【摘要】：土工室內(nèi)試驗(yàn)和原位測定是巖土工程和地質(zhì)工程中的重要內(nèi)容之一。隨著巖土工程測試技術(shù)的發(fā)展,人們逐漸認(rèn)識到獲得不擾動或較少擾動土樣進(jìn)行常規(guī)室內(nèi)試驗(yàn)是非常困難的,這促使相關(guān)學(xué)者研制新型原位測試儀器以排除取樣時的擾動作用。新型自鉆式原位剪切旁壓試驗(yàn)(Self-boring In-situ Shear Pressuremeter)是綜合了測定變形模量的原位旁壓試驗(yàn),與測定抗剪強(qiáng)度的直剪試驗(yàn)的一種組合試驗(yàn)方法。與之前的試驗(yàn)方法相比,它可以同時直接測出土的變形與抗剪強(qiáng)度參數(shù),具有傳統(tǒng)測試方法無法比擬的優(yōu)勢。SBISP能夠自鉆式掘進(jìn)成孔,盡可能的減少了對周圍土體的擾動；無需采樣、制樣就可以得到原位土體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,節(jié)省大量時間；特別適合于難采樣、易擾動、強(qiáng)度低的土層,如砂土、淤泥質(zhì)土的強(qiáng)度試驗(yàn)。從微觀角度看,易擾動土的變形和破壞主要是由于各個土顆粒的平移和轉(zhuǎn)動以及顆粒之間的相互作用所引起的,是細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化所表現(xiàn)出來的宏觀現(xiàn)象；因此,研究試驗(yàn)過程中土顆粒在探頭作用下的變形響應(yīng)具有重要意義。然而SBISP試驗(yàn)采用多級加載方式,測定器與周圍土體的受力變形機(jī)理復(fù)雜,采用傳統(tǒng)室內(nèi)試驗(yàn)方法較難進(jìn)行研究。 本文通過引入三維顆粒流(Particle Flow Code in three Dimensions)理論,并開發(fā)顆粒流數(shù)值模擬技術(shù)�；赟BISP室內(nèi)模型驗(yàn)證試驗(yàn),建立自鉆式原位剪切旁壓試驗(yàn)PFC3D數(shù)值模型。通過一系列顆粒流數(shù)值試驗(yàn),對多級加載過程中SBISP測定器周圍土體的變形機(jī)制進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。主要內(nèi)容包括： 1.SBISP數(shù)值試樣位移場演化研究。顆粒流數(shù)值試驗(yàn)中,應(yīng)力的施加對顆粒位移影響呈現(xiàn)分區(qū)化特征：中間區(qū)域細(xì)顆粒受影響較顯著,而外圍大顆�；緹o影響；隨著剪應(yīng)力的增加中間區(qū)域顆粒的位移量明顯增大,且逐漸呈現(xiàn)一致向上的方向性,至第5級剪應(yīng)力作用時,測定器外圍影響域內(nèi)顆粒位移矢量呈“倒錐形”形態(tài)。隨著上覆固結(jié)壓力的增大,測定器周圍球顆粒的位移量減小,其影響范圍也相應(yīng)變小,但影響范圍主要位于測定器的高度范圍內(nèi)。在同一級應(yīng)力作用下,試樣半徑越大影響范圍反而小。 2.SBISP數(shù)值試樣中顆粒運(yùn)動軌跡研究。在10倍于測定器半徑試樣中,測定器周圍附近球顆粒的運(yùn)動軌跡呈臺階狀展布,中部區(qū)域土顆粒運(yùn)動軌跡可分為三個特征區(qū)；球顆粒的Z向和XY向位移量成負(fù)指數(shù)形式衰減,其中Z向位移量衰減速率更快。 3.SBISP數(shù)值試樣中應(yīng)力場研究。隨著多級應(yīng)力的逐級施加,測定器周圍土體內(nèi)徑向應(yīng)力豎向應(yīng)力逐步增大。徑向應(yīng)力在測定器兩側(cè)附近,沿著測定器高度方向上近似對稱出現(xiàn)了數(shù)個應(yīng)力集中區(qū)—“應(yīng)力核”。同時,豎向應(yīng)力在測定器兩側(cè)附近形成了扁平狀的應(yīng)力集中帶,且在測定器頂端因膨脹而形成的肩部產(chǎn)生了較高應(yīng)力區(qū)。在同一級應(yīng)力作用下,試樣半徑越小,土體徑向應(yīng)力和豎向應(yīng)力越大。 4.不同粒徑球形顆粒進(jìn)行SBISP試驗(yàn)研究。分析了不同粒徑球形顆粒對抗剪強(qiáng)度、顆粒位移、顆粒接觸性質(zhì)的影響規(guī)律： (1)當(dāng)粒徑為2～3.2mm和3～4.2mm兩種情況時,在同一級徑向應(yīng)力作用下,隨著粒徑的增大,剪切應(yīng)力峰值也增大；同一徑向應(yīng)力下,兩試樣的內(nèi)摩擦角φ值基本不變—兩條徑向應(yīng)力-剪切應(yīng)力曲線基本上是平行的。但當(dāng)顆粒粒徑增大到4～5.2mm和5～6mm時,就不再適合上述趨勢,說明砂顆粒越大,其強(qiáng)度隨意性越大,試樣強(qiáng)度需進(jìn)行專門研究。且在同一級徑向應(yīng)力作用下,隨著顆粒半徑的增大,測定器半徑趨于不斷增大。 (2)輸出了各級剪切應(yīng)力作用下試樣中的最大位移量。發(fā)現(xiàn)在同一粒徑數(shù)值試樣中,隨著剪切應(yīng)力的逐級施加,試樣中最大位移量不斷增大。在同一級剪切應(yīng)力作用下,試樣的最大位移量隨著顆粒粒徑的增大不斷的增大。另外,監(jiān)測了不同粒徑數(shù)值試樣中距測定器不同距離處顆粒的Z向位移量變化；發(fā)現(xiàn)在距測定器距離小于約50mm時,隨著試樣顆粒粒徑的增大,Z向位移量哀減速率較快；在大于約50mm時逐漸趨于平穩(wěn)。 (3)在100kPa上覆壓力作用下,施加完各級應(yīng)力之后,提取了中部試樣中各接觸的性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)在同一粒徑球形顆粒試樣中,隨著應(yīng)力的逐級施加,其總接觸數(shù)趨向于逐漸變少。對比同一級徑向應(yīng)力和剪切應(yīng)力接觸數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn),施加徑向應(yīng)力后的有效接觸數(shù)均大于施加剪切應(yīng)力后的有效接觸數(shù),而施加徑向應(yīng)力后的無效接觸數(shù)均小于施加剪切應(yīng)力后的無效接觸數(shù)。這說明施加徑向應(yīng)力使試樣中的顆粒壓密在一起,相互之間的接觸增多；而施加剪切應(yīng)力時顆粒隨著測定器向上移動,顆粒之間又發(fā)生了相互脫離。隨著各級應(yīng)力的施加,同一試樣中顆粒之間的平均接觸力是不斷增大的,最大接觸力整體呈增大趨勢。 在同一級應(yīng)力作用下,隨著試樣粒徑的增加,由于顆粒數(shù)量減少,其接觸數(shù)都是不斷減小的；但其平均接觸力和最大接觸力卻不斷增大。反映出接觸的數(shù)量越多試樣中的應(yīng)力分布越均勻。 5.不同形狀顆粒試樣SBISP數(shù)值試驗(yàn)研究。得到結(jié)論如下： (1)隨著類圓柱體顆粒含量的增多,數(shù)值試樣的內(nèi)摩擦角φ逐漸增大,且內(nèi)摩擦角增大幅度隨著徑向應(yīng)力的增大而增大。 (2)在均為類圓柱體顆粒試樣的數(shù)值試驗(yàn)中,隨著剪切應(yīng)力的逐級施加,在測定器的帶動下,顆粒長軸偏豎直方向的顆粒數(shù)量不斷增加,這反映出SBISP試驗(yàn)加載過程中砂顆粒運(yùn)動不僅有平動,而且還發(fā)生了轉(zhuǎn)動。 (3)通過數(shù)值試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三種多棱角顆粒試樣的抗剪強(qiáng)度值均大于圓形顆粒試樣。在同一級應(yīng)力作用下,多棱角顆粒試樣中顆粒的最大位移量均小于球形顆粒試樣中的最大位移量；類圓柱體試樣的最大位移量大于類六面體試樣。這說明多棱角狀顆粒之間的互相咬合·作用限制了顆粒的移動。 (4)本研究中所建的三種棱角顆粒試樣,隨著顆粒棱角的增多,試樣中的接觸是不斷增多的；且隨著接觸的增多,平均接觸力和最大接觸力呈減少的趨勢。 6.不同測定器長徑比對SBISP數(shù)值試驗(yàn)影響研究。在SBISP數(shù)值試驗(yàn)中,隨著長徑比L/D的增大,數(shù)值試樣剪切應(yīng)力峰值-徑向應(yīng)力指數(shù)似合曲線逐漸趨于平緩,當(dāng)L/D大于某一值時,此擬合曲線基本不再發(fā)生變化,表明L/D較小時所得到抗剪強(qiáng)度指標(biāo)φ偏大,并且偏大量隨著徑向應(yīng)力的減小而增加。隨著L/D的增大,周圍土體的變形在測定器高度上近似符合平面應(yīng)變條件。 7.不同長徑比自鉆式旁壓(Self-boring Pressuremeter)數(shù)值試驗(yàn)研究。根據(jù)SBPM測定器長徑比的不同,可把測定器周圍土體受力分為兩種形式：當(dāng)長徑比L/D=6時,位移場和應(yīng)力場分布呈“弧形壁燈籠狀”,測定器周圍土體變形在其高度上不符合平面應(yīng)變軸對稱條件,且L/D=6時的土體應(yīng)力小于后三值(L/D=10、15、20時)；當(dāng)L/D=10、15、20時,則呈“直壁燈籠狀”,此時在測定器高度上應(yīng)力分布比前者均勻,其變形基本符合平面應(yīng)變軸對稱條件,此時隨著L/D的增大土體徑向應(yīng)力逐漸減小。 本文主要創(chuàng)新點(diǎn)包括： 1.運(yùn)用顆粒流程序模擬了SBISP多級加載過程,分析了測定器周圍試樣中位移場、應(yīng)力場和運(yùn)動軌跡等變化情況,揭示了測定器周圍土體的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制。 2.探討了顆粒幾何性質(zhì)對試樣強(qiáng)度、位移場和試樣中接觸性質(zhì)的影響。 3.分析了測定器長徑比對SBISP試驗(yàn)中抗剪強(qiáng)度的影響,及位移場、應(yīng)力場變化情況。
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【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TU43

【參考文獻(xiàn)】

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2 王鍾琦;徐正鶴;尚振峰;劉根生;張嚴(yán);;MIM-1型自鉆式橫壓儀的研制與實(shí)驗(yàn)[J];工程勘察;1983年03期

3 周健,池永;土的工程力學(xué)性質(zhì)的顆粒流模擬[J];固體力學(xué)學(xué)報;2004年04期

4 張亞飛;徐光黎;申艷軍;胡煥忠;;自鉆式原位剪切旁壓模型試驗(yàn)顆粒流模擬[J];工程地質(zhì)學(xué)報;2012年05期

5 Amin Manouchehrian;Mohammad Fatehi Marji;;Numerical analysis of confinement effect on crack propagation mechanism from a flaw in a pre-cracked rock under compression[J];Acta Mechanica Sinica;2012年05期

6 張曉倫;徐光黎;王春艷;;自鉆式旁壓剪切儀及其應(yīng)用于樁基工程的討論[J];路基工程;2008年02期

7 周健;張剛;孔戈;;滲流的顆粒流細(xì)觀模擬[J];水利學(xué)報;2006年01期

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2 史旦達(dá);單調(diào)與循環(huán)加荷條件下砂土力學(xué)性質(zhì)細(xì)觀模擬[D];同濟(jì)大學(xué);2007年

3 郝冬雪;孔擴(kuò)張理論研究及自鉆式旁壓試驗(yàn)數(shù)值分析[D];大連理工大學(xué);2008年

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本文編號：2427341