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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
  • [1] VARDOULAKIS I, GOLDSCHEIDER M. Biaxial apparatus for testing shear bands in soils[C]//Proceeding of the 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Rotterdam: A A Balkema, 1981: 819-824.
    [2] TATSUOKA F, NAKAMURA S, HUANG C C, et al. Strength anisotropy and shear band direction in plane strain tests of sand[J]. Soils and Foundations, 1990, 30(1): 35-54. doi:  10.3208/sandf1972.30.35
    [3] POTTS D M, DOUNIAS G T, VAUGHAN P R. Finite element analysis of the direct shear box test[J]. Géotechnique, 1987, 37(1): 11-23. doi:  10.1680/geot.1987.37.1.11
    [4] TEJCHMAN J, BAUER E. FE-simulations of a direct and a True simple shear test within a polar hypoplasticity[J]. Computers and Geotechnics, 2005, 32(1): 1-16. doi:  10.1016/j.compgeo.2004.11.004
    [5] MASSON S, MARTINEZ J. Micromechanical analysis of the shear behavior of a granular material[J]. Journal of Engineering Mechanics, 2001, 127(10): 1007-1016. doi:  10.1061/(ASCE)0733-9399(2001)127:10(1007)
    [6] ALSHIBLI K A, STURE S. Shear band formation in plane strain experiments of sand[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2000, 126(6): 495-503. doi:  10.1061/(ASCE)1090-0241(2000)126:6(495)
    [7] 郭聚坤, 雷胜友, 魏道凯, 等. 粗糙度对结构物-细砂界面剪切特性的影响[J]. 水利水运工程学报,2019(3):85-94. (GUO Jukun, LEI Shengyou, WEI Daokai, et al. Effects of roughness on shear properties of structure-sands interface[J]. Hydro-Science and Engineering, 2019(3): 85-94. (in Chinese)
    [8] ODA M, KONISHI J, NEMAT-NASSER S. Experimental micromechanical evaluation of strength of granular materials: effects of particle rolling[J]. Mechanics of Materials, 1982, 1(4): 269-283. doi:  10.1016/0167-6636(82)90027-8
    [9] 孙其诚, 金峰, 王光谦, 等. 二维颗粒体系单轴压缩形成的力链结构[J]. 物理学报,2010,59(1):30-37. (SUN Qicheng, JIN Feng, WANG Guangqian, et al. Force chains in a uniaxially compressed static granular matter in 2D[J]. Acta Physica Sinica, 2010, 59(1): 30-37. (in Chinese) doi:  10.7498/aps.59.30
    [10] WANG J, DOVE J E, GUTIERREZ M S. Discrete-continuum analysis of shear banding in the direct shear test[J]. Géotechnique, 2007, 57(6): 513-526. doi:  10.1680/geot.2007.57.6.513
    [11] 蒋明镜, 王富周, 朱合华. 单粒组密砂剪切带的直剪试验离散元数值分析[J]. 岩土力学,2010,31(1):253-257, 298. (JIANG Mingjing, WANG Fuzhou, ZHU Hehua. Shear band formation in ideal dense sand in direct shear test by discrete element analysis[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(1): 253-257, 298. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1000-7598.2010.01.043
    [12] 赵联桢, 陈生水, 杨东全, 等. 冻砂土-结构接触面恒温循环剪切性能研究[J]. 水利水运工程学报,2016(1):93-99. (ZHAO Lianzhen, CHEN Shengshui, YANG Dongquan, et al. Cyclic shear property studies on frozen silt-structure interface under constant temperature[J]. Hydro-Science and Engineering, 2016(1): 93-99. (in Chinese)
    [13] 李福林, 彭芳乐, 雷亮, 等. 平面应变条件下砂土局部化剪切带的有限元模拟[J]. 岩石力学与工程学报,2010,29(4):850-857. (LI Fulin, PENG Fangle, LEI Liang, et al. Finite element simulation of strain localization on a shear band of sand under plane strain condition[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(4): 850-857. (in Chinese)
    [14] 孙其诚, 辛海丽, 刘建国, 等. 颗粒体系中的骨架及力链网络[J]. 岩土力学,2009,30(增刊1):83-87. (SUN Qicheng, XIN Haili, LIU Jianguo, et al. Skeleton and force chain network in static granular material[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(Suppl1): 83-87. (in Chinese)
    [15] ODA M, KAZAMA H, KONISHI J. Effects of induced anisotropy on the development of shear bands in granular materials[J]. Mechanics of Materials, 1998, 28(1/4): 103-111. doi:  10.1016/S0167-6636(97)00018-5
    [16] 刘洋, 吴顺川, 周健. 单调荷载下砂土变形过程数值模拟及细观机制研究[J]. 岩土力学,2008,29(12):3199-3204, 3216. (LIU Yang, WU Shunchuan, ZHOU Jian. Numerical simulation of sand deformation under monotonic loading and mesomechanical analysis[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(12): 3199-3204, 3216. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1000-7598.2008.12.004
  • [1] 吴冰, 张桂荣, 池诚, 孔洋, 李登华, 丁勇.  降雨作用下砂土河道岸坡稳定试验研究 . 水利水运工程学报, 2023, (): 1-11. doi: 10.12170/20220322003
    [2] 南亚林, 郭鸿, 陈栋梁, 陈文涛.  自然氧化弱膨胀土的剪切破坏特征试验研究 . 水利水运工程学报, 2022, (4): 97-105. doi: 10.12170/20210624001
    [3] 王壮, 段志波, 廖新超, 刘一鸣.  考虑转动阻抗作用的砂土模拟直剪试验 . 水利水运工程学报, 2021, (6): 142-151. doi: 10.12170/20210124001
    [4] 刘璐, 胡冰, 季顺迎.  破冰船引航下极地船舶结构冰荷载的离散元分析 . 水利水运工程学报, 2020, (3): 11-18. doi: 10.12170/20200305001
    [5] 杨喜涛, 王建华, 范怡飞.  砂土中钻井船插桩对邻近群桩影响的模型试验 . 水利水运工程学报, 2020, (3): 75-81. doi: 10.12170/20190316001
    [6] 孙豹, 彭刚, 王乾峰, 杨紫辉.  混凝土剪切强度影响因素敏感性分析 . 水利水运工程学报, 2019, (3): 112-118. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.03.014
    [7] 郇久阳, 张志强, 李宁.  含交错节理岩石直剪试验颗粒流模拟 . 水利水运工程学报, 2018, (4): 9-17. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.04.002
    [8] 高维杰, 王建华, 田兆丰, 范怡飞.  砂土及黏土场地钻井船插桩对邻近桩的影响 . 水利水运工程学报, 2018, (5): 111-119. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.05.016
    [9] 贾宇, 梁永梅, 汤雷, 李红, 胡良浩.  宏细观振动对选择性热激励效果的影响 . 水利水运工程学报, 2017, (3): 79-85. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.03.011
    [10] 赵联桢, 陈生水, 杨东全, 钟启明, 张宏斌.  冻砂土⁃结构接触面恒温循环剪切性能研究 . 水利水运工程学报, 2016, (1): 93-99.
    [11] 胡骏峰.  击实黏土剪切断裂韧度的试验研究 . 水利水运工程学报, 2015, (4): 56-60.
    [12] 梁越, 储昊, 卢孝志, 曾超.  钢-土界面剪切规律时效性室内试验研究 . 水利水运工程学报, 2015, (1): 28-32.
    [13] 刘成, 杨平, 王海波, 潘晓明.  泥浆侵入土层泥膜状态细观分析与堆积单向性验证 . 水利水运工程学报, 2014, (1): 40-48.
    [14] 杨 俊, 杨 志, 张国栋, 唐云伟, 陈红萍.  不同垂直荷载与剪切速率条件下水泥稳定风化砂直剪试验研究 . 水利水运工程学报, 2014, (3): 77-83.
    [15] 顾培英,邹庆,邓昌,汤雷.  饱和粉砂土中压力分散型锚杆摩阻力试验 . 水利水运工程学报, 2009, (2): -.
    [16] 李苏春,蒋刚,雷秋生.  粘性土剪切带与屈服应力的探讨 . 水利水运工程学报, 2008, (2): -.
    [17] 孙元元.  非恒定降雨入渗下砂土和壤土非饱和性状 . 水利水运工程学报, 2007, (1): 61-64.
    [18] 傅华,李国英.  堆石料与基岩面直剪试验 . 水利水运工程学报, 2003, (4): 37-40.
    [19] 陈锦珍,郑国芳.  桩在砂土中承受水平荷载的模型试验研究 . 水利水运工程学报, 1983, (2): -.
    [20] 沈珠江,王仁钟.  反复荷载作用下砂土变形的平均过程理论 . 水利水运工程学报, 1980, (4): -.
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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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