颗粒破碎对砂土剪切性质影响的离散单元研究

作者:李永松;周国庆;陈国舟;周杰 刊名:土工基础 上传者:玛依拉

【摘要】采用离散单元方法,建立了圆形颗粒、不破碎非圆形颗粒和破碎非圆形颗粒的数值试验模型,进行了砂土的双轴剪切试验,研究了颗粒破碎现象对砂土物理力学性质的影响,分析了颗粒破碎和颗粒形状对试样强度的影响以及围压对颗粒破碎性质的影响。研究结果表明:颗粒破碎现象严重影响砂土的峰值强度以及体积应变性质,并且低围压下颗粒形状对强度影响大于颗粒破碎,随着围压增大,颗粒破碎的影响逐渐增强;围压影响颗粒破碎发生的速率和最终的破碎率;由对颗粒破碎的位置和试样内位移场的追踪可得到颗粒破碎的细观演化规律及破碎带的分布范围,破碎带分布范围与围压有关。

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在桩端持力层、大型土石坝、海洋平台及超高建筑地基等的高应力区中,土体颗粒受到大于其自身强度的应力作用时会发生整体或部分破裂,破碎后的颗粒重新排列,从而影响土体的物理力学性质[1],为此,国内外一些学者对粒状土的颗粒破碎现象进行了研究[27]。在颗粒破碎的实验室试验中,由于实验设备的局限性,往往只能通过对比分析颗粒破碎前后的颗粒级配曲线从宏观上研究砂土的颗粒破碎及其影响因素,而很难从细观角度研究颗粒的破碎过程和破碎机理。离散单元法的提出很好地解决了这一问题,通过二维颗粒流方法(PFC2D)能够得到加荷过程中颗粒破碎发生的时间和破碎位置等细观信息,这使得颗粒破碎细观机理研究成为可能。不少学者开始利用二维颗粒流软件来研究土的颗粒破碎现象[810]。由于实际的砂土颗粒是非圆形的,由PFC2D黏结模型构造非圆形颗粒单元来模拟实际砂土的力学性质将比圆盘颗粒更具优越性[11]。1非圆形颗粒单元的建立数值试验中采用了三种试样,分别为圆形颗粒、不破碎非圆形颗粒和破碎非圆形颗粒。不破碎非圆形颗粒采用PFC2D中内置的Clump命令生成,该种颗粒可以看做由一组相对位置不变的颗粒组成的刚体,不管颗粒受到多大的力,其组成颗粒都不会分离;而破碎非圆形颗粒是使用黏结模型(接触黏结模型或者平行黏结模型)将几个圆盘颗粒黏结在一起,从而形成不同大小和形状的颗粒,其组成颗粒在较大外力作用下可能发生分离,由此模拟可破碎颗粒。本文所采用的破碎非圆形颗粒和不破碎非圆形颗粒均为由圆颗粒按照“面积等效原则”转化而来的两个相切的粒径相等的小颗粒组成,每个非圆形颗粒代表一个砂土颗粒。2颗粒流模拟过程2.1试样参数选取试样尺寸为80mm40mm,采用了圆形颗粒、不破碎非圆形颗粒和破碎非圆形颗粒,其中圆形颗粒由半径为0.40.8mm的颗粒随机均匀分布。离散单元颗粒流数值试样的宏观力学性质由其细观参数决定,本文数值模型中需确定的细观参数有:墙的法向刚度knw、切向刚度ksw,颗粒的法向刚度kn、切向刚度ks,摩擦系数fc,加载速度v,颗粒的密度s,颗粒的法向黏结强度bn(n_bond),切向黏结强度bs(s_bond)。数值试验所采用的细观参数值如表1所列。表1数值试样细观参数值汇总表细观参数kn(N/m)ks(N/m)bn(N)(bsN)fc(mv/s)(kg/sm3)数值大小51085108110311030.50.126362.2双轴剪切试验过程与室内试验步骤一致,数值双轴试验过程也分为制样和加荷两大步。以非圆形颗粒试样的双轴试验过程为例,具体试验步骤如下:(1)在尺寸为80mm40mm的二维空间内,采用半径扩大法按最小粒径0.4mm、最大粒径0.8mm生成半径均匀分布的圆盘颗粒,控制初始孔隙率为0.15,最终生成2405个颗粒。(2)将每个圆形颗粒替换为相切的非圆形颗粒,非圆形颗粒和圆形颗粒的质心坐标相同、面积相等,颗粒的长轴方向随机分布。(3)对非圆形颗粒试样进行循环,使得非圆形颗粒之间达到自平衡的状态。(4)通过伺服控制,对试样施加指定的围压,使试样达到等压固结的状态,为剪切试验做准备。(5)模拟常规双轴试验过程,保持围压不变,并移动上、下墙体对试样施加剪切。加荷过程中,利用history命令记录试样的围压3、偏应力1-3、轴向应变y、体积应变以及黏结破裂的形式和数目N,为试样性质分析做准备。双轴剪切试验是在1MPa的围压下进行的,通过调整试样生成过程中颗粒的摩擦系数,保证圆形颗粒、不破碎非圆形颗粒和破碎非圆形颗粒试样在固结后的孔隙率均在0.160左右。3数值试验结果分析3.1应力应变关系和

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