;最后从细观角度对颗粒试样的平均转动量、配位数及孔隙变化率等参数进行统计分析,以揭示试样的细观变形规律。研究表明:砂土剪切带的形成是一个渐进的过程,呈现出累进破坏的特征;且剪切过程中颗粒试样会发生局部变形并形成狭长的剪切带,剪切带的厚度受平均粒径及颗粒摩擦系数的直接影响,当颗粒粒径为1.25倍平均粒径且颗粒摩擦系数为0.5时,剪切带厚度达到最大值;此外,剪切带区域的强力链较为密集,通过对强力链进行光密度及面积占比分析发现峰值时刻最为显著(平均光密度约为1.4,强力链面积占比约为52%),这表明力链网络的结构变化与剪切带的形成及演化具有同步性;同时发现剪切带内、外颗粒体系的平均转动量、平均配位数及孔隙变化率等细观参数存在显著差异,说明剪切带对外荷载的响应较为强烈。
  • 图  1  数值模型

    Figure  1.  Numerical model

    图  2  数值试验与物理试验结果对比

    Figure  2.  Comparison of numerical and physical test results

    图  3  应力-位移及体积变化曲线

    Figure  3.  Curves of stress-displacement and volume change

    图  4  试样局部变形

    Figure  4.  Sample local deformation

    图  5  剪切带形成及演化

    Figure  5.  Formation and evolution of shear bands

    图  6  剪切带厚度与平均粒径及摩擦系数的关系

    Figure  6.  Relationship between shear band thickness and average particle size and friction coefficient

    图  7  剪切带力链演化

    Figure  7.  Force chain evolution

    图  8  强力链图像提取

    Figure  8.  Strong chain image extraction

    图  9  峰值时刻力链光密度

    Figure  9.  Optical density diagram of force chain at peak time

    图  10  各阶段强力链面积占比

    Figure  10.  Strength chain area ratios at each stage

    图  11  剪切带颗粒转动演化

    Figure  11.  Rotation diagram of shear band particles

    图  12  各阶段颗粒转动量统计

    Figure  12.  Statistics of particle rotation at each stage

    图  13  配位数变化曲线

    Figure  13.  Coordination curve

    图  14  孔隙率变化曲线

    Figure  14.  Porosity curve

    表  1  模型参数

    Table  1.   Model parameters

    初始
    孔隙率
    平均粒径/
    mm
    颗粒密度/
    (kg·m−3
    颗粒法向
    刚度/(N·m−1
    颗粒切向
    刚度/(N·m−1
    粒间摩擦
    系数
    颗粒
    数量/个
    墙体摩擦
    系数
    墙体法向
    刚度/(N·m−1
    墙体切向
    刚度/(N·m−1
    0.160.72 6431.4×1081.0×1080.59 68301.4×1081.0×108
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    表  2  剪切状态特征

    Table  2.   Shear state feature

    时刻剪位移/mm体积变化/mm3剪应力/kPa所处状态
    A000初始固结阶段
    B0.10−0.00732体变率为0
    C0.760.10150峰值点
    D1.782.12028软化
    E4.833.62320软化
    F6.004.21625残余阶段
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-20
  • 网络出版日期:  2020-06-15
  • 刊出日期:  2020-06-01

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