颗粒形态影响砂土临界状态力学行为的离散元研究

摘要

砂土作为一种典型的散体颗粒集材料,具有复杂的力学行为.关于砂土在临界状态下的力学行为研究是颗粒物质力学最基本的方面.其中,临界状态参数作为土体的固有属性,不会随着边界条件和土的状态而变,而与本身的形态相关.本文结合在临界状态土力学框架下的分析,对颗粒形态和临界状态力学行为之间的关系进行了研究. 研究对象为一种近海石英砂(LBS),首先选取106个LBS砂粒样本,使用高精度的X射线CT扫描和图像处理技术获得样本的三维形态.为了得到不同的颗粒形态,在球谐函数重构砂粒过程中,采用不同的球谐阶数,随机生成颗粒粒径分布相同但形态不同的颗粒.通过形态参数球度、凸度、圆度和纵横比来定量表征颗粒形态.结果表明:球谐阶数n的不同,重构得到颗粒表面的圆滑程度也不同,n越大,则颗粒的细观特征越明显.同时,球谐阶数的不同,对形态参数球度、凸度和圆度影响较大,而对纵横比影响较小.随着球谐阶数的增加,形态参数球度、凸度和圆度值减小,而纵横比改变不明显. 宏观上,采用离散元软件PFC3D导入随机生成的虚拟颗粒,进行了排水三轴的数值模拟.通过不同砂粒形态的数值模拟,得到形态对宏观力学行为的影响.随着颗粒形状不规则程度的增加,在q-p平面的临界状态线倾向于逆时针旋转,在e-p平面的临界状态线的斜率和截距值变大.同时定义了新的形态参数为整体性规律(OR),是球度、凸度和圆度的平均值.分析表明,整体形态越规则,临界状态线的斜率和截距值越小.基于对这些参数的分析结果,建立了临界状态参数与形态参数之间的关系,为颗粒微观的固有性质和宏观本构模型之间提供了理论参考.

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