基于土工实验的土颗粒孔隙率和运动变化分析

摘 要：基于大型土与结构物相互作用实验的细观观测，研究了土体的细观力学性状。应用MiVnt图像分析软件分析了在剪切过程中颗粒孔隙率和颗粒变化的细观力学性状。取不同的剪切位移时，研究孔隙率、颗粒个数的变化。

关键词：土与结构相互作用 图像分析 细观力学性状

中图分类号：O346；TU441+.34 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（b）-0058-02

随着建筑工程的不断进步，建筑不断地朝着大型化的方向发展。与此同时，土体与结构物相互作用的问题在建筑工程中越来越常见。

Bardet等[1]应用理想的二维颗粒集合模拟了粒状材料剪切的结构，对剪切带的厚度、带内位移、孔隙比、体应变及颗粒旋转等进行了研究。周健等[2]提出求解砂颗粒大小形状的参数、孔隙大小形状的参数，以及砂粒间接触关系的参数的基本框架。王清等[3]通过SEM图像处理技术，提出了粘性土微观结构中结构单元体形态、定向性、孔隙特征等结构要素的定量评价指标。因此，岩土工程领域的研究主要是从宏观角度探究机理，其实宏观现象的本质需要从细观机理去解释，这才是各种复杂岩土工程问题研究的关键切入点[4]。

为了研究在实验中砂土颗粒的变化情况，实验通过细观体视显微观测土细观结构，应用MiVnt图像分析软件，分析观测土与结构物相互作用实验下孔隙率的细观力学性状。

1 实验

1.1 实验土样

实验采用厦门艾思欧标准砂有限公司生产的ISO标准砂（GB77671-1999），粒径范围为0.5～1 mm，基本物理力学性质。

实验土样在模型箱中的尺寸大小为长×高×宽为30.2 cm×27.2 cm×25.5 cm，孔隙率为0.44，相对密实度为90%，划分为密砂。因砂土在模型箱内静置一个月，在重力作用下自然稳定密实，故实验只选取了该条件下的砂土作为研究对象。

1.2 实验过程

土与结构物接触作用实验仪由液压系统控制，箱内砂土为六面体各向受力，经数据计算得到，x方向应力为Fx，y方向应力为Fy，z方向应力为Fz，砂土在底部钢板的移动下受到的剪切应力为，在每组相互作用过程中出现的底部接触面上最大剪应力定为。模型箱上的窗口用于拍摄砂土图片。

实验开始后，通过液压系统控制，移动顶部加载板施加z向力，移动侧向加载板施加x、y向力，力的大小通过传感器直接显示在电脑上，每组实验分别推至要求应力条件后停止移动，然后以0.2 mm/s的速度推动底部钢板，方向为从右至左。实验过程中，通过模型箱上的观测窗口，使用单反相机连续拍照至砂土与钢板间作用力达到最大值后不再增加。拍照时使用新闻灯照射，以防止出现阴影或倒影影响图像分析。

2 砂土实验中颗粒孔隙率和颗粒运动变化分析

对分析的五组照片（s=0 mm，s= 0.8 mm，s=1.6 mm，s=3.2 mm，s=4.8 mm）只关心其几何参数，得到每组的孔隙率及颗粒数如表2。从表中可以看出，随着位移的增加，孔隙率越来越小，颗粒数越来越多，而且在s=3.2 mm到s=4.8 mm的过程中颗粒数未变。从孔隙率和颗粒数目增加比例的绝对值来看，最大值均发生在0.8 mm～1.6 mm之间，而在其他几个位移范围内较小。

分析其原因，孔隙率变小主要和砂土在运动过程中受压有关，砂土中存在滚动和摩擦平移，孔隙被填实，颗粒数增加，使得孔隙率不断变小，这种填充运动导致孔隙率的减小和颗粒数目的增加。而从孔隙率的减小比例和颗粒数的增加比例来看，在s=0.8 mm到s=1.6 mm之间最大，说明此时砂土与接触面作用相对运动的频率最高，而在s1.6 mm变化也较小的原因是，砂土的密实度已逐渐接近峰值，随着进一步的推挤使砂土的运动趋于稳定，故变化较小。在s>3.2 mm后颗粒数没有增加，而孔隙率继续减小，说明此时孔隙率的减小不止再依赖颗粒的填充运动，孔隙面积已经不足以令其他颗粒间流动填充，而是把现有的孔隙压缩，现有颗粒出现滑移。

3 结论

根据Mivnt的细观图片分析，结合上文对表2的分析结果，可得到以下结论。

在s=0 mm到s=0.8 mm时，颗粒间孔隙相对较大，随着实验进行颗粒被挤密，发生滚动和平移，孔隙被填充，使得颗粒间孔隙率越来越小，颗粒转动较小，以滑动摩擦为主。在从s=0.8 mm到s=1.6 mm时，颗粒相对运动较大，转动角度也较大，此时颗粒滚动频率变大，粒间孔隙继续被填充，以上两阶段颗粒的滚动从弱变强，接触面最大剪应力不断变大。从s=1.6 mm到4.8 mm时，颗粒由于被挤密，孔隙越来越小，移动和转动都变得更加困难，此时最大剪应力处于一个稳定值。

参考文献

[1] BardetJ P，ProubetJ.A numeircal invesitgation of structure of pesritent shear bands in granular media[J].Geotechnique，1991，41（4）.

[2] 周健，余荣传，贾敏才.基于数字图像技术的砂土模型实验细观结构参数测量[J].岩土工程学报，2006，28（12）.

[3] 王清，王风艳.土微观结构特征的定量研究及其在工程中的应用[J].成都理工学院学报，2001，28（2）.

[4] 周健，贾敏才，等.土工细观模型实验与数值模拟[M].科学出版社，2008.

[5] 胡黎明，濮家骝.土与结构物接触面物理力学特性实验研究[J].岩土工程学报，2001，23（4）.