砂土强度和剪胀性的颗粒力学分析

砂土强度和剪胀性一直是土力学强度和变形研究的难点和重点，对其进一步认识的关键取决于对砂土颗粒状微观结构的洞察。砂土的颗粒性和散碎性使其适合采用颗粒力学来研究。该文从颗粒力学角度出发，利用平面离散元模拟砂土变形，建立并标定了砂土单元实验的一个颗粒力学模型。在此基础上，通过颗粒力学参数影响分析，研究了砂土无侧限双轴试验的三种表观强度指标(临界状态强度、峰值强度和特征应力强度)、剪胀性及剪切模量的颗粒力学影响因素。研究结果表明：砂土临界状态强度仅受砂土颗粒摩擦系数的影响，是材料属性，符合临界状态土力学理论；砂土峰值强度和特征应力强度不但与砂土颗粒摩擦系数相关，还与围压水平和相对密实度有关。峰值强度不受砂土颗粒自身刚度性质的影响，而特征应力强度受颗粒刚度性质的影响较大，但后者的影响规律不是简单的正比或反比的关系。砂土剪切模量主要受其颗粒自身刚度性质的影响，就目前研究来看，它与砂土相对密实度的关系并不显著。用颗粒力学方法对剪胀性的深入研究比较困难，主要是因为诸多颗粒力学参数(砂土颗粒摩擦系数和刚度、砂土样品的孔隙率及围压水平)均与之相关。该文尝试研究了砂土剪胀性与其颗粒转角的关系。最后，用该文标定的颗粒力学模型，研究了无重地基极限承载力普朗德尔-瑞斯纳问题，通过颗粒力学计算结果与普朗德尔-瑞斯纳解的对比，深化了对砂土地基极限承载力的理解，也为计算颗粒力学方法在岩土工程尺度上的应用提供了参考。