宽级配粗粒土数值试验微观参数的敏感性分析.pdf

中国水利水电科学研究院 第12届青年学术交流会论文 文章编号： 宽级配粗粒土数值试验微观参数的敏感性分析 1 1,2 1 1,2 于沭，陈兵 ，邓刚，王振 (1.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，中国水利水电科学研究院，北京 100038； 2. 中国地质大学（北京），北京 100083) 摘要：在离散元数值试验中，微观参数的取值直接决定着宏观参数。目前微观参数的研究多针对窄级配土、小尺 寸的试样，基于宽级配粗粒土微观参数的研究较少。本文采用离散单元法，根据某水利工程宽级配粗粒料试验级 配，采用常规大型三轴压缩试样尺寸，分析了线性接触模型中颗粒接触刚度和摩擦系数等微观参数对初始弹性模 量、初始体积模量以及峰值强度的影响规律。研究发现：初始弹性模量和初始体积模量均随着刚度比的增大而减 少，当刚度比较大时，峰值强度表现为明显的下降趋势；颗粒摩擦系数的大小对峰值强度的影响显著，当摩擦系 数小于0.8时，对初始弹性模量和初始体积模量的影响较大。建议了针对大尺寸试样、宽级配数值试验的刚度比取 值范围为1.0～5.0，摩擦系数取值为0.4～0.8。 关键词：数值试验；宽级配；微观参数；宏观参数；敏感性分析 中图分类号：TU411 文献标识码：A 1 引言 由于粗粒土储量大、工程特性好，被广泛应用于工程建设中。20世纪50年代以来，随着试验设备 [1] 以及计算机的发展，对粗粒土的性质进行了深入研究，提出了很多有价值的成果 。然而，粗粒土属 于典型的散粒体材料，内部的颗粒运动、旋转、破碎等微观变化对宏观特性有显著影响，这些研究中 大多都是基于室内试验，由于受到橡皮膜包裹试样等条件的限制，无法对试样内部微观结构直接进行 观察，很难对粗粒土的微观性质进行研究。 [2] 随着Cundall 等人提出离散单元法，基于离散元的粗粒土性质研究越来越多。离散单元法被认为 [3] 是从本质出发研究粗粒土性质的方法 。和其他计算方法相比，离散单元法可以通过微观参数的变化 来研究宏观特性。其基本思想是把介质离散成单个运动的颗粒，每个颗粒的运动和受力遵循牛顿经典 力学定律和力－位移关系法则。分析中假定每个颗粒单元为刚性体，颗粒之间允许有一定的重叠并且 [4] 满足一定的接触特性。90年代以来，离散单元法得到了迅速发展，特别是一批基于离散元的模型 以 及软件的出现，使得离散单元法被广泛应用于多个领域。研究表明，颗粒离散单元法中的微观参数决 定着材料的宏观特性[5-7]，只有选取合理的微观参数，基于离散单元法的数值模拟才会得到认可，所以 有必要对微观参数的敏感性进行研究。 [8] 目前，国内外的学者对离散元微观参数的研究有很多。Mindlin 假设两弹性体为椭圆接触，提出 [9] 了非线性接触模型并对颗粒的法向刚度和切向刚度进行了研究；邢纪波等 根据离散单元中的应力波 传播条件，得到了颗粒间接触刚度的确切表达式；周健等[10]基于颗粒流对细-宏观力学参数的关系进 [11] [8] 行了研究；Renzo等 基于材料的力学特性，研究了初始切向刚度与法向刚度的关系；徐小敏等 利用 收稿日期：2014-10-19 论文