砂土强度与剪胀性的颗粒力学分析.pdf

27 卷 4 期 Vol.27 No.4 工 程 力 学 2010 年 4 月 Apr. 2010 ENGINEERING MECHANICS 95 文章编号：1000-4750(2010)04-0095-10 砂土强度和剪胀性的颗粒力学分析 * 常 在，杨 军，程晓辉 (清华大学土木工程系，清华大学结构工程与振动教育部重点实验室，北京100084) 摘 要：砂土强度和剪胀性一直是土力学强度和变形研究的难点和重点，对其进一步认识的关键 决于对砂土颗 粒状微观结构的洞察。砂土的颗粒性和散碎性使其适合采用颗粒力学来研究。该文从颗粒力学角度出发，利用平 面离散元模拟砂土变形，建立并标定了砂土单元实验的一个颗粒力学模型。在此基础上，通过颗粒力学参数影响 分析，研究了砂土无侧限双轴试验的三种表观强度指标(临界状态强度 峰值强度和特征应力强度) 剪胀性及剪 切模量的颗粒力学影响因素。研究结果表明：砂土临界状态强度仅受砂土颗粒摩擦系数的影响，是材料属性，符 合临界状态土力学理论；砂土峰值强度和特征应力强度不但与砂土颗粒摩擦系数相关， 与围压水平和相对密实 度有关。峰值强度不受砂土颗粒自身刚度性质的影响，而特征应力强度受颗粒刚度性质的影响较大，但后者的影 响规律不是简单的正比或反比的关系。砂土剪切模量主要受其颗粒自身刚度性质的影响，就目前研究来看，它与 砂土相对密实度的关系并不显著。用颗粒力学方法对剪胀性的深入研究比较困难，主要是因为诸多颗粒力学参数 (砂土颗粒摩擦系数和刚度 砂土样品的孔隙率及围压水平)均与之相关。该文尝试研究了砂土剪胀性与其颗粒转 角的关系。最后，用该文标定的颗粒力学模型，研究了无重地基极限承载力普朗德尔-瑞斯纳问题，通过颗粒力学 计算结果与普朗德尔-瑞斯纳解的对比，深化了对砂土地基极限承载力的理解，也为计算颗粒力学方法在岩土工程 尺度上的应用提供了参考。 关键词：无侧限双轴试验；颗粒力学；离散元方法；砂土；强度；剪胀性 中图分类号：TU441 文献标识码：A GRANULAR MECHANICAL ANALYSIS OF THE STRENGTH AND DILATANCY OF SANDS * CHANG Zai , YANG Jun , CHENG Xiao-hui (Key Laboratory of Structure Engineering and Vibration of China Education Ministry, Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: The strength and dilatancy of sands are continuously the research focus of soil mechanics. Further understanding of these mechanical properties depends on the insight view of the granular fabric of sands. The granular and discrete properties of materials make sands feasible to be studied by granular mechanics. Three strength indices including