基于离散单元法的碎石道砟力学特性研究

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1、基于离散单元法的碎石道砟力学特性研究1绪论1.1选题的背景和意义级配碎石作为一种古典路面材料，其价格低廉、施工简便，曾在我国公路建设中发挥非常重要的作用⑴。碎石土指粒径大于2mni的颗粒的质量高出总质量50%的土，按表1-1进一步分类。通过破碎、筛分天然岩石（或卵石）可以得到碎石，碎石需要符合工程要求，由粗、细颗粒物质组成，是一种非匀质土，与一般粗颗粒土和细颗粒土相比，存在明显的差别。碎石是介于土体及岩体之间的一种特殊土体，一般具有压缩变形较小、抗压强度高、承载力较高的特点，是良好的地基直接持力层或桩端持力层，但是碎石的岩性及软硬都不均匀、粒

2、径变化大，其结构也松散[3]。碎石广泛应用于公路工程中和岩土工程中，如在公路工程中的碎石混合料的基层、底基层、大粒径填料的试验等，但其工程性质受诸多因素的影响和制约。级配碎石结构松散，不会传递拉应力和拉应变。当其被用于基层材料时，受力状态为三向受压，如图1-1所示，该结构及其特殊受力状态使级配碎石层可以充分吸收下层裂缝所释放的应变能，以达到抑制裂缝的效果[4]。当己经存在的路面结构不再满足交通发展的需求时，借鉴级配碎石的路面结构，道路建设者提出了半刚性基层沥青路面，并且逐渐替代了级配碎石路面，发展为主要路面结构，鉴于强基薄面思想，半刚性材料渐

3、渐发展为我国沥青结构的主要形式。然而，多年实践表明[56]，许多半刚性基层沥青路面产生了严重早期破坏，主要是出现沥青路面反射裂缝，以及裂缝引发的一系列路基病害。1.2国内外研究现状近年来，国内的许多单位都对碎石道碎的力学特性和变形特性等进行了一系列的室内试验和数值模拟研究，并且取得了一定成果。何兆益等对级配碎石基层材料进行静态三轴和动态三轴试验，研究其组成结构及动力特性，对比不同级配的试验结果，探讨级配碎石的非线性特性，并给出了建议级配及其成型方法。王龙等基于级配碎石混合料的室内三轴试验和MTS重复加载试验，对其力学性能及基层的抗剪性能进行研

4、究，分析了级配碎石的强度、塑性变形机理以及在长期车辆荷载作用下级配碎石基层的塑性变形发展规律与分布状态。金刚[20]通过级配碎石的室内三轴试验，研究其强度、变形特性及其性能评价指标。袁峻等通过级配碎石的三轴试验，研究了动弹性模量随应力状态变化的非线性特性，以及各种因素对回弹模量的影响，并针对我国两种级配碎石基层结构，提出了其结构设计参数。曹建新通过研究基层材料的组成结构及动力特性，从而提出了影响级配碎石力学性质的因素。柳音对基于级配碎石的回弹模量与永久变形这两个因素的级配碎石路面的设计方法进行了研究。刘星[4]进行了级配碎石的动三轴试验，构建

5、出级配碎石的级配-回弹模量的关系模型。马翁[24]通过室内试验对级配碎石的级配与回弹模量、抗剪性能及抗变形能力的关系。国内离散元法起步稍晚，20世纪80年代，原东北工学院的王泳嘉教授将离散元法引入国内，并首先用于岩石力学问题的分析中。他和邢纪波于1991年合著了《离散单元法及其在岩土中的应用》，是国内最早系统介绍离散单元方法的著作。2离散元基本理论及颗粒流介绍2.1离散单元法1971年，美国学者CundallP.A.教授基于分子动力学原理首次提出离散单元法(DistinctElementMethod,简称DEM)，它是种分析离散颗粒体的数值方

6、法。离散单元法和有限单元法存在相似之处：将区域划分成单元，运动过程中各单元的单元结点可以分离，即各个单元和其相邻的单元不仅可以接触，而且可以分离；通过力和位移的关系可以求出各单元之间的相互作用力，通过单元所受的不平衡力及不平衡力矩，根据牛顿运动定律可以确定个别单元的运动。[34]但是与有限元相比，离散元在解决碎石问题中有自身的特点：（1)碎石是典型的离散体，有限元法是建立在连续介质理论上的，不能很好的解决大变形问题，而离散元各个单元都相互独立，更加符合实际。（2)在离散元中通过接触模型来模拟不同的材料，当参数合理时一些本构特性可以直接显现出來

7、。（3)采用显式的计算方式，避免了有限元隐式求解中迭代对内存和迭代次数要求。在离散元方法中，当颗粒间的相互作用满足内力平衡时，将该相互作用视为平衡状态不断变化发展的动态过程。在颗粒流理论中，由于假定介质是离散体的相互结合，所以颗粒之间不存在变形协调的约束，但是颗粒间相互作用必须满足平衡方程。当作用在颗粒上的合力或合力矩不为零时，颗粒间的不平衡力或不平衡力矩会令颗粒按照牛顿第二定律发生运动。并且颗粒的运动受相邻颗粒的约束，该相邻颗粒的阻力与位移的运动规律被视为物理方程，线性方程或非线性方程都是可能的。基于牛顿第二定律与力-位移定律的颗粒流方法利

8、用显示时步循环运算，并将牛顿第二定律和力-位移定律用于分析颗粒的接触特性，各颗粒再也不呈现不平衡力与不平衡力矩时终止。2.2基于离散元理论的颗粒流方法九十年代以来，