本文選題：非飽和土　切入點(diǎn)：三維顆粒流　出處：《北京交通大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：土是一種顆粒集合體,自然界中的土絕大多數(shù)是非飽和土,由固、液、氣三相組成,這種多相顆粒體系決定了其在受力特性和破壞特性上的復(fù)雜性。室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬是研究土體力學(xué)特性的兩種重要手段,與試驗(yàn)方法相比,數(shù)值模擬方法不僅能夠保持初始試樣的同一性,而且可以任意改變邊界,實(shí)現(xiàn)不同條件下的加載數(shù)值試驗(yàn)。本文基于已有的室內(nèi)試驗(yàn)研究成果,引入三維顆粒流理論并開(kāi)發(fā)顆粒流數(shù)值模擬技術(shù),對(duì)非飽和土的三軸剪切試驗(yàn)和單軸拉伸試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。數(shù)值試驗(yàn)過(guò)程分三個(gè)步驟開(kāi)展:建立高效且能夠反映真實(shí)試樣顆粒級(jí)配的數(shù)值模型;確定合理的細(xì)觀參數(shù)使模型與土體實(shí)際性狀相一致;從細(xì)觀角度出發(fā)揭示土體宏觀力學(xué)性質(zhì)的內(nèi)在機(jī)理。本文主要研究工作及成果如下:(1)基于顆粒流理論和現(xiàn)有的試驗(yàn)研究成果,提出了一種建立土體宏細(xì)觀參數(shù)之間關(guān)系的方法,并以屈服應(yīng)力為橋梁建立了顆粒粘結(jié)強(qiáng)度隨含水率的變化關(guān)系;通過(guò)編制離散元程序,對(duì)現(xiàn)有的PFC3D離散元程序進(jìn)行了改進(jìn),包括在顆粒生成時(shí)采用多次動(dòng)態(tài)膨脹以減小初始接觸力、采用應(yīng)力邊界來(lái)模擬橡皮膜的柔性邊界、剪切過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顆粒位置以防止其逃逸、采用所建立的宏細(xì)觀參數(shù)之間的關(guān)系來(lái)反映含水率對(duì)土體性質(zhì)的影響等,從而實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有的PFC3D離散元程序在模擬非飽和土力學(xué)行為上的功能;基于所提出的方法,可建立不同孔隙比和含水率等初始條件下的非飽和土在不同應(yīng)力路徑下的離散元計(jì)算模型。(2)基于所提出的非飽和土試樣生成方法和現(xiàn)有的試驗(yàn)研究成果,通過(guò)生成不同孔隙比和含水量條件下的非飽和土數(shù)值試樣,建立了非飽和土三軸剪切試驗(yàn)的離散元計(jì)算模型;通過(guò)開(kāi)展固結(jié)排水剪切試驗(yàn)的離散元數(shù)值模擬研究,揭示了非飽和土試樣的三軸剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、強(qiáng)度特性等宏觀力學(xué)性質(zhì)的演化規(guī)律,同時(shí)獲取了試樣的速度場(chǎng)、力鏈分布、粘結(jié)破壞數(shù)量和能量變化等細(xì)觀信息;通過(guò)與現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了所建立模型和計(jì)算程序在模擬非飽和土三軸剪切特性方面的適用性。(3)基于所提出的非飽和土試樣生成方法和現(xiàn)有的試驗(yàn)研究成果,通過(guò)生成不同孔隙比和含水量條件下的非飽和土數(shù)值試樣,建立了非飽和土單軸拉伸試驗(yàn)的離散元計(jì)算模型;分別針對(duì)黏土和砂土,通過(guò)開(kāi)展單軸拉伸的離散元數(shù)值模擬研究,再現(xiàn)了不同初始孔隙比和含水率的黏土和砂土試樣的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,揭示了黏土和砂土的單軸拉伸強(qiáng)度特性隨孔隙比和含水率的變化規(guī)律,并對(duì)細(xì)觀參數(shù)敏感性進(jìn)行了分析;通過(guò)與現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了所建立模型和計(jì)算程序在模擬非飽和土拉伸行為上的適用性。
[Abstract]:Soil is a kind of granular aggregate, and most of the soil in nature is unsaturated soil, which is composed of solid, liquid and gas three phases. This multiphase particle system determines the complexity of its mechanical and failure characteristics. Laboratory tests and numerical simulation are two important means to study the mechanical properties of soil, compared with the test methods. The numerical simulation method can not only keep the identity of the initial specimen, but also change the boundary arbitrarily to realize the loading numerical test under different conditions. The three-dimensional particle flow theory is introduced and the numerical simulation technology of particle flow is developed. The numerical simulation of triaxial shear test and uniaxial tensile test of unsaturated soil is carried out. The process of numerical test is divided into three steps: establishing a highly efficient numerical model which can reflect the particle gradation of real sample; The reasonable mesoscopic parameters are determined to make the model consistent with the actual behavior of soil. The main work and results of this paper are as follows: (1) based on the theory of particle flow and the existing experimental results, a method to establish the relationship between macro and mesoscopic parameters of soil is proposed. The relationship between grain bond strength and moisture content is established with yield stress as bridge, and the existing PFC3D discrete element program is improved by compiling discrete element program. The dynamic expansion is used to reduce the initial contact force, the stress boundary is used to simulate the flexible boundary of rubber film, and the position of particles is monitored in real time during shearing to prevent the particles from escaping. The relationship between macro and mesoscopic parameters is used to reflect the influence of moisture content on soil properties, and the function of the existing PFC3D discrete element program in simulating the mechanical behavior of unsaturated soil is realized. The discrete element calculation model of unsaturated soil under different stress paths under different initial conditions, such as void ratio and moisture content, can be established. The discrete element calculation model of unsaturated soil triaxial shear test is established by generating unsaturated soil numerical samples with different void ratio and water content, and the discrete element numerical simulation of consolidation drainage shear test is carried out. The evolution laws of macroscopic mechanical properties such as triaxial shear stress-strain relationship and strength characteristics of unsaturated soil samples are revealed. The meso-information such as velocity field, force chain distribution, bond failure quantity and energy change are obtained. The applicability of the established model and calculation program in simulating the triaxial shear characteristics of unsaturated soil is verified by comparing with the existing experimental results. A discrete element model for uniaxial tensile test of unsaturated soil is established by generating numerical samples of unsaturated soil under different void ratios and water contents, and the numerical simulation of uniaxial tensile test is carried out for clay and sand, respectively. The uniaxial stress-strain relationship of clay and sand samples with different initial void ratio and moisture content is reappeared, and the variation of uniaxial tensile strength of clay and sand with void ratio and moisture content is revealed. The sensitivity of mesoscale parameters is analyzed, and the applicability of the established model and calculation program in simulating the tensile behavior of unsaturated soils is verified by comparing with the existing experimental results.
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TU43

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本文編號(hào)：1583420