砂土和粘土直剪试验的颗粒流数值模拟与湿颗粒吸力研究

发布时间：2020-08-19 18:29

【摘要】：从细观角度对土体进行研究,并建立起宏、细观力学行为联系,已经成为土体力学界关注的热点课题。本文从宏观和细观两种不同角度出发,综合了宏观土力学试验、离散元颗粒流(Particle Flow Code,PFC)模拟以及细观理论三方面对土体力学行为及演化规律进行了研究。主要研究内容和结论如下:(1)采用PFC2D软件对砂土的直剪试进行了数值模拟分析,模拟采用球状颗粒,本构模型为线性模型。通过对其细观参数进行敏感性分析,并与文献宏观试验数据对比,标定了模拟中的三个细观参数,模拟结果与宏观试验的抗剪强度曲线吻合较好,表明采用PFC来模拟砂土宏观力学性能和合理性和有效性;(2)本文采用快剪试验得到了南宁地区粉质粘土的粘聚力、内摩擦角和抗剪强度线。基于PFC2D软件建立直剪分析模型,采用线性粘结接触本构模型对粉质粘土的剪切试验过程进行了模拟,并对其中5个细观参数进行了敏感性分析。通过对细观参数的分析标定,得到了与粉质粘土宏观力学参数较为吻合的曲线;验证了采用颗粒流方法模拟非圆颗粒细观形态粉质粘土宏观力学性能的可行性,为粘土的细观模拟和宏细观分析提供了新思路;(3)基于粉质粘土线性粘结本构模型的标定结果,采用PFC2D软件对剪切过程中颗粒的运动状态和分布情况进行了分析。研究发现力链网络在整个剪切过程中承受外载荷起了决定性的作用,配位数、孔隙率与接触、力链网络相对应,加载过程中孔隙率整体先减小,之后强力链随着剪切的方向集中在左下至右上的区域内,而左下和右下的孔隙率增大,且力链较弱。剪切过程中各向异性特征较为明显,力学特性主要受法向接触力的影响,颗粒在剪切过程中经过不断地翻滚、错动以及位置重排列,各向异性的方向总是朝着合力较强的方向。(4)等径与不等径颗粒间液桥的几何形态推导得到了两个相应的基质吸力几何解,给出了基质吸力的计算公式,得到,该解比经典的Young-Laplace近似解具有更高的精确度。计算表明,与本文的几何解相比,Young-Laplace近似解在较大颗粒间距时会产生不可忽略的误差;(5)在湿颗粒液桥吸力理论分析基础上,建立了不等径颗粒的圆台单胞分析模型,研究了不同切向位移下基质吸力、毛细作用力和切向力的变化规律。系统研究了不同细观参数下等大颗粒与不等大颗粒单胞切应力和切向位移的关系。研究结果表明,液桥切应力随着切向位移的增加呈现先增大后减小的趋势,液桥切应力峰值随着颗粒半径比的减小而增大,在饱和度较低时随着饱和度的增加而增加。湿颗粒间的吸力的研究对土体宏观性能有重要影响,湿颗粒间的切应力峰值研究对土体粘聚力有重要意义。
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU41;O34
【图文】：

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图２－１邋ＰＦＣ计算过程示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＰＦＣ邋ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ逡逑１２逡逑

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【参考文献】