岩土力学 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (5): 1291-1303.doi: 10.16285/j.rsm.2020.1113

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

软弱层峰前循环剪切宏细观累积损伤机制研究

刘新荣1, 2, 3,许彬1, 2, 3,周小涵1, 2, 3,谢应坤4,何春梅5,黄俊辉1, 2, 3   

  1. 1. 重庆大学 土木工程学院,重庆 400045;2. 重庆大学 库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心,重庆 400045; 3. 重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室,重庆 400045;4. 重庆川东南工程勘察设计院有限公司,重庆 400038; 5. 内江师范学院 建筑工程学院,四川 内江 641100
  • 收稿日期:2020-07-30 修回日期:2021-01-13 出版日期:2021-05-11 发布日期:2021-05-07
  • 通讯作者: 许彬,男,1993年生,博士研究生,主要从事岩土力学与边坡工程等方面的学习与科研工作。E-mail: geotechnicale2016@163.com E-mail:liuxrong@126.com
  • 作者简介:刘新荣,男,1969年生,博士,教授,博士生导师,主要从事岩土力学与边坡工程等方面的教学与科研工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目资助(No.41972266,No.41772319);国家重点研发计划项目资助(No.2018YFC1504802);重庆市博士后科研基金项目资助(No.cstc2019jcyj-bshX0072)

Investigation on macro-meso cumulative damage mechanism of weak layer under pre-peak cyclic shear loading

LIU Xin-rong1, 2, 3, XU Bin1, 2, 3, ZHOU Xiao-han1, 2, 3, XIE Ying-kun4, HE Chun-mei5, HUANG Jun-hui1, 2, 3   

  1. 1. School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China; 2. National Joint Engineering Research Center of Geohazards Prevention in the Reservoir Areas, Chongqing University, Chongqing 400045, China; 3. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China; 4. Chongqing Chuandongnan Survey & Design Institute Co., Ltd., Chongqing 400038, China; 5. College of Architectural Engineering, Neijiang Normal University, Neijiang, Sichuan 641100, China
  • Received:2020-07-30 Revised:2021-01-13 Online:2021-05-11 Published:2021-05-07
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (41972266, 41772319), the National Key Research and Development Program of China (2018YFC1504802) and the Chongqing Postdoctoral Science Foundation of China (cstc2019jcyj-bshX0072).

摘要: 通过峰前循环剪切试验和PFC2D细观数值模拟,研究了考虑多种因素影响的软弱层宏细观累积损伤机制。研究表明:(1)软弱层循环剪切变形及强度演化曲线共经历初始压剪非线性变形(弹性区)、应力爬升累积损伤非线性变形(弹塑性区)及应力恒定塑性变形(塑性区)3个发展阶段;(2)软弱层峰值(残余)强度和累积剪切(法向)变形在相同含水率、法向压力、剪切速率、剪切幅度或相对厚度下随循环剪切次数增加分别降低和增大,而其在相同循环剪切次数下随各因素影响值增大分别依次降低、增大、降低、降低、增大和增大、降低、增大、增大、降低;(3)软弱层细观累积损伤裂纹数量及能量演化曲线分别呈初期微―陡增、前期缓增、中期陡增、后期微增和前期陡增、中期缓增、后期微增的阶段性发展特征,且细观累积损伤裂纹呈近似“S型带状”分布于剪切面附近两侧;(4)软弱层宏细观累积损伤破坏模式可概括为压剪―起裂破坏(剪胀效应)、磨损―错动―啃断破坏(剪胀―疏松―剪缩效应)及贯通―滑移破坏(剪缩效应)3种基本类型。

关键词: 软弱层, 峰前循环剪切, PFC2D, 破坏模式, 演化过程, 累积损伤机制

Abstract: To investigate the macro-meso cumulative damage mechanism of the weak layer considering the impacts of various factors, the pre-peak cyclic shear tests and PFC2D meso numerical simulations were conducted. The results indicate that: (1) Three stages, i.e., initial compression-shear nonlinear deformation (elastic zone), nonlinear deformation of the cumulative damage due to the stress climb (elastic-plastic zone) and plastic deformation with constant stress (plastic zone), are observed in the weak layer cyclic shear deformation evolution curve and strength evolution curve. (2) The peak (residual) strength and cumulative shear (normal) deformation of the weak layer decreases and increases respectively as the cyclic shear times increase under the same conditions of moisture content, normal stress, shear rate, shear amplitude or relative thickness; conducted with the same cyclic shear times, the peak (residual) strength decreases, increases, decreases, decreases and increases with the increase of the mentioned factors in turn, while the variations of cumulative shear (normal) deformation present the opposite trends. (3) The evolution curve of the meso cumulative damage crack quantity includes four stages, i.e., a slight-steep, slow, steep and slight increase in the initial, preliminary, middle and later stages, respectively. Meanwhile, the weak layer energy evolution curve includes three stages, i.e., a steep, slow and slight increase in the preliminary, middle and later stages, respectively; besides, the meso-damage particles are distributed on both sides of the shear plane in an approximately “banded S-shape”. (4) The macro-meso cumulative damage failure modes of the weak layer can be summarized into three basic types, including the compacting-cracking failure (dilatancy effect), abrading-dislocating- gnawing failure (dilatancy-loosening-shrinkage effect) and penetrating-sliding failure (shrinkage effect).

Key words: weak layer, pre-peak cyclic shear, PFC2D, failure mode, evolution process, cumulative damage mechanism

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