砂土力学特性及临界破坏三维离散元数值模拟

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1、砂土力学特性及临界破坏三维离散元数值模拟1绪论1.1研究背景及意义颗粒材料如自然界内的砂土、碌石、岩石、冰雪和生活中的药丸、谷类、白糖、食盐等，在我们的日常生活和生产中随处可见，而它们的行为也被许多研究人员所关注和调查。在一些实际工程中，如道路路基填筑、边坡支护工程、铁路轨道上的道砟及防洪堤项修筑等，都会用到土、石等颗粒材料。因此目前与颗粒材料有关的问题无论在学术界还是在工程界都被广泛关注。砂土是一种由固、液、气三相介质组成的离散颗粒集合体，其固体顿粒中直径大于2mm的质量不超过总质量的50%,而大于0.075mm的质量占总质量的50%以上。由于砂土的离散特性，其力学特性较

2、金属材料等更加复杂，往往受到试样密度、颗粒级配、初始各向异性情况等的影响，在进行试验时还受到固结围压、加载方式以及排水情况等的影响。作为一种离散体，砂土的宏观力学行为在很大程度上受到其微观内结构演化的影响。当砂土受到外力作用时，其内部颗粒间、颗粒与边界间相互作用产生接触力，传递外力作用并引起颗粒体内结构的演化，并引起砂土材料复杂的宏观力学响应。因此，深入认识和研究砂土材料的微观力学特性对掌握砂土宏观力学行为并开展基于微观本构建模具有重要的学术价值。研究砂土的力学特性的常用方法有室内试验、本构模型分析和数值模拟等。室内试验的研究方法起步较早，可以较为准确和真实地揭示砂土的宏观

3、力学行为，然而室内试验法耗时和费用都较大，且对于室内试验器材和技术发展的要求较高。同时，利用常规试验手段对砂土的剪切应变极限有限制，很难得到砂土的临界破坏情况，且在加载至应变较大时砂土试样会呈现出非均勻的应力应变场，加载过程中无法追踪颗粒的运动情况，无法知悉砂土试样的内结构演化规律，即无法对砂土微观特性进行分析，特别是砂土在临界状态时的徵观特性。..1.2国内外研究现状在过去的几十年来，研究人员通过室内试验、本构模型理论分析和数值模拟等方法对砂土的剪胀性、应力应变关系等力学特性进行了深入地研究，调查其密度、排水情况、应力路径、各向异性、主应力旋转引起的非共轴情况等对砂土力学

4、特性和临界状态的影响，并从徵观颗粒尺度分析其力学特性，取得了许多成果。早期，研究人员主要通过室内试验方法调查和分析砂土的复杂力学特性。陆士强和邱金营[6]利用真三轴仪对砂土试样进行常规三轴排水试验，根据试验结果调查并描述固结历史和加载路径对砂土应力应变关系和体积变化情况的影响。谢定义等通过对饱和砂土分别进行三轴排水和不排水试验，提出试样应力比与应变增量比间存在明显的线性关系，且其线性关系受到试样孔隙比和加载过程排水条件等影响。许成顺等[8]对砂土进行8种不同应力路径条件下的单调剪切试验，讨论和分析试样剪胀性、内摩擦角和应力应变关系等因此产生的不同变化情况。结果表明，砂土受压

5、时的剪胀性大于受拉时的，等压固结比偏压固结具有更强地剪胀性；砂土的加载方式(压缩或拉伸）对内摩擦角影响不大，但加载过程中的围压变化会对内摩擦角产生3°左右的差值变化。路德春等[9]使用标准应力路径三轴仪，在部分排水情况下对饱和砂土进行常规三轴压缩试验，发现排水条件对土体试样的加载模式和抗剪强度的作用效果有一定的影响，进而会影响砂土试样的力学特性。.2离散元法基本理论和颗粒流方法介绍2.1离散元法的介绍离散元法（Discreteelementmethod或Distinctelementmethod)[3]是一种常用的数值模拟计算工具，主要用来研究由大量离散颗粒组成的数

6、值试样在给定条件下的力学特性，包括土体的强度、摩擦特性及临界力学特性等，为揭示土体受微观结构影响提供一种重要手段，.也为建立具有微观物理机制的本构模型提供可能。离散元法的基本特点[67]是：（1)允许颗粒产生有限位移和转动，无需满足连续介质力学的位移连续与变形协调条件，即颗粒间可以相互接触也可以完全分离；（2)在计算过程中能够自动识别新的接触。颗粒间的接触可以分为软接触和硬接触。软接触是指在形成接触或者存在相互作用的颗粒间斌予一个有限可测量的法向刚度，用于描述颗粒间的接触关系；而硬接触中不允许颗粒间的相互重叠和穿透，其算法防止形成接触的颗粒间相互穿透。当利用离散元法模拟颗粒

7、材料的力学行为时，采用软接触能够更加符合模拟的实际情况。颗粒材料从性质上可分为刚性或者可变形的，从集合形状上可分为球形和任意多面体。离散元法数值模拟过程中，颗粒集合体试样的变形主要是通过各个颗粒的移动和旋转导致的顆粒体的重组引起，因此对颗粒材料的刚度情况的合理假设可以简化数值模拟的规模和运算，也让不连续介质的基本力学特性研究变得更容易理解。2.2颗粒流程序理论与方法介绍颗粒流程序PFC(ParticleFlop命令可将几个圆盘或球体颗粒任意程度地重叠胶结成任意形状的团颗粒。团颗粒是一种具有可变形边界的刚体，可作为通