砂土顆粒破碎機理及力學特性的宏-微觀研究.pdf

1、隨著國家在重大基礎設施上加大投入，越來越多的超級工程將投入到建設和使用。砂土作為一種散體材料，被廣泛應用到道路、土石壩、港口工程等地基基礎中。由于顆粒形狀不規(guī)則，在沉積過程中必然產(chǎn)生各向異性，砂土的力學性質(zhì)也會不同。在特殊條件或高應力下砂土會出現(xiàn)顆粒破碎的特征，威脅到建筑物的安全。國內(nèi)外學者對砂土可破碎的力學性質(zhì)早已得到認識，并展開了實驗室試驗、數(shù)值模擬、微觀結(jié)構與本構模型關系層面來研究顆粒破碎機理，然而目前的研究在關于各向異性與顆粒破

2、碎耦合作用來探討兩者對砂土宏觀力學性質(zhì)的文獻較少。由于離散元數(shù)值試驗可同時提供宏觀和微觀兩個尺度的詳細數(shù)據(jù)，能夠定量研究砂土的力學特性，成為顆粒材料多尺度研究的有力工具，所以本文在研究時采用實驗室試驗與離散元試驗結(jié)合對比的方法。
　　本文通過光彈顆粒按照橫排、豎排規(guī)則和交錯排列幾種擺放方式實現(xiàn)顆粒的各向異性與顆粒破碎耦合作用，并與離散元軟件模擬結(jié)果進行對比，得到以下結(jié)論:在各向異性“砂土”中，橫排交錯排列比起其他的排列方式更容易出

3、現(xiàn)顆粒破碎，這是由于這種排列方式下，單個顆粒更多的受到剪應力的作用，而光彈顆粒的抗剪強度低于其抗壓、抗拉強度;另外各向異性“砂土”中，試樣的顆粒的配位數(shù)值越大，體系越穩(wěn)定變形較小。
　　通過查閱砂土室內(nèi)直剪試驗相關文獻，得到高應力下砂土的抗剪強度，研究表明顆粒破碎并非是隨著豎向壓力增加線性增長，而是隨著豎向應力的增加分階段性的增長。通過離散元軟件制備出與室內(nèi)試驗相同特征數(shù)值試樣，將得到的數(shù)值試樣參數(shù)賦值到另外級配的數(shù)值試樣中。將數(shù)

4、值試樣按級配良好、級配集中、級配缺失、粒徑單一四種不同類型進行制備，通過伺服施加不同豎向荷載進行直接剪切試驗，比較剪切前后的試樣的宏微觀參數(shù)特征:
　　(1)在相同的級配條件下，豎向壓力越大，試樣的應力-位移曲線逐漸表現(xiàn)出應力軟化的特征;粒徑單一試樣，隨著豎向力增加應力軟化現(xiàn)象更加明顯。
　　(2)在相同的豎向壓力下，級配良好試樣對應的體積應變小于其他級配試樣，不同的級配所對應的體變-位移曲線的特征不同;相同的級配試樣，豎向

5、應力越大，剪切過程中的體積應變越小。
　　(3)接觸力的大小與顆粒粒徑的分布有關，在相同豎向壓力下，試樣中大粒徑顆粒所占比例越高，強力鏈所占比例也越多。
　　(4)當顆粒模型為不可破碎的模型時，隨著豎向壓力的增大，對其位移云圖影響較小;當考慮顆粒破碎后，模型的力學特性更接近于室內(nèi)直剪試驗，細小顆粒填充空隙，云圖中位移曲線彎曲度較小，砂土的抗剪強度指標變低，與室內(nèi)直剪試驗結(jié)論相符。
　　(5)在不同級配相同豎向壓力條件下