基于XFEM研究颗粒形态对砂粒压碎行为的影响

摘要

大量的岩土工程项目涉及到岩土介质材料的颗粒破碎现象，例如土石坝基、超长桩基和铁路基床等。已有的试验研究表明颗粒破碎行为对岩土介质材料在高应力状态下的本构行为，如：压缩特性、抗剪强度、剪胀效应和临界状态行为等都存在有显著的影响。然而，岩土介质材料的颗粒破碎行为的微观力学机理依然是一个亟待解决的热点和难点。随着高精度X射线CT扫描技术和新型数值模拟技术的发展，细观尺度上颗粒形态效应对颗粒破碎行为的影响越来越受到关注。因此，本文选取了一种近海石英砂(LBS)为研究对象，系统研究了颗粒形态效应对砂土颗粒破碎行为的影响，从而解释砂土颗粒破碎的微观力学机理。
　　首先，选取30个LBS砂粒样本，借助于高精度的X射线CT扫描和图像处理技术获取砂粒的形态信息。采用球谐函数序列重构出单个砂粒的连续表面网格，提出实用性的方法对砂粒的体积、表面积、纵横比、圆度、球度及凸度等形态参数进行计算和统计分析。统计结果表明：砂粒表面积与体积呈良好的正相关性，而球度、凸度、圆度以及纵横比随砂粒体积的增加而减小，圆度与纵横比对砂粒形态变化的敏感性最高。
　　然后，基于球谐函数序列重构的砂粒表面网格，在有限元软件ABAQUS中建立砂粒的有限元模型，采用内置的扩展有限元模块实现了对砂粒裂纹发展的模拟。以巴西劈裂试验的模拟论证了该方法模拟砂粒破碎行为的有效性。通过一系列LBS砂粒的单颗粒压碎试验的模拟，系统研究了颗粒形态对砂粒破碎强度、破碎模式和裂纹演化规律的影响。结果表明：砂粒在单轴压碎过程可以划分为接触滚动、弹性受力、裂纹萌生、裂纹贯通、脆性断裂这五个阶段。
　　最后，统计分析了30个砂粒以及相对应等效球颗粒的压碎强度的Weibull分布，并详细分析砂粒的压碎强度对其各形态参数之间的相关性。统计结果表明等效球颗粒的压碎强度和Weibull模量均比真实砂粒要大，说明颗粒形态效应会削弱砂粒的压碎强度，同时增加其压碎强度的变异性。相关性研究表明砂粒压碎强度与其圆度与纵横比的敏感性较大，与其凸度和球度的敏感性较低。本文的研究成果很好地解释了砂土的颗粒形态效应对其颗粒破碎行为的影响，可以为可破碎性砂土本构模型的建立和工程应用提供重要的理论依据。

目录

声明

1 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 研究现状

1.3研究内容及技术路线

2 真实颗粒重建与形态评定

2.1 颗粒形态的重建

2.2 颗粒形态的量化

2.3 LBS颗粒的形态评定

2.4 本章小结

3 压碎实验的扩展有限元模拟

3.1 扩展有限元简介

3.2 断裂力学基础

3.3 ABAQUS-XFEM中的裂纹研究

3.4 压碎试验模拟过程

3.5 本章小结

4 结果与讨论

4.1 破碎模式分析

4.2 颗粒形态与破碎强度的关系

4.3 颗粒最大破碎应力的Weibull统计分布

4.4 本章小结

5 结论及展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录1 作者攻读学位期间发表的学术论文

附录2 作者攻读学位期间参与的科研项目及获奖情况