基于能量耗散機制的砂土微觀力學(xué)特性研究.pdf

1、砂土作為一種典型的散體顆粒集材料，其顆粒的幾何、物理性質(zhì)以及微觀力學(xué)行為組成了砂土顆粒集在宏觀尺度上的力學(xué)特性，如應(yīng)力應(yīng)變行為、剪脹效應(yīng)、剪切局部化現(xiàn)象以及誘發(fā)向性異性等。借助于二維離散元分析軟件 PFC2D模擬了一系列砂土顆粒集樣本在平面應(yīng)變下的準(zhǔn)靜態(tài)剪切實驗，本文試圖通過砂土顆粒在剪切過程中的微觀力學(xué)行為的研究，包括平動、轉(zhuǎn)動、接觸本構(gòu)、破碎以及自組織結(jié)構(gòu)等，全面地了解砂土材料的多尺度力學(xué)特性，并構(gòu)建其微觀力學(xué)行為與宏觀力學(xué)行為之間

2、的聯(lián)系。
　　在微觀尺度上，顆粒形狀、表面紋理與破碎行為構(gòu)成了砂土顆粒主要的幾何、物理特征。本文分別提出了采用顆粒重疊成簇的方法模擬不規(guī)則形狀砂土顆粒，并采用自定義的接觸本構(gòu)模型模擬顆粒表面紋理的抗?jié)L動效應(yīng)，以及采用改進型聚粒算法生成可破碎性砂土顆粒，全面地討論了不同的顆粒幾何、物理特征對砂土宏-微觀力學(xué)行為的影響，并根據(jù)顆粒集系統(tǒng)的能量分配機制對這種影響的內(nèi)在機理進行了闡述。此處，從宏觀尺度上看，砂土作為一種類連續(xù)介質(zhì)材料，為了

3、描述其力學(xué)行為，本文提出采用自由網(wǎng)格法計算砂土顆粒集的局部應(yīng)變張量，通過剪切過程中局部剪切應(yīng)變空間分布發(fā)展來反映砂土剪切帶的形成演化過程。
　　顆粒集系統(tǒng)能量分配機制作為砂土微觀力學(xué)行為與宏觀力學(xué)行為的紐帶貫穿于全文中，其在微觀尺度上以顆粒的力學(xué)和運動參量為基礎(chǔ)，并通過統(tǒng)計分析方法可以深入地解釋了砂土宏觀力學(xué)行為的內(nèi)在物理機制。通過對剪切過程中砂土的宏-微觀力學(xué)行為以及能量分配機制的研究，得到如下結(jié)論：
　　由形狀和表面抗?jié)L

4、動紋理所引發(fā)的顆粒抗轉(zhuǎn)動效應(yīng)都能顯著地提高砂土的抗剪切強度。然而，這兩種顆?？罐D(zhuǎn)動效應(yīng)的微觀作用機制卻完全不同：不規(guī)則形狀顆粒間的內(nèi)鎖力可以提高接觸點滑動摩擦力的發(fā)揮程度以及減緩剪切帶的發(fā)展，從而貢獻于抗剪強度；表面抗轉(zhuǎn)動紋理則大大地提高了顆粒接觸點的彈性轉(zhuǎn)動勢能儲存以消耗外界功，貢獻于抗剪強度。由于其微觀作用機制的不同，不同的顆?？罐D(zhuǎn)動效應(yīng)在宏觀上表現(xiàn)出完全不同的力學(xué)行為，特別是在應(yīng)力峰值下，抗?jié)L動模型定義的圓形顆粒集與非規(guī)則形狀顆粒

5、集相比，其剪切誘發(fā)的局部化現(xiàn)象以及各向異性特征更為明顯。
　　砂土顆粒的破碎伴隨著整個剪切過程，但破碎增長速率則不斷下降，達到臨界狀態(tài)后開始趨于平緩；在臨界狀態(tài)下，由于剪切帶的形成，顆粒破碎主要集中在剪切帶中，且不斷地反復(fù)破碎生成更多、更小的碎片顆粒。由于顆粒的反復(fù)破碎有效地增加了剪切帶中顆粒摩擦的比表面積，從而強化了系統(tǒng)的彈性應(yīng)變能儲存，表現(xiàn)為砂土在臨界狀態(tài)下的應(yīng)變強化和體積剪縮過程。另一方面，通過剪切過程中顆粒級配演化過程，發(fā)

6、現(xiàn)顆粒破碎過程實際上是一個顆粒級配朝著砂土終極級配優(yōu)化的過程，終極級配下顆粒粒徑服從良好的分形特征。在考慮顆粒破碎準(zhǔn)則的前提下，得到砂土顆粒粒徑的分形維數(shù)約為1.3。
　　最后，基于接觸力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拓撲識別，發(fā)現(xiàn)了砂土顆粒在剪切過程中的自組織結(jié)構(gòu)行為。本文提出細觀尺度下的顆粒子域結(jié)構(gòu)單元構(gòu)建了顆粒集的結(jié)構(gòu)體系以抵抗外界荷載與變形作用。其中，3-cycle單元是系統(tǒng)中最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)單元，且對力鏈傳遞存在雙重支撐作用；隨著 n-cycl

7、e單元階次的提高，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸降低。根據(jù)顆粒集體系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的演化過程，砂土的剪切帶發(fā)展可以理解為穩(wěn)定的低階結(jié)構(gòu)單元向不穩(wěn)定的高階結(jié)構(gòu)單元轉(zhuǎn)化的局部化發(fā)展過程，也正是高階結(jié)構(gòu)單元在剪切帶中的聚集引起了砂土在臨界狀態(tài)中的剪脹效應(yīng)。更為重要的是，根據(jù)不同類型結(jié)構(gòu)單元物理力學(xué)性能的研究，結(jié)構(gòu)單元間的協(xié)調(diào)作用機制使得顆粒集系統(tǒng)從微觀的離散化力學(xué)狀態(tài)向宏觀的均勻化力學(xué)狀態(tài)進行了重要地過渡。從而，更加全面和深入地了解了砂土的多尺度力學(xué)行為。