真三轴应力状态下颗粒材料力学特性的离散元模拟

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土作为普遍存在于自然界的颗粒材料,在工程领域应用十分广泛,其力学特性的研究十分重要。早期研究人员将岩土材料视为连续介质,通过有限元法研究其应力、应变等变化规律。随着离散元法的出现和发展,研究人员发现利用离散元法模拟土体及其他颗粒材料的受力变形特性具有天然的优势,不仅可以研究土体的应力应变等宏观量的变化规律,还可以研究土体内部的接触及颗粒排布等细观量的变化规律。但是目前离散元法在岩土工程材料的研究应用较少,且对于复杂应力状态下颗粒材料的研究也不够透彻。本文首先比较了连续介质法和离散单元法在岩土工程中的基本原理和应用情况;总结了国内外关于离散元法的研究现状、真三轴试验及颗粒细观参数变化对宏观参数影响的研究进展;建立真三轴数值模型,并对不同状态的颗粒材料进行真三轴数值模拟,建立了一种非饱和土的简化离散元模型,进行了湿润颗粒的真三轴数值模拟,主要研究内容和成果包括:(一)通过对真三轴仪加载原理和相关研究的分析,基于PFC3D颗粒流程序进行二次开发,建立了真三轴离散元模型,并通过编写监测函数,记录了真三轴剪切全过程中的应力、应变、组构张量的变化,实现了真三轴剪切试验的离散元数值模拟。基于建立的数值模型,分别对松砂和密砂进行真三轴剪切数值模拟,对试样应力、应变和内部组构接触变化等进行规律分析;(二)对含水颗粒的细观接触进行受力分析,与离散元基础接触模型进行联系,经过理论推导得到了细观参数颗粒间摩擦系数μ与宏观参数含水率w之间的对应关系。依据室内直剪试验的结果建立了一种能反映含水率变化的离散元模型。将离散元模拟结果,与室内直剪试验、真三轴剪切试验结果进行了对比验证,数值模拟的结果与试验结果具有良好的一致性;(三)应用所提出的方法对湿润颗粒材料进行了真三轴剪切数值模拟,根据既有的黄土真三轴试验数据进行模型细观参数的确定,分析了不同含水率下正常固结黄土和超固结黄土的强度、变形变化规律。
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