考慮粘土特性的離散元模擬程序開(kāi)發(fā).pdf

1、粘土的力學(xué)性質(zhì)依賴于其微觀結(jié)構(gòu)特性。相較于顆粒材料，粘土顆粒間存在物理-化學(xué)作用。從宏觀角度上看，室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)并不能充分反映粘土顆粒間的力學(xué)特性。隨著數(shù)值方法的發(fā)展，粘土作為非連續(xù)性介質(zhì)，離散單元法被更多的用來(lái)模擬粘土的力學(xué)行為。目前，離散元軟件中并未真正地反映粘土的特性，如忽略粘土顆粒單元的線性形狀及顆粒間的物理-化學(xué)作用。另外，在粘土顆粒間雙電層斥力計(jì)算時(shí)，所用到的表達(dá)式在適用范圍及準(zhǔn)確度上均受到一定限制，因此，為離散元法在粘土中進(jìn)

2、一步的應(yīng)用與發(fā)展帶來(lái)難度。
　　本論文首先對(duì)離散單元法基本理論進(jìn)行闡述，并結(jié)合開(kāi)源軟件Physics2D進(jìn)行對(duì)比，熟悉該軟件的正常運(yùn)行及操作，為后續(xù)程序的開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)。
　　粘土顆粒間的雙電層斥力是由滲透壓力及Maxwell應(yīng)力兩部分組成，通過(guò)完善已有學(xué)者的研究，更為準(zhǔn)確的求解粘土顆粒間的雙電層斥力。利用有限元軟件FreeFem++得到顆粒間的電斥力近似精確解。為了更方便獲得顆粒間電斥力，擬合得到兩平行顆粒間的雙電層斥力求解

3、公式。同時(shí)，在考慮實(shí)際粘土參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用所得到的電斥力數(shù)值解，擬合得到間距非0的對(duì)稱顆粒間雙電層斥力的擬合公式，使其更具適用性與精確性。另外，也考慮了顆粒間的范德華引力，最終獲得到兩平行顆粒間的力-位移關(guān)系，為程序開(kāi)發(fā)時(shí)力學(xué)參數(shù)的選擇提供依據(jù)。
　　基于上述得到的雙電層斥力求解方法及公式，建立雙電層斥力模塊、范德華引力模塊及 Born斥力模塊，同時(shí)建立符合粘土顆粒形狀的線性單元。在雙電層斥力模塊中，相較于已有學(xué)者的研究，在程序

4、中更為準(zhǔn)確及全面的計(jì)算顆粒間雙電層斥力及其引起的力矩。在阻尼的選擇上，通過(guò)實(shí)例分析對(duì)比，選擇更符合真實(shí)物理學(xué)的計(jì)算方法。通過(guò)隨機(jī)生成法，獲得顆粒單元體系。
　　通過(guò)模擬深部飽和粘土泥漿試樣的生成驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)的程序的有效性。由于在特定的范圍內(nèi)直接生成500個(gè)顆粒群較為困難，可通過(guò)將較大孔隙比的粘土試樣壓縮至室內(nèi)試驗(yàn)一維固結(jié)實(shí)驗(yàn)土樣的初始孔隙比。該土樣由這些顆粒隨機(jī)分布組成，并通過(guò)分階段分步壓縮至所需孔隙比。
　　綜合以上，本論文