粗粒土三轴试验的细观模拟.pdf

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1、第28卷第4期土木工程与管理学报Vol．28No．42011年12月JournalofCivilEngineeringandManagementDec．2011粗粒土三轴试验的细观模拟121耿丽，黄志强，苗雨(1．华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉430074;2．中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074)摘要:对排土场粗粒土进行室内三轴固结排水试验，以此试验结果为基础，基于三维离散元颗粒流理论，从细3D观角度出发，以PFC为工具，通过自编程序并引入接触黏结模型，得到按级配生成的粗粒土三轴试验三维颗粒流模型。对比了不同围压下颗粒流模型与三

2、轴试验的应力应变关系。分析了颗粒细观参数对粗粒土强度的影响。结果表明:按级配曲线得到的PFC数值模型的应力应变曲线的变化趋势与试验值一致，但强度值略低于试验值。粗粒土强度随颗粒间摩擦系数、接触处黏结强度的增大而提高;颗粒形状对材料的抗剪强度影响显著。研究意义在于从细观角度揭示影响粗粒土强度的因素，突破了常规三轴试验的局限性。关键词:粗粒土;三轴试验;细观模拟;颗粒形状中图分类号:TU441文献标识码:A文章编号:2095-0985(2011)04-0024-06粗粒土泛指冲洪积砂卵石、采挖堆石、冰碛土在不排水循环荷载作用下的液化特性进行了颗［1］土、砾质

3、土以及各种软岩风化料。粗粒土储量粒流数值模拟，探讨了液化的细观力学机制。王［8］丰富，广泛应用于土石坝、道路、护岸抛石体、河学滨等利用快速拉格朗日分析法模拟了尺寸堤、江堤、海湾防波堤等工程。长期以来，人们借效应、加载速率和围压等因素对假三轴试件抗压助传统的室内试验来研究粗粒土的强度及变形特应力-应变全过程曲线的影响，分析了变形局部化［2］性，得到一些有意义的结论。秦红玉等通过三启动、稳定、剪切带图案及其演化规律。邵磊［9］3D轴试验研究了粗粒料中不同泥岩含量对堆石坝料等按照堆石料试件级配和密度生成PFC数值［3］［10］强度的影响;姜景山通过大型三轴压缩

4、试验研模型模拟了堆石料的三轴试验。王光进等开究了密度、围压对粗粒土力学性质的影响，并分析发了不同颗粒初始架构粗粒土试样的HHC-CA［4］了围压对应力应变曲线的影响;刘萌成利用三模型，借助FLAC3D分析了砾石含量对摩擦角的［11］轴试验研究了不同应力路径条件下堆石料的剪切影响;杨贵等采用三维颗粒流程序研究了不同［5］特性;Bagherzadeh-Khalkhali研究了粗粒土最大平均主应力和中主应力系数下粗粒料的变形和强粒径对抗剪强度的影响。度特性。尽管三轴试验应力状态简单，但由于边界条粗粒土细观结构的复杂性和不确定性是对其件、径径比(试验仪器直径与试

5、样颗粒最大直径力学行为进行准确描述的最大障碍，组成粗粒土之比)、颗粒强度等因素也给试验结果带来很多的颗粒之间的相互作用及排列方式都影响着粗粒［6］不确定性。众所周知，试验成果具有价值的前土的强度及变形，因此本文从细观角度出发，以3D提就是具有规律性，直接或间接反映材料的某个PFC为工具，根据粗粒料的级配曲线自编程得到物理力学特性，但室内三轴试验数据往往具有很数值模型，从细观角度分析了颗粒摩擦系数，颗粒大离散型。数值试验可以根据试验目的灵活地选间黏结力，并着重分析了颗粒形状等因素对粗粒择试验条件及控制因素，准确快捷地得到较完备土强度的影响。的试验数据，使试

6、验和数据处理更为灵活，突破了常规试验仪器设备能力、试验条件上的局限性。1三维颗粒流基本理论目前，用数值方法模拟粗粒土三轴试验的研究虽［7］然还不多，但也取得了一些成果。周健等对砂1．1PFC基本原理收稿日期:2011-09-14修回日期:2011-10-31作者简介:耿丽(1986-)，女，河南商丘人，硕士研究生，研究方向为岩土工程数值计算及细观力学数值模拟(Email:ligeng_gl@163．com)基金项目:国家自然科学基金(50808090)第4期耿丽等:粗粒土三轴试验的细观模拟·25·颗粒流法是基于离散元思想来模拟刚性圆球式等因素影响着数值模

7、型的力学行为。在固定颗运动及相互作用的一种简化离散元方法。计算原粒大小及组装方式的前提下，PFC模型参数和可理是利用中心差分法进行动态松弛，计算过程是以选择的颗粒材料参数之间必须通过相应的数值在每个时步内交替运用牛顿第二定律和力-位移模拟试验(如三轴试验、巴西劈裂试验等)来建立定律，时步迭代并遍历整个颗粒集合体。牛顿第彼此之间的关系和联系，这是个不断尝试的过程，二定律根据颗粒间接触力及颗粒体力确定颗粒运通常称为标定。标定常以PFC模型的应力应变动，更新颗粒的运动速度及颗粒与颗粒(或墙)的关系及破坏包线与试验结果相符为标准，并且此位置;力-位移定律通过每个

8、接触点的相对运动及标定过程与应力路径无关。接触模型来更新每个接触力。材料的弹性模