基于颗粒团聚体的黏土离散元试样建模与合理性检验研究

摘要

离散元模拟方法具有微观特征可控、研究成本低廉、结果可重复等优点，目前已成为从颗粒尺度研究土体宏观力学性质的重要手段。然而由于黏土颗粒形状不规则、粒间相互作用复杂等原因，使得黏土离散元研究相对较弱。本论文基于课题前期开发出的黏土离散元模拟程序框架，围绕黏土颗粒具有粒径变化范围大且易形成平行团聚体的特点，从黏土颗粒单元几何分析、接触检查、粒间力作用模型与由粒间力控制的黏土团聚体生成以及程序合理性检验等方面对黏土离散元方法展开深入研究。 基于黏土特殊的微观结构形态、复杂的颗粒间力学作用效果以及颗粒单元的实际尺寸分析，本文建立较符合黏土颗粒实际的板状模型单元，并成功生成宽粒径范围的初始黏土试样。在此基础上，针对单元模型特征从接触形式判断、接触向量求解两个方面，提出新的粗略接触检测与接触信息求解方法，为确保黏土离散元模拟研究的可靠性、准确度及运算效率提供重要基础。 通过对黏土SEM图像特征进行二维化处理，统计获得黏土微观试样粒径占比信息，并结合对双电层、范德华非接触作用力以及Born接触作用力研究，得出刚度系数随颗粒尺寸变化规律。综合结论，生成更符合黏土实际微观结构的宽粒径范围团聚体试样，并通过与赫兹理论对比分析，论证求解方法的合理性以及团聚体生成的可靠性。 在建立宽粒径范围黏土团聚体初始试样并获取适用于特殊板状几何形态的接触信息检测与求解方法基础上：1）通过对颗粒间合力曲线的引力、斥力作用区间及峰值点等特征进行分析，添加与赫兹模型类似且与Born力连续的接触斥力模型，大幅增加试样峰值承载力，更进一步贴合实际情况下黏土的微观力学作用效果；2）通过对试样不同接触形式碰撞研究，利用二分法获取速度阈值v0，在不改变单元运动规律的同时对其端点最大速度进行合理限制；3）通过设置多组速度清零模拟对比试验，综合验证Anandarajah与商用离散元程序所用系统能量消减处理方法的有效性，大幅提高模拟加载效率，并避免接触响应模块中颗粒单元交叉穿透等错误异常的发生。 参考圆形离散元中的小球弹落模型与斜坡滚动模型合理性标准检验思路，以黏土微观力学势能与单元动能之间的转化为出发点，通过对颗粒与颗粒、颗粒与团聚体、颗粒与边框等检验模型赋值不同初始动能，分析系统从发生碰撞到最终平衡前后的能量变化，对开发程序的合理性和科学性进行检验；并且，本文最终通过控制边框位移的方式，实现对宽粒径范围团聚体试样的一维压缩模拟，验证了程序的有效性。 综上，本文研究在确保黏土离散元模拟研究的可靠性、准确度及运算效率的同时，拓展离散元在黏土中应用广度和深度，为建立黏土力学性质的宏微观联系奠定方法基础，具有明确和普遍的学术意义。

目录

声明

致谢

图清单

表清单

变量注释表

1绪论

1.1问题的提出

1.2研究目的和意义

1.3国内外研究现状

1.3.1离散元法研究现状

1.3.2黏土颗粒间相互作用力研究现状

1.3.3黏土离散元模拟研究现状

1.4研究内容、方法及技术路线

1.4.1研究内容

1.4.2技术路线

2黏土颗粒建模及接触检查研究

2.1.1颗粒单元建模

2.1.2单元接触理论

2.1.3非等粒径试样初步建模

2.2接触检查方法研究

2.2.1等粒径试样区域网格法

2.2.2非等粒径试样区域网格法

2.2.3效率提升检验

2.3接触信息求解研究

2.3.1接触形式判断

2.3.2接触向量求解

2.4本章小结

3宽粒径范围黏土团聚体试样建模

3.1黏土微观结构分析

3.1.1二维化处理

3.1.2统计结果分析

3.2黏土粒间作用力分析

3.2.1粒间合力曲线分析

3.2.2非接触作用力分析

3.2.3机械接触力分析

3.2.4团聚体初步生成

3.3宽粒径范围团聚体建模

3.3.1稳定平衡点分析

3.3.2合理性分析

3.4本章小结

4基于颗粒团聚体的黏土离散元接触响应

4.1.1接触力求解

4.1.2速度-位移更新

4.2接触力学响应

4.2.1力学模型分析

4.2.2添加接触力学模型

4.2.3计算实例

4.3速度-位移更新响应

4.3.1基本参量及问题分析

4.3.2添加限速条件

4.3.3速度清零

4.4本章小结

5黏土离散元模型合理性检验

5.1圆形模型标准检验方法

5.2黏土颗粒模型分析

5.2.1系统能量分析

5.2.2初始运动状态分析

5.3黏土颗粒模型标准检验方法

5.3.1参数选择与变量分析

5.3.2合理性检验分析

5.4本章小结

6基于宽粒径团聚体的黏土一维压缩模拟

6.1压缩模型设计

6.1.1边框生成

6.1.2初始试样生成

6.1.3加载方式

6.2试压缩模拟

6.3压缩模拟

6.4本章小结

7结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

作者简历

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