土工問(wèn)題的顆粒流數(shù)值模擬及應(yīng)用研究.pdf

1、土是一種不同于一般材料的極其復(fù)雜的顆粒集合體，它既不是理想的彈性材料，也不是理想的塑性材料。巖土工程模擬研究的主要對(duì)象是松散的巖土材料，這種材料的典型特點(diǎn)就是其破碎性和流動(dòng)性。盡管連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)與實(shí)際情況不相符合，目前大多的數(shù)值計(jì)算方法都是用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的思路去分析和研究土的力學(xué)性狀。人們?cè)缇驼J(rèn)識(shí)到應(yīng)當(dāng)從微細(xì)觀角度研究土這種具有獨(dú)特的不同于金屬等連續(xù)介質(zhì)的應(yīng)力一應(yīng)變性狀，但是由于這種研究相當(dāng)復(fù)雜，而且依賴比較多的外界因素，比如計(jì)算機(jī)的處

2、理能力和細(xì)觀顆粒的本構(gòu)理論等，故很難建立微觀與宏觀的定量關(guān)系。 本文引入顆粒流理論P(yáng)FC2D和PFC3D并開發(fā)顆粒流數(shù)值模擬技術(shù)，克服傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型采用宏觀連續(xù)性假設(shè)所導(dǎo)致的不足，建立了細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定宏觀參數(shù)的近似定量關(guān)系，并首次嘗試用于模擬基坑開挖的動(dòng)態(tài)過(guò)程。并且模擬了顆粒排列成的不同空間結(jié)構(gòu)的力學(xué)性狀和無(wú)粘性土三軸應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線，將土體微細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)反應(yīng)緊密地聯(lián)系起來(lái)，對(duì)土體剪切位移場(chǎng)形成和演化等漸進(jìn)破壞過(guò)程有

3、更深入的理解和發(fā)現(xiàn)。 通過(guò)大量的參數(shù)試算與分析，建立起細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與宏觀力學(xué)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系式，近似標(biāo)定了土體的摩擦角、變形模量和加固土的峰值強(qiáng)度，并在此基礎(chǔ)上建立了模型模擬支撐開挖的動(dòng)態(tài)過(guò)程，其中灌注樁和鋼支撐用顆粒的平行粘結(jié)本構(gòu)模型模擬，土體用線彈性接觸本構(gòu)模型模擬。分析得到了分布開挖的結(jié)構(gòu)水平位移、彎矩、剪力、支撐軸力和作用在結(jié)構(gòu)上的土壓力變化和分布規(guī)律，并且與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。 土的另一方面的復(fù)雜性還在于其空

4、間結(jié)構(gòu)性，研究顆粒的空間結(jié)構(gòu)性問(wèn)題可以從細(xì)觀形態(tài)入手，研究顆粒排列的幾何特征對(duì)材料力學(xué)特性的影響，有利于探討顆粒世界的非均質(zhì)性，各向異性?；谌S離散單元顆粒流理論，引入了顆粒的滑動(dòng)接觸本構(gòu)模型，建立了金字塔和正交晶系兩種典型空間排列結(jié)構(gòu)的顆粒體試樣，進(jìn)行了三軸應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值模擬和平面應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值模擬，與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，數(shù)值試驗(yàn)基本再現(xiàn)了物理試驗(yàn)的力學(xué)宏觀行為，峰值摩擦角與理論值之間的相對(duì)誤差小于2.5％。分析不同典型空間排列結(jié)構(gòu)試驗(yàn)過(guò)

5、程中的細(xì)觀織構(gòu)(配位數(shù)、孔隙率和滑動(dòng)摩擦接觸數(shù))的變化趨勢(shì)和規(guī)律。引入了在極限剪力狀態(tài)下滑動(dòng)接觸本構(gòu)模型，建立顆粒體砂土試樣，進(jìn)行三軸應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值模擬。通過(guò)大量的顆粒流數(shù)值試驗(yàn)，從細(xì)觀力學(xué)角度對(duì)砂土的工程力學(xué)特性進(jìn)行了模擬研究和分析；對(duì)砂土的室內(nèi)常規(guī)三軸試驗(yàn)及其剪切帶的形成和發(fā)展進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別對(duì)比不同圍壓下顆粒體試樣與室內(nèi)承德中密砂三軸試驗(yàn)的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線，基本再現(xiàn)了試樣的加載曲線；分析顆粒法向剛度、法向和切向剛度比值、孔隙率