近似级配条件下砂土力学性质差异及其PFC分析方法的研究

摘要

一般情况下，岩体材料都是由大量的颗粒物质组成的，砂土在形成过程中由于有机质及矿物成分的分解，造成了砂土孔隙率高、颗粒疏散且各向异性的结构特性。迄今为止，为了更好的了解砂土这种岩土材料的特性，许许多多的学者投身到砂土的力学特性研究当中。虽然对砂土的宏观特性取得了一定的成果，但从细观角度出发对砂土的研究还很缺乏。本文考虑结合砂土的宏细观特征，对砂土进行力学特性的分析，以期达到从细观角度来解释宏观现象的目的。为了达到这个目的，本文拟采用PFC颗粒流模拟与室内试验结合的方式，首先对均匀砂及近似级配的砂土（Cc、Cu一致，颗粒粒径分布不同）分别控制相对密度来进行直剪试验，然后再对其进行PFC模拟试验，将所得结果进行对比，从细观角度上解释一些宏观现象。并通过摩擦角的比值来对PFC模拟代替室内直剪试验的可靠性进行肯定，得到了砂土级配与抗剪强度的确切关系。
　　且现有的粒径划分多依赖筛分试验，且受到了筛孔孔径的局限，通过PFC颗粒流模拟试验可以试验颗粒粒径分布的任意化，即级配的任意化。如此一来，可按砂土分类标准来对d50分类，并进一步通过控制不均匀系数等颗粒级配参数来界定砂土的内摩擦角，可为岩土工程的内摩擦角提供有效参考值。
　　本文主要取得的成果如下:
　　1.通过对PFC模拟任意粒径分布下的直剪试验所得数据进行归纳整理可以发现:当d50、 d10恒定时，内摩擦角随着不均匀系数Cu的增大而增大，且当Cu大于某一特定值时，内摩擦角的增大速度明显变快;当d50、Cu恒定时，内摩擦角随着d10的增大而增大;当改变d50的值时，发现其对内摩擦角产生的影响远不及Cu对内摩擦角产生的影响。
　　2.近似级配砂直剪试验结果表明:颗粒级配影响抗剪强度的大小，级配越均匀，抗剪强度越大，摩擦角也随之更大。另外，根据均匀砂的直剪试验可知，砂土所含粗粒越多，砂土的抗剪强度就越高。
　　3.通过Matlab进行神经网络的训练，并输入宏观参数来完成PFC细观参数的选取。
　　4.利用PFC2D对砂的室内直剪试验进行模拟，通过图形的输出更加直观的看到了砂样颗粒与颗粒之间的孔隙率、配位数以及接触力的变化现象。并证明了颗粒流模拟方法和试验室试验的一致性。
　　5.经过对剪切盒中部及四个角落处测量圆的孔隙率、配位数的变化曲线分析得到:随着剪切的持续进行，孔隙率及配位数都是一个持续变化的过程，且不同位置的孔隙率和配位数的变化规律不尽相同。剪切初始阶段左上角和右下角颗粒孔隙率最小，平均配位数最多，这符合实际的剪切过程中力的分布。且在剪切后期由于剪切作用导致剪切带中颗粒移动、旋转、翻滚比较明显，于是两个角的平均配位数都急速下降且伴随着孔隙率的增大。
　　6.利用PFC2D，实现级配的任意化，可以求得不同细化级配下的抗剪强度和内摩擦角，以便作为工程有效参考值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文的研究背景与研究意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 土的颗粒级配研究现状

1．2．2 室内直剪试验发展现状

1．2．3 PFC2D数值模拟研究现状

1．3 本文研究内容与技术路线

第二章 近似级配条件下砂土抗剪强度的差异

2．1 近似级配砂的制备

2．1．2 原砂样的颗粒级配

2．1．3 近似级配砂样的制备

2．2 近似级配砂的直剪试验

2．3 颗粒级配与抗剪强度的关系

2．3．1 颗粒粒径大小与抗剪强度的关系

2．3．2 近似级配砂的抗剪强度

2．4 小结

第三章 PFC二维离散元模拟基础

3．1 颗粒流方法产生的背景及应用范围

3．2 颗粒流方法的基本思想

3．2．1 颗粒流方法的基本假设

3．2．2 颗粒流方法的计算原理

3．2．3 颗粒流方法的接触本构模型

3．3 本文颗粒流数值模拟方法

3．4 小结

第四章 基于室内直剪试验的颗粒流数值模拟

4．1 优化PFC直剪模型

4．2 基于BP神经网络的砂土细观参数反演

4．2．1 BP神经网络基础

4．2．2 BP神经网络对颗粒流模拟的适用性

4．2．3 模型细观参数的确定

4．2．4 本文模型构成参数

4．3 颗粒流模型的构建

4．4 级配砂的直剪模拟

4．4．1 模型加载前后砂样内部应力分布

4．4．2 不同剪切位移条件颗粒间接触力分布

4．5 砂土剪切的相关量的量测

4．6 相关量测量的结果

4．6．1 剪切过程中孔隙率的变化

4．6．2 剪切过程中配位数的变化

4．6．3 水平方向的剪应力

4．6．4 剪应力—剪位移曲线的对比

4．7 小结

第五章 级配变化对砂土内摩擦角影响的分析

5．1 PFC模拟代替直剪试验可行性分析

5．2 岩土参数变异性

5．2．1 变异性的基本概念

5．2．2 岩土参数变异性研究的意义

5．2．3 影响砂土抗剪强度的因素

5．3 砂土抗剪强度受级配影响的变异性分析

5．3．1 砂土抗剪强度变异性分析的意义

5．3．2 级配变化对中砂内摩擦角的变异性分析

5．4 小结

第六章 总结

6．1 结论

6．2 创新点

致谢

参考文献

附录

在校期间发表的论著及取得的科研成果