粒间摩擦对岩土颗粒材料三维力学行为的影响机制
发布时间：2021-08-11 09:35
颗粒间摩擦是影响岩土颗粒材料力学特性的重要因素之一,现有研究主要集中在粒间摩擦对颗粒集合体堆积、宏观剪切强度等的影响,而其在复杂应力路径下对岩土颗粒材料的影响机制尚不明确。采用离散单元法（DEM）进行了颗粒材料的真三轴加载路径数值试验,通过改变颗粒间摩擦系数μ来研究粒间摩擦对颗粒材料宏观力学特性的影响。对比了4种三维强度准则,发现当0.2<μ≤0.5时,Lade-Duncan和Matsuoka-Nakai准则能较好地拟合不同加载路径下的数据点。采用平均接触力将颗粒体系的接触网络划分为强、弱两个子网络,分析了强、弱接触网络的配位数分布、接触力和组构各向异性等。结果表明在峰值剪应力状态,随着颗粒间滑动摩擦系数μ的增加,强接触网络中参与形成"力链"的颗粒数目基本不变,但强接触网络中颗粒间法向接触力明显增加以及法向接触力各向异性加强,这是导致宏观抗剪强度增大的主要原因。而弱接触网络的配位数分布随μ值明显变化,其对颗粒体系剪胀程度的增加贡献显著。
【文章来源】：岩土工程学报. 2020,42(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
应力应变曲线（b=0.0)
将不同摩擦系数下等p等b真三轴数值试验得到的峰值应力状态点绘制在π平面，如图2所示，为大小不同的三角锥形。π平面内的应力演化反映出不同b值，μ值条件下，试样剪应力峰值的大小，可以看出，试样的剪应力峰值随着b值的增大而减小，随着μ值的增大而不断增大，且μ值较大时，试样对滑动摩擦系数的敏感度减弱，体现在剪应力的增加幅度逐渐减小。2.2 三维强度准则
对于无黏结的颗粒材料，其抗剪强度，其中?n是破坏面上的垂直压力，是宏观内摩擦角，是颗粒材料的抗剪强度指标，反映了颗粒材料的宏观摩擦特性。Skinner等[28]指出峰值状态的宏观内摩擦角?max随着颗粒间摩擦系数μ的增大而增大。图3总结了多个学者得出的?max与粒间摩擦系数μ的关系[19,28-32]。结合本文所得不同b值下的峰值内摩擦角，可以发现随着摩擦系数μ的增大，峰值内摩擦角?max的增大变化幅度反而减小，与宏观抗剪强度的变化吻合（如图2所示）。当b=0.5时，峰值内摩擦角?max较大，且?max在三轴拉伸路径（b=1.0）下的值大于[23,32]三轴压缩路径（b=0.0），与已有的DEM和物理试验研究结果基本一致。岩土材料的强度理论中，最常采用的是Mohr-Coulomb[33]和Drucker-Prager[34]强度准则，但Mohr-Coulomb准则没有考虑中主应力对强度的影响，Drucker-Prager准则不能反映三轴拉伸和压缩应力状态下抗剪强度的不同。于是，国内外学者[35-38]基于岩土材料的真三轴试验结果提出了更多的三维强度准则，其中常见的有Lade-Duncan准则[35]和MastsuokaNakai准则[36]。为了探讨不同摩擦系数下各个强度准则的预测能力，以便于选取一个预测精准且形式简单的强度准则，定义以下指标反映强度准则的预测能力：
【参考文献】：
期刊论文
[1]现代土力学研究的新视野——宏微观土力学[J]. 蒋明镜. 岩土工程学报. 2019(02)
[2]颗粒材料三维应力路径下的接触组构特性[J]. 刘嘉英,周伟,马刚,李易奥,刘其文. 力学学报. 2019(01)
[3]抗转动特性对颗粒材料分散性失稳的影响研究[J]. 刘嘉英,马刚,周伟,常晓林. 岩土力学. 2017(05)
[4]颗粒形状及粒间摩擦角对堆石体宏观力学行为的影响[J]. 常晓林,马刚,周伟,周创兵. 岩土工程学报. 2012(04)
[5]基于随机散粒体模型的堆石体真三轴数值试验研究[J]. 周伟,刘东,马刚,常晓林. 岩土工程学报. 2012(04)
[6]堆石体三轴剪切试验的三维细观数值模拟[J]. 马刚,周伟,常晓林,周创兵. 岩土工程学报. 2011(05)
[7]砂土直剪力学性状的非圆颗粒模拟与宏细观机理研究[J]. 史旦达,周健,刘文白,邓益兵. 岩土工程学报. 2010(10)
[8]中主应力对砾石料变形和强度的影响[J]. 施维成,朱俊高,刘汉龙. 岩土工程学报. 2008(10)
[9]粗粒土试验研究[J]. 程展林,丁红顺,吴良平. 岩土工程学报. 2007(08)
[10]广义非线性强度理论及其变换应力空间[J]. 姚仰平,路德春,周安楠,邹博. 中国科学E辑:工程科学 材料科学. 2004(11)
博士论文
[1]粗粒土真三轴试验与本构模型研究[D]. 施维成.河海大学 2008
本文编号：3335925
【文章来源】：岩土工程学报. 2020,42(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
应力应变曲线（b=0.0)
将不同摩擦系数下等p等b真三轴数值试验得到的峰值应力状态点绘制在π平面，如图2所示，为大小不同的三角锥形。π平面内的应力演化反映出不同b值，μ值条件下，试样剪应力峰值的大小，可以看出，试样的剪应力峰值随着b值的增大而减小，随着μ值的增大而不断增大，且μ值较大时，试样对滑动摩擦系数的敏感度减弱，体现在剪应力的增加幅度逐渐减小。2.2 三维强度准则
对于无黏结的颗粒材料，其抗剪强度，其中?n是破坏面上的垂直压力，是宏观内摩擦角，是颗粒材料的抗剪强度指标，反映了颗粒材料的宏观摩擦特性。Skinner等[28]指出峰值状态的宏观内摩擦角?max随着颗粒间摩擦系数μ的增大而增大。图3总结了多个学者得出的?max与粒间摩擦系数μ的关系[19,28-32]。结合本文所得不同b值下的峰值内摩擦角，可以发现随着摩擦系数μ的增大，峰值内摩擦角?max的增大变化幅度反而减小，与宏观抗剪强度的变化吻合（如图2所示）。当b=0.5时，峰值内摩擦角?max较大，且?max在三轴拉伸路径（b=1.0）下的值大于[23,32]三轴压缩路径（b=0.0），与已有的DEM和物理试验研究结果基本一致。岩土材料的强度理论中，最常采用的是Mohr-Coulomb[33]和Drucker-Prager[34]强度准则，但Mohr-Coulomb准则没有考虑中主应力对强度的影响，Drucker-Prager准则不能反映三轴拉伸和压缩应力状态下抗剪强度的不同。于是，国内外学者[35-38]基于岩土材料的真三轴试验结果提出了更多的三维强度准则，其中常见的有Lade-Duncan准则[35]和MastsuokaNakai准则[36]。为了探讨不同摩擦系数下各个强度准则的预测能力，以便于选取一个预测精准且形式简单的强度准则，定义以下指标反映强度准则的预测能力：
【参考文献】：
期刊论文
[1]现代土力学研究的新视野——宏微观土力学[J]. 蒋明镜. 岩土工程学报. 2019(02)
[2]颗粒材料三维应力路径下的接触组构特性[J]. 刘嘉英,周伟,马刚,李易奥,刘其文. 力学学报. 2019(01)
[3]抗转动特性对颗粒材料分散性失稳的影响研究[J]. 刘嘉英,马刚,周伟,常晓林. 岩土力学. 2017(05)
[4]颗粒形状及粒间摩擦角对堆石体宏观力学行为的影响[J]. 常晓林,马刚,周伟,周创兵. 岩土工程学报. 2012(04)
[5]基于随机散粒体模型的堆石体真三轴数值试验研究[J]. 周伟,刘东,马刚,常晓林. 岩土工程学报. 2012(04)
[6]堆石体三轴剪切试验的三维细观数值模拟[J]. 马刚,周伟,常晓林,周创兵. 岩土工程学报. 2011(05)
[7]砂土直剪力学性状的非圆颗粒模拟与宏细观机理研究[J]. 史旦达,周健,刘文白,邓益兵. 岩土工程学报. 2010(10)
[8]中主应力对砾石料变形和强度的影响[J]. 施维成,朱俊高,刘汉龙. 岩土工程学报. 2008(10)
[9]粗粒土试验研究[J]. 程展林,丁红顺,吴良平. 岩土工程学报. 2007(08)
[10]广义非线性强度理论及其变换应力空间[J]. 姚仰平,路德春,周安楠,邹博. 中国科学E辑:工程科学 材料科学. 2004(11)
博士论文
[1]粗粒土真三轴试验与本构模型研究[D]. 施维成.河海大学 2008
本文编号：3335925
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