钙质砂颗粒破碎对力学特性影响规律的离散元数值模拟研究

摘要

广泛分布于我国南海等热带海洋区域的钙质砂是南海开发不可或缺的材料之一。区别于普通陆源砂，钙质砂由于其特殊的海洋生物成因而富含内空隙，加之形状不规则，颗粒强度低，在较低应力条件下就会发生明显的颗粒破碎。国内外诸多学者相继利用物理或数值试验手段对钙质砂进行了大量的研究。结果表明，颗粒破碎是钙质砂表现出异于普通岩土材料力学性质的主要因素。　　离散元法对颗粒破碎模拟研究较物理试验更有优势。本文基于开源离散元程序YADE建立颗粒可破碎的三轴试验模型，研究了不同细观参数对宏观试验结果的影响。利用已有物理试验揭示的钙质砂颗粒破碎特征和发展规律对试验模型进行标定，建立了可再现钙质砂室内试验结果的数值模型。利用此模型系统地研究了不同应力路径和围压下钙质砂的应力应变特性、颗粒破碎演化规律，以及颗粒级配、颗粒破碎及其导致的级配演化对临界状态的影响等。主要研究如下：　　（1）基于YADE的线性和黏结两种接触模型，采用BPM颗粒破碎模拟方法建立了三轴试验模型。利用模型进行了大量三轴排水剪切试验，采用控制变量法研究了不同细观参数（如接触杨氏模量、刚度比、滚动刚度、摩擦角、黏结强度）对试验宏观响应的影响。然后根据试验结果对细观参数进行反复调整，建立了与钙质砂室内试验结果趋势一致的三轴试验模型，并总结了三轴试验模型细观参数的校准步骤。　　（2）将已建立的钙质砂试验模型进行了计算效率和颗粒破碎追踪的优化，采用Hardin破碎理论定量描述加载过程中的颗粒破碎，并开展了一系列不同应力路径和围压下的三轴试验。系统分析了不同应力路径和围压下钙质砂的变形特性、强度特性、应力路径以及颗粒破碎演化规律等。此外，将可破碎与不可破碎颗粒进行了对比试验，分析了颗粒破碎对试验结果的影响。　　（3）利用离散元的优势，获取了与钙质砂模型试样初始状态完全相同的不可破碎颗粒模型试样，将其与钙质砂模型试样分别在不同应力路径和围压下剪切至临界状态，研究了应力路径、颗粒级配以及颗粒破碎导致的级配演化对临界状态的影响。一方面将钙质砂模型试样在不同预压下固结破碎，并在剪切过程中设定颗粒不再破碎，将这些不同初始级配的试样进行三轴试验，确定了临界状态线与固定级配的对应关系；另一方面，将剪切过程中可发生颗粒破碎的试样进行相同试验以作为对比，揭示了钙质砂模型在三轴试验中临界状态线的变化机理。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 研究历史与现状

1.2.1 钙质砂宏微观力学行为研究

1.2.2 颗粒破碎研究现状

1.2.3 临界状态研究现状

1.3 研究内容

1.4 技术路线

1.5 本文特色及创新之处

2 三轴试验数值模型的建立与细观参数研究

2.1 引言

2.2 离散元简介

2.3.1 YADE架构

2.3.2 实体接触检测

2.3.3 实体接触计算

2.3.4 接触模型

2.4.1 颗粒破碎的类型

2.4.2 离散元模拟颗粒破碎的方法

2.4.3 三轴试验的离散元模型

2.5.1 细观参数的影响研究

2.5.2 模型校准过程与结果对比

2.6 本章小结

3 不同应力路径下的力学特性与颗粒破碎演化规律

3.1 引言

3.2.1 数值试验模型

3.2.2 应力路径试验方案

3.3.1 常规三轴试验

3.3.2 等p三轴试验

3.3.3 减压三轴试验

3.4 不同应力路径试验结果对比

3.5 破碎与不破碎颗粒试验结果对比

3.6 本章小结

4 颗粒级配演化对临界状态的影响研究

4.1 引言

4.2 试验方案

4.3 颗粒破碎对临界状态的影响

4.3.1 剪切过程中的颗粒破碎对临界状态的影响

4.3.2 级配演化与临界状态的关系

4.4 固定级配加载过程的临界状态

4.5 可破碎加载过程的临界状态

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附 录

A 作者在攻读硕士学位期间所发表的文章目录

B 作者在攻读学位期间参加的科研项目

C 学位论文数据集

致 谢

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