基于土工實驗的土顆粒孔隙率和運動變化分析

呂暉++劉文白++張潔

摘 要：基于大型土與結(jié)構(gòu)物相互作用實驗的細(xì)觀觀測，研究了土體的細(xì)觀力學(xué)性狀。應(yīng)用MiVnt圖像分析軟件分析了在剪切過程中顆?？紫堵屎皖w粒變化的細(xì)觀力學(xué)性狀。取不同的剪切位移時，研究孔隙率、顆粒個數(shù)的變化。

關(guān)鍵詞：土與結(jié)構(gòu)相互作用 圖像分析 細(xì)觀力學(xué)性狀

中圖分類號：O346；TU441+.34 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0058-02

隨著建筑工程的不斷進步，建筑不斷地朝著大型化的方向發(fā)展。與此同時，土體與結(jié)構(gòu)物相互作用的問題在建筑工程中越來越常見。

Bardet等[1]應(yīng)用理想的二維顆粒集合模擬了粒狀材料剪切的結(jié)構(gòu)，對剪切帶的厚度、帶內(nèi)位移、孔隙比、體應(yīng)變及顆粒旋轉(zhuǎn)等進行了研究。周健等[2]提出求解砂顆粒大小形狀的參數(shù)、孔隙大小形狀的參數(shù)，以及砂粒間接觸關(guān)系的參數(shù)的基本框架。王清等[3]通過SEM圖像處理技術(shù)，提出了粘性土微觀結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)單元體形態(tài)、定向性、孔隙特征等結(jié)構(gòu)要素的定量評價指標(biāo)。因此，巖土工程領(lǐng)域的研究主要是從宏觀角度探究機理，其實宏觀現(xiàn)象的本質(zhì)需要從細(xì)觀機理去解釋，這才是各種復(fù)雜巖土工程問題研究的關(guān)鍵切入點[4]。

為了研究在實驗中砂土顆粒的變化情況，實驗通過細(xì)觀體視顯微觀測土細(xì)觀結(jié)構(gòu)，應(yīng)用MiVnt圖像分析軟件，分析觀測土與結(jié)構(gòu)物相互作用實驗下孔隙率的細(xì)觀力學(xué)性狀。

1 實驗

1.1 實驗土樣

實驗采用廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂（GB77671-1999），粒徑范圍為0.5～1 mm，基本物理力學(xué)性質(zhì)。

實驗土樣在模型箱中的尺寸大小為長×高×寬為30.2 cm×27.2 cm×25.5 cm，孔隙率為0.44，相對密實度為90%，劃分為密砂。因砂土在模型箱內(nèi)靜置一個月，在重力作用下自然穩(wěn)定密實，故實驗只選取了該條件下的砂土作為研究對象。

1.2 實驗過程

土與結(jié)構(gòu)物接觸作用實驗儀由液壓系統(tǒng)控制，箱內(nèi)砂土為六面體各向受力，經(jīng)數(shù)據(jù)計算得到，x方向應(yīng)力為Fx，y方向應(yīng)力為Fy，z方向應(yīng)力為Fz，砂土在底部鋼板的移動下受到的剪切應(yīng)力為，在每組相互作用過程中出現(xiàn)的底部接觸面上最大剪應(yīng)力定為。模型箱上的窗口用于拍攝砂土圖片。

實驗開始后，通過液壓系統(tǒng)控制，移動頂部加載板施加z向力，移動側(cè)向加載板施加x、y向力，力的大小通過傳感器直接顯示在電腦上，每組實驗分別推至要求應(yīng)力條件后停止移動，然后以0.2 mm/s的速度推動底部鋼板，方向為從右至左。實驗過程中，通過模型箱上的觀測窗口，使用單反相機連續(xù)拍照至砂土與鋼板間作用力達到最大值后不再增加。拍照時使用新聞燈照射，以防止出現(xiàn)陰影或倒影影響圖像分析。

2 砂土實驗中顆?？紫堵屎皖w粒運動變化分析

對分析的五組照片（s=0 mm，s= 0.8 mm，s=1.6 mm，s=3.2 mm，s=4.8 mm）只關(guān)心其幾何參數(shù)，得到每組的孔隙率及顆粒數(shù)如表2。從表中可以看出，隨著位移的增加，孔隙率越來越小，顆粒數(shù)越來越多，而且在s=3.2 mm到s=4.8 mm的過程中顆粒數(shù)未變。從孔隙率和顆粒數(shù)目增加比例的絕對值來看，最大值均發(fā)生在0.8 mm～1.6 mm之間，而在其他幾個位移范圍內(nèi)較小。

分析其原因，孔隙率變小主要和砂土在運動過程中受壓有關(guān)，砂土中存在滾動和摩擦平移，孔隙被填實，顆粒數(shù)增加，使得孔隙率不斷變小，這種填充運動導(dǎo)致孔隙率的減小和顆粒數(shù)目的增加。而從孔隙率的減小比例和顆粒數(shù)的增加比例來看，在s=0.8 mm到s=1.6 mm之間最大，說明此時砂土與接觸面作用相對運動的頻率最高，而在s<0.8 mm時變化較小的原因是運動剛剛起步，砂粒與接觸面作用尚不充分，在s>1.6 mm變化也較小的原因是，砂土的密實度已逐漸接近峰值，隨著進一步的推擠使砂土的運動趨于穩(wěn)定，故變化較小。在s>3.2 mm后顆粒數(shù)沒有增加，而孔隙率繼續(xù)減小，說明此時孔隙率的減小不止再依賴顆粒的填充運動，孔隙面積已經(jīng)不足以令其他顆粒間流動填充，而是把現(xiàn)有的孔隙壓縮，現(xiàn)有顆粒出現(xiàn)滑移。

3 結(jié)論

根據(jù)Mivnt的細(xì)觀圖片分析，結(jié)合上文對表2的分析結(jié)果，可得到以下結(jié)論。

在s=0 mm到s=0.8 mm時，顆粒間孔隙相對較大，隨著實驗進行顆粒被擠密，發(fā)生滾動和平移，孔隙被填充，使得顆粒間孔隙率越來越小，顆粒轉(zhuǎn)動較小，以滑動摩擦為主。在從s=0.8 mm到s=1.6 mm時，顆粒相對運動較大，轉(zhuǎn)動角度也較大，此時顆粒滾動頻率變大，粒間孔隙繼續(xù)被填充，以上兩階段顆粒的滾動從弱變強，接觸面最大剪應(yīng)力不斷變大。從s=1.6 mm到4.8 mm時，顆粒由于被擠密，孔隙越來越小，移動和轉(zhuǎn)動都變得更加困難，此時最大剪應(yīng)力處于一個穩(wěn)定值。

參考文獻

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

[2] 周健，余榮傳，賈敏才.基于數(shù)字圖像技術(shù)的砂土模型實驗細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)測量[J].巖土工程學(xué)報，2006，28（12）.

[3] 王清，王風(fēng)艷.土微觀結(jié)構(gòu)特征的定量研究及其在工程中的應(yīng)用[J].成都理工學(xué)院學(xué)報，2001，28（2）.

[4] 周健，賈敏才，等.土工細(xì)觀模型實驗與數(shù)值模擬[M].科學(xué)出版社，2008.

[5] 胡黎明，濮家騮.土與結(jié)構(gòu)物接觸面物理力學(xué)特性實驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2001，23（4）.endprint

摘 要：基于大型土與結(jié)構(gòu)物相互作用實驗的細(xì)觀觀測，研究了土體的細(xì)觀力學(xué)性狀。應(yīng)用MiVnt圖像分析軟件分析了在剪切過程中顆?？紫堵屎皖w粒變化的細(xì)觀力學(xué)性狀。取不同的剪切位移時，研究孔隙率、顆粒個數(shù)的變化。

關(guān)鍵詞：土與結(jié)構(gòu)相互作用 圖像分析 細(xì)觀力學(xué)性狀

中圖分類號：O346；TU441+.34 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0058-02

隨著建筑工程的不斷進步，建筑不斷地朝著大型化的方向發(fā)展。與此同時，土體與結(jié)構(gòu)物相互作用的問題在建筑工程中越來越常見。

Bardet等[1]應(yīng)用理想的二維顆粒集合模擬了粒狀材料剪切的結(jié)構(gòu)，對剪切帶的厚度、帶內(nèi)位移、孔隙比、體應(yīng)變及顆粒旋轉(zhuǎn)等進行了研究。周健等[2]提出求解砂顆粒大小形狀的參數(shù)、孔隙大小形狀的參數(shù)，以及砂粒間接觸關(guān)系的參數(shù)的基本框架。王清等[3]通過SEM圖像處理技術(shù)，提出了粘性土微觀結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)單元體形態(tài)、定向性、孔隙特征等結(jié)構(gòu)要素的定量評價指標(biāo)。因此，巖土工程領(lǐng)域的研究主要是從宏觀角度探究機理，其實宏觀現(xiàn)象的本質(zhì)需要從細(xì)觀機理去解釋，這才是各種復(fù)雜巖土工程問題研究的關(guān)鍵切入點[4]。

為了研究在實驗中砂土顆粒的變化情況，實驗通過細(xì)觀體視顯微觀測土細(xì)觀結(jié)構(gòu)，應(yīng)用MiVnt圖像分析軟件，分析觀測土與結(jié)構(gòu)物相互作用實驗下孔隙率的細(xì)觀力學(xué)性狀。

1 實驗

1.1 實驗土樣

實驗采用廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂（GB77671-1999），粒徑范圍為0.5～1 mm，基本物理力學(xué)性質(zhì)。

實驗土樣在模型箱中的尺寸大小為長×高×寬為30.2 cm×27.2 cm×25.5 cm，孔隙率為0.44，相對密實度為90%，劃分為密砂。因砂土在模型箱內(nèi)靜置一個月，在重力作用下自然穩(wěn)定密實，故實驗只選取了該條件下的砂土作為研究對象。

1.2 實驗過程

土與結(jié)構(gòu)物接觸作用實驗儀由液壓系統(tǒng)控制，箱內(nèi)砂土為六面體各向受力，經(jīng)數(shù)據(jù)計算得到，x方向應(yīng)力為Fx，y方向應(yīng)力為Fy，z方向應(yīng)力為Fz，砂土在底部鋼板的移動下受到的剪切應(yīng)力為，在每組相互作用過程中出現(xiàn)的底部接觸面上最大剪應(yīng)力定為。模型箱上的窗口用于拍攝砂土圖片。

實驗開始后，通過液壓系統(tǒng)控制，移動頂部加載板施加z向力，移動側(cè)向加載板施加x、y向力，力的大小通過傳感器直接顯示在電腦上，每組實驗分別推至要求應(yīng)力條件后停止移動，然后以0.2 mm/s的速度推動底部鋼板，方向為從右至左。實驗過程中，通過模型箱上的觀測窗口，使用單反相機連續(xù)拍照至砂土與鋼板間作用力達到最大值后不再增加。拍照時使用新聞燈照射，以防止出現(xiàn)陰影或倒影影響圖像分析。

2 砂土實驗中顆?？紫堵屎皖w粒運動變化分析

對分析的五組照片（s=0 mm，s= 0.8 mm，s=1.6 mm，s=3.2 mm，s=4.8 mm）只關(guān)心其幾何參數(shù)，得到每組的孔隙率及顆粒數(shù)如表2。從表中可以看出，隨著位移的增加，孔隙率越來越小，顆粒數(shù)越來越多，而且在s=3.2 mm到s=4.8 mm的過程中顆粒數(shù)未變。從孔隙率和顆粒數(shù)目增加比例的絕對值來看，最大值均發(fā)生在0.8 mm～1.6 mm之間，而在其他幾個位移范圍內(nèi)較小。

分析其原因，孔隙率變小主要和砂土在運動過程中受壓有關(guān)，砂土中存在滾動和摩擦平移，孔隙被填實，顆粒數(shù)增加，使得孔隙率不斷變小，這種填充運動導(dǎo)致孔隙率的減小和顆粒數(shù)目的增加。而從孔隙率的減小比例和顆粒數(shù)的增加比例來看，在s=0.8 mm到s=1.6 mm之間最大，說明此時砂土與接觸面作用相對運動的頻率最高，而在s<0.8 mm時變化較小的原因是運動剛剛起步，砂粒與接觸面作用尚不充分，在s>1.6 mm變化也較小的原因是，砂土的密實度已逐漸接近峰值，隨著進一步的推擠使砂土的運動趨于穩(wěn)定，故變化較小。在s>3.2 mm后顆粒數(shù)沒有增加，而孔隙率繼續(xù)減小，說明此時孔隙率的減小不止再依賴顆粒的填充運動，孔隙面積已經(jīng)不足以令其他顆粒間流動填充，而是把現(xiàn)有的孔隙壓縮，現(xiàn)有顆粒出現(xiàn)滑移。

3 結(jié)論

根據(jù)Mivnt的細(xì)觀圖片分析，結(jié)合上文對表2的分析結(jié)果，可得到以下結(jié)論。

在s=0 mm到s=0.8 mm時，顆粒間孔隙相對較大，隨著實驗進行顆粒被擠密，發(fā)生滾動和平移，孔隙被填充，使得顆粒間孔隙率越來越小，顆粒轉(zhuǎn)動較小，以滑動摩擦為主。在從s=0.8 mm到s=1.6 mm時，顆粒相對運動較大，轉(zhuǎn)動角度也較大，此時顆粒滾動頻率變大，粒間孔隙繼續(xù)被填充，以上兩階段顆粒的滾動從弱變強，接觸面最大剪應(yīng)力不斷變大。從s=1.6 mm到4.8 mm時，顆粒由于被擠密，孔隙越來越小，移動和轉(zhuǎn)動都變得更加困難，此時最大剪應(yīng)力處于一個穩(wěn)定值。

參考文獻

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

[2] 周健，余榮傳，賈敏才.基于數(shù)字圖像技術(shù)的砂土模型實驗細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)測量[J].巖土工程學(xué)報，2006，28（12）.

[3] 王清，王風(fēng)艷.土微觀結(jié)構(gòu)特征的定量研究及其在工程中的應(yīng)用[J].成都理工學(xué)院學(xué)報，2001，28（2）.

[4] 周健，賈敏才，等.土工細(xì)觀模型實驗與數(shù)值模擬[M].科學(xué)出版社，2008.

[5] 胡黎明，濮家騮.土與結(jié)構(gòu)物接觸面物理力學(xué)特性實驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2001，23（4）.endprint

摘 要：基于大型土與結(jié)構(gòu)物相互作用實驗的細(xì)觀觀測，研究了土體的細(xì)觀力學(xué)性狀。應(yīng)用MiVnt圖像分析軟件分析了在剪切過程中顆?？紫堵屎皖w粒變化的細(xì)觀力學(xué)性狀。取不同的剪切位移時，研究孔隙率、顆粒個數(shù)的變化。

關(guān)鍵詞：土與結(jié)構(gòu)相互作用 圖像分析 細(xì)觀力學(xué)性狀

中圖分類號：O346；TU441+.34 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0058-02

隨著建筑工程的不斷進步，建筑不斷地朝著大型化的方向發(fā)展。與此同時，土體與結(jié)構(gòu)物相互作用的問題在建筑工程中越來越常見。

Bardet等[1]應(yīng)用理想的二維顆粒集合模擬了粒狀材料剪切的結(jié)構(gòu)，對剪切帶的厚度、帶內(nèi)位移、孔隙比、體應(yīng)變及顆粒旋轉(zhuǎn)等進行了研究。周健等[2]提出求解砂顆粒大小形狀的參數(shù)、孔隙大小形狀的參數(shù)，以及砂粒間接觸關(guān)系的參數(shù)的基本框架。王清等[3]通過SEM圖像處理技術(shù)，提出了粘性土微觀結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)單元體形態(tài)、定向性、孔隙特征等結(jié)構(gòu)要素的定量評價指標(biāo)。因此，巖土工程領(lǐng)域的研究主要是從宏觀角度探究機理，其實宏觀現(xiàn)象的本質(zhì)需要從細(xì)觀機理去解釋，這才是各種復(fù)雜巖土工程問題研究的關(guān)鍵切入點[4]。

為了研究在實驗中砂土顆粒的變化情況，實驗通過細(xì)觀體視顯微觀測土細(xì)觀結(jié)構(gòu)，應(yīng)用MiVnt圖像分析軟件，分析觀測土與結(jié)構(gòu)物相互作用實驗下孔隙率的細(xì)觀力學(xué)性狀。

1 實驗

1.1 實驗土樣

實驗采用廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂（GB77671-1999），粒徑范圍為0.5～1 mm，基本物理力學(xué)性質(zhì)。

實驗土樣在模型箱中的尺寸大小為長×高×寬為30.2 cm×27.2 cm×25.5 cm，孔隙率為0.44，相對密實度為90%，劃分為密砂。因砂土在模型箱內(nèi)靜置一個月，在重力作用下自然穩(wěn)定密實，故實驗只選取了該條件下的砂土作為研究對象。

1.2 實驗過程

土與結(jié)構(gòu)物接觸作用實驗儀由液壓系統(tǒng)控制，箱內(nèi)砂土為六面體各向受力，經(jīng)數(shù)據(jù)計算得到，x方向應(yīng)力為Fx，y方向應(yīng)力為Fy，z方向應(yīng)力為Fz，砂土在底部鋼板的移動下受到的剪切應(yīng)力為，在每組相互作用過程中出現(xiàn)的底部接觸面上最大剪應(yīng)力定為。模型箱上的窗口用于拍攝砂土圖片。

實驗開始后，通過液壓系統(tǒng)控制，移動頂部加載板施加z向力，移動側(cè)向加載板施加x、y向力，力的大小通過傳感器直接顯示在電腦上，每組實驗分別推至要求應(yīng)力條件后停止移動，然后以0.2 mm/s的速度推動底部鋼板，方向為從右至左。實驗過程中，通過模型箱上的觀測窗口，使用單反相機連續(xù)拍照至砂土與鋼板間作用力達到最大值后不再增加。拍照時使用新聞燈照射，以防止出現(xiàn)陰影或倒影影響圖像分析。

2 砂土實驗中顆?？紫堵屎皖w粒運動變化分析

對分析的五組照片（s=0 mm，s= 0.8 mm，s=1.6 mm，s=3.2 mm，s=4.8 mm）只關(guān)心其幾何參數(shù)，得到每組的孔隙率及顆粒數(shù)如表2。從表中可以看出，隨著位移的增加，孔隙率越來越小，顆粒數(shù)越來越多，而且在s=3.2 mm到s=4.8 mm的過程中顆粒數(shù)未變。從孔隙率和顆粒數(shù)目增加比例的絕對值來看，最大值均發(fā)生在0.8 mm～1.6 mm之間，而在其他幾個位移范圍內(nèi)較小。

分析其原因，孔隙率變小主要和砂土在運動過程中受壓有關(guān)，砂土中存在滾動和摩擦平移，孔隙被填實，顆粒數(shù)增加，使得孔隙率不斷變小，這種填充運動導(dǎo)致孔隙率的減小和顆粒數(shù)目的增加。而從孔隙率的減小比例和顆粒數(shù)的增加比例來看，在s=0.8 mm到s=1.6 mm之間最大，說明此時砂土與接觸面作用相對運動的頻率最高，而在s<0.8 mm時變化較小的原因是運動剛剛起步，砂粒與接觸面作用尚不充分，在s>1.6 mm變化也較小的原因是，砂土的密實度已逐漸接近峰值，隨著進一步的推擠使砂土的運動趨于穩(wěn)定，故變化較小。在s>3.2 mm后顆粒數(shù)沒有增加，而孔隙率繼續(xù)減小，說明此時孔隙率的減小不止再依賴顆粒的填充運動，孔隙面積已經(jīng)不足以令其他顆粒間流動填充，而是把現(xiàn)有的孔隙壓縮，現(xiàn)有顆粒出現(xiàn)滑移。

3 結(jié)論

根據(jù)Mivnt的細(xì)觀圖片分析，結(jié)合上文對表2的分析結(jié)果，可得到以下結(jié)論。

在s=0 mm到s=0.8 mm時，顆粒間孔隙相對較大，隨著實驗進行顆粒被擠密，發(fā)生滾動和平移，孔隙被填充，使得顆粒間孔隙率越來越小，顆粒轉(zhuǎn)動較小，以滑動摩擦為主。在從s=0.8 mm到s=1.6 mm時，顆粒相對運動較大，轉(zhuǎn)動角度也較大，此時顆粒滾動頻率變大，粒間孔隙繼續(xù)被填充，以上兩階段顆粒的滾動從弱變強，接觸面最大剪應(yīng)力不斷變大。從s=1.6 mm到4.8 mm時，顆粒由于被擠密，孔隙越來越小，移動和轉(zhuǎn)動都變得更加困難，此時最大剪應(yīng)力處于一個穩(wěn)定值。

參考文獻

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

[2] 周健，余榮傳，賈敏才.基于數(shù)字圖像技術(shù)的砂土模型實驗細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)測量[J].巖土工程學(xué)報，2006，28（12）.

[3] 王清，王風(fēng)艷.土微觀結(jié)構(gòu)特征的定量研究及其在工程中的應(yīng)用[J].成都理工學(xué)院學(xué)報，2001，28（2）.

[4] 周健，賈敏才，等.土工細(xì)觀模型實驗與數(shù)值模擬[M].科學(xué)出版社，2008.

[5] 胡黎明，濮家騮.土與結(jié)構(gòu)物接觸面物理力學(xué)特性實驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2001，23（4）.endprint