考虑颗粒破碎的饱和钙质砂土液化的细观数值模拟

摘要

钙质砂主要分布在我国南海地区，随着我国对南海地区进一步的开发和建设，其工程特性也逐渐得到重视。钙质砂由于独特的矿物成分和沉积环境，其力学性质与其它陆源砂土存在明显的差异。钙质砂颗粒形状具有不规则、多棱角以及内部多孔隙的特点，相比较其他砂土颗粒更易破碎。作为南海地区各类建筑物的主要地基材料，钙质砂土体受上部结构荷载以及地震、波浪等环境荷载的影响颗粒会发生大量破碎情况，同时这些破碎颗粒会降低土体结构强度，加速土体液化的发生，从而引发地质灾害。因此，将颗粒破碎考虑到钙质砂土液化中进行研究，可为南海地区工程建设和地质灾害防治提供一定的借鉴意义。　　现有对颗粒破碎以及钙质砂液化问题的研究方法主要为室内试验和数值模拟。然而，室内试验无法实时对在动荷载作用下试样内部颗粒破碎进行追踪记录，因而也无法量化颗粒破碎对土体变形以及液化的影响。在众多数值模拟方法中，离散元法可以对岩体的不连续、非均质以及大变形的特点进行模拟，较有限元法、有限差分法等数值方法而言，离散元法对颗粒破碎的模拟可以做到更加高效准确，且目前离散元模拟颗粒破碎的技术手段已较为成熟。结合国内外学者做出的大量研究，本文采用离散元法从细观的角度分析颗粒破碎对砂土抗液化性能的影响，并研究液化过程中颗粒破碎量的发展模式。　　本文所做工作及取得的主要成果如下：　　(1)利用PFC离散元软件模拟饱和钙质砂土的室内三轴试验，结合其他学者室内试验结果，初步证实了数值模拟所得到结果的可靠性；从应力比、体应变等方面分析颗粒破碎对土试样的影响，模拟结果揭示颗粒破碎会降低钙质砂试样的抗剪强度，抑制试样的剪胀体变；通过模拟结果发现试样的变形程度、初始围压大小与加载时的排水条件均影响颗粒破碎量的演化。　　(2)进行不同循环应力比的循环三轴试验的数值模拟，从宏观应力、应变的角度分析颗粒破碎对砂土抗液化性能的影响，以及液化过程中颗粒破碎量的演化规律；模拟结果证明颗粒破碎降低了钙质砂试样的抗液化能力；在循环过程中因试样内部颗粒发生破碎，使得试样的动应变幅值增大，孔隙水压力上升速度加快；通过对循环过程中相对破碎指数的记录，发现在循环加载的过程中颗粒破碎并非一直发生的，其主要发生在每次循环过程中剪胀阶段的后期。　　(3)进行不同初始围压下的循环三轴试验的数值模拟，分析不同初始围压对颗粒破碎的影响；研究发现，循环加载过程中相对破碎指数与初始围压大小和循环应力比值两者都呈正相关关系；通过对试验结果的分析，建立了表示循环应力比、初始围压与试样达到初始液化状态时的相对破碎指数三者关系的数学模型。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 饱和砂土液化研究

1.2.2 钙质砂颗粒破碎特性研究

1.2.3 离散元研究

1.3 本文主要研究工作

第二章 考虑颗粒破碎的颗粒流方法

2.1 颗粒流方法原理

2.1.1 基本假定

2.1.2 伺服控制机制

2.1.3 接触模型

2. 2 颗粒可破碎钙质砂试样的制备

2.2.1 试样的制备

2.2.2 破碎颗粒的制备方法

2.2.3 试样压密

2.3 颗粒不可破碎试样的制备

2.4 变量记录

2.5 本章小结

第三章 考虑颗粒破碎的砂土三轴试验模拟

3.1 三轴压缩数值模拟试验方案

3.2 三轴压缩试验的模拟方法

3.2.1 CD试验模拟方法

3.2.2 CU试验模拟方法

3.3 CD试验结果

3.3.1 轴向应变-应力比结果

3.3.2 体应变结果

3.3.3 级配曲线变化

3.3.4 强度特征变化

3.3.5 相对破碎指数

3.4 CU试验结果

3.4.1 轴应变-应力比结果

3.4.2 有效应力路径

3.4.3 级配曲线变化

3.4.4 强度特征变化

3.4.5相对破碎指数

3.5 颗粒破碎特征

3.5.1 初始围压影响

3.5.2 排水条件影响

3.6 本章小结

第四章 不同循环应力比条件下动三轴试验数值模拟

4.1 试验方案

4.2数值试验结果

4.2.1 颗粒不可破碎试样试验结果

4.2.2 颗粒可破碎试样试验结果

4.3 试验结果分析

4.3.1 抗液化强度

4.3.2 动应变变化

4.3.3 孔隙水压变化

4.3.4 配位数变化

4.4 颗粒破碎演化

4.4.1 CSR对颗粒破碎的影响

4.4.2 颗粒破碎的演化过程

4.5 本章小结

第五章 不同初始围压下动三轴试验数值模拟

5.1 试验方案

5.2 试验结果

5.2.1 抗液化强度

5.2.2 相对破碎指数

5.3 试验结果分析

5.3.1 围压影响

5.3.2 破碎指数表达

5.3.3 抗液化强度表达

5.4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参加的科研工作