被动围压条件下砂土动态压缩特性试验研究

张高; 李亮; 姜锡权; 栾贻恒

doi:10.11779/CJGE2021S2044

被动围压条件下砂土动态压缩特性试验研究 English Version

张高^1,,
李亮^1, ,,
姜锡权²,
栾贻恒¹

1.
北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京　100124
2.
合肥姜水动态力学实验技术有限公司,安徽　合肥　230031

详细信息

作者简介:
张高(1996— ),男,硕士。主要从事砂土动力特性试验研究。E-mail：519804084@qq.com

通讯作者:
李亮, E-mail：liliang@bjut.edu.cn

中图分类号: TU43
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出版历程
- 收稿日期: 2021-08-15
- 网络出版日期: 2022-12-05
- 刊出日期: 2021-10-31

Experimental study on dynamic compressive behaviors of sandy soil under passive confining pressures

1.
Key Laboratory of Urban and Security and Disaster Engineering Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
2.
Jiangshui Dynamic Mechanics Experimental Technology Co., Ltd., Hefei 230031, China

摘要

摘要: 应用直径为50 mm的分离式霍普金森压杆（SHPB）试验装置开展了被动围压条件下砂土试样的动态压缩试验,研究了具有不同相对密实度以及不同含水率的试样在中高应变率条件下的动力响应特性,并研究了密实度状态和含水率对砂土试样的动态压缩特性的影响。试验结果表明：①动态压缩条件下砂土的动力响应表现出明显的应变率效应。对于干砂试样,随着应变率的增大其峰值应力呈现出逐渐升高的趋势。对含水的湿砂试样,随着应变率的增大其峰值应力呈现出先升高后降低的趋势。随着应变率的增大,干砂和湿砂试样的峰值应变均呈现先增大后减小的趋势。②砂土试样的密实度状态对其动态压缩特性具有较为显著的影响。随着相对密实度的增大,试样的峰值应力和对应的峰值应变均呈现上升的趋势。③砂土试样的含水率对其动态压缩特性具有一定程度的影响。随着含水率的增大,试样的峰值应力和对应的峰值应变呈现先增大后减小的趋势。存在一个含水率的界限值,在该界限值的两侧峰值应力和峰值应变随含水率的变化呈现不同的趋势。此试验条件下,对于相对密实度为0.9的砂样,该含水率的界限值为6%。
- 砂土 /
- 动态压缩特性 /
- 被动围压 /
- 相对密实度 /
- 含水率
Abstract: The dynamic compressive experiments on sands pecimens under passive confining pressures are carried out using a 50 mm split Hopkinson pressure bar. The dynamic response behaviors of sands with different relative densities and water content at medium high strain rates are investigated. The effects of the relative density and water content on the dynamic compressive behaviors of sand are also studied. It is indicated by the test results that: (1) The dynamic response of sands under the dynamic compressive action shows obvious strain rate effect. The peak stress of dry sand increases with the increase of strain rate, and the peak stress of wet sand first increases and then decreases with the increase of strain rate. The peak strain of dry and wet sands first increase and then decrease with the increase of strain rate. (2) The density of sand has an important effect on its dynamic compressive behaviors. The peak stress and peak strain of sand increase with the increase of relative density. (3) The water content of sand can impact its dynamic compressive properties in a certain extent. The peak stress and strain first increase and then decrease with the increase of water content. There is a dividing water content and the varying trend of the peak stress and strain are different when the water content is larger or less than the dividing water content. For the tests performed in the current study, the dividing water content is 6% for the sand specimens with the relative density of 0.9.
- sand /
- dynamic compressive behavior /
- passive confining pressure /
- relative density /
- water content

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0.   引言

土的渗透特性是土重要的工程性质之一,影响着土木工程的施工。目前无黏性土渗透特性的试验研究,多是采用竖向圆柱体模型槽进行,试验中土体受到的水流的作用方向是由下至上的竖直方向,而对于土体承受水平向渗流时土体渗透特性的研究不多^[1],渗流方向对土体渗流变形特性的研究还尚未给予足够重视。对土渗流的研究表明,实际施工中渗流的优势方向往往是水平方向,通常土体水平向的渗透性大于竖向,而抵抗水平向渗透破坏的能力低于抵抗竖向渗透破坏的能力^[2-6]。

本文针对粉砂竖向和水平向渗透特性研究存有的不足,利用自主设计的实验装置,对粉砂开展竖向和水平向渗流试验,对比分析了两种不同方向渗流场下粉砂的渗透特性。基于室内模拟试验,建立三维离散元与计算流体力学耦合的细观力学模型,对粉砂在竖向和水平向的渗流情况进行分析和计算。通过数值计算结果,对竖向和水平向渗流作用下的粉砂内部接触力、渗流速度及流场的分布规律进行细观分析,将数值模拟与室内试验的结果进行分析、比较。

1.   不同渗流方向下粉砂渗透变形室内试验模拟

1.1   试验仪器和方法

（1）试验仪器

粉砂的竖向渗透变形试验借助实验室自主设计的圆柱形渗流试验仪进行,该装置示意图如图1所示。粉砂水平向渗流渗透变形特性的研究是在自主设计的水平渗流试验装置中进行的,见图2。模型由进水系统,装样区及排水系统3个主要部分组成。进水系统可以通过对进水水头高度的调节自由选择水头加载高度。

图 1 圆柱形渗流试验仪示意图

Figure 1. Schematic diagram of instrument for cylindrical seepage tests

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图 2 粉砂水平向渗流试验研究模型示意图

Figure 2. Schematic of model for horizontal seepage tests

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（2）试验方法及步骤

粉砂烘干并分层装样。称样烘干24 g取出装样,每10 cm分为一层进行装样；排气饱和。装样完成,分次提升水箱供水高度对试验土样进行饱和,最后一次使水头抬升至与试样顶端齐平,静置24 h；逐级调整水头进行试验。逐级抬升水头高度,对测压管水头高度读数并记录,同时量测渗流量大小,记录试验进程中的渗流现象,直至该级渗流稳定,转入下一级水头；当试验过程中,流量忽然增大,并出现明显的渗流通道,可以认定为试样发生渗透破坏,不再继续加大水头高度,试验完成。

1.2   粉砂竖向和水平向渗流试验结果分析

对粉砂在竖向渗流下的渗透流速受水力梯度影响下的变化规律进行研究,得到渗流速度随水力梯度变化的关系曲线,如图3所示。对粉砂在水平向渗流作用下的临界水力梯度进行研究,结果如图4所示。

图 3 竖向渗流下渗流速度随水力梯度变化曲线

Figure 3. Relationship between seepage velocity and vertical hydraulic gradient

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图 4 水平向渗流下渗流速度随水力梯度变化曲线

Figure 4. Relationship between seepage velocity and critical hydraulic gradient

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由图3得到,在水力梯度 $i$ $i$ <0.787时,渗流速度随水力梯度呈近似线性的变化,此时土样处于渗流稳定阶段；当水力梯度为1.1时,渗流速度忽然增大,粉砂颗粒流失量也徒增,此时土体发生渗透变形。图4粉砂在水平向渗流下的变化规律显示：水力梯度小于0.45时,粉砂土渗透流速随着水力梯度的增大呈线性增长,水流清澈,粉砂流出较少。当水力梯度增至0.52时,试样整体的流速瞬间增大,粉砂流出量明显增多且呈持续流失状态,此时粉砂土样内部颗粒运移不再规律,试样开始发生渗透破坏。

表1给出粉砂在两种渗流方向下的渗透系数、临界坡降与破坏坡降。粉砂在竖向渗流时的临界水力梯度为0.787,破坏水力梯度为1.10；而水平向渗流中,所能承受的临界水力梯度为0.45。在影响因素诸如种类、级配、密度、孔隙大小等相同的前提下,粉砂竖向渗流的临界水力梯度比水平向高出近44%。由于土体在受到水平向渗流时,平均渗透系数取决于最透水土层的厚度和渗透性；而对于竖向渗流,其平均渗透系数取决于最不透水土层的渗透性。加之,竖向渗流中重力作用与渗流方向一致,会产生对土层的压密作用,使得该渗流方向下的渗透系数小于水平向,而土体能够承受的水头高于水平向的渗流。

表 1 不同渗流方向下粉砂渗透系数、临界坡降和破坏坡降

Table 1. Datat of permeability coeffieient of silt, critical slope and failure slope under different seepage directions

渗流方向渗透系数/(10^-4 cm·s^-1) 临界水力梯度破坏水力梯度

竖向 6.13 0.787 1.10
水平 6.25 0.450 0.52

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2.   不同渗流方向下粉砂渗透变形颗粒流模拟

对于固相颗粒,通过求解运动和动量方程模拟颗粒运动,采用离散元的颗粒流理论进行模拟；对于液相介质,采用均一化流体计算技术模拟其在孔隙中的运动,也就是通过求解平均Navier-Stokes方程模拟孔隙中流体的运动^[7-9]。

2.1   数值模型

对粉砂土不同向渗流形态的模拟中,边界条件的界定也略有不同。竖向渗流下,颗粒周边的边界为固壁边界条件,上下为压力边界条件。水平向渗流下,模型的前后和上下边界为固壁边界条件,左右设置为压力边界条件和自由边界条件。生成的土体模型如图5所示。

图 5 PFC^3D颗粒模型及网格划分示意图

Figure 5. PFC^3D particle model and mesh generation

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对于竖向的渗流,按照试验中模型,上覆为自由边界,没有压重。对于水平向的渗流,试样在重力和浮力作用下保持平衡,当作用渗流力后,土中小颗粒将从模型右侧流出,因此在试样右侧设置了相互交叉垂直的线墙,如图6所示。

图 6 线墙示意图

Figure 6. Schematic of line wall

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2.2   数值计算流程

采用PFC^3D对流固耦合问题进行计算流程如图7所示。

图 7 PFC^3D流固耦合计算流程示意图

Figure 7. Flow chart of PFC^3D flow-solid coupling calculation

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2.3   数值模拟结果

（1）粉砂土竖向和水平向渗流下渗透变形情况

a）粉砂竖向渗流下的渗透变形情况

图8给出了粉砂在竖向渗流作用下,土样随水力梯度的变化情况。

图 8 竖向渗流下粉砂土随水力梯度变化情况

Figure 8. Variation of silty sand with gradient under vertical seepage

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水力梯度从0.1,0.2,0.3,...,逐级增加,水力梯度施加至0.7时,粉砂几乎无变化；当水力梯度增至0.8时,土样出现从底部被整体抬升的趋势,发生少量细小颗粒流失的现象；水力梯度继续增至1.0时,土体发生了整体的抬升,土体表面颗粒簇发生整体迁移的现象。模拟结果表明,试样的临界水力梯度在0.8左右。

b）粉砂水平向渗流下的渗透变形情况

粉砂土的水平向渗流中水力梯度也是由0.1,0.2,0.3依次逐级抬升,图9给出了粉砂土在水平向渗流下试样随水力梯度变化的情况。

图 9 水平向渗流下粉砂土随水力梯度变化情况

Figure 9. Variation of silt with gradient under horizontal seepage

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从图9中可以看出,当水力梯度增至0.3时,试样底部细小颗粒也开始发生迁移,水力梯度继续增大至0.4,此时试样发生颗粒成团的流失,土体发生了渗透变形。水力梯度加载至0.5时,土体颗粒发生了更加显著的整体性渗流破坏。根据模拟结果,得到粉砂土水平向渗流的临界水力梯度在0.4左右。

（2）粉砂土竖向和水平向渗流下配位数变化情况分析

土体的配位数表示了颗粒间的接触数,是表达土颗粒间接触情况的参数之一,总配位数是颗粒与颗粒之间以及颗粒与墙之间的平均接触数,反映出试样的压密程度；力学配位数为颗粒与颗粒之间接触数大于2时的颗粒接触数,反映额土骨架的压密程度。图10,11给出了粉砂土在竖向和水平向渗流作用下,配位数随水力梯度的变化情况。

图 10 竖向渗流下粉砂配位数随水力梯度变化

Figure 10. Variation of coordination number with gradient under vertical seepage

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图 11 水平向渗流粉砂配位数随水力梯度变化

Figure 11. Variation of coordination number with gradient under horizontal seepage

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图10,11可以看出,当竖向渗流的水力梯度为0.8,水平向渗流水力梯度为0.4时,土体的两个配位数都发生迅速的下降,说明此时的土体状态发生了较大的变化,即渗透变形发生。图中,总配位数和力学配位数都在随着水力梯度的增大而不断降低,总的配位数较力学配位数下降更快速,幅度也更大。这是由于水力梯度增大,颗粒发生了移动,颗粒的接触数减小,但在水力梯度增加至土体渗透变形前的整个过程中,总配位数下降幅度明显大于力学配位数,说明发生移动的多为小颗粒,小颗粒的运移使土体中接触数减少,随之小颗粒填充至骨架颗粒孔隙间,与大颗粒发生接触,保持了力学配位数的大小。

3.   结论

（1）粉砂在水平向能承受的渗流破坏作用一般低于竖向渗流。

（2）数值模拟结果与模拟试验过程中粉砂的渗流变化过程相符,数值方法所测得的临界水力梯度与试验测得的结果亦较为吻合。

（3）竖向和水平向渗流下,粉砂的总配位数和力学配位数均随着水力梯度的抬升而衰减,当土体发生渗透破坏,土体配位数出现迅速降低。

图 1 SHPB装置组成示意图

Figure 1. Components of SHPB device

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图 2 装样套筒及附属垫块和底座

Figure 2. Sampling sleeve and bearing block and base

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图 3 装样步骤

Figure 3. Steps of specimen fixing

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图 4 不同应变率条件下砂样应力-应变曲线对比

Figure 4. Comparison of stress-strain curves of sand specimens at different strain rates

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图 5 不同相对密实度的砂样动力响应随应变率的变化

Figure 5. Dynamic response vs. strain rate for sand specimens with different relative densities

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图 6 不同应变率条件下砂样动力响应随含水率的变化

Figure 6. Dynamic response vs. water content for sand specimens at different strain rates

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表 1 试验砂样的物理参数

Table 1 Physical parameters of test sand specimens

G_s	$ρ_{dmax}$ $ρ_{dmax}$ /(g·cm^-3)	$ρ_{dmin}$ $ρ_{dmin}$ /(g·cm^-3)	d₅₀/mm
2.6	1.755	1.600	1.4
注：G_s为相对质量密度, $ρ_{dmax}$ $ρ_{dmax}$ 为最大干密度, $ρ_{dmin}$ $ρ_{dmin}$ 为最小干密度,d₅₀为中值粒径。

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表 2 试验加载工况

Table 2 Loading cases of tests

组号	含水率w/%	相对密实度D_r	冲击速度v/(m·s^-1)
1组	0	0.1	6、7,9,11,12.5
		0.5
		0.9
2组	2,4,6,8,10	0.9	6,7,9,11,12.5

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参考文献(9)

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施引文献(6)

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