費 康,聞 瑋,張永強

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098; 2. 揚州大學巖土工程研究所,江蘇 揚州 225127)

摻礫黏土動力特性研究進展

費 康1,2,聞 瑋2,張永強2

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098; 2. 揚州大學巖土工程研究所,江蘇 揚州 225127)

綜述了摻礫黏土動力特性的研究現(xiàn)狀,分析了動剪切模量、阻尼比和動強度的影響因素,提出研究摻礫黏土的動力特性需要考慮材料的細觀結(jié)構(gòu)特征,總結(jié)了考慮材料細觀結(jié)構(gòu)特征的數(shù)值方法及分析理論。指出今后需要在摻礫黏土的細觀結(jié)構(gòu)特征及其影響因素、細觀結(jié)構(gòu)對材料宏觀動力性能的影響機理和基于顆粒增強復合材料理論的細觀力學模型等方面作重點研究。

摻礫黏土;動力特性;動剪切模量;阻尼比;動強度;細觀結(jié)構(gòu);綜述

土質(zhì)心墻堆石壩投資省、施工簡單,對復雜地形、地質(zhì)條件的適應性好,是目前世界各國高壩建設采用的主流壩型[1]。我國目前已建成和正在施工或設計的150 m以上的土石壩有20多座,其中300 m量級的壩都是心墻堆石壩,如314 m的雙江口大壩,295 m的兩河口大壩,261.5 m的糯扎渡大壩。隨著壩高的增加,心墻材料將承受更大的應力,單純采用黏性土作為心墻防滲土料將無法滿足強度和壓縮性的要求,因此高心墻堆石壩中一般采用摻礫黏土作為防滲材料,以提高心墻材料的強度和剛度。由于我國的高心墻堆石壩大都處于高地震烈度區(qū),為了評價抗震安全性,必須對摻礫黏土心墻料的動力特性有深入的了解。

以往對于摻礫黏土的研究大都集中在防滲特性和靜力特性上,對動力特性及其影響因素的研究很少。這是因為摻礫黏土中存在粒徑較大的粗粒料,進行室內(nèi)動力試驗的難度較大,試驗數(shù)據(jù)少。也有觀點認為摻加粗粒料可提高黏土的強度和剛度,根據(jù)純黏土的動力試驗結(jié)果進行設計將偏于安全保守,這一觀點是否正確尚需進一步論證。就基本構(gòu)成而言,摻礫黏土是一種粗、細顆?；祀s的復合體,研究該類土的動力特性及影響因素,需要從材料的細觀結(jié)構(gòu)入手。本文結(jié)合材料細觀力學分析方法,對摻礫黏土的動力特性研究現(xiàn)狀進行綜述,并在此基礎上提出今后需進一步研究的問題,以為摻礫黏土的研究提供參考。

1 摻礫黏土動力特性的試驗研究及影響因素

在巖土工程動力分析中,出于計算可靠性和便利性的考慮,常用等效線性黏彈性模型來模擬土體[2],分析中所需的基本動力參數(shù)包括動剪切模量、阻尼比、動強度等。

在研究純黏土或純粗粒料的動力特性時[3-5],一般采用哈丁雙曲線模型、Ramberg-Osgood模型等來反映剪切模量隨應變水平的變化,并依據(jù)試驗結(jié)果將最大剪切模量與圍壓、孔隙比或其他土體狀態(tài)指標相聯(lián)系。對于阻尼比,可結(jié)合應力應變骨干曲線和曼辛法則得到應力應變滯回圈,進而得到動剪切模量與阻尼比之間的關系;或者根據(jù)試驗數(shù)據(jù),直接建立阻尼比與影響因素之間的經(jīng)驗關系。對于動強度和動孔壓,常根據(jù)試驗結(jié)果建立反映土體物理性質(zhì)、靜應力、動應力及循環(huán)次數(shù)之間關系的擬合公式。摻礫黏土動力特性研究大都參照了以上思路。

1.1 動剪切模量

Shafiee等[6]對摻雜了粗粒料的高嶺土進行了應變控制動三軸試驗研究,試樣直徑50 mm,高度100 mm,摻加的粗粒料為平均粒徑1.84 mm的砂粒和5.55 mm的礫粒,粗粒料體積分數(shù)控制為0%、20%、40%和60%。試驗結(jié)果表明,最大動剪切模量隨著含礫量的增加而增加,但含礫量較高試樣的剪切模量隨應變水平衰減的速度更快,當動剪切應變達到1.5%之后,材料的剪切模量與純黏土基本一致,與粗粒料含量無關。顆粒粒徑對剪切模量的影響與粗粒料含量和動剪應變水平有關,在粗粒料含量較大(60%)且動剪應變幅值較小(0.15%)的情況下,含礫黏土的剪切模量比含砂黏土大10%～15%,其余情況下兩種混合土模量的差異不明顯。

Meidani等[7]對摻加了不同含量的圓礫和角礫的黏土進行了應變控制動三軸試驗研究,試樣直徑70 mm,高度140 mm,粗粒料平均粒徑7.1 mm。研究結(jié)果表明,礫粒質(zhì)量分數(shù)在44.2%～54.3%之間存在一個臨界值,當含礫量小于該值時,粗粒料懸浮在黏土中,材料的動力特性由黏土控制,剪切模量與含礫量無關;當含礫量超過臨界值后,黏土和粗粒料同時對材料的動力特性起作用,剪切模量隨著含礫量的增加而增加,并且顆粒形狀的影響也開始凸顯,含圓礫黏土的剪切模量要明顯大于含角礫黏土。這是由于相同含礫量下含角礫黏土壓實后的干密度較低、粗粒料之間的黏土壓實程度較差所造成的。對含礫量超過臨界值后的摻礫黏土,Meidani等建議最大剪切模量Gmax可用下式確定:

(1)

(2)

式中:γ為剪應變;α和β為無量綱參數(shù),可分圓礫和角礫兩種情況建立與含礫量的關系。研究表明,由于圓礫與黏土之間更易滑移,因此含圓礫黏土的剪切模量衰減要快于含角礫黏土。當動剪應變水平為0.1%時,兩種材料的動剪切模量比G/Gmax相差約30%。

可見摻礫黏土的動剪切模量與粗粒料含量直接相關,而對黏土-砂混合料的研究也印證了這一點。Yamada等[8]對摻砂黏土進行了低圍壓下的空心扭剪試驗,分析了塑性指數(shù)和含砂量對剪切模量的影響。試樣外徑75 mm,內(nèi)徑35 mm,高度100 mm,所摻砂粒平均粒徑0.9 mm。試驗結(jié)果表明,當含砂量(質(zhì)量分數(shù))小于50%時,混合土的最大剪切模量隨著含砂量的增加略有增加;當含砂量超過50%之后,剪切模量隨含砂量而增加的速度明顯變快,含砂量70%時的最大剪切模量可達純黏土的3倍。這是由于隨著粗粒料含量的增加,其所承擔的應力也有所增加,粗粒料顆粒之間發(fā)生剪切滑移變得困難,低應變下的剪切模量隨之提高；但當剪切應變達到1%之后,粗粒料的影響基本消失,不同含砂量下的剪切模量基本一致,這也就意味著粗粒料含量越大,剪切模量衰減得越快。

研究同時也表明黏性土的塑性指數(shù)對最大剪切模量也有影響[8],但根據(jù)美國的土工試驗標準(ASTM2005)[9],測定塑性指數(shù)時粒徑大于0.425 mm的顆粒將被剔除,這無法反映含砂黏土的真實物理性質(zhì)。為了反映摻加砂粒后土體塑性指數(shù)變化的影響,Yamada等[8]建議用以下公式確定最大剪切模量和模量衰減曲線:

(3)

(4)

Hassanipour等[10]的共振柱試驗結(jié)果則表明含砂黏土(砂粒的平均粒徑約3.5 mm)的最大剪切模量隨含砂量是非單調(diào)變化的。在砂粒的體積分數(shù)小于60%時,最大剪切模量隨著含砂量的增加而增加,超過60%之后,模量又有所降低。這是由于含砂量較小時,材料的孔隙比隨著含砂量的增加而降低,當含砂量較大時,粗粒料骨架中的孔隙未能被黏土完全填充,孔隙比增加,剪切模量下降。綜合考慮孔隙比和圍壓的影響,Hassanipour等[10]建議用下式來確定材料的最大剪切模量:

(5)

式中:e為孔隙比;A為與含砂量有關的參數(shù),當含砂量Sc<60%時,A=1 700Sc+2 000,當60%≤Sc≤80%時,A=-2 000Sc+4 300。

1.2 阻尼比

研究 [7] 表明,在黏土中摻加礫粒后,材料的阻尼比D會有所變化。在含礫量較低的情況下,阻尼比隨含礫量的增加而增加;隨著含礫量提高到某一臨界值后,粗粒料形成相對較穩(wěn)定的骨架,相互滑移變得困難,阻尼比隨之減小,此時礫粒形狀對阻尼比的影響也變得明顯。由于顆粒間滑移更容易,含圓礫黏土的阻尼比要大于含角礫黏土。含礫量和動應變水平越大,這種區(qū)別越明顯,當動剪應變水平為0.1%時,兩種材料的阻尼比相差約20%。Meidani等[7]建議阻尼比可用雙曲正切函數(shù)模擬:

(6)

Yamada等[8]則認為阻尼比隨著粗顆粒含量的增加而單調(diào)增加,但具體的變化規(guī)律與塑性指數(shù)有關:

D=aD(IpR)+bD

(7)

式中aD和bD為試驗擬合參數(shù),與剪應變水平相關,與圍壓無關。

Shafiee等[11]同樣認為阻尼比隨粗粒料含量單調(diào)變化,他們還指出顆粒尺寸對阻尼比也有影響,尤其是在粗粒料含量較高的情況下,阻尼比隨著粗粒料粒徑的增加而增加,增加的幅度在10%～15%之間。由于試驗中粗粒料的體積分數(shù)最大為60%,當粗粒料含量繼續(xù)增加后,阻尼比的變化趨勢是否會出現(xiàn)改變還需要進一步研究。

1.3 動強度

Prakasha等[13]對K0固結(jié)下的含砂海洋黏土進行了應力控制下的常規(guī)尺寸動三軸試驗研究。試驗中的豎向有效應力為200 kPa,考慮了4組動應力水平,6種砂粒質(zhì)量分數(shù),所摻加的砂粒平均粒徑為0.22 mm,曲率系數(shù)為1.0,不均勻系數(shù)為1.88。試驗結(jié)果表明,動應力水平和含砂量越大,振動荷載產(chǎn)生的動孔壓越大,動強度越低。當動剪應力與初始豎向有效應力之比為0.147時,純黏土和含砂量(質(zhì)量分數(shù))為10%、30%、50%的土樣加載80次后的動孔壓分別為15 kPa、24 kPa、40 kPa、65 kPa,含砂量在70%的土樣加載20次后就已液化破壞。

張文舉等[14]對云南東川蔣家溝具有代表性的礫石土寬級配土樣進行了動三軸試驗(大于0.5 mm的顆粒質(zhì)量分數(shù)為57.1%),他們同樣指出混合土有液化的可能,低圍壓下試樣破壞時的孔壓比可超出0.9。相應的破壞動應力比稍高于一般砂性土,但低于黏性土心墻料。

另外一些學者則認為動孔壓或動強度并不隨含砂量的改變而單調(diào)變化。Kuwano等[15]認為當黏粒質(zhì)量分數(shù)超過40%時,摻砂黏土試樣的不排水強度與純黏土的基本一致;Koester[16]的研究結(jié)果則表明細粒料細顆粒質(zhì)量分數(shù)小于20%時,材料的抗液化強度隨著細粒料含量的增加而減小,但當細粒料質(zhì)量分數(shù)超過20%時,抗液化強度轉(zhuǎn)而開始上升;Troncoso[17]比較了小于0.005 mm的細粒料質(zhì)量分數(shù)在0%～30%的砂土的抗液化強度,結(jié)果表明隨著細粒料含量的增加,抗液化強度反而下降,這一結(jié)論與Seed等[18]得到的摻入黏粒將提高材料的抗液化強度的結(jié)論不符,這可能是因為試驗中的控制條件不一樣,Troncoso在研究中將混合土體的全局孔隙比固定為0.85,而Seed等則基于同一標貫擊數(shù)進行評價。這也從側(cè)面反映出材料的動強度特性與其細觀結(jié)構(gòu)有關,全局孔隙比并不能較好地反映粗粒料之間的骨架作用和黏土的壓實程度。

1.4 影響因素分析

綜上所述,摻礫黏土的動力性質(zhì)除了受圍壓、動應力或動應變水平、循環(huán)加載次數(shù)等常規(guī)因素的影響之外,還受摻礫量、粗粒料的顆粒形狀、粒徑大小等因素的影響。這些因素將對摻礫黏土的細觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,從而改變材料的動力性能。

以摻礫量為例,一般認為當粗粒料含量很低時,粗粒料將懸浮在黏土之中,不會起到骨架作用,摻礫黏土整體將呈懸浮-密實結(jié)構(gòu),材料的動力特性接近于純黏土。若含礫量增加到一定程度,粗粒料的顆粒將互相接觸,形成較好的傳力骨架,骨架之間的空隙由黏土填充,摻礫黏土處于相對密實的狀態(tài),整體呈骨架-密實結(jié)構(gòu),動力特性同時受到礫石和黏土的影響。若含礫量進一步增加,細粒料不足以填充粗粒料中的空隙,摻礫黏土呈骨架-空隙結(jié)構(gòu),細粒料可較為輕易地在空隙中移動,基本不參與傳力鏈的組成,動力性質(zhì)主要受到粗粒料的控制。但是需要指出,以上3種細觀結(jié)構(gòu)形式只是假想中的理想狀況,實際上摻礫黏土的細觀結(jié)構(gòu)要復雜得多。例如在粗粒料含量較高的情況下,細顆粒黏土有可能存在于粗粒料的孔隙之中,也有可能處于粗粒料的顆粒之間起到連接顆粒形成傳力鏈的作用(圖1),對粗粒料起到一定的“膠結(jié)、黏滯”作用,此時黏土的壓實程度對材料的動力性能也有較大影響。在粗粒料含量較小的情況下(圖2),如果粗粒料的顆粒相對集聚,粗粒料顆粒之間的骨架作用將對摻礫黏土的動力特性有影響。因而,在研究摻礫黏土的動力特性時,需要較為精細地研究摻礫黏土的細觀結(jié)構(gòu)。

圖1 高含礫量下?lián)降[黏土細觀結(jié)構(gòu)

圖2 低含礫量下?lián)降[黏土細觀結(jié)構(gòu)

此外,研究者在研究粗粒料的動力性能時發(fā)現(xiàn),粗粒料的顆粒粒徑及級配對材料的動力特性也有較大的影響?？讘椌┑萚19]分析了13種不同類型的堆石料動力試驗結(jié)果,并與國內(nèi)外8座堆石壩現(xiàn)場彈性波試驗結(jié)果進行了綜合分析,結(jié)果表明,在孔隙比相等的情況下,不同的試驗級配會導致不同的相對密實度,其對動剪切模量的影響很明顯;Zhang等[20]利用大型扭轉(zhuǎn)共振儀對碎石土的最大剪切模量和模量比、阻尼比變化曲線進行了試驗研究,結(jié)果表明最大剪切模量隨著摻礫粒徑的增大而增大,并定義了一個粒徑分布曲線參數(shù)來反映不同級配的影響;孔憲京等[21]根據(jù)室內(nèi)振動臺試驗結(jié)果,指出剪切模量隨平均粒徑的增大而增加,但粒徑增大到一定值時,其增長率趨于平緩。這些研究都表明粗粒料的顆粒尺寸、形狀和級配主要影響散體顆粒的骨架結(jié)構(gòu),進而影響材料的宏觀動力特性。在摻礫黏土中,這些因素依然會起作用,但影響程度及規(guī)律需要進一步深入研究。

綜上所述,摻礫黏土是一種粗、細顆?；祀s的復合體,研究該類土的動力特性及影響因素,需要從材料的細觀結(jié)構(gòu)入手,尤其是材料中粗粒料的骨架結(jié)構(gòu)特征、粒間孔隙分布特征和細粒料密實程度。

2 摻礫黏土細觀結(jié)構(gòu)特征及數(shù)值分析

2.1 細觀結(jié)構(gòu)模型建立方法

為了建立摻礫黏土動力特性與細觀結(jié)構(gòu)特征之間的聯(lián)系,首先必須合理地建立材料的細觀結(jié)構(gòu)模型。近年來,巖土材料細觀結(jié)構(gòu)模型的建立及分析受到越來越多的重視,其研究方法與研究瀝青混合料類似。從細觀結(jié)構(gòu)模型的建立方法來看,可分為基于球形或規(guī)則多面體的模型建立方法、基于隨機形狀的模型建立方法和基于數(shù)字圖像技術(shù)的模型建立方法3種。這3種方法在實際中均有所應用,如田莉等[22]以球形單元為基本計算單元,用單個小球單元模擬瀝青瑪蹄脂,多個球形單元黏結(jié)在一起形成不同形狀的多面體與混合料中粗集料匹配,從而重構(gòu)瀝青混合料微觀結(jié)構(gòu);丁秀麗等[23-24]按照一定的級配要求,隨機確定碎石塊體的空間位置、大小和形狀等信息,進而建立材料模型并劃分網(wǎng)格;胡遲春等[25]利用CT 斷層掃描技術(shù)對瀝青混合料內(nèi)部集料進行三維重構(gòu), 并通過計算的集料體積信息, 驗證了其模擬混合料內(nèi)部集料級配情況的可行性;Masad等[26]利用CT 斷層掃描技術(shù)定量分析了集料角度、級配和孔隙的分布。

上述3種方法各有優(yōu)缺點,第1種方法最為簡便,但對細觀結(jié)構(gòu)特征模擬的準確度最差;第2種方法從統(tǒng)計規(guī)律上考慮了粗粒料顆粒的形狀及分布所帶來的影響,模擬的可靠度取決于所采取的分布規(guī)律函數(shù);第3種方法模擬的細觀結(jié)構(gòu)更接近于實際情況,常用來與真實試驗結(jié)果進行對比驗證。

摻礫黏土的細觀結(jié)構(gòu)特征研究可借鑒瀝青混合料的研究方法,但須注意到,摻礫黏土中黏土的壓實程度對材料的動力性能也有較大的影響。因此,在進行摻礫黏土細觀結(jié)構(gòu)特征研究時,除了合理重建粗粒料的骨架結(jié)構(gòu)、粒間孔隙分布之外,還需測試評價黏土的壓實程度或孔隙率。

2.2 細觀數(shù)值模擬分析方法

材料的細觀模型建立之后,可采用數(shù)值分析方法對材料宏觀動力性能影響參數(shù)進行敏感性分析,常用的細觀數(shù)值分析方法主要有離散元法和有限元法兩種。

周健等[27]基于顆粒流理論,引入不同的顆粒接觸連接本構(gòu)模型, 通過數(shù)值模擬重現(xiàn)了砂土和黏土平面應變試驗的應力-應變關系,從細觀力學角度對砂土和黏土的工程力學特性作了初步的研究;常曉林等[28]采用三維離散單元法模擬了常規(guī)三軸剪切試驗,對顆粒形狀及粒間摩擦系數(shù)對宏觀力學性能的影響進行了研究;許朝陽等[29]采用顆粒流方法對樁承式路堤填土中的土拱形成和作用機理進行了分析。研究表明,離散元的計算精度很大程度上取決于顆粒法向剛度、切向剛度、摩擦系數(shù)等細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定,實際應用時存在接觸本構(gòu)關系選擇及細觀參數(shù)的標定校核問題。計算程序?qū)︻w粒數(shù)量也有一定的限制,目前也沒有達到真實模擬土體中所有顆粒成分的程度,常需要對土體顆粒的粒徑、形狀及級配特征進行一定的簡化。在將離散元方法應用到黏土時,流固耦合、孔壓和排水邊界條件等若干細節(jié)的處理上目前也還沒有成熟的方式,這不利于模擬摻礫黏土在動荷載作用下孔壓上升的現(xiàn)象。

有限元法相對較成熟,也可應用于細觀數(shù)值分析。如丁秀麗等[23]將土石混合料中的土和礫石看作為兩種材料,分別采用不同的本構(gòu)模型,利用有限元軟件ABAQUS對非飽和土石混合體的力學特性進行了二維分析;Yue等[30-31]運用有限元法對香港地區(qū)花崗巖進行了非均質(zhì)力學分析;徐文杰等[32]對西南地區(qū)一土石混合體邊坡的應力場及穩(wěn)定安全系數(shù)進行了有限元細觀數(shù)值分析?？偨Y(jié)前人的研究成果可以發(fā)現(xiàn),采用有限元法進行細觀數(shù)值分析的難點在于需要可靠地重建細觀結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,合理地選擇接觸模型和確定材料初始狀態(tài)及參數(shù)。

3 基于復合材料理論的細觀力學模型

摻礫黏土是一種多成分的復合材料,其細觀結(jié)構(gòu)特征對動力性能有著重要的影響。單純地利用室內(nèi)試驗建立細觀結(jié)構(gòu)特征與宏觀力學性能之間的經(jīng)驗關系并不能在機理上有所突破,精度、可靠性也難以滿足要求。盡管目前動三軸試驗的試樣尺寸已有較大的提高, 但一般仍無法對原型級配料進行室內(nèi)試驗,需采用剔除法、等量替代法或相似級配法等方法進行縮尺,顆粒粒徑及級配的變化會導致試驗結(jié)果與真實結(jié)果存在差異。因此,從基于復合材料理論的角度進行細觀力學模型研究很有必要。

目前細觀力學理論模型在巖土工程領域中的研究和應用不多,但可借鑒瀝青混合料的研究經(jīng)驗。與摻礫黏土類似,瀝青混合料通常認為是由粗集料和瀝青膠漿組合而成,也是一種多組分的復合材料。近年來,從瀝青混合料的微細觀結(jié)構(gòu)入手對混合料的力學行為進行研究,特別是將宏觀力學行為與內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息定量結(jié)合起來描述混合料的力學特性是道路工程中的研究熱點問題。如Li等[33]將瀝青混合料中的瀝青看作基體,集料看成夾雜相，單個集料被等效為埋置在瀝青混合料等效彈性介質(zhì)中被瀝青膠漿包裹的彈性圓球,這種模型稱為雙層材料模型?；诩吓c膠漿、膠漿與等效介質(zhì)界面上的應力和位移協(xié)調(diào)條件,結(jié)合已知邊界條件的彈性力學解答,可以根據(jù)集料及膠漿的性質(zhì)以及體積比例對瀝青混合料的等效模量進行預測。利用這種方法,可以考慮集料尺寸和級配組成對瀝青混合料彈性模量的影響。此外，黃曉明等[34]根據(jù)瀝青砂漿基體的黏彈性性能,推導了瀝青混合料的黏彈性本構(gòu)方程。

巖土材料的動力分析中常將土體視為黏彈性體,因此在摻礫黏土的研究中,可以將粗粒料視為夾雜在黏彈性基體材料(黏土)中的顆粒增強體,按照復合材料理論建立細觀力學分析模型。但與瀝青混合料的研究相比,摻礫黏土的細觀力學模型中需考慮兩個區(qū)別：一是摻礫黏土中存在夾雜體間的粒間孔隙和基體內(nèi)部的孔隙;二是摻礫黏土中的夾雜體和基體之間不像瀝青混合料中那樣完美地膠結(jié)在一起。

4 研究展望

摻礫黏土在自然界中廣泛存在,工程中也有較多應用,但目前對其動力性質(zhì)的研究還不多,影響因素及其機理尚不清楚,根據(jù)有限的試驗數(shù)據(jù)得到的規(guī)律還有矛盾的地方,需要在以下幾個方面進一步研究:

a. 摻礫黏土的細觀結(jié)構(gòu)特征及其影響因素。摻礫黏土的動力性能之所以與純黏土不同,是因為其夾雜了一定含量的粗粒料。粗粒料的存在可能會導致粒間大孔隙的存在,影響細粒料的壓實程度,粗粒料的顆粒形成穩(wěn)定骨架后也將參與力的傳遞。這些細觀結(jié)構(gòu)特征主要與粗粒料的含量、粒徑形狀、尺寸和級配有關,如何建立這些指標與細觀結(jié)構(gòu)特征之間的關系需要進一步研究。

b. 摻礫黏土的細觀結(jié)構(gòu)對材料宏觀動力性能的影響機理。建立摻礫黏土的細觀結(jié)構(gòu)模型之后,可結(jié)合數(shù)值分析和動三軸試驗結(jié)果,分析材料細觀結(jié)構(gòu)特征對材料動力特性的影響。分析中要注重以下幾點:一是要準確重構(gòu)粗粒料、孔隙及細粒料的幾何形態(tài)及分布;二是要對材料中不同組成材料賦予不同的材料模型,合理設置細粒料的初始狀態(tài);三是要合理考慮礫石與黏土之間的接觸作用。

c. 基于顆粒增強復合材料理論的摻礫黏土細觀力學理論模型。摻礫黏土細觀力學模型的建立可參照瀝青混合料的研究方法,將粗粒料簡化為彈性圓球,并夾雜在具有未知力學性能的摻礫黏土有效介質(zhì)中,用細觀力學理論推導出動態(tài)模量和阻尼比的理論表達式。但與瀝青混合料不同,在建立摻礫黏土的細觀力學模型時,需要對孔隙分布和黏土與礫石之間的接觸對宏觀力學性能的影響做深入分析。

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Advances in research on dynamic characteristics of gravel-mixed clay//

FEI Kang1, 2, WEN Wei2, ZHANG Yongqiang2
(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.InstituteofGeotechnicalEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225127,China)

This paper reviews the current status of research on dynamic characteristics of gravel-mixed clay as well as analyzes the influence factors of dynamic shear modulus, damping ratio and dynamic strength. Additionally, it summarizes the numerical method and analytical theory of the materials mesostructure features, as well pointed out that they should be accounted in the research of dynamic characteristics of gravel-mixed clay. Finally, the areas for further research are suggested, i.e., the mesostructure features and influence factors of gravel-mixed clay, the influence mechanism of mesostructure for materials macroscopic dynamic performance, and the micromechanical model based on theory of particle reinforced composite.

gravel-mixed clay; dynamic characteristics; dynamic shear modulus; damping ratio; dynamic strength; mesostructure; review

江蘇省自然科學基金(BK20141279);水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室開放研究基金(2012491111); 江蘇省“青藍工程”(蘇教師〔2012〕39號)

費康(1978—),男,江蘇如皋人,副教授,博士,主要從事巖土工程研究。E-mail:kfei@yzu.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.04.024

TV443+.1

A

1006-7647(2015)04-0112-07

2014-04-10 編輯：熊水斌)