长期循环荷载下砂土变形与破坏的试验及细观数值模拟研究

研究砂性土在长期低频循环荷载作用下的受力变形特性对指导公路、地铁、海洋工程等地基工程实践具有现实意义，对丰富砂性土力学理论具有科学意义。本项目研究采用室内试验、离散元数值模拟与理论分析相结合的方法，1.通过室内三轴试验，研究松散与中密砂性土①在长期稳定荷载作用下的蠕变特征与强度发展规律；②在长期低频循环荷载作用下（排水条件）的变形发展特征，包括不同循环荷载特征的影响；③在长期循环荷载作用下干砂与饱和砂性土受力变形性状之异同；2.基于粒子接触滑移速率理论，引入和改进Kuhn等人的颗粒单元接触蠕变本构模型，通过离散元法数值模拟，探索砂性土在循环荷载作用下的细观结构变化特征与传力机理；3.通过理论分析，从宏观和细观角度明晰砂性土地基在长期稳定荷载和低频循环荷载作用下的变形和强度发展特征，建立砂土变形发展和强度随应力和时间的变化规律，提出材料参数的合理取值方法。为砂土地基工程实践提供理论依据。

循环荷载是典型的地基荷载条件之一，如高速铁路地基的循环振动，地铁车站及沿线受地铁运行影响产生地基往复加载，海洋工程和近海风电地基受波浪及风机运行影响形成的循环荷载作用，等等， 而且这些循环荷载的影响具有长期性。砂性土是其中一种典型的地基情况，尤其在江河流域以及江河入海口地区，砂性土地基广泛分布。本项目研究针对砂性土地基在长期循环荷载作用下的受力变形性状及破坏机理进行了研究，可为指导砂土地基的工程实践提供科学参考。.本项目采用室内土工试验与离散元数值模拟相结合的方法对砂土的蠕变特性和循环加载特征进行分析研究。探索砂土累积变形发展随应力和时间的变化关系。.通过室内三轴试验与分析表明：①尽管饱和砂与干砂的蠕变量值有一定差别，但是两者的规律基本一致；试样的蠕变量远大于试样加载过程的应变，且随着偏应力水平的提高，砂土的轴向和径向蠕变量将增大，但是体变增量并不明显，说明在纯剪切条件下，试样的应变以形变为主；②在相同的均应力水平下，循环偏应力幅值越大，试样的平均累积蠕变量越大，且蠕变速率也加快，说明较大的偏应力幅值长期循环影响会导致砂样的破坏，这对受长期循环荷载影响的地基的强度提出了更高的要求；③对饱和砂土地基，当循环加载周期较长时，试样变形发展显著，应以变形控制来确定砂土地基的强度；而在循环加载周期较短时，试样中的孔压累积上升较快，试样的破坏有明显的液化特征；循环周期的长短应以试样的渗透性大小来判定，当循环加载过程中试样能充分排水时，可以认为加载周期较长；④对比干砂与饱和砂的试验可以看出，干砂破坏时有明显的剪切带，而饱和砂在三轴剪切中的破坏特征为鼓形破坏。.通过二维离散元数值模拟与分析表明：①砂土的细观组构可以用配位数、组构张量、接触网络和接触力网络进行分析，其中组构张量可以对砂土组构特征进行定量描述，便于分析砂土在循环剪切条件下的变形机理； ②通过分析砂土组构偏量在循环剪切条件下的变化特征可以了解砂土各向异性的演化，砂土的强度和变形与砂土的各向异性是相关联的。.从试验与数值模拟的结果可以看出，砂样在不同应力路径下的变形与强度特征是与砂样组构的演化密切相关的。我们对基于组构张量分析的各向异性定量方法进行了一些改进尝试，发现分离颗粒接触力链，可以获得更合理的各向异性指标。我们称这种分离出来的接触力链张量为结构张量。