砂土剪切帶的數(shù)值模擬及幾何特征初探.pdf

1、目前，剪切帶的研究已經(jīng)成為巖土工程界的熱點(diǎn)課題之一，而國(guó)內(nèi)外對(duì)土樣內(nèi)部剪切帶的形成過程和剪切帶特性的研究仍處于探索階段。為了深入了解砂土剪切帶的形成過程和剪切帶的特征，本文將采用數(shù)值模擬手段對(duì)砂土剪切行為進(jìn)行模擬，探討網(wǎng)格尺寸、約束、缺陷，砂土密實(shí)程度對(duì)砂土剪切過程及剪切帶特征的影響。采用的數(shù)值模擬方法包括:基于網(wǎng)格重劃分的有限元大變形模擬程序AFENA以及基于離散元的PFC2D程序。
　　通過數(shù)值模擬分析，本文對(duì)剪切帶的數(shù)值模擬

2、方法及力學(xué)行為特征有了更深入的了解:
　　(1)在有限元模擬中，試樣剪應(yīng)力-剪應(yīng)變變化規(guī)律基本一致，網(wǎng)格尺寸和約束的影響可以忽略，試樣最終能達(dá)到的最大體應(yīng)變與試樣幾何形狀、網(wǎng)格尺寸有關(guān)。網(wǎng)格的疏密會(huì)影響試樣的剪切帶形成，對(duì)密砂剪脹過程所產(chǎn)生的體變有一定的影響，一般情況下，網(wǎng)格越疏，試樣最終能夠達(dá)到的最大體積最大。在有限元模擬中，雙軸剪切的剪切帶寬度和網(wǎng)格尺寸之間有一定的相關(guān)性，大約為全局網(wǎng)格平均尺寸的1.6倍。因此雙軸剪切的全局網(wǎng)

3、格尺寸應(yīng)根據(jù)實(shí)際土體平均粒徑選擇，建議取為土體平均粒徑的5-8倍。
　　(2)剪切帶的形狀和約束有關(guān)，而剪切帶的形成受缺陷影響很大。缺陷的位置對(duì)剪切帶的形狀、寬度和傾角影響很大，缺陷的面積大小也會(huì)對(duì)剪切帶的形成有一定的影響。土體壓密區(qū)之外的最軟弱缺陷會(huì)控制土體剪切帶的形成。當(dāng)試樣內(nèi)部有缺陷時(shí)，試樣內(nèi)形成的剪切帶往往是經(jīng)過缺陷點(diǎn)處的，但當(dāng)缺陷位于壓密區(qū)的時(shí)候，剪切帶有可能不經(jīng)過該缺陷點(diǎn)。土體壓密區(qū)之外的最軟弱缺陷會(huì)控制土體剪切帶的形

4、成。缺陷的面積大小也會(huì)對(duì)剪切帶的形成有一定的影響。
　　(3)在PFC的雙軸剪切模擬中，顆粒間的摩擦系數(shù)比砂土的孔隙比對(duì)砂土強(qiáng)度的影響更加明顯。顆粒間的摩擦系數(shù)越大，砂土的抗剪強(qiáng)度越高。使用PFC模擬了不同顆粒粒徑下剪切帶的形成情況，得到剪切帶寬度約為顆粒粒徑的10倍。
　　(4)PFC和有限元模擬都表明:在密砂的雙軸剪切過程中，剪切帶內(nèi)的土體逐步達(dá)到臨界狀態(tài)，剪切帶外土體性質(zhì)基本不變。剪切帶的角度隨著剪切變形的增大稍有所變