砂土剪切带的数值模拟及几何特征初探

发布时间：2020-02-02 04:07

【摘要】：目前,剪切带的研究已经成为岩土工程界的热点课题之一,而国内外对土样内部剪切带的形成过程和剪切带特性的研究仍处于探索阶段。为了深入了解砂土剪切带的形成过程和剪切带的特征,本文将采用数值模拟手段对砂土剪切行为进行模拟,探讨网格尺寸、约束、缺陷,砂土密实程度对砂土剪切过程及剪切带特征的影响。采用的数值模拟方法包括:基于网格重划分的有限元大变形模拟程序AFENA以及基于离散元的PFC2D程序。通过数值模拟分析,本文对剪切带的数值模拟方法及力学行为特征有了更深入的了解:(1)在有限元模拟中,试样剪应力-剪应变变化规律基本一致,网格尺寸和约束的影响可以忽略,试样最终能达到的最大体应变与试样几何形状、网格尺寸有关。网格的疏密会影响试样的剪切带形成,对密砂剪胀过程所产生的体变有一定的影响,一般情况下,网格越疏,试样最终能够达到的最大体积最大。在有限元模拟中,双轴剪切的剪切带宽度和网格尺寸之间有一定的相关性,大约为全局网格平均尺寸的1.6倍。因此双轴剪切的全局网格尺寸应根据实际土体平均粒径选择,建议取为土体平均粒径的5-8倍。(2)剪切带的形状和约束有关,而剪切带的形成受缺陷影响很大。缺陷的位置对剪切带的形状、宽度和倾角影响很大,缺陷的面积大小也会对剪切带的形成有一定的影响。土体压密区之外的最软弱缺陷会控制土体剪切带的形成。当试样内部有缺陷时,试样内形成的剪切带往往是经过缺陷点处的,但当缺陷位于压密区的时候,剪切带有可能不经过该缺陷点。土体压密区之外的最软弱缺陷会控制土体剪切带的形成。缺陷的面积大小也会对剪切带的形成有一定的影响。(3)在PFC的双轴剪切模拟中,颗粒间的摩擦系数比砂土的孔隙比对砂土强度的影响更加明显。颗粒间的摩擦系数越大,砂土的抗剪强度越高。使用PFC模拟了不同颗粒粒径下剪切带的形成情况,得到剪切带宽度约为颗粒粒径的10倍。(4)PFC和有限元模拟都表明:在密砂的双轴剪切过程中,剪切带内的土体逐步达到临界状态,剪切带外土体性质基本不变。剪切带的角度随着剪切变形的增大稍有所变大。剪切带内部的应变和土体宏观应变差别很大。
【图文】：

边坡失稳,现象,大变形

１绪论逡逑１．１课题背景逡逑随着当代社会的不断发展，土木工程有关的基础建设也在不断进行。其中，逡逑由于空间资源的匮乏，岩土工程和地下工程的有关项目建设越来越多。然而，在逡逑项目施工过程中遇到的问题也越来越多，其中土体发生大变形破坏问题更是屡见逡逑不鲜：如在我国沿海地区的深厚软粘土处，通常会发生地基的大变形；再如有大逡逑规模冲填土的地区容易发生大变形沉降；再如在进行隧道开挖时，软岩的大变形逡逑控制也是整个工程能否顺利安全进行的关键之一；再如在进行隧道或坝体的开挖逡逑时发生山体滑坡和边坡失稳事故（如图１．１和图１．２所示）。这些问题的及时解决逡逑对工程的正常施工及后续工程的投入使用都有着重大的意义。逡逑

应变关系,应力,试样,剪切带

蒋明镜等［２８］利用离散元法软件ＰＦＣ２Ｄ模拟了大量砂土试样的双轴试验，分析逡逑了砂土剪切带形成机理及发展过程，并研宄了剪切带内外微观性质的差异，如图逡逑１．７［引用于文献２８］所示，从图中可以看出，砂土的剪切过程中应力会先随着应变逡逑增大而增大，达到峰值后减小最后达到一个稳定值，而体积会先减小后增大，最逡逑后逐步增大到一个稳定值。逡逑周健，池永等［２９］基于颗粒流理论，对砂土的室内双轴试验和砂土剪切带形成逡逑与发展进行了数值模拟，主要研究了颗粒粒径、颗粒刚度及颗粒摩擦系数等细观逡逑参数变化时试样宏观性质的变化情况，通过调整颗粒组合型式，消除了粒径变化逡逑对曲线峰值强度的影响。分析得出，颗粒粒径对恒定剪切带的倾角、宽度和倾斜逡逑方向有明显的影响。随着粒径的增大，剪切带倾角呈增大的趋势，形成的剪切带逡逑宽度也逐渐增大。逡逑李福林，彭芳乐等［３Ｃ）］根据饱和砂土的排水平面应变压缩试验的应变场，分析逡逑研究砂土的应变局部化现象以及剪切带的形成，，分别利用高精度摄影设备和基于逡逑砂土的三要素弹黏塑性本构模型及动态松弛有限元对剪切带的形成和基本特性进逡逑行了观察与分析，两种方法得到的剪切带基本一致，砂土内部最终都形成Ｖ型剪逡逑切带。逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU441

【参考文献】