砂性土诱发各向异性的颗粒流数值模拟研究

论文摘要

实际工程中如基坑开挖，土石坝蓄水以及筑堤阶段，都是应力状态改变引起土体中产生诱发各向异性的典型例子，但以往的研究多将之归于应力路径对于土体应力-应变关系的影响，并没有明确从各向异性的角度提出。从解决工程实际问题角度出发，需要对诱发各向异性进行更深入的研究。本文采用离散元颗粒流理论对这一问题进行了数值模拟研究，主要内容如下：1．研究了不同固结应力水平和不同固结应力比的砂土诱发各向异性的发展规律，及其对砂土在单调荷载作用下的变形影响。通过定量描述细观组构参数的变化研究砂土诱发各向异性，阐明砂土宏观力学特性及细观工作机理，及尺寸效应对诱发各向异性的影响。2.研究循环剪切条件下砂土诱发各向异性，包括：保持应力水平不变，循环偏应力幅值分别为Δt=5%，10%，20%p，对土样进行循环剪切试验；保持循环偏应力幅值Δq=10%p不变，对不同偏应力水平下砂土进行循环剪切试验。得出以下几点结论：1．在数值模拟中，足够大的等向固结围压可以部分消除试样在制样或沉积中产生的原生各向异性。而不等向固结围压作用下的试样呈现出非常明显的初始各向异性，且各向异性主方向与固结应力中的最大主应力方向基本平行。2．在单调加载中后期，由于诱发各向异性中的60%为法向接触力各向异性引起，且其主方向能充分代表法向接触力的发展方向。因此在组构参量中，法向接触力各向异性最能够代表诱发各向异性发展的程度。3．尺寸效应数值模拟中，试样所包含的颗粒数目对应力和诱发各向异性峰值、配位数影响较大。而试样形状的改变并不会影响试验的宏观和微观力学特性。4．循环剪切应力幅值控制诱发各向异性的发展，应力水平不会影响诱发各向异性的变化。

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摘要

ABSTRACT

符号说明

第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 土体诱发各向异性的研究现状

1.2.1 土的各向异性

1.2.2 各向异性的试验研究

1.2.3 各向异性的数值模拟研究

1.2.4 土体诱发各向异性的定量描述及参数应用

1.3 本文主要研究内容

第2章颗粒介质的微观力学各向异性描述

2.1 颗粒集合的微观描述

2.2 应力张量

2.3 平均应力张量

2.4 接触法向分布

2.5 接触力分布

2.5.1 平均接触法向力分布

2.5.2 平均接触切向力分布

2.5.3 参数的计算

2.6 应力-力-组构关系

2.6.1 应力-力-组构关系推导

2.6.2 应力-力-组构关系的验证

2.7 本章小结

第3章颗粒流模拟关键技术和研究方案

3.1 引言

3.2 砂土试样的生成及参数取值

3.2.1 砂箱模型的建立

3.2.2 颗粒生成的基本算法

3.2.3 试样参数的选择

3.3 三轴试验模拟过程中的伺服控制简介

3.4 循环加载模拟程序的关键技术

3.5 “橡皮膜”边界和刚性墙边界的比较

3.6 数值模拟研究方案

3.6.1 固结应力比影响研究方案

3.6.2 尺寸效应研究方案

3.6.3 循环加载模拟方案

3.7 本章小结

第4章固结过程对砂土诱发各向异性的影响分析

4.1 引言

4.2 宏观力学特性模拟结果与分析

4.2.1 等向固结试样单调加载下的宏观力学特性

4.2.2 不等向固结试样单调加载下的宏观力学特性

4.3 细观力学机理模拟结果与分析

4.3.1 固结围压对细观组构的影响

4.3.2 配位数的变化

4.3.3 接触法向各向异性

4.3.4 接触力各向异性

4.4 接触力与诱发各向异性

4.4.1 接触力的分布

4.4.2 接触力的概率密度函数及其分布

4.4.3 平均法向力和切向力的角度分布

4.5 尺寸效应分析

4.5.1 尺寸效应数值模拟结果

4.5.2 H/V= 1 不变，V×H 变化

4.5.3 V×H=400 不变，H/V 变化

4.6 本章小结

第5章循环剪切条件下砂土各向异性演化分析

5.1 引言

5.2 应力水平的影响

5.2.1 应力-应变关系

5.2.2 配位数变化

5.2.3 各向异性参数 a、an 变化

5.2.4 接触法向力概率密度函数的分布

5.2.5 应力水平影响下砂土诱发各向异性的演化规律

5.3 循环剪应力比的影响

5.3.1 应力-应变关系

5.3.2 配位数变化

5.3.3 各向异性参数 a、an 变化

5.3.4 接触法向力概率密度函数的分布

5.3.5 循环剪切应力比影响下砂土诱发各向异性的演化规律

5.4 本章小结

第6章结论与展望

6.1 主要结论

6.2 进一步研究的建议

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果

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