粒状材料颗粒破碎过程分析

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1、粒状材料颗粒破碎过程分析摘要：采用离散元方法生成由一定粒径范围小颗粒组成的等粒径颗粒团，颗粒之间定义为平行胶结方式。通过模拟圆形颗粒团在两种不同排列方式下的双轴压缩试验,研究了不同侧向应力下颗粒破碎的过程、剪切带的形成与发展等。结果表明：低侧向应力下，试样颗粒先滑移转动、后破碎，致密排列下，出现剪胀现象；高侧向应力下，试样两端颗粒有少量滑移、转动，然后发生破碎，并向试样中部发展，形成剪切'巾'。关键词：数值模拟；颗粒破碎；剪切带中图分类号：TU43文献标志码：A文章编号：1672-1683(2014)06

2、-0098-05粒状材料是由大量离散体颗粒相互作用组成的具有复杂力学特性的材料，广泛存在于自然界中，比如堆石体和粗粒料等。粒状材料内部存在许多肉眼难以观测的微裂纹，而且其颗粒组成大都具有天然或人为造成的棱角，材质上比较脆弱，即使施加不大的压力时也易发牛颗粒破碎，从而导致粒状材料变形加大，剪胀效应减弱甚至消失，最终表现为抗剪强度降低，摩擦角减小［1］。近年来，采用离散元方法研究土体细观结构的变化已经成为岩土力学一个新的方向。毕忠伟等［2］用PFC2D模拟了双轴压缩条件下颗粒流体系中剪切带的形成和演变过程；Y

3、ang等⑶采用PFC2D中内置的平行胶结接触模型，对黏性颗粒材料进行二维单轴压缩试验研究了颗粒粒径与弹性模量的关系；周解慧等⑷用PFC2D模拟了粗粒土大型直剪试验，分析了直剪剪应力与剪位移的关系；McDowell［5］等利用数值模拟软件PFC建立了土颗粒的离散元模型，分析研究了土颗粒的颗粒破碎特性，认为颗粒破碎的塑性变形符合非关联流动法则；张?等⑹研究了颗粒形状对模拟双轴试验的影响以及不同颗粒试样宏观特性随颗粒细观参数的变化关系。另外，人工制备岩土材料进行室内试验，也是常用的探讨方法之一。刘恩龙等［7］通

4、过平面应变试验,分析了不同侧向应力状态下棒状结构体试件的破损过程。孔德志等⑻通过人工模拟堆石料颗粒破碎应变的三轴试验研究，认为破碎率同颗粒强度和围压力的相对大小直接相关，且颗粒破碎对堆石体的应力应变特性具有十分重要的影响。王绪民等⑼研究了人工胶结砂的物理力学特性，定义了反映胶结物生成量的化学指标。不过，各种天然材料的室内试验仍是研究颗粒破碎的主要方法。杜俊等［10］对多个级配不同含水率的粗粒土进行击实试验研究粗粒土的压实特性和颗粒破碎分形特征。胡万雨等［11］通过对不同粒径粗粒土试样的大型直剪试验，发现了

5、随着法向应力增加，颗粒破碎率增加，且颗粒破碎主要形成次一级粒径。由于天然粒状材料间接触的不均匀性，使室内试验研究粒状材料颗粒破碎存在诸多不易控制、颗粒微观破碎过程难以准确观测等问题［12-15］o本文采用PFC2D颗粒流程序，针对等粒径的颗粒团，模拟双轴试验加荷过程，将数值模拟应力应变关系与室内三轴试验进行对比，结合不同的侧向应力和颗粒排列方式,从微观尺度探讨粒状材料破碎过程，剪切带形成与发展。1数值模拟方法1.1模型简介PFC2D(ParticleFlowCodein2Dimensions)通过离散单元

6、方法来直接模拟圆形颗粒介质的运动及颗粒间的相互作用，颗粒之间作用牛顿第二定律。圆形颗粒可以代表材料中的一个颗粒，比如砂土中的砂粒；也可以通过多个圆形颗粒胶结在一起来模拟任意形状的材料，且颗粒间给定强度的胶结是可以渐进破坏的,因此该模型可以很好地模拟颗粒破碎过程。本文采用1〜1.5mm粒径范围的刚性体小颗粒,以平行胶结的方式组成粒径为20mm的颗粒团，对小颗粒间的平行胶结定义了一定的强度和刚度，可以传递力和力矩。加荷过程中，颗粒团受到力的作用，当颗粒间胶结键处法向应力Fn或者剪应力Fs超过胶结法向强度或切向

7、强度时，胶结键破坏,颗粒破碎发生；胶结键破裂后，A颗粒移动到新位置A'，颗粒分离，相互间无力的作用，见图1(a)。随着试样的变形，颗粒A和B再次接触-分离-接触，循环往复，直至加载结束，此时接触类型为线性接触，PFC2D程序定义线性接触可以传递力，但无法传递力矩。类似地，试样模型中颗粒团是由许多小颗粒胶结而成，其破碎的过程发生颗粒的接触与分离，并伴有孔隙率和颗粒团体积的变化，见图1(b)o1.2模拟方法及参数利用PFC2D程序，以颗粒团来模拟室内的双轴试验颗粒，试样尺寸为20cmX10cm(长X宽)。为了

8、便于观测颗粒团的破碎情况，给予颗粒团不同颜色标记。试样小颗粒数约为3503个，粒径范围1〜1.5mm0颗粒的排列方式分为两种，PLal>PLa2、PLa3表示图2(a)所示平行排列方式，PLbl、PLb2、PLb3代表图2(b)中的交叉排列方式(数字1、2、3分别表示侧向应力为25kPa、100kPa和400kPa)。模型试样细观参数见表1。模拟时，在试样模型上边界，沿Y轴负方向的速率模拟轴向进行加载，边界四周一定侧向应力模拟