顆粒材料的級配相關(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配變動會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，研究顆粒級配變動對材料臨界狀態(tài)特性的影響很有必要。
　　通過室內(nèi)實驗結(jié)合數(shù)值試驗，研究了不同初始級配對顆粒材料臨界狀態(tài)力學(xué)特性的影響；建立顆粒級配與材料臨界狀態(tài)的關(guān)系，并將其引進(jìn)彈塑性本構(gòu)模型，模擬顆粒級配變化引起的力學(xué)問題。
　　（1）綜合大量室內(nèi)實驗，研究了玻璃球和 Hostun砂隨顆粒級配變化的力學(xué)特

2、性，得出臨界狀態(tài)與顆粒級配的關(guān)系。結(jié)果表明相同初始密實度材料的不排水剪切強度和相變偏應(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配對顆粒材料的不穩(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。試驗總結(jié)出顆粒材料臨界狀態(tài)參數(shù)隨顆粒級配指標(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，不受級配的影響。
　?。?）數(shù)值試驗拓展分析了多個應(yīng)力路徑下顆粒材料級配相關(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度隨著級配的拓寬而下降。試驗結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)了臨界狀態(tài)參數(shù)與顆粒級配指標(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'平面上隨顆粒級配移動以及在q-p'平面上呈直線且與級配無關(guān)的內(nèi)在機理。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)下顆粒材料的各個細(xì)觀組構(gòu)各向異性分量對細(xì)觀應(yīng)力比的貢獻(xiàn)程度相同

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

6、。提出了一個綜合 Cu和 IG優(yōu)點的級配新指標(biāo)Igu并將其用于改進(jìn)本構(gòu)模型。模擬驗證表明改進(jìn)的本構(gòu)模型能夠更好地模擬任意級配顆粒材料的力學(xué)特性。
　?。?）對本構(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，承載力下降趨勢減弱。