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：基于大型土與結構物相互作用實驗的細觀觀測，研究了土體的細觀力學性狀。應用MiVnt圖像分析軟件分析了在剪切過程中顆粒孔隙率和顆粒變化的細觀力學性狀。取不同的剪切位移時，研究孔隙率、顆粒個數的變化。

關鍵詞：土與結構相互作用 圖像分析 細觀力學性狀

中圖分類號：O346；TU441+.34 文獻標識碼：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展。與此同時，土體與結構物相互作用的問題在建筑工程中越來越常見。

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

為了研究在實驗中砂土顆粒的變化情況，實驗通過細觀體視顯微觀測土細觀結構，應用MiVnt圖像分析軟件，分析觀測土與結構物相互作用實驗下孔隙率的細觀力學性狀。

1 實驗

1.1 實驗土樣

實驗采用廈門艾思歐標準砂有限公司生產的ISO標準砂（GB77671-1999），粒徑范圍為0.5～1 mm，基本物理力學性質。

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。因砂土在模型箱內靜置一個月，在重力作用下自然穩定密實，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

土與結構物接觸作用實驗儀由液壓系統控制，箱內砂土為六面體各向受力，經數據計算得到，x方向應力為Fx，y方向應力為Fy，z方向應力為Fz，砂土在底部鋼板的移動下受到的剪切應力為，在每組相互作用過程中出現的底部接觸面上最大剪應力定為。模型箱上的窗口用于拍攝砂土圖片。

實驗開始后，通過液壓系統控制，移動頂部加載板施加z向力，移動側向加載板施加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，以防止出現陰影或倒影影響圖像分析。

2 砂土實驗中顆粒孔隙率和顆粒運動變化分析

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

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，砂土中存在滾動和摩擦平移，孔隙被填實，顆粒數增加，使得孔隙率不斷變小，這種填充運動導致孔隙率的減小和顆粒數目的增加。而從孔隙率的減小比例和顆粒數的增加比例來看，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定，故變化較小。在s>3.2 mm后顆粒數沒有增加，而孔隙率繼續減小，說明此時孔隙率的減小不止再依賴顆粒的填充運動，孔隙面積已經不足以令其他顆粒間流動填充，而是把現有的孔隙壓縮，現有顆粒出現滑移。

3 結論

根據Mivnt的細觀圖片分析，結合上文對表2的分析結果，可得到以下結論。

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，轉動角度也較大，此時顆粒滾動頻率變大，粒間孔隙繼續被填充，以上兩階段顆粒的滾動從弱變強，接觸面最大剪應力不斷變大。從s=1.6 mm到4.8 mm時，顆粒由于被擠密，孔隙越來越小，移動和轉動都變得更加困難，此時最大剪應力處于一個穩定值。

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.基于數字圖像技術的砂土模型實驗細觀結構參數測量[J].巖土工程學報，2006，28（12）.

[3] 王清，王風艷.土微觀結構特征的定量研究及其在工程中的應用[J].成都理工學院學報，2001，28（2）.

[4] 周健，賈敏才，等.土工細觀模型實驗與數值模擬[M].科學出版社，2008.

[5] 胡黎明，濮家騮.土與結構物接觸面物理力學特性實驗研究[J].巖土工程學報，2001，23（4）.endprint

摘 要：基于大型土與結構物相互作用實驗的細觀觀測，研究了土體的細觀力學性狀。應用MiVnt圖像分析軟件分析了在剪切過程中顆粒孔隙率和顆粒變化的細觀力學性狀。取不同的剪切位移時，研究孔隙率、顆粒個數的變化。

關鍵詞：土與結構相互作用 圖像分析 細觀力學性狀

中圖分類號：O346；TU441+.34 文獻標識碼：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展。與此同時，土體與結構物相互作用的問題在建筑工程中越來越常見。

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

為了研究在實驗中砂土顆粒的變化情況，實驗通過細觀體視顯微觀測土細觀結構，應用MiVnt圖像分析軟件，分析觀測土與結構物相互作用實驗下孔隙率的細觀力學性狀。

1 實驗

1.1 實驗土樣

實驗采用廈門艾思歐標準砂有限公司生產的ISO標準砂（GB77671-1999），粒徑范圍為0.5～1 mm，基本物理力學性質。

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。因砂土在模型箱內靜置一個月，在重力作用下自然穩定密實，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

土與結構物接觸作用實驗儀由液壓系統控制，箱內砂土為六面體各向受力，經數據計算得到，x方向應力為Fx，y方向應力為Fy，z方向應力為Fz，砂土在底部鋼板的移動下受到的剪切應力為，在每組相互作用過程中出現的底部接觸面上最大剪應力定為。模型箱上的窗口用于拍攝砂土圖片。

實驗開始后，通過液壓系統控制，移動頂部加載板施加z向力，移動側向加載板施加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，以防止出現陰影或倒影影響圖像分析。

2 砂土實驗中顆粒孔隙率和顆粒運動變化分析

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

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，砂土中存在滾動和摩擦平移，孔隙被填實，顆粒數增加，使得孔隙率不斷變小，這種填充運動導致孔隙率的減小和顆粒數目的增加。而從孔隙率的減小比例和顆粒數的增加比例來看，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定，故變化較小。在s>3.2 mm后顆粒數沒有增加，而孔隙率繼續減小，說明此時孔隙率的減小不止再依賴顆粒的填充運動，孔隙面積已經不足以令其他顆粒間流動填充，而是把現有的孔隙壓縮，現有顆粒出現滑移。

3 結論

根據Mivnt的細觀圖片分析，結合上文對表2的分析結果，可得到以下結論。

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，轉動角度也較大，此時顆粒滾動頻率變大，粒間孔隙繼續被填充，以上兩階段顆粒的滾動從弱變強，接觸面最大剪應力不斷變大。從s=1.6 mm到4.8 mm時，顆粒由于被擠密，孔隙越來越小，移動和轉動都變得更加困難，此時最大剪應力處于一個穩定值。

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.基于數字圖像技術的砂土模型實驗細觀結構參數測量[J].巖土工程學報，2006，28（12）.

[3] 王清，王風艷.土微觀結構特征的定量研究及其在工程中的應用[J].成都理工學院學報，2001，28（2）.

[4] 周健，賈敏才，等.土工細觀模型實驗與數值模擬[M].科學出版社，2008.

[5] 胡黎明，濮家騮.土與結構物接觸面物理力學特性實驗研究[J].巖土工程學報，2001，23（4）.endprint

摘 要：基于大型土與結構物相互作用實驗的細觀觀測，研究了土體的細觀力學性狀。應用MiVnt圖像分析軟件分析了在剪切過程中顆粒孔隙率和顆粒變化的細觀力學性狀。取不同的剪切位移時，研究孔隙率、顆粒個數的變化。

關鍵詞：土與結構相互作用 圖像分析 細觀力學性狀

中圖分類號：O346；TU441+.34 文獻標識碼：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展。與此同時，土體與結構物相互作用的問題在建筑工程中越來越常見。

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

為了研究在實驗中砂土顆粒的變化情況，實驗通過細觀體視顯微觀測土細觀結構，應用MiVnt圖像分析軟件，分析觀測土與結構物相互作用實驗下孔隙率的細觀力學性狀。

1 實驗

1.1 實驗土樣

實驗采用廈門艾思歐標準砂有限公司生產的ISO標準砂（GB77671-1999），粒徑范圍為0.5～1 mm，基本物理力學性質。

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。因砂土在模型箱內靜置一個月，在重力作用下自然穩定密實，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

土與結構物接觸作用實驗儀由液壓系統控制，箱內砂土為六面體各向受力，經數據計算得到，x方向應力為Fx，y方向應力為Fy，z方向應力為Fz，砂土在底部鋼板的移動下受到的剪切應力為，在每組相互作用過程中出現的底部接觸面上最大剪應力定為。模型箱上的窗口用于拍攝砂土圖片。

實驗開始后，通過液壓系統控制，移動頂部加載板施加z向力，移動側向加載板施加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，以防止出現陰影或倒影影響圖像分析。

2 砂土實驗中顆粒孔隙率和顆粒運動變化分析

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

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，砂土中存在滾動和摩擦平移，孔隙被填實，顆粒數增加，使得孔隙率不斷變小，這種填充運動導致孔隙率的減小和顆粒數目的增加。而從孔隙率的減小比例和顆粒數的增加比例來看，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定，故變化較小。在s>3.2 mm后顆粒數沒有增加，而孔隙率繼續減小，說明此時孔隙率的減小不止再依賴顆粒的填充運動，孔隙面積已經不足以令其他顆粒間流動填充，而是把現有的孔隙壓縮，現有顆粒出現滑移。

3 結論

根據Mivnt的細觀圖片分析，結合上文對表2的分析結果，可得到以下結論。

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，轉動角度也較大，此時顆粒滾動頻率變大，粒間孔隙繼續被填充，以上兩階段顆粒的滾動從弱變強，接觸面最大剪應力不斷變大。從s=1.6 mm到4.8 mm時，顆粒由于被擠密，孔隙越來越小，移動和轉動都變得更加困難，此時最大剪應力處于一個穩定值。

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.基于數字圖像技術的砂土模型實驗細觀結構參數測量[J].巖土工程學報，2006，28（12）.

[3] 王清，王風艷.土微觀結構特征的定量研究及其在工程中的應用[J].成都理工學院學報，2001，28（2）.

[4] 周健，賈敏才，等.土工細觀模型實驗與數值模擬[M].科學出版社，2008.

[5] 胡黎明，濮家騮.土與結構物接觸面物理力學特性實驗研究[J].巖土工程學報，2001，23（4）.endprint