非飽和土強(qiáng)度的三維顆粒流模擬.pdf

1、土是一種顆粒集合體，自然界中的土絕大多數(shù)是非飽和土，由固、液、氣三相組成，這種多相顆粒體系決定了其在受力特性和破壞特性上的復(fù)雜性。室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬是研究土體力學(xué)特性的兩種重要手段，與試驗(yàn)方法相比，數(shù)值模擬方法不僅能夠保持初始試樣的同一性，而且可以任意改變邊界，實(shí)現(xiàn)不同條件下的加載數(shù)值試驗(yàn)。本文基于已有的室內(nèi)試驗(yàn)研究成果，引入三維顆粒流理論并開(kāi)發(fā)顆粒流數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)非飽和土的三軸剪切試驗(yàn)和單軸拉伸試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。數(shù)值試驗(yàn)過(guò)程分三

2、個(gè)步驟開(kāi)展:建立高效且能夠反映真實(shí)試樣顆粒級(jí)配的數(shù)值模型;確定合理的細(xì)觀參數(shù)使模型與土體實(shí)際性狀相一致;從細(xì)觀角度出發(fā)揭示土體宏觀力學(xué)性質(zhì)的內(nèi)在機(jī)理。
　　本文主要研究工作及成果如下:
　　(1)基于顆粒流理論和現(xiàn)有的試驗(yàn)研究成果，提出了一種建立土體宏細(xì)觀參數(shù)之間關(guān)系的方法，并以屈服應(yīng)力為橋梁建立了顆粒粘結(jié)強(qiáng)度隨含水率的變化關(guān)系;通過(guò)編制離散元程序，對(duì)現(xiàn)有的PFC3D離散元程序進(jìn)行了改進(jìn)，包括在顆粒生成時(shí)采用多次動(dòng)態(tài)膨脹以減

3、小初始接觸力、采用應(yīng)力邊界來(lái)模擬橡皮膜的柔性邊界、剪切過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顆粒位置以防止其逃逸、采用所建立的宏細(xì)觀參數(shù)之間的關(guān)系來(lái)反映含水率對(duì)土體性質(zhì)的影響等，從而實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有的PFC3D離散元程序在模擬非飽和土力學(xué)行為上的功能;基于所提出的方法，可建立不同孔隙比和含水率等初始條件下的非飽和土在不同應(yīng)力路徑下的離散元計(jì)算模型。
　　(2)基于所提出的非飽和土試樣生成方法和現(xiàn)有的試驗(yàn)研究成果，通過(guò)生成不同孔隙比和含水量條件下的非飽和土數(shù)值試

4、樣，建立了非飽和土三軸剪切試驗(yàn)的離散元計(jì)算模型;通過(guò)開(kāi)展固結(jié)排水剪切試驗(yàn)的離散元數(shù)值模擬研究，揭示了非飽和土試樣的三軸剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、強(qiáng)度特性等宏觀力學(xué)性質(zhì)的演化規(guī)律，同時(shí)獲取了試樣的速度場(chǎng)、力鏈分布、粘結(jié)破壞數(shù)量和能量變化等細(xì)觀信息;通過(guò)與現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了所建立模型和計(jì)算程序在模擬非飽和土三軸剪切特性方面的適用性。
　　(3)基于所提出的非飽和土試樣生成方法和現(xiàn)有的試驗(yàn)研究成果，通過(guò)生成不同孔隙比和含水量條件下的非