巖土材料各向異性和破損特性顆粒流數(shù)值模擬研究.pdf

1、巖土體的結(jié)構(gòu)性研究是土力學(xué)研究中的前沿課題之一。土體結(jié)構(gòu)上的各向異性是導(dǎo)致土體強(qiáng)度和變形各向異性的根本原因，因此，開(kāi)展土體各向異性的機(jī)理研究是一個(gè)重要內(nèi)容。但是由于其復(fù)雜性及研究手段的限制，研究成果比較少，需要進(jìn)一步研究。結(jié)構(gòu)性巖土材料可以抽象成由膠結(jié)塊和軟弱帶組成的雙重介質(zhì)材料，膠結(jié)塊的破損是巖土破損力學(xué)的研究焦點(diǎn)。常規(guī)試驗(yàn)無(wú)法得到整個(gè)加荷過(guò)程中膠結(jié)塊和軟弱帶的局部應(yīng)力和局部應(yīng)變的變化情況，也就無(wú)法準(zhǔn)確研究膠結(jié)塊的破損演化的全過(guò)程。而

2、顆粒流PFC(Particle Flow Code)數(shù)值模擬試驗(yàn)除宏觀結(jié)果外，還能給出試樣顆粒間的應(yīng)力應(yīng)變，正在成為研究巖土力學(xué)的一個(gè)有力工具。本文采用顆粒流對(duì)顆粒材料的各向異性以及巖土破損力學(xué)進(jìn)行了深入研究。 首先采用顆粒流方法，對(duì)具有不同排列組構(gòu)的試樣，進(jìn)行豎向、橫向的試驗(yàn)。采用塊顆粒研究散粒體原生結(jié)構(gòu)的各向異性，對(duì)不同顆粒排向的試樣進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究了試樣強(qiáng)度和加荷方向以及試樣長(zhǎng)軸定向分布的關(guān)系，分析了試樣加荷過(guò)程中顆

3、粒接觸法向的空間分布的變化情況。從細(xì)觀上揭示了具有不同原生結(jié)構(gòu)的散粒體試樣，具有不同的各向異性特征。 采用顆粒流模擬大主應(yīng)力加荷、中主應(yīng)力加荷和小主應(yīng)力加荷試驗(yàn)，得到了和真三軸試驗(yàn)相類(lèi)似的應(yīng)力各向異性的規(guī)律。進(jìn)行了更復(fù)雜的大主應(yīng)力、中主應(yīng)力和小主應(yīng)力組合加卸荷的試驗(yàn)，進(jìn)一步反映了應(yīng)力各向異性的規(guī)律。計(jì)算結(jié)果分析認(rèn)為塑性體積應(yīng)變和塑性剪切應(yīng)變存在線(xiàn)性關(guān)系，即可以認(rèn)為存在塑性應(yīng)變方向唯一性，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)塑性主應(yīng)變和塑性體積應(yīng)變也存在線(xiàn)

4、性關(guān)系。 通過(guò)構(gòu)造可破碎顆粒，建立結(jié)構(gòu)性巖土材料試樣構(gòu)造試樣，進(jìn)行了剛性邊界施加較低圍壓、柔性邊界施加圍壓和柔性邊界施加圍壓下提高顆粒的脆性三種情況下的數(shù)值模擬，研究了棒狀結(jié)構(gòu)體破損過(guò)程中，膠結(jié)塊和軟弱帶的局部應(yīng)力和局部應(yīng)變以及平均應(yīng)力和平均應(yīng)變的變化過(guò)程。分析了軟弱帶和膠結(jié)塊的剪切應(yīng)變和體積應(yīng)變發(fā)展的差異，研究破損帶生成及發(fā)展的演化規(guī)律。 通過(guò)構(gòu)造棱柱狀可破碎顆粒，研究了棱柱狀結(jié)構(gòu)體在受荷過(guò)程中的變形和破損機(jī)理。研究了

5、棱柱狀結(jié)構(gòu)體破損過(guò)程中，膠結(jié)塊和軟弱帶的局部應(yīng)力和局部應(yīng)變以及平均應(yīng)力和平均應(yīng)變的變化過(guò)程。分析棱柱狀結(jié)構(gòu)體與棒狀結(jié)構(gòu)體破損過(guò)程應(yīng)變發(fā)展的不同點(diǎn)。通過(guò)預(yù)制設(shè)置材料缺陷進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，研究了缺陷會(huì)對(duì)軸向應(yīng)力、破損帶的空間位置分布產(chǎn)生重要的影響。 利用顆粒流方法可以模擬裂隙試樣變形過(guò)程中裂紋的形成。裂紋可以通過(guò)膠結(jié)破損空間位置直觀反映出來(lái)。對(duì)含兩條雁行及雁行共面三條預(yù)制裂隙試樣模擬試驗(yàn)，分析研究了分支裂紋的擴(kuò)展及貫通過(guò)程。研究了非貫通