非饱和土强度的三维颗粒流模拟

摘要

土是一种颗粒集合体，自然界中的土绝大多数是非饱和土，由固、液、气三相组成，这种多相颗粒体系决定了其在受力特性和破坏特性上的复杂性。室内试验和数值模拟是研究土体力学特性的两种重要手段，与试验方法相比，数值模拟方法不仅能够保持初始试样的同一性，而且可以任意改变边界，实现不同条件下的加载数值试验。本文基于已有的室内试验研究成果，引入三维颗粒流理论并开发颗粒流数值模拟技术，对非饱和土的三轴剪切试验和单轴拉伸试验进行数值模拟研究。数值试验过程分三个步骤开展:建立高效且能够反映真实试样颗粒级配的数值模型;确定合理的细观参数使模型与土体实际性状相一致;从细观角度出发揭示土体宏观力学性质的内在机理。
　　本文主要研究工作及成果如下:
　　(1)基于颗粒流理论和现有的试验研究成果，提出了一种建立土体宏细观参数之间关系的方法，并以屈服应力为桥梁建立了颗粒粘结强度随含水率的变化关系;通过编制离散元程序，对现有的PFC3D离散元程序进行了改进，包括在颗粒生成时采用多次动态膨胀以减小初始接触力、采用应力边界来模拟橡皮膜的柔性边界、剪切过程中实时监测颗粒位置以防止其逃逸、采用所建立的宏细观参数之间的关系来反映含水率对土体性质的影响等，从而实现了现有的PFC3D离散元程序在模拟非饱和土力学行为上的功能;基于所提出的方法，可建立不同孔隙比和含水率等初始条件下的非饱和土在不同应力路径下的离散元计算模型。
　　(2)基于所提出的非饱和土试样生成方法和现有的试验研究成果，通过生成不同孔隙比和含水量条件下的非饱和土数值试样，建立了非饱和土三轴剪切试验的离散元计算模型;通过开展固结排水剪切试验的离散元数值模拟研究，揭示了非饱和土试样的三轴剪切应力-应变关系、强度特性等宏观力学性质的演化规律，同时获取了试样的速度场、力链分布、粘结破坏数量和能量变化等细观信息;通过与现有试验结果的对比，验证了所建立模型和计算程序在模拟非饱和土三轴剪切特性方面的适用性。
　　(3)基于所提出的非饱和土试样生成方法和现有的试验研究成果，通过生成不同孔隙比和含水量条件下的非饱和土数值试样，建立了非饱和土单轴拉伸试验的离散元计算模型;分别针对黏土和砂土，通过开展单轴拉伸的离散元数值模拟研究，再现了不同初始孔隙比和含水率的黏土和砂土试样的单轴拉伸应力-应变关系，揭示了黏土和砂土的单轴拉伸强度特性随孔隙比和含水率的变化规律，并对细观参数敏感性进行了分析;通过与现有试验结果的对比，验证了所建立模型和计算程序在模拟非饱和土拉伸行为上的适用性。