k0系数影响因素的颗粒流模拟

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1、KO系数影响因素的颗粒流模拟周剑1计国贤2(1.浙江工业职业技术学院，浙江绍兴312000；2.浙江工业大学，浙江杭州310014)中图分类号：TU432文献标识码.•A文章编码：1003-2738(2011)09-0000-02摘要：木文利用用二维颗粒流理论模拟了摩擦系数对K0系数的影响；并对」aky公式在二维颗粒流理论中的适用性进行了探讨。用颗粒流理论能很方便的测得K0值，从而揭示K0系数的变化规律。关键词：颗粒流；K0系数；影响因素。.1八.,一、刖目K0系数在岩土工程中是一个重要的参数，是指土

2、体在无侧限变形条件下固结后的水平向主应力和竖向主应力之比。从己有的研究成果来看，影响K0的参数很多，如土壤类别、应力历史、土体状态等，影响因素非常复杂，不仅在理论上很难求得，在试验中也很难重现侧向应变为0的状态，所以对K0系数的的研究还有诸多不明之处。木文将采用基于离散元的颗粒流理论，对影响K0值大小的因素进行模拟，如土的摩檫特性对K0值的影响，并对jaky公式在PFC2D中的适用性进行讨论。二、颗粒流理论PFC2D即二维颗粒流程序，是通过离散单元方法来模拟圆形颗粒介质的运动及其相互作用由于一些木构特

3、性可以在模型中自动形成，PFC2D便成为模拟固体力学和颗粒流问题的一种有效手段。与连续介质问题不同，在PFC中由于介质一开始就假定为离散体的集合，故颗粒之间没有变形协调的约朿，但平衡方程需要满足。如果作用于颗粒上的合力和合力矩不等于零，则不平衡力和不平衡力矩使得颗粒按照牛顿第二定律的规律运动。颗粒的运动不是自由的，要受到周围接触颗粒的阻力限制，这种位移和阻力的规律就相当于物理方程。颗粒的运动不是自由的，要受到周围接触颗粒的阻力限制，这种位移和阻力的规律就相当于物理方程。颗粒流方法采用显式时步循环运算规

4、则，重复应用运动定律于颗粒上，将力-位移定律应用于接触上，并i不断更新墙体位置。颗粒与颗粒间的接触或颗粒的墙体之间的接触，在计算过程中自动形成或破坏。这种计算按照吋步迭代并遍布整个颗粒集合体，直到每一颗粒都不在出现平衡力和不平衡力矩为止。三、材料的生成和试验方法1.数值试样的生成。本文采用PFC2D软件自带的颗粒生成程序，运用半径扩大法，根据实验室制备砂样原理，在生成数值试样时，首先定义四道墙,尺寸为15×30mm,通过控制初始孔隙率、最大半径和最小半径，共生成了970个颗粒，试样接触模型

5、采用刚性接触模型，模型图如图1所示，具体参数如表1所示。表1生成的数值试样参数表尺寸/mm颗粒数/个颗粒半径/mm颗粒、加载板的法向刚度/Pa颗粒切向刚度/pa约束墙的刚度/pa初始孔隙率/%15×300.2-0.53×1072×1073×10617图1PFC2D数值试样2.KO固结方法。为了实现K0固结，在固结过程中必须保持侧向应变为0,通过这种方法测得的K0值，基本上可以认为是数值试样的真实K0值。PFC2D软件自身带有的围压伺服加载，实现了侧向应变

6、为0的条件。四、静止土压力系数的影响因素模拟1.土的摩擦特性对K0的影响。为了明晰土的摩擦特性对K0的影响，需要对不同摩擦系数下的K0值进行测定。本文中，如非特别说明，K0为侧向应力与轴向应力的割线比值。图2为当摩擦系数不同吋，K0随着轴向压力的变化情况，从图中可以发现，K0随着轴向压力的增加而减小，并在≥150kPa吋，K0基本趋于一个稳定的值。并且摩擦系数越小，K0值越大，说明K0随着摩檫系数的减小而增大。从图2中还可以看出，当摩擦系数很小吋，试样处于不稳定的状态，此时的K0值波动比较大，没

7、法得到一个稳定的值。反应到实际土样中，一般流塑状态的K0值要大于坚硬状态的值，这说明K0值跟土的摩擦特性冇关。图2摩檫系数不同时K0值随轴压的变化情况2.与jaky公式使用性讨论。在试验室中，直接测砂土的K0值会奋闲难，故0前对于砂土的K0值估算普遍采用jaky公式，如式(1)所示，虽作为一种经验估算值，但其适用性己得到的普遍的认可。在本文中设定了不同的摩擦系数来模拟得到不同的值。KO=1-(1)由Jaky经验公式(式1)计算静止土压力系数K0,应首先确定试样的内摩檫角。基于PFC2D软件内嵌的Fis

8、h语言，幵发了三轴压缩试验的数值模拟程序，先对不同摩擦系数(0.1、0.3、0.5、0.7、0.9)的数值试样施加三组不冋的围压进行等压固结，再采用应变控制单调加载，使其剪切破坏，通过莫尔圆计算得到内摩擦角，从而得到K0值。图3是jaky公式计算值与数值模拟值进行了对比，结果发现，由Jaky公式计算得到的K0与实测值实际上并不相等，计算值略大于实测值。这说明jaky公式不能直接用于二维的颗粒流模拟中。在使用吋应对其进行修正。通过表2中数据可以看出，当&g