砂土顆粒破碎機(jī)理及力學(xué)特性的宏-微觀研究.pdf

1、隨著國(guó)家在重大基礎(chǔ)設(shè)施上加大投入，越來(lái)越多的超級(jí)工程將投入到建設(shè)和使用。砂土作為一種散體材料，被廣泛應(yīng)用到道路、土石壩、港口工程等地基基礎(chǔ)中。由于顆粒形狀不規(guī)則，在沉積過(guò)程中必然產(chǎn)生各向異性，砂土的力學(xué)性質(zhì)也會(huì)不同。在特殊條件或高應(yīng)力下砂土?xí)霈F(xiàn)顆粒破碎的特征，威脅到建筑物的安全。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)砂土可破碎的力學(xué)性質(zhì)早已得到認(rèn)識(shí)，并展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬、微觀結(jié)構(gòu)與本構(gòu)模型關(guān)系層面來(lái)研究顆粒破碎機(jī)理，然而目前的研究在關(guān)于各向異性與顆粒破

2、碎耦合作用來(lái)探討兩者對(duì)砂土宏觀力學(xué)性質(zhì)的文獻(xiàn)較少。由于離散元數(shù)值試驗(yàn)可同時(shí)提供宏觀和微觀兩個(gè)尺度的詳細(xì)數(shù)據(jù)，能夠定量研究砂土的力學(xué)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(shí)采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與離散元試驗(yàn)結(jié)合對(duì)比的方法。
　　本文通過(guò)光彈顆粒按照橫排、豎排規(guī)則和交錯(cuò)排列幾種擺放方式實(shí)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(jìn)行對(duì)比，得到以下結(jié)論:在各向異性“砂土”中，橫排交錯(cuò)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(gè)顆粒更多的受到剪應(yīng)力的作用，而光彈顆粒的抗剪強(qiáng)度低于其抗壓、抗拉強(qiáng)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(guò)查閱砂土室內(nèi)直剪試驗(yàn)相關(guān)文獻(xiàn)，得到高應(yīng)力下砂土的抗剪強(qiáng)度，研究表明顆粒破碎并非是隨著豎向壓力增加線性增長(zhǎng)，而是隨著豎向應(yīng)力的增加分階段性的增長(zhǎng)。通過(guò)離散元軟件制備出與室內(nèi)試驗(yàn)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(jí)配的數(shù)值試樣中。將數(shù)

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

5、應(yīng)力越大，剪切過(guò)程中的體積應(yīng)變?cè)叫　?br>　　(3)接觸力的大小與顆粒粒徑的分布有關(guān)，在相同豎向壓力下，試樣中大粒徑顆粒所占比例越高，強(qiáng)力鏈所占比例也越多。
　　(4)當(dāng)顆粒模型為不可破碎的模型時(shí)，隨著豎向壓力的增大，對(duì)其位移云圖影響較小;當(dāng)考慮顆粒破碎后，模型的力學(xué)特性更接近于室內(nèi)直剪試驗(yàn)，細(xì)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(qiáng)度指標(biāo)變低，與室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)論相符。
　　(5)在不同級(jí)配相同豎向壓力條件下