碎石比例影响土石混合体剪切强度的三维颗粒流模拟.doc

作者简介：姜明冬，女，华中科技大学土木工程与力学学院道路桥梁与渡河工程1101班本科生, Email：jiangmingdong@hust.edu.cn 指导教师：郑俊杰，男，华中科技大学土木工程与力学学院教授，Email：zhengjj@hust.edu.cn 碎石比例影响土石混合体剪切强度的三维颗粒流模拟 姜明冬 苗晨曦 郑俊杰 （华中科技大学土木工程与力学学院 430074） 摘要：土石混合体是一种由粗料和细料构成的非常复杂的非均匀、不连续介质，在我国分布广泛，很多地质灾害产生得多原因与其剪切强度密切相关。针对其表现出来的结构效应，运用PFC 3D颗粒流离散元计算程序，采用Hertz-Mindlin颗粒接触本构模型，建立三轴试验的土石混合体模型，从细观力学的角度对土石混合体力学性能进行初步探讨。对比了不同碎石含量和碎石形状的三维颗粒体试样应力应变曲线和内摩擦角，得到了与前人通过室内三轴试验相似的结论。本文突破了常规的室内土工试验的限制，使得采用三维颗粒流方法研究土石混合体细观结构对其力学性能影响成为可能，研究成果可为从细观角度理解土石混合共同作用机理提供参考。 关键词：土石混合体；力学性能；三轴试验；数值模拟 引言 土石混合体是一种非常复杂的非连续介质材料，它是由具有一定尺寸的强度较高岩块、强度相对较软的土体充填成分及相应的孔隙等组成的多相体系。由于构成土石混合体的各种组分在外荷载作用下的力学性质有着很大的差异，同时它们之间又存在着极其复杂的相互作用，因此这种岩土材料的力学性能(如应力传递、破坏模式、裂纹扩展、承载能力等)与均质岩（土）体有着较大的差别，并且在很大程度上依赖于土石混合体内部结构特征(如粒度组成、颗粒形状、颗粒分布及排列方式等)[1,2]。 目前对土石混合体研究时采用的试验方法难以建立宏观力学性能与细观结构变化间的联系，无法从组构角度揭示强度发展、劣化的力学机制，而理想的离散单元颗粒流方法克服了传统连续介质力学模型的宏观连续性假设，可以从细观角度对土石混合体的力学特性进行数值模拟，但采用三维颗粒流方法研究土石混合体力学性能尚不多见。维数扩充增加了体系自由度，能更好的体现土石混合体空间结构，可真实还原颗粒空间平动、转动的复杂运动规律。本文从土石混合体中块石结构入手，采用三维颗粒流程序建立土石混合体三轴剪切试验数值模型，给出了剪切过程中颗粒位移与接触力的演化规律，研究了两种碎石形状（类三角形和类正方形）下碎石含量对体系抗剪强度的影响，研究成果可为从细观角度理解土石混合共同作用机理提供参考。 2.颗粒离散元方法简介 颗粒单元离散元软件 PFC 3D 基于离散元的方法，把每个颗粒看做一个单元，用微观意义上的颗粒单元之间的相互作用来反映出材料宏观意义上的力学行为[3-4]。在计算循环中颗粒流离散元方法交替运用牛顿第二定律与力-位移定律。牛顿第二定律用来确定颗粒单元在接触力和自身体力作用下的运动，力-位移定律主要用来对接触点位移产生的接触力进行更新[5]，具体计算流程如图1所示。 图1 颗粒流离散元计算方法简易循环 三轴剪切试验数值实现 3.1土石颗粒本构模型及细观参数选取 离散元方法通过定义颗粒间接触法则来模拟散体材料颗粒间微观力学行为。本试验选取Hertz-Mindlin接触模型，该模型为基于Hertz理论和Mindlin-Deresiewicz理论的非线性接触模型，由剪切模量和泊松比两个参数定义，适合于无黏性材料的力学行为模拟，同时，引入摩擦系数来描述颗粒间摩擦耗能这一固有特性。砂土与块石细观力学参数见表1。 表1 试验样本生成控制参数 项目 有效粒径/mm 泊松比 摩擦系数 剪切模量/pa 碎石 10 0.18 0.5 2.11+E10 土 4 0.26 0.35 1.92+E8 3.2碎石颗粒二次开发 PFC 3D 提供的基本单元是球形颗粒，其组构信息单一无法真实反映无粘性土工程特性。如前文所述，本文研究重点是不同颗粒形状下块石含量对土石混合体剪切强度的影响，因此采用由多个颗粒组成的颗粒团来模拟块石，具体实现方法是将初始碎石球形颗粒逐个用颗粒团置换，置换时遵循体积相等，质量相等，重心不变的原则[6]。试验用类三角形碎石颗粒与类正方形碎石颗粒如图2所示。 图2 类三角形、类正方形碎石颗粒 3.3数值模拟步骤 作为定性分析及规律探索并考虑空间模型下颗粒数目对计算效率的影响，本模型初始数值试样尺寸取为首先建立土石混合体的模型空间，由没有摩擦的一个柔性桶，两个刚性面组成。柔性桶用来施加围压，刚性面用来加载压盘。柔性桶和刚性面即为PFC 3D 软件中的墙。在PFC中，模型的边界条件可以施加在墙上，在程序中，墙为球体单元提供一个固定或移动的边界，通过给墙施加平动或者转动的速度来控制球形颗粒单元组成模型的边界。本试