颗粒土波动性剪应力的成因机理及量化分析

Fluctuation of measured shear stress of granular soils has been identified and qualitatively reported by previous researchers. Qualitative relationships were also postulated between such fluctuations and intrinsic properties of soil (eg., PSD) and test conditions (eg., normal stress and shearing rate). The present proposal intends to extend the study in this dependency by means of laboratory experiment (middle-size ring shear tests and measurements of particle shape) on granular soils with particles of different shapes and surface roughnesses in order to gain deep insight into shear behavior of such soils. Three sets of samples (totally 210 nos. specimens), with particle size ranging from 0.063 to 8 mm, will be tested under 5 test conditions in terms of normal stress and shearing rate. The test result will be analyzed by using suitable mathematic methods (eg., Fast Fourier Transform). Emphasis will be given to: 1) identification of influential factors on fluctuation of shear stress; 2) analysis of the mechanism each factor acts by and quantification of the contribution of each factor; 3）derivation of the mathematic mode for fluctuation of shear stress; and 4) interpretation of shear modes a granular soil behaves in, from the point of view of shear stress fluctuation. Such a state-of-the-art research scheme would provide guidance and reference for both future research in shear behavior of granular soils and determination of mechanical parameters for granular soils in engineering practice.

以往的研究提示颗粒土剪应力的波动是一普遍存在之现象，并从定性描述的角度推测或简要论证了这种波动同材料本身的物理性质及试验条件之间可能存在一定关系。本项目立足于现有研究结果，以三种不同形状及不同表面粗糙度的颗粒材料（粒径范围0.063-8 mm）为研究对象，采用颗粒形状量测以及中尺寸环剪试验（5种实验条件，210个试样），借助数学方法（如傅立叶变换等），从定量的角度分析颗粒土剪应力的波动特征，力求深入探讨其成因及可能性控制因素（粒径级配、颗粒形状及粗糙度、正应力、剪切速率）。主要研究内容包括：1）揭示影响颗粒土剪应力波动性的主要因素，2）分析各因素的作用机理及量化其作用强度，3）建立概化此波动的数学模型，4）从一个新的角度（剪应力波动的孕育、发生及发展）探讨颗粒土的受剪破坏模式。研究结果将进一步揭示颗粒土的受剪力学行为，为该领域后续研究提供借鉴方法，并为工程实践中土体力学参数的确定提供参考。

颗粒土是自然界中广泛存在的一种土体，同基础设施建设密切相关。关于颗粒土的力学行为的研究始于上世纪三十年代，以往的研究均提示颗粒土剪应力的波动是一普遍存在之现象，并从定性描述的角度推测或简要论证了这种波动同材料本身的物理性质及试验条件之间可能存在一定关系。但并未从量化分析的角度形成定论。本项目立足于前人研究成果，采用颗粒形状量测以及环剪试验（5种实验条件，210个试样），借助数学方法（如傅立叶变换等），从定量的角度分析颗粒土剪应力的波动特征，并深入探讨了其成因及可能性控制因素（粒径级配、颗粒形状及粗糙度、正应力、剪切速率）。主要研究内容包括：1）试验材料选取；2）土颗粒形状量测；3）中尺寸环剪试验；4）颗粒土的受剪破坏模式；5）波动性量化模型的建立；6）单因素和多因素分析；7）研究结果同工程实践的融合。研究结果提示颗粒土剪应力波动性固有存在，且其波动的振幅和波长同土体剪胀行为相一致；而且此种波动的振幅和波长同土体的不均匀系数和正应力正相关而同剪切速率负相关；剪应力波动的波长同稠度系数正相关，而振幅则呈负相关关系。这项研究进一步揭示颗粒土的受剪力学行为，为该领域后续研究提供了新的研究方法，并为工程实践中土体力学参数的确定提供参考。