颗粒材料的级配相关临界状态力学特性模拟

摘要

岩土工程中颗粒材料的级配变动会在很大程度上影响材料在临界状态下的承载能力，可能引发结构物的大变形甚至导致整体失稳。因此，研究颗粒级配变动对材料临界状态特性的影响很有必要。
　　通过室内实验结合数值试验，研究了不同初始级配对颗粒材料临界状态力学特性的影响；建立颗粒级配与材料临界状态的关系，并将其引进弹塑性本构模型，模拟颗粒级配变化引起的力学问题。
　　（1）综合大量室内实验，研究了玻璃球和 Hostun砂随颗粒级配变化的力学特性，得出临界状态与颗粒级配的关系。结果表明相同初始密实度材料的不排水剪切强度和相变偏应力比随着材料不均匀系数Cu的增加而降低，并在Cu达到10以后趋于稳定。通过二阶功分析指出颗粒级配对颗粒材料的不稳定性有很大影响，随着Cu的提高材料的静态液化潜能提高，变得更加不稳定。试验总结出颗粒材料临界状态参数随颗粒级配指标Cu变化的非线性规律。在e-p'平面上临界状态线的位置和斜率随着颗粒级配的拓宽而降低，在Cu达到10以后两者皆趋于稳定。在q-p'平面上颗粒材料的临界状态线则是一条直线，不受级配的影响。
　　（2）数值试验拓展分析了多个应力路径下颗粒材料级配相关的力学响应。分析结果表明在相同加载条件下，材料的剪胀性随着颗粒级配的拓宽而下降，出现从剪胀到剪缩的转变；材料的不排水抗剪强度随着级配的拓宽而下降。试验结果进一步确认了临界状态参数与颗粒级配指标Cu的非线性关系，不受排水条件和拉压剪切模式的影响。在e-p'平面上的临界状态线是唯一的，并随着级配的拓宽而下移；q-p'平面上的临界状态线则为直线，与级配无关。
　　（3）基于细观力学分析，证明了颗粒材料临界状态线在e-p'平面上随颗粒级配移动以及在q-p'平面上呈直线且与级配无关的内在机理。由平均配位数的演变规律表明，颗粒材料在不排水剪切状态下较之排水剪切具有更高的不稳定性。在临界状态下平均配位数与平均有效应力的关系是唯一的，并随颗粒级配的拓宽而下移。应力-组构-接触力分析显示，临界状态下颗粒材料的各个细观组构各向异性分量对细观应力比的贡献程度相同，且与围压和级配无关，从而证实了在q-p'平面上颗粒材料的临界状态线呈直线，且与级配无关。
　　（4）通过引入颗粒级配指标与临界状态的非线性关系，建立了颗粒材料的级配相关弹塑性本构模型。该模型可以描述任意颗粒级配材料的排水和不排水力学响应。与已有考虑级配效应的本构模型进行对比，指出不同模型预测效果差异的主要原因是临界状态参数与级配指标的关系不同。通过数值试验得出现有级配指标(Cu和 IG)都无法准确地描述颗粒材料级配相关的力学性能。提出了一个综合 Cu和 IG优点的级配新指标Igu并将其用于改进本构模型。模拟验证表明改进的本构模型能够更好地模拟任意级配颗粒材料的力学特性。
　　（5）对本构模型进行有限元二次开发，用于分析可破碎地基土上浅基础的承载力问题。将本构模型编译成UMAT子程序，通过Abaqus模拟浅基础的承载力问题。分析结果得出颗粒破碎引起了地基承载力的降低；随着地基土初始颗粒级配的拓宽，基础下压引起的颗粒破碎逐渐减弱，承载力下降趋势减弱。
　　综上，本文的研究成果可为砂性土的本构研究、细观力学分析等提供借鉴，给颗粒级配变化引起的岩土工程问题提供有益的分析手段和借鉴。

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主要符号表

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 颗粒材料临界状态的研究进展

1.3 本文主要研究内容

1.4 本文创新点

第二章 颗粒材料级配相关的力学特性室内试验研究

2.1 引言

2.2 颗粒形状分析

2.3 实验过程

2.4实验结果分析

2.5 本章小结

第三章 颗粒材料级配相关力学特性的数值试验分析

3.1 引言

3.2 颗粒流基本理论

3.3 颗粒材料级配相关力学特性模拟方案设计

3.4 若干DEM模拟问题讨论

3.5 加载条件对颗粒材料力学响应的影响

3.6 颗粒级配对材料力学响应的影响

3.7 颗粒材料的级配相关临界状态线

3.8 本章小结

第四章 颗粒材料级配相关的力学特性细观机理

4.1 引言

4.2 颗粒材料的细观表征

4.3 颗粒材料细观力学特征

4.4 级配相关临界状态力学特性的细观机理

4.5 本章小结

第五章 颗粒材料级配相关的力学特性本构模型研究

5.1 引言

5.2 弹塑性本构的基本数值框架

5.3 级配相关力学特性的弹塑性本构模型

5.4 本构模型参数确定及验证

5.5 级配相关的本构模型比较

5.6 基于级配指标的颗粒材料力学描述

5.7 级配相关的本构模型改进与预测

5.8 本章小结

第六章 有限元二次开发及简单验证

6.1 引言

6.2 基于塑性功的破碎机制

6.3 有限元本构开发

6.4 室内试验验证

6.5浅基础承载力模拟

6.6 本章小结

第七章 全文总结

7.1 主要结论

7.2 研究展望

参考文献

（附录1）CT扫描实验详细结果

（附录2）详细室内实验数据

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文