顆粒材料的級(jí)配相關(guān)臨界狀態(tài)力學(xué)特性模擬.pdf

1、巖土工程中顆粒材料的級(jí)配變動(dòng)會(huì)在很大程度上影響材料在臨界狀態(tài)下的承載能力，可能引發(fā)結(jié)構(gòu)物的大變形甚至導(dǎo)致整體失穩(wěn)。因此，研究顆粒級(jí)配變動(dòng)對(duì)材料臨界狀態(tài)特性的影響很有必要。
　　通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)值試驗(yàn)，研究了不同初始級(jí)配對(duì)顆粒材料臨界狀態(tài)力學(xué)特性的影響；建立顆粒級(jí)配與材料臨界狀態(tài)的關(guān)系，并將其引進(jìn)彈塑性本構(gòu)模型，模擬顆粒級(jí)配變化引起的力學(xué)問題。
　?。?）綜合大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究了玻璃球和 Hostun砂隨顆粒級(jí)配變化的力學(xué)特

2、性，得出臨界狀態(tài)與顆粒級(jí)配的關(guān)系。結(jié)果表明相同初始密實(shí)度材料的不排水剪切強(qiáng)度和相變偏應(yīng)力比隨著材料不均勻系數(shù)Cu的增加而降低，并在Cu達(dá)到10以后趨于穩(wěn)定。通過二階功分析指出顆粒級(jí)配對(duì)顆粒材料的不穩(wěn)定性有很大影響，隨著Cu的提高材料的靜態(tài)液化潛能提高，變得更加不穩(wěn)定。試驗(yàn)總結(jié)出顆粒材料臨界狀態(tài)參數(shù)隨顆粒級(jí)配指標(biāo)Cu變化的非線性規(guī)律。在e-p'平面上臨界狀態(tài)線的位置和斜率隨著顆粒級(jí)配的拓寬而降低，在Cu達(dá)到10以后兩者皆趨于穩(wěn)定。在q-p

3、'平面上顆粒材料的臨界狀態(tài)線則是一條直線，不受級(jí)配的影響。
　　（2）數(shù)值試驗(yàn)拓展分析了多個(gè)應(yīng)力路徑下顆粒材料級(jí)配相關(guān)的力學(xué)響應(yīng)。分析結(jié)果表明在相同加載條件下，材料的剪脹性隨著顆粒級(jí)配的拓寬而下降，出現(xiàn)從剪脹到剪縮的轉(zhuǎn)變；材料的不排水抗剪強(qiáng)度隨著級(jí)配的拓寬而下降。試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)了臨界狀態(tài)參數(shù)與顆粒級(jí)配指標(biāo)Cu的非線性關(guān)系，不受排水條件和拉壓剪切模式的影響。在e-p'平面上的臨界狀態(tài)線是唯一的，并隨著級(jí)配的拓寬而下移；q-p'平

4、面上的臨界狀態(tài)線則為直線，與級(jí)配無關(guān)。
　?。?）基于細(xì)觀力學(xué)分析，證明了顆粒材料臨界狀態(tài)線在e-p'平面上隨顆粒級(jí)配移動(dòng)以及在q-p'平面上呈直線且與級(jí)配無關(guān)的內(nèi)在機(jī)理。由平均配位數(shù)的演變規(guī)律表明，顆粒材料在不排水剪切狀態(tài)下較之排水剪切具有更高的不穩(wěn)定性。在臨界狀態(tài)下平均配位數(shù)與平均有效應(yīng)力的關(guān)系是唯一的，并隨顆粒級(jí)配的拓寬而下移。應(yīng)力-組構(gòu)-接觸力分析顯示，臨界狀態(tài)下顆粒材料的各個(gè)細(xì)觀組構(gòu)各向異性分量對(duì)細(xì)觀應(yīng)力比的貢獻(xiàn)程度相同

5、，且與圍壓和級(jí)配無關(guān)，從而證實(shí)了在q-p'平面上顆粒材料的臨界狀態(tài)線呈直線，且與級(jí)配無關(guān)。
　　（4）通過引入顆粒級(jí)配指標(biāo)與臨界狀態(tài)的非線性關(guān)系，建立了顆粒材料的級(jí)配相關(guān)彈塑性本構(gòu)模型。該模型可以描述任意顆粒級(jí)配材料的排水和不排水力學(xué)響應(yīng)。與已有考慮級(jí)配效應(yīng)的本構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比，指出不同模型預(yù)測(cè)效果差異的主要原因是臨界狀態(tài)參數(shù)與級(jí)配指標(biāo)的關(guān)系不同。通過數(shù)值試驗(yàn)得出現(xiàn)有級(jí)配指標(biāo)(Cu和 IG)都無法準(zhǔn)確地描述顆粒材料級(jí)配相關(guān)的力學(xué)性能

6、。提出了一個(gè)綜合 Cu和 IG優(yōu)點(diǎn)的級(jí)配新指標(biāo)Igu并將其用于改進(jìn)本構(gòu)模型。模擬驗(yàn)證表明改進(jìn)的本構(gòu)模型能夠更好地模擬任意級(jí)配顆粒材料的力學(xué)特性。
　?。?）對(duì)本構(gòu)模型進(jìn)行有限元二次開發(fā)，用于分析可破碎地基土上淺基礎(chǔ)的承載力問題。將本構(gòu)模型編譯成UMAT子程序，通過Abaqus模擬淺基礎(chǔ)的承載力問題。分析結(jié)果得出顆粒破碎引起了地基承載力的降低；隨著地基土初始顆粒級(jí)配的拓寬，基礎(chǔ)下壓引起的顆粒破碎逐漸減弱，承載力下降趨勢(shì)減弱。