双层土层间界面变形及力学特性研究

摘要

经过漫长地质年代的沉积与构造作用，天然地基与边坡是成层土所组成的具有各向异性与非均质性的土体。土层力学特性受到综合因素的影响，其中土层界面的接触与摩擦效应是一个重要影响因素。软弱、不连续的土层界面，影响地基与边坡的荷载传递与位移变形，例如《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）中体现上覆硬壳层双层土的应力扩散对地基承载力的影响。室内试验尺度的双层土界面力学特性与变形规律的研究是工程尺度的土层变形与破坏的研究基础。本文以“上硬下软”双层土为研究对象，比选合适的试验方案，采用自行设计的室内大尺寸直剪试验装置，结合粒子图像测速技术（PIV），运用PFC2D软件建立颗粒流模型，对双层土的宏观剪切强度、剪切界面变形规律与细观的应力分布和颗粒位移进行了研究。
　　（1）界面接触力学问题多采用直剪试验进行研究，建立 PFC2D的颗粒流剪切模型对比不同剪切形式、剪切尺寸与剪切位移的设定对剪切变形与受力的影响。在保持剪切面面积恒定时，界面受力更加均匀。对比不同尺寸剪切模型的剪应力-位移曲线与界面颗粒速度矢量分布，发现400 mm×200 mm为最优剪切尺寸，长高比设定大于等于2消除边界效应，35 mm剪切位移范围内能够达到剪应力峰值。
　　（2）将界面形态、预压应力、上下土层刚度比作为室内大尺寸直剪试验的变量进行试验与分析。界面形态分为平面状、2.5 cm锯齿状和5 cm锯齿状；复杂的界面形态增加双层土的抗剪强度，锯齿整体变形却不会被剪断。以100 kPa、200 kPa的正应力预压已装配好的土样；对比未预压试样，预压试样剪切硬化阶段加长，界面胶结增强并呈现起伏状。刚度比取值为3.98、5.36和6.42；大刚度比双层土界面胶结作用增强，双层土剪切内摩擦角随刚度比增加而增大。受到上下不同土层性质的影响，双层土界面剪切的抗剪强度参数和变形规律与单一土层剪切有明显差异。利用PIV分析土层的剪切变形规律，发现上层土接近界面处位移较大且为起伏状，体积竖向总体压缩。增加预压应力和减小刚度比都会增加界面处上部土体的水平位移。与剪切初期相比较，剪切后期上层土水平变形速率减小。
　　（3）在对颗粒模型细观参数摩擦系数μ、接触连接模型法向强度n_bond和颗粒接触法向刚度 kn标定的基础上，对照室内试验，采用 PFC2D软件进行颗粒流数值大尺寸直剪试验。分析剪应力-剪切位移曲线和抗剪强度参数，颗粒流模型剪切能够反映出强度软化现象，当界面为锯齿状时，在剪切后期才能达到峰值。界面摩擦系数增加，会使界面胶结程度增强。在PFC2D剪切模型上划分彩色条带区域，分析剪切过程中土样的变形规律，与PIV分析得到的规律一致。增加上下土层的刚度比和界面摩擦都能够减小剪切破坏带的宽度。双层土剪切颗粒间接触力贯穿剪切面传递，并且在土样两侧土盒接触区域集中。增强界面胶结，在界面处出现平行于剪切面的柱状定向力链。利用20个界面测量圆监测剪切过程界面颗粒接触数目与连接破坏率等细观组构的量值变化，发现增大界面摩擦能够增加界面颗粒接触，同时连接破坏率会下降，界面整体强度增加。测量圆监测接触界面法向应力，其在剪切初始状态平均分布；随着剪切过程发展，界面法向应力先增加后减少且在界面右部集中。

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变量注释表

1 绪论

1.1研究背景（Research Background）

1.2国内外研究现状（Research Status）

1.3研究的内容和方法（Research Contents and Methods）

1.4研究技术路线（Research Technical Route）

2 双层土力学特性与颗粒细观分析的理论基础

2.1Burmister双层土应力分布与变形计算理论（Stress Distribution and Deformation Theory of Burmister Double-Layer soil）

2.2土层抗剪强度理论（Shear Strength Theory of Soil）

2.3土体细观颗粒接触理论（Micromechanical Particle Contact Theory of Soil）

2.4 本章小结（Summary）

3 土层界面剪切试验设计

3.1颗粒流求解的步骤（Solving Procedure of PFC2D）

3.2颗粒流建模的思路与设计（Method and Design of PFC2D Modeling）

3.3双层土应力分布颗粒流模拟初步结果（Preliminary Results of Double-Layer Soil Stress Sistribution Simulated by PFC2D）

3.4双层土剪切试验模型的选择（Model Selection of Double-Layer Shear Tests）

3.5双层土剪切试验装置设计（Device Design of Double-Layer Soil Shear Test）

3.6 本章小结（Summary）

4 双层土剪切试验与结果分析

4.1试验准备（Test Preparation）

4.2试验步骤（Test Procedures）

4.3土层直剪试验的结果分析（Result Analysis of Soil Shear Tests）

4.4 本章小结（Summary）

5 土层剪切受力与变形的细观分析

5.1颗粒流模型参数的标定（Parameter Calibration of PFC2D Models）

5.2颗粒流模型剪切试验（PFC2D Shear Tests）

5.3剪切试验结果分析（Results Analysis of Shear Tests）

5.4 本章小结（Summary）

6 结论与展望

6.1 结论（Conclusions）

6.2 展望（Prospects）

参考文献

作者简历

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