隨著巖土工程測試技術(shù)的發(fā)展，人們認(rèn)識到獲得不擾動或較少擾動土樣進(jìn)行常規(guī)室內(nèi)試驗(yàn)是非常困難的。自鉆式旁壓試驗(yàn)是巖土工程勘察中一種原位測試技術(shù)，實(shí)質(zhì)上是一種利用鉆孔做的橫向載荷試驗(yàn)。自鉆式旁壓儀( SBPM) 采用自鉆技術(shù)，可以使土層的天然結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)在測試前保持不變，因而能夠更加準(zhǔn)確地得出原位土體的力學(xué)參數(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景; 而且無需采樣、制樣就可以得到原位土體的力學(xué)參數(shù)，節(jié)省時間; 因此特別適合如砂土、淤泥質(zhì)土等難于采樣、強(qiáng)度低的土層強(qiáng)度試驗(yàn)。對于這些土體大量分布的濱海平原、河口三角洲等地的巖土工程測試工作大有裨益。經(jīng)過多年的發(fā)展，作為一種有效的原位測試工具，自鉆式旁壓儀已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。Gibson等首次提出了旁壓試驗(yàn)曲線( 膨脹應(yīng)力－徑向應(yīng)變曲線) 的解釋方法，假定旁壓儀無限長，周圍土體的變形滿足軸對稱和平面應(yīng)變條件，在破壞之前土體的變形為彈性變形且沒有體積變化。但在實(shí)際原位試驗(yàn)中，旁壓儀的長徑比L /D( 測定器長度與直徑之比) 一般為4 或6，而非無限長。因此，采用Gibson 等分析方法計(jì)算得到的土體強(qiáng)度不可避免地出現(xiàn)誤差，而且相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)其值往往大于其他原位或室內(nèi)試驗(yàn)得到的強(qiáng)度值。Yeung 等與Yu認(rèn)為，利用上述解釋方法確定的SBPM 不排水剪切強(qiáng)度大于高質(zhì)量室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的主要原因是幾何尺寸假設(shè)。Houlsby 等把土體理想化為遵從Tresca 準(zhǔn)則的彈性－完全塑性材料，并通過與無限長L /D 時試驗(yàn)的比較對L /D 為4、6 和10 時的結(jié)果進(jìn)行了修正。Yu 等通過有限元模擬研究表明，由于忽視旁壓儀有限長度而對土體強(qiáng)度的高估受到計(jì)算時所采用土體模型的顯著影響，并基于臨界狀態(tài)理論給出3 個不同應(yīng)變區(qū)間上su的修正結(jié)果。郝冬雪，郝冬雪等基于修正的劍橋模型，利用有限元法分析了旁壓儀長徑比對不排水剪切強(qiáng)度的影響，建議了不同應(yīng)力歷史下確定飽和黏土不排水剪切強(qiáng)度的應(yīng)變區(qū)間; 并認(rèn)為當(dāng)OCＲ= 1，L/D= 20 時所確實(shí)的土體強(qiáng)度與無限長時基本相同。

 之前關(guān)于旁壓儀不同長徑比的研究主要集中于應(yīng)用有限元法對強(qiáng)度參數(shù)的修正與計(jì)算模型的選擇上，然而對不同L /D 測定器周圍土體加載條件下的變形響應(yīng)則研究較少。而各個土顆粒的平移和轉(zhuǎn)動及其相互作用是土體變形乃至破壞主要原因。所以，有必要對SBPM 試驗(yàn)過程中土顆粒在不同L /D測定器作用下的細(xì)觀變形響應(yīng)進(jìn)行研究。Cundall 等基于分子動力學(xué)原理提出了適用于土力學(xué)的顆粒流程序，在PFC3D程序中，數(shù)值試樣是由成千上百個大小不一的球形顆粒單元組成，賦予球顆粒不同的接觸模型( 接觸剛度模型、滑動分離模型和黏結(jié)模型) 來使顆粒集合體表現(xiàn)出復(fù)雜的本構(gòu)性質(zhì)，通過調(diào)整接觸模型可以模擬不同的物理現(xiàn)象。因此，它不僅可以直接模擬球形顆粒之間的運(yùn)動和相互作用，而且還可以使幾個球顆粒連接在一起形成任意形狀的顆粒組，來模擬研究顆粒形狀對力學(xué)參數(shù)的影響。另外，也能夠通過使各個顆粒相互黏結(jié)在一起來模擬具有彈性性質(zhì)的脆性固體，當(dāng)黏結(jié)破壞時，這個固體也能夠產(chǎn)生裂紋。同時，PFC3D能夠模擬大變形問題，而且可以監(jiān)測每個球顆粒和數(shù)值試樣的位移和速度變化，因此能夠很方便地研究結(jié)構(gòu)物與周圍球顆粒試樣的相互作用。自從1986 年王泳嘉在國內(nèi)首次介紹離散元方法及其程序之后，PFC3D 在巖土工程中已得到廣泛的應(yīng)用，表明了PFC3D程序在模擬散粒體物質(zhì)和巖體的力學(xué)響應(yīng)方面具有很大的優(yōu)勢。本文運(yùn)用顆粒流PFC3D 程序，借助其在模擬土與結(jié)構(gòu)物之間相互作用、大變形等方面的優(yōu)勢，建立數(shù)值模型，模擬了不同長徑比SBPM 試驗(yàn)的加載膨脹過程并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究。所建PFC3D模型不僅可以給出不同L /D 測定器周圍數(shù)值試樣的位移場變化，還可得到不同L /D 數(shù)值試樣中應(yīng)力的分布形式，重點(diǎn)從測定器周圍土體來揭示測定器—土相互作用規(guī)律，從而更全面地理解了測定器—土之間相互作用機(jī)理。本文主要研究了砂顆粒與測定器之間的相互作用，今后將著重研究SBPM 試驗(yàn)中黏性土材料的細(xì)觀響應(yīng)。

 首次應(yīng)用PFC3D 模擬了不同長徑比SBPM 試驗(yàn)，得到如下結(jié)論: 數(shù)值試驗(yàn)中，不同長徑比所得到的位移場分布可分為兩種情況: 當(dāng)L /D = 6 時，所得位移場分布形態(tài)為外圍位移等值線為圓弧形的“燈籠狀”; 當(dāng)L /D 大于6 時，位移場等值線僅在測定器肩部呈弧形，而外圍位移線近似為豎直線。數(shù)值試樣中徑向應(yīng)力在測定器附近兩側(cè)近似對稱出現(xiàn)數(shù)個應(yīng)力集中區(qū)，且當(dāng)L /D= 6 時的土體應(yīng)力小于后三者。根據(jù)長徑比的不同，可把測定器周圍土體受力分為兩種形式: 當(dāng)L /D 小于某一值時，測定器周圍土體的應(yīng)力分布呈“弧形壁燈籠狀”，此時在測定器高度上不符合軸對稱和平面應(yīng)變條件; 當(dāng)L /D 大于某一值時，應(yīng)力分布呈“直壁燈籠狀”，此時在測定器高度上的應(yīng)力分布較均勻，即長徑比越大，在垂直方向上越接近于軸對稱和平面應(yīng)變條件，在這種情況下，隨著L /D 的增大，周圍土體中的應(yīng)力逐漸減小。 當(dāng)孔應(yīng)變一定時，隨著長徑比的增加，所需內(nèi)壓力呈負(fù)指數(shù)減少，并逐漸趨于穩(wěn)定。