非飽和土強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，實現(xiàn)不同條件下的加載數(shù)值試驗。本文基于已有的室內(nèi)試驗研究成果，引入三維顆粒流理論并開發(fā)顆粒流數(shù)值模擬技術(shù)，對非飽和土的三軸剪切試驗和單軸拉伸試驗進行數(shù)值模擬研究。數(shù)值試驗過程分三

2、個步驟開展:建立高效且能夠反映真實試樣顆粒級配的數(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)強度隨含水率的變化關(guān)系;通過編制離散元程序，對現(xiàn)有的PFC3D離散元程序進行了改進，包括在顆粒生成時采用多次動態(tài)膨脹以減

3、小初始接觸力、采用應(yīng)力邊界來模擬橡皮膜的柔性邊界、剪切過程中實時監(jiān)測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)系來反映含水率對土體性質(zhì)的影響等，從而實現(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)有的試驗研究成果，通過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的離散元計算模型;通過開展固結(jié)排水剪切試驗的離散元數(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、強度特性等宏觀力學(xué)性質(zhì)的演化規(guī)律，同時獲取了試樣的速度場、力鏈分布、粘結(jié)破壞數(shù)量和能量變化等細(xì)觀信息;通過與現(xiàn)有試驗結(jié)果的對比，驗證了所建立模型和計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)有的試驗研究成果，通過生成不同孔隙比和含水量條件下的非