土工問題的顆粒流數(shù)值模擬及應用研究.pdf

1、土是一種不同于一般材料的極其復雜的顆粒集合體，它既不是理想的彈性材料，也不是理想的塑性材料。巖土工程模擬研究的主要對象是松散的巖土材料，這種材料的典型特點就是其破碎性和流動性。盡管連續(xù)介質(zhì)的假設與實際情況不相符合，目前大多的數(shù)值計算方法都是用連續(xù)介質(zhì)力學的思路去分析和研究土的力學性狀。人們早就認識到應當從微細觀角度研究土這種具有獨特的不同于金屬等連續(xù)介質(zhì)的應力一應變性狀，但是由于這種研究相當復雜，而且依賴比較多的外界因素，比如計算機的處

2、理能力和細觀顆粒的本構(gòu)理論等，故很難建立微觀與宏觀的定量關系。 本文引入顆粒流理論PFC2D和PFC3D并開發(fā)顆粒流數(shù)值模擬技術，克服傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學模型采用宏觀連續(xù)性假設所導致的不足，建立了細觀參數(shù)標定宏觀參數(shù)的近似定量關系，并首次嘗試用于模擬基坑開挖的動態(tài)過程。并且模擬了顆粒排列成的不同空間結(jié)構(gòu)的力學性狀和無粘性土三軸應力一應變關系曲線，將土體微細觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學反應緊密地聯(lián)系起來，對土體剪切位移場形成和演化等漸進破壞過程有

3、更深入的理解和發(fā)現(xiàn)。 通過大量的參數(shù)試算與分析，建立起細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與宏觀力學參數(shù)的函數(shù)關系式，近似標定了土體的摩擦角、變形模量和加固土的峰值強度，并在此基礎上建立了模型模擬支撐開挖的動態(tài)過程，其中灌注樁和鋼支撐用顆粒的平行粘結(jié)本構(gòu)模型模擬，土體用線彈性接觸本構(gòu)模型模擬。分析得到了分布開挖的結(jié)構(gòu)水平位移、彎矩、剪力、支撐軸力和作用在結(jié)構(gòu)上的土壓力變化和分布規(guī)律，并且與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行了比較。 土的另一方面的復雜性還在于其空

4、間結(jié)構(gòu)性，研究顆粒的空間結(jié)構(gòu)性問題可以從細觀形態(tài)入手，研究顆粒排列的幾何特征對材料力學特性的影響，有利于探討顆粒世界的非均質(zhì)性，各向異性?；谌S離散單元顆粒流理論，引入了顆粒的滑動接觸本構(gòu)模型，建立了金字塔和正交晶系兩種典型空間排列結(jié)構(gòu)的顆粒體試樣，進行了三軸應力應變數(shù)值模擬和平面應力應變數(shù)值模擬，與物理實驗結(jié)果吻合，數(shù)值試驗基本再現(xiàn)了物理試驗的力學宏觀行為，峰值摩擦角與理論值之間的相對誤差小于2.5％。分析不同典型空間排列結(jié)構(gòu)試驗過

5、程中的細觀織構(gòu)(配位數(shù)、孔隙率和滑動摩擦接觸數(shù))的變化趨勢和規(guī)律。引入了在極限剪力狀態(tài)下滑動接觸本構(gòu)模型，建立顆粒體砂土試樣，進行三軸應力應變數(shù)值模擬。通過大量的顆粒流數(shù)值試驗，從細觀力學角度對砂土的工程力學特性進行了模擬研究和分析；對砂土的室內(nèi)常規(guī)三軸試驗及其剪切帶的形成和發(fā)展進行了數(shù)值模擬，分別對比不同圍壓下顆粒體試樣與室內(nèi)承德中密砂三軸試驗的應力一應變關系曲線，基本再現(xiàn)了試樣的加載曲線；分析顆粒法向剛度、法向和切向剛度比值、孔隙率