不同颗粒级配下黏质粉土填料的宏细观剪切特性_不同颗粒级配下黏质粉土填料的宏细观剪切特性.doc

《不同颗粒级配下黏质粉土填料的宏细观剪切特性_不同颗粒级配下黏质粉土填料的宏细观剪切特性.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《不同颗粒级配下黏质粉土填料的宏细观剪切特性_不同颗粒级配下黏质粉土填料的宏细观剪切特性.doc（75页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、分 类 号_ 密级_公开_收藏编号_ 学号_170527109_学校代码 10386 编号_(应用研究)不同颗粒级配下黏质粉土填料的宏细观剪切特性工程领域： 建筑与土木工程 研究方向： 岩土工程 研究生姓名： 杨圣敏 指导教师、职称： 曹洋 副教授 协助导师、职称： 关振长 教授 所在学院： 土木工程学院 答辩委员会主席： 二二 年 四 月一 遵守学术行为规范承诺本人已熟知并愿意自觉遵守福州大学研究生和导师学术行为规范暂行规定和福州大学关于加强研究生毕业与学位论文质量管理的规定的所有内容，承诺所提交的毕业和学位论文是终稿，不存在学术造假或学术不端行为，且论文的纸质版与电子版内容完全一致。二 独

2、创性声明本人声明所提交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得福州大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。三 关于论文使用授权的说明本人完全了解福州大学有关保留使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）本

3、学位论文属于（必须在以下相应方框内打“”，否则一律按“非保密论文”处理）：1、保密论文： 本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。2、非保密论文：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。研究生本人签名： 签字日期：20 年 月 日研究生导师签名： 签字日期：20 年 月 日不同颗粒级配下黏质粉土填料的宏细观剪切特性中文摘要公路及铁路等交通基础设施在穿越山岭地带时伴随着大量土方挖填工作，填方路堤可与道路的挖方工程或隧道穿越有机结合，具有显著的经济效益和工程价值。黏质粉土填料在闽南地区是一种分布广泛的典型土质填料，其力学特性复杂，受含水率、压实度和级配等因素的影响较大。探讨上述因素对该填料的

4、宏观力学指标和细观剪切特性的影响，有重要的工程意义。本文以福建省厦蓉高速扩建工程为背景，对黏质粉土填料进行了室内直剪试验，得到含水率、压实度与填料抗剪强度指标的关系。利用颗粒离散元软件PFC建立填料的直剪试验模型，重点关注填料在剪切过程中的细观剪切机理；并扩大了级配范围，研究颗粒级配对填料宏观力学指标和细观剪切特性的影响。主要研究结论如下：1）18组不同含水率和不同压实度的直剪试验结果表明：黏聚力和内摩擦角随着压实度的增大而增大；黏聚力随着含水率的增加，呈现先增大后急剧减小的趋势，在最佳含水率附近出现峰值；内摩擦角随着含水率的增加，呈现平缓下降趋势。2）结合直剪试验和数值模拟的结果，得到填料的

5、宏观剪切特性：从应力-应变特性看，填料随着竖向压力的增大，由弱应变软化型变成应变硬化型。从剪切变形特性看，填料在剪切过程先缩后胀，主要表现为剪胀性；不同竖向压力下的剪切过程，竖向应变/剪切应变比值有趋于一个定值的倾向。3）由黏质粉土填料的数值模拟结果，可以发现颗粒的相对水平位移均值或转动量均值沿着竖向高度呈现近似正态分布，基于中心极限定理，本文提出一种定义剪切带宽度的方法。孔隙率和配位数在剪切过程中的变化有明显的分层现象。随着剪切的进行孔隙率变化过程为由点到面形式：即先在剪切面附近小区域孔隙率增大，随后区域扩大且逐渐连通贯穿。4）以分形维数定量描述颗粒级配，随着分形维数的减小，各级配试样的应力

6、-应变曲线呈现“应变软化-应变硬化-有应变软化”的特征，黏聚力和内摩擦角与分形维数高度线性相关；剪胀角随着分形维数的减小呈现先略微减小后快速增大的趋势。剪切带宽度随着分形维数的减小总体呈现增大趋势，剪切带形态从狭长条形逐渐变成椭圆形；黏结断裂主要区域从有限的条状剪切带区域发展到整个剪切盒。关键词：黏质粉土填料；颗粒离散元；剪切特性；剪切带宽度；分形维数Macro- and Meso-Shear Properties of Cohesive Silt Filler under Different GradationAbstractTransportation infrastructure suc

7、h as roads and railways are accompanied by a large amount of excavation and filling works when crossing mountainous terrain. Filled embankment can be combined with cutting or excavation engineerings, which has significant economic benefits and engineering value. Cohesive silt filler is a typical wid

8、ely distributed soil filler in southern Fujian. Its mechanical properties are complex and are greatly affected by factors such as moisture content, compaction and gradation. It is of great engineering significance to explore the influence of the above factors on the macro-mechanical indexes and meso

9、-shear properties of the filler.This thesis is based on the Fujian-Xialong Expressway expansion project. Through the lab direct shear test of cohesive silt filler, the relationship between the moisture content and compaction degree on the shear strength indexes of the filler is obtained. The direct

10、shear test model of the filler was established by the particle discrete element software PFC, and the meso-shear mechanism of the filler during the shearing process was emphasized. The scope of grading was expanded, and the effects of macro-mechanical indexes and meso-shear characteristics of granul

11、ar grading fillers were studied. The following research results have been achieved:1) The results of 18 groups of direct shear tests with different water contents and different compaction degrees show that the cohesion and internal friction angle increase with the increase of the compaction degree.

12、As the water content increases, the cohesive force increases first and then decreases sharply, with a peak near the optimal water content. As the water content increases, the internal friction angle shows a gentle downward trend.2) Combining the results of direct shear test and numerical simulation,

13、 the macroscopic shear characteristics of the filler are obtained. From the perspective of stress-strain characteristics, as the vertical pressure increases, the filler changes from a weak strain softening type to a strain hardening type. From the perspective of shear deformation characteristics, th

14、e filler shrinks first and then swells during the shearing process, which mainly manifests as dilatancy. In the shear process under different vertical pressures, the vertical strain / shear strain ratio tends to a constant value.3) From the numerical simulation results of the cohesive silt filler, i

15、t can be found that the average value of the relative horizontal displacement or the average value of the rotation of the particles exhibits an approximately normal distribution along the vertical height. Based on the central limit theorem, this thesis proposes a method to define the width of shear

16、band. The variation of porosity and coordination number during shearing has obvious delamination phenomenon. As the shear progresses, the porosity changes from point to surface, that is, the porosity increases in a small area near the shear surface, and then the area expands and gradually connects a

17、nd penetrates.4) Quantitatively describe particle gradation in fractal dimension. With the decrease of the fractal dimension, the stress-strain curve of the specimens of each grade has the characteristics of strain softening-strain hardening-strain softening. Cohesion and internal friction angle are

18、 high-related to the fractal dimension linearly. As the fractal dimension decreases, the dilatancy angle decreases slightly and then increases rapidly. As the fractal dimension decreases, the width of shear band generally increase. The shape of the shear band gradually changed from a narrow strip to

19、 an oval. The main area of the contact bond fracture develops from the limited strip shear zone to the entire shear box.Key word: cohesive silt filler; particle discrete element; shear characteristics; width of shear band ; fractal dimension目录中文摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究现状21.2.1 土的颗粒组

20、成特征21.2.2 填料的剪切试验31.2.3 颗粒流数值模拟41.2.3 已有研究的不足61.3 本文的研究内容及技术路线6第二章 黏质粉土填料物理力学性质的室内试验82.1 常规物理性质试验82.1.1 界限含水率试验82.1.2 颗粒分析试验92.1.3 击实试验112.2 直剪试验132.2.1 试样制备132.2.2 试验步骤142.2.3 试验结果152.3 本章小结19第三章 直剪试验的颗粒离散元数值模拟203.1 颗粒离散元PFC2D 5.0介绍203.1.1 理论背景203.1.2 基本假设203.1.3 计算原理213.1.4 接触本构模型243.2 直剪试验模型的建立27

21、3.2.1 初始模型生成283.2.2 模型级配的优化293.2.3 伺服和剪切的实现313.3 基于BP神经网络的细观参数标定343.3.1 BP神经网络概述343.3.2 细观参数的正交设计353.3.3 细观参数标定结果383.4 本章小结41第四章 黏质粉土填料的宏细观剪切特性424.1 宏观剪切特性424.1.1 应力-应变特性424.1.2 剪切变形特性444.2 颗粒运动及剪切带宽度464.2.1 颗粒位移场464.2.2 颗粒转动474.2.3 颗粒水平相对位移504.2.4 剪切带宽度524.3 孔隙率544.4 颗粒相互作用584.4.1 配位数584.4.2 力链结构59

22、4.4.3 黏结断裂情况614.5 本章小结63第五章 不同级配黏质粉土填料的宏细观剪切特性655.1 土的颗粒组成特征655.1.1 分形维数概述655.1.2 基于颗分曲线的分形维数665.2 不同级配下的宏观剪切指标695.2.1 抗剪强度指标695.2.2 变形指标715.3 不同级配下的细观剪切特性725.3.1 剪切带宽度和形态725.3.2 黏结断裂765.4 本章小结78结论与建议80结论80进一步研究的建议81致谢86作者简历及攻读期成果87V不同颗粒级配下黏质粉土填料的宏细观剪切特性第一章 绪论1.1 研究背景及意义高等级公路经常穿越山区地形和地质条件复杂地带，山岭极多造成

23、了高等级公路施工难度大，线路布置难的困扰。在山区段，为确保公路的技术标准以及行车安全问题，对填方挖方较大路段，山区高等级公路较多开挖隧道或者架高架桥通过。当然，由于公路占地面积宽，工程量大，在局部路段解决跨沟或越岭问题只能采取高填或深挖的方式。但是无论哪一种问题，都会引发一些需要重视的问题：土石方的平衡。大量边坡开挖导致过剩的挖方和隧道废土方必需另外找寻堆土场，而山区起伏不平的地形和山区植被众多，很难有条件造就卡车通道和就近距离的找到合适的堆土场。因此，从弃土的角度来讲，当高等级公路在山区丘陵地带修筑时候，适当的以高填路基替代桥梁是一种较为适合的解决方案。一方面，山区石料和土料丰富多样，满足各

24、种级配，强度高性能较好，直接以山坡开挖的石料或隧道废土方作为路堤填料，施工工艺经验丰富，同时也容易形成路床；另一方面，高填路堤造价低，经济环保，且可与两侧挖方或隧道开挖有机结合，方便施工组织。由此可见，高等级公路在山区丘陵地带修建时采用高填路堤具有一定的显著的优势。路基是公路的重要组成部分，对路面的稳定性和变形沉降情况起着至关重要的作用，车辆等在路面上是否安全和快速平稳的行驶，很大部分也是看路基路面是否平整与结实。路基在填筑时候填筑密实，则可以大大发挥路基材料的强度等特性，减少震动、荷载对其损坏作用，另外也能减少雨水对路基路面的侵蚀作用，这对路面的性能指标有较大的提升，还能减少维护次数，延长使

25、用年份。路基的稳定性和变形主要通过强度和压缩模量体现。在一开始使用填料时，需要做室内土工试验，对现场土进行颗粒分析试验、击实试验、压缩试验和直剪试验等，得到其基本力学参数和强度指标，在现场施工过程中，也会进行回弹模量和CBR试验。但是无论对于哪一种情况，都需要复杂的过程才能得到需要的结果。其中，室内直剪试验因为操作便捷简单，能有效获取土体抗剪强度而被广泛采用。粉土填料作为工程建设中最常见的典型填料之一，其性质与砂性土和黏性土都有较大差异。在高速公路建设飞速发展的时代，越来越多的性质不一的粉土出现在工程面前，因此必须加强对粉土的研究。除了得到其宏观指标对工程实际的指导，也要了解其细观变化，以便于

26、更好的了解其特性。通过这些研究，对保证粉土路基的强度和稳定性有直接关系。本文的高速公路扩建工程实例中，遇见的就是粉土填料。受当地气候条件影响和母质类型多等原因，各区域的土质都有十分显著的区域性和复杂性。对地区性的粉土进行剪切试验研究，考虑压实度、含水率和级配对剪切特性的影响，对工程建设有重要意义。通过颗粒离散元软件对黏质粉土填料展开数值模拟，对这种填料的细观剪切机理进一步加深了解，这对以后类似的工程建设或黏质粉土填料剪切性能带来参考价值。1.2 国内外研究现状1.2.1 土的颗粒组成特征在古代，先辈们就知道利用土这种散体材料用于建筑或者防御工事。随着对土的利用不断开发，人们发现土的多种多样性，

27、因此对土的分类也得到长足发展。有按土的成因划分，如残积土，冲积土等；有按土的颗粒级配划分为砂土、粉土等；还有特殊的土如黄土、冻土等。目前按照公路土工试验规程和土工试验技术手册等规程和文献1-3，土的分类应按颗粒组成特征、液塑限指标和有机质含量作为主要分类手段。对于粗粒土而言，其力学特性等主要影响因素就是颗粒级配的构成。陈亚兵4, 5等人通过改变细粒土级配中的黏粒含量，研究其黏粒含量与液塑限相关性，对级配的分类方法提出了优化建议。由此可见，虽然细粒土是通过黏粒含量影响其力学性质，但是归根结底的影响因素还是级配6, 7。无论粗粒土还是细粒土，都有众多学者研究级配对力学特性的影响。陈铖8等人通过多种

28、不同级配下的试样进行三轴试验，分析了曲率系数和不均匀系数的影响，认为曲率系数对粗颗粒土的变形特性影响较大，曲率系数和不均匀系数都较大的时候土的压缩性较好。高成雷9等人认为级配对无粘性土的结构影响主要有三种方式；还认为这类土作为填料时，不应该单纯的只考虑孔隙率作为路基的压实度评判标准，还应该考虑颗粒级配情况。文宝萍10等人研究非饱和土的颗粒级配指标和水土特征曲线参数的关系，探讨了级配对此类土的基本特性影响程度。贾辰生11等人对公路粉土填料路基的施工进行了探讨，认为如粉砂土内细粒组土粒含量对工程质量影响较大。唐延钦12, 13通过对粉土的压实技术进行研究，发现其级配和击实功对压实性能有重要影响。王

29、海14等人以低液限粉性土压实技术入手，研究了各种参料及不同配比方式对低液限粉土稳定性、强度的影响。由上可以看出，土的颗粒级配在对土的分类、压实特性、剪切特性等各方面均有显著影响。虽然对土的分类标准日趋完善，但是由于土的区域性、特殊性，所以人们对土的分类一直在探索的道路上，从未停下脚步。传统的土的颗粒组成特征指标有特征粒径（d10、d30、d50）、曲率系数Cc、不均匀系数Cu以及最大粒径最小粒径。但是这些指标有一定的局限性，不能充分描述颗粒特征，只能定性判断级配是否良好，且不适用于粒径更小的细粒土。随着对复杂几何体的不断深入研究，在上世纪六七十年代，有学者15提出分形维数概念，即一个复杂的几何

30、形状，用不同于整数的欧式维度去对他进行分维。由于土体的高度局部与整体自相似性，非常符合分形几何体的定义16，随着分形几何学的不断发展，分形维数也逐渐应用于复杂的土体研究当中，取得了一系列成果17-20。王国梁21等人基于土壤的体积或者孔隙率的分布情况，用两者建立分形模型，证明土体用不同的分形维度去评定岩土体的组成情况是可行的。Lu, P22, 23等人通过研究岩土体破碎过程，发现破碎前后岩土体的级配都符合分形维数，并且破碎过程统计分布符合分形行为。Casagli24, 25等人认为对于更复杂的岩土体，单个的分形维数也有一定的缺陷。陈峰26认为当值越接近边界值时描述越不准确，发现可以这些更复杂的

31、岩土体符合多峰分布，即可以使用多重分形参数共同去描述。1.2.2 填料的剪切试验对土体的力学特性研究，主要包含土的压缩特性和剪切特性27。宏观层次的剪切特性表现在土体在受到剪切作用时候产生剪切强度特性和剪切变形特性28。为了研究土体的宏观剪切特性，发明了很多剪切仪器，室内直剪仪、环剪仪、三轴剪切仪和现场大型直剪仪等。通过直剪试验或者三轴剪切试验等试验，探讨各因素对土体的抗剪强度指标或者剪胀性影响研究已有较多的成果。张添锋29, 30等人对非饱和重塑土进行含水率控制，研究含水率与抗剪强度之间的关系，得到含水率增加会降低抗剪强度，且含水率对黏聚力影响大而对内摩擦角影响小的结果。王来贵31等人对排土

32、场的岩土进行直剪试验，通过控制试样的不同压实度，得到了压实度和抗剪强度指标的关系：黏聚力和内摩擦角都会随着压实度的增大而增大。仲玥32对不同粒组的砂土进行分层排列，通过直剪和三轴剪切研究颗粒排列对砂土强度及应力应变曲线的影响规律。王辉33等人通过直剪试验，研究黄土剪胀特性，得到了干密度和含水率对黏聚力的影响呈现指数函数关系。王江营34基于正交试验设计，考虑了含水率、含石量、压实度等诸多因素，开展土石混合料的直剪试验和三轴试验研究，结果表明：含石量是影响土石料抗剪强度的最主要因素；含石量和压实度是影响土石料变形特性的两个主要因素。此外，诸多学者探讨了干湿循环35、直剪剪切速率36、动荷载37等因

33、素对强度特性和变形特性的影响。1.2.3 颗粒流数值模拟由于受到试验条件和人为误差方面因素的影响，室内室外试验都存在一定的限制，如可重复性较差、精度较差，且耗费人力物力较大，展现的也都是宏观层次的力学特性。在直剪试验中，颗粒会发生位移、翻滚、破碎等情况，整个试样会出现剪切裂纹和剪切破坏面。通过直剪试验能较简单获取试样的抗剪强度指标，以及最终破坏面的破坏形状这些宏观层次的表征；但是几乎难以获得颗粒的转动量、试样孔隙率的变化情况，也无从知道试样何时出现了裂纹和裂纹的发展情况。室内直剪试验在细观层次显得无能为力，因此需要借助数值模拟软件对进行更加细观层面的研究，以弥补室内直剪试验的不足之处。随着计算

34、机的发展和数值模拟软件的不断更新开发，对土体的研究目前主要有有限元和离散元（又叫颗粒流）两种数值方法，有限元建模简单，计算快，但是难以探究到具体的颗粒的运动和接触等细观层次。近年来，利用离散元方法对岩土散体材料的研究成为新的研究热点，细观层次的力学特性及其整个试验过程研究有了更加深入的了解。图1- 1显示基于知网统计近30年来与离散元或颗粒流方法相关的年发表文献数目，由此可知，颗粒流方法应用的越来越多。图1- 1 知网统计颗粒流年发表文献数量在早些年，离散元颗粒流研究内容主要是对室内试验进行标定，针对如何准确的拟合室内试验提出了各种细观参数标定方法，并且通过数值模拟重现各种室内试验过程。周健3

35、8, 39等人在2003年，通过PFC模拟砂土的力学试验，通过应力应变曲线进行数值模拟和室内试验标定，探讨了细观参数对宏观指标的影响。廖雄华40, 41等人建立能够反映黏性土微观结构的模型，研究了细观力学特征与物理试样宏观力学响应，并揭示了一些规律。Sadek42等人利用数值模拟手段模拟了土壤的直剪试验，用室内直剪试验作为检验，并根据剪切力和位移预测了土壤的剪切行为。邢炜杰43等人通过PFC3D对黏性土进行三轴试验模型，从细观角度探讨试验过程中的力学特性。岳建刚44改变应力路径和围压，在PFC3D中研究两者对粘土的强度、应力应变特性和变形特性的影响。郭书魁45等人基于颗粒流软件PFC对本构的细

36、观参数进行敏感性分析。孙婧46, 47等人在对细观参数的标定过程进行探究，给出了一些方案解决细观参数标定困难的问题。陈亚东48等人基于大量数值模拟结果，针对砂土的线性模型提出了宏观指标与细观参数之间的关系式。除了重现室内试验过程，利用数值软件的便利性，有学者研究不同颗粒含量49, 50、颗粒形状51, 52、试样模型尺寸53, 54等条件对剪切强度的影响。Wang, C55等人提出了基于颗粒状橡胶砂土直接剪切试验的三维离散单元建模方法，通过改变橡胶颗粒含量，研究其与颗粒间接触力、孔隙率等微观层次的变化，对混合物微观力学特性的进一步了解。徐国建56等人通过数值软件在二维、三维情况下探究土体级配与

37、孔隙率对力学特性的影响，结果表明孔隙率和级配对土体力学性质有较大影响，并提出二维数值试样颗粒数目及孔隙率转换公式。齐阳57等人在模拟室内试验的过程中，逐渐发现简单的圆盘或者球形颗粒并不能很好的描述具有棱角或者扁平的颗粒，且现有的研究缺乏对于不规则块体颗粒形状的定量评价指标；大的颗粒在剪切过程会发生破碎。这两方面对剪切都会产生不可忽视的影响。Bagherzadeh-Khalkhali58等人发现数值模拟的尺寸大小对剪切强度等会产生影响，对超过室内直剪实验尺寸的粗粒土，进行了不同尺寸的试验和数值模拟，研究了试样尺寸、粒径对粗粒土的抗剪强度影响。张超59等人基于颗粒流基本理论和物理试验结果，通过PF

38、C程序生成clump粗颗粒的混合试样，以克服纯球体颗粒模拟粗粒土抗剪强度不足的缺陷，研究粗粒土在三轴剪切状态下强度及变形特性。随着离散元技术的不断成熟，在细观层次方面有了更深入的了解。Kock60等人建立了不同分层的试样，重点研究了各层颗粒摩擦系数的变化对材料的局部化和微观力学。结果表明：颗粒的滑动、滚动和转动能力在很大程度上受到每一层土的强度和颗粒摩擦力的影响。樊昌翼61建立直剪试验2D模型，分析粘结颗粒的剪切细观特性。刘建国62, 63等人利用颗粒流软件PFC对黏性土渗透破坏进行了数值模拟，从微观角度解释了黏性土渗透破坏的力学机理，并与试验室试验对比，为防治黏性土的渗透破坏提供了合理方法。

39、蔡耀宇64利用PFC对进行数值模拟，在颗粒位移场中利用辅助线将剪切带大致标出，估算得到剪切带宽度。沙特65, 66等人利用PFC获得所有颗粒的水平位移，统计竖向高度每1mm内的颗粒水平位移平均值，通过平均水平位移曲线定义剪切带宽度。Zhou, Q67等人对直剪试验的颗粒旋转角和水平位移，利用标准偏差公式思想，定量的提出了剪切带宽度的定义。1.2.3 已有研究的不足从上述国内外文献的研究范围和内容中可以看出，关于岩土的抗剪强度问题，无论是细粒土还是粗粒土，目前在室内直剪试验中取得了较多的成果。但是对于闽南地区典型残积土-黏质粉土填料，由于其区域性和复杂性，成果较少，有待进一步研究。土体的力学特性

40、差异的主要原因在于级配的不同，以前学者关注的是土壤组构和分形维数的关系，对于分形维数如何影响力学特性关注度不够，关于不同级配或近似级配下的黏质粉土填料的剪切特性是否有很大差异，有待进一步研究。1.3 本文的研究内容及技术路线基于以上研究成果的综述，并针对既有研究存在的不足之处，本文以厦蓉高速扩建（漳州段）项目为依托，以A3标现场所用的黏质粉土填料作为研究对象。首先通过常规物理性质试验得到黏质粉土填料的基本物理性质参数，并且根据这些参数设计不同含水率和压实度的试样进行直剪试验，得到其抗剪强度指标。其次用颗粒流软件PFC2D建立真实直剪试验模型，通过BP神经网络建立宏观指标和细观参数之间的关系，标

41、定一组室内直剪试验的细观参数。在PFC平台上，研究黏质粉土填料的剪切过程中宏细观层次的剪切特性和剪切变形破坏机制，并以分形维度描述级配，研究级配对剪切特性的影响。具体研究内容如下：1）对A3标现场所用黏质粉土填料进行取样，在室内展开界限含水率试验、颗粒分析试验、击实试验，得到黏质粉土填料的基本物理性质参数。通过一定的方法控制含水率以及压实度，进行18组不同含水率和不同压实度下的直剪试验，得到含水率、压实度和抗剪强度指标的关系。2）在离散元数值分析平台PFC2D上，建立室内直剪试验的数值模型。根据黏质粉土填料的特点，采用合适的接触本构模型，并且通过正交试验设计选取不同的细观参数的值，不同的细观参

42、数（PFC接触本构参数）的直剪试样产生不同的宏观指标（如抗剪强度指标），以此作为BP神经网络训练样本。通过MATLAB软件对已有的样本进行训练，得到一个较好的神经网络，反演得到一组与室内直剪试验相吻合的细观参数。3）相同级配时，以剪切过程为主要研究主线，通过PFC离散元软件，从宏观指标和细观机理两大部分对剪切特性进行研究。从抗剪强度指标、剪胀性、颗粒运动、孔隙率变化、颗粒接触5个方面对不同竖向压力下的剪切过程进行宏细观层次分析，探究黏质粉土填料在剪切时的力学响应。4）不同级配时，以分形维数来定量评价土的颗粒级配，对不同级配条件下试样进行大规模数值模拟。归纳总结出分形维数D与抗剪强度指标、剪胀角

43、和剪切带宽度H的关系。本文技术路线如图1- 2所示。图1- 2技术路线图67第二章 黏质粉土填料物理力学性质的室内试验在修建公路铁路的路基时候，填筑路基的非饱和土填料是常见的路基材料之一，含水率和压实度对于非饱和土填料的强度特性和变形特性有显著的影响68-70。对填料展开力学试验，获取其力学指标以及研究其力学特性，是工程建设中的必要过程。本章试验的土试样取自福建省厦蓉高速扩建工程漳州段A3标段，黏质粉土填料为该工程的典型土质填料之一。参照公路土工试验规程（JTG E40-2007），对该填料进行了界限含水率试验、颗粒分析试验以及击实试验，获得其常规物理性质指标。设计了多种不同含水率和不同压实度

44、的直剪试验，重点关注了含水率、压实度对填料的抗剪强度指标的影响。2.1 常规物理性质试验2.1.1 界限含水率试验界限含水率试验采用液限和塑限联合测定法，试验步骤如下：1）对土试样进行烘干，过0.5mm筛，用纯净水和200g土试样搅拌均匀，然后填入试样杯中，不留空隙并且刮平表面。2）调试液塑限联合测定仪，测量圆锥的下沉深度，取试样杯中的土试样进行含水率试验。图2- 1 测定圆锥锥入深度3）试验采用的是76g的锥，在入土深度-含水率的双对数坐标图上，可得锥入深度为17mm处的含水率为液限L，锥入深度为2mm处的含水率为塑限P，塑性指数IP计算公式为： （2-1）试验结果记录如下表2- 1，含水率

45、和圆锥锥入深度关系如下图2- 2所示，由线性拟合的决定系数可知，两者线性相关度极高。根据图2- 2查得此土试样的塑限含水率P=2.06，液限含水率L=28.01，根据塑性指数计算公式得到塑性指数IP=25.95。表2- 1土试样的界限含水率试验结果表试样编号圆锥下沉深度（mm）圆锥平均下沉深（mm）盒号盒质量（g）盒+湿土质量（g）盒+干土质量（g）含水率（%）14.464.56B8407.1410.319.8815.74.6527.517.73B8377.189.729.2721.57.94317.4217.28B8016.9511.1310.0734.017.13图2- 2土试样含水率与锥

46、入深度关系2.1.2 颗粒分析试验根据土试样的颗粒粒径大小，确定颗粒分析试验采用筛分法，试验步骤如下：1）根据土试样粒径大小，采用5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm的标准筛自上而下叠加在一起，事先对所有筛进行清洗晒干。2）对取回来的土试样进行烘干，将黏结的土块充分碾散，称取1000g烘干碾碎的土试样放入摇筛机中进行振动动筛分15分钟。3）自上而下取下各筛，将筛上的土颗粒用软毛刷刷干净，分别对其称重并且记录数据，所有各层土的累计总质量与原称量的质量之差应在1%以内，计算小于该孔径土质量百分比。图2- 3土试样在分析筛中振动颗粒分析试验数据及计算结果如下表2- 2所示，颗粒级配曲线见图2- 4。根据土的工程分类，由L- IP液限塑性图可知此土试样为黏质粉土，结合土试样颗粒级配曲线可知，此土试样的级配良好。表2- 2土试样的筛分试