基于PFC2D的砂土原生各向异性微观机理数值试验

采用颗粒流PFC数值模拟方法,生成符合标准砂室内单元试验结果的离散元数值试验试样。运用重力沉积法建立不规则砂土颗粒单元的平面双轴试验模型,给定不同沉积步数对试样不同初始原生状态进行模拟,然后分别从水平和竖直方向上施加荷载增量,得到不同沉积条件下不同加载方向上砂土试样宏观应力应变曲线和力学参数。数值试验结果显示,重力沉积步数对颗粒微观长轴定向排列、平均配位数有显著影响;初步建立了砂土微观结构变化和宏观应力应变曲线及力学参数的联系;分析了砂土试样表现出的宏观原生各向异性力学特性与内部颗粒结构的关系。     

不同沉积方向各向异性结构性砂土离散元力学特性分析

为探究沉积方向对各向异性结构性砂土力学特性的影响,首先采用椭圆颗粒生成两种不同沉积方向(水平与竖直)的各向异性净砂样,其次,引入一个考虑胶结厚度影响的微观胶接触模型从而生成各向异性结构性砂土。最后,对两种各向异性结构性砂土试样进行双轴压缩试验,并将水平沉积试样试验结果与室内试验结果对比验证该模型的可行性。同时,将两种不同方向试样的试验结果进行对比以探究沉积方向的影响。结果表明:两种试样应力–应变关系均呈软化及剪胀现象,水平沉积试样峰值偏应力较竖直沉积试样大,而二者残余阶段偏应力无明显差别;水平沉积试样临界孔隙比较竖直沉积试样大;胶结破坏速率及胶结破坏率变化与宏观力学特性变化相对应,且变化规律基本相同;水平方向沉积试样的胶结接触主方向始终保持竖直而竖直沉积试样的胶结接触主方向始终保持水平;在水平沉积试样中始终为水平分布颗粒长轴分布主方向,而竖直沉积试样中颗粒长轴逐渐向各向同性分布靠近。     

初始组构各向异性对类砂土直剪试验影响的非圆颗粒组模拟

针对圆形和单粒组颗粒模拟试验的缺陷,基于PFC2D的clump命令,开发了非圆形颗粒组,采用单向法、各向同法和沉积法生成不同初始组构特征的试验样品,模拟了砂土直接剪切试验过程.探讨了初始组构各向异性对砂土抗剪强度与剪胀性的影响规律,研究了剪切过程中力链的演化形式,分析了颗粒旋转以及剪切带内外颗粒长轴定向的变化特征.数值试验结果表明:颗粒初始组构的差异对抗剪强度的影响较大,对材料的剪胀性以及内摩擦角的影响较小;剪切过程应力主轴发生了偏转,颗粒接触角向主应力方向靠拢;颗粒旋转主要发生在8倍于平均颗粒半径的条带内,颗粒长轴定向也发生了偏转,偏转方向与主应力偏转方向相同,但滞后于主应力的偏转速度;初始组构的不同影响剪切带内颗粒的旋转速度.     

砂土直剪力学性状的非圆颗粒模拟与宏细观机理研究

基于PFC2D非圆颗粒单元的二次开发,对砂土直剪力学过程进行了非圆颗粒仿真模拟,分析了数值试样的应力–剪胀关系并与实际砂土进行对比,探讨了颗粒位移与颗粒旋转特征及其与剪切带演化的内在关联,研究了主应力与主应变增量的非共轴效应,揭示了细观组构各向异性的演化规律及其与宏观剪切强度之间的宏细观关联。研究结果表明,数值试验能够较好的模拟实际砂土的应力–剪胀关系和剪切过程主应力与主应变增量的非共轴效应;剪切带的演化与颗粒位移和颗粒旋转密切相关,颗粒形状影响剪切带的厚度;试样宏观的剪切强度主要受控于粒间法向接触力的分布及其各向异性演化;整个加荷过程中,剪切带内大主应力的偏转方向与法向接触力各向异性的主方向保持了良好的一致性。     

基于离散元法的真三轴应力状态下砂土破碎行为研究

基于可破碎三维离散颗粒模型模拟了一系列常规三轴试验与真三轴试验,研究了砂土在真三轴应力状态下的破碎行为。数值调查主要关注试样的应力应变特性、级配及相对破碎率的演化。随着围压增大,颗粒破碎率增大,试样应变软化特性和剪胀性逐渐减弱,而超过临界高围压后,由于固结中颗粒大量破碎,试样剪胀性反而增强。真三轴试验中,试样偏应力比峰值均随中主应力参数b值增大而减小。由于破碎随b值增加而明显增大,试样剪胀性随b值增大而逐渐减弱。试样内摩擦角φ随围压增大而减小,其演化关系基本满足对数关系;内摩擦角随b值增大先增大后减小,Lade-Duncan准则较为适合描述其变化规律。此外,试样相对破碎率增大的速率随围压和轴向应变增大而逐渐降低,暗示试样最优终极级配的存在,且相对破碎率与试验输入能量之间存在唯一的双曲线关系。     

基于随机散粒体模型的堆石体真三轴数值试验研究

基于三维变形体离散单元法,模拟堆石体的真三轴试验,研究堆石体在三向不等应力状态下的强度和变形特性。真三轴数值试验装置采用六刚性板加荷方式,等中主应力比路径加载。数值试验结果表明：真三轴数值试验能较好反映堆石体在三向不等应力状态下的应力和变形规律,数值模拟得到宏观应力变形特性与试验规律相似;等中主应力比参数的大小对堆石在三向应力状态下应力和强度特性有显著的影响,堆石体在 3 个加载方向的变形也随该参数的变化而变化,应力比参数从 0 到 1 变化过程中中主应变方向先压缩后膨胀,小主应变方向一直处于压缩状态;堆石体的内摩擦角随着值的增加而增大,基本符合 Lade-Duncan 破坏准则;在细观层面上,围压越高,值越大,颗粒配位数越大; 加载过程中,颗粒接触法向和法向接触力各向异性程度加强,各向异性主方向角由水平向转向大主应变方向,试样各向异性系数的演化规律和试样的宏观应力变形曲线相对应,试样的宏观力学特性与细观组构存在内在的关联。     

各向异性砂土的应变局部化分析

针对许多各向异性砂土强度和应变局部化特性,采用各向异性模型进行砂土的应变局部化分析。模型基于材料状态相关临界状态理论,采用宏细观结合的方法,将一个新的各向异性状态变量引入本构模型来描述砂土的各向异性,考虑细观组构张量和应力张量的几何关系模型即可以描述不同沉积角度三轴条件下砂土的力学特性。模型结合分叉理论可以自然解释各向异性和应变局部化对平面应变强度的影响,采用用一组模型参数可以很好模拟不同围压,不同沉积角度平面应变条件下Toyoura砂的强度特性和剪切带角度。     

常压至高压下中砂剪切特性及应力–剪胀关系

为研究高围压范围内砂土相对密实度和围压对土体强度和变形特性的影响,对3种不同相对密实度砂土试样在常至高围压下进行常规三轴固结排水剪切试验,获得偏应力–轴向应变–体应变关系曲线,同时进行颗粒破碎分析。结果表明:在常至中压范围(0.8 MPa≤σ_3≤2 MPa),应力–应变曲线均表现出不同程度的应变软化,其剪胀性随相对密实度增加和围压的降低而增强;当进入高围压范围时(σ_32 MPa),应力–应变曲线逐渐向应变硬化型转变,试样体积逐渐趋于剪缩。颗粒破碎程度随着围压和密实度的增大而增大,在高围压时由于中密和密砂剪切后期出现了明显的颗粒破碎,导致剪切过程中出现了二次相变。不同密实度土体的破坏内摩擦角和对数围压表现良好的线性关系,拟合确定了破坏内摩擦角随对数围压增加的衰减率,同时基于Bolton应力–剪胀关系拟合确定了试验砂土的临界状态内摩擦角,建立了剪胀指标与初始相对密实度及平均有效应力的关系式,为高压情况下砂土地基稳定性分析等提供强度参数。     

颗粒形状及粒间摩擦角对堆石体宏观力学行为的影响

基于三维变形体离散单元法对堆石体进行细观研究,采用随机模拟技术生成堆石体三维数值试样,模拟其常规三轴剪切试验,研究堆石体颗粒形状及粒间摩擦系数对宏观力学性能的影响,揭示其细观组构和细观力学参数与堆石体宏观特性的关联性,建立细观力学参数与宏观力学参数的相关关系。数值模拟结果表明：颗粒形状对堆石体宏观特性影响明显,颗粒的长短径比越大,数值试样的峰值强度和残余强度均明显增大,峰值强度对应的轴向应变也逐渐增大,而数值试样的初始模量有所减小;在细观层面上,颗粒的长短径比越大,颗粒的接触法向向加载方向倾斜越明显,接触法向的各向异性程度越大;粒间摩擦角对堆石体宏观特性的影响显著,随着粒间摩擦角的增大,峰值强度明显增大和初始模量均明显增大,数值试样在剪切时的体积收缩量也有所增大,反映了堆石颗粒间的相互作用对颗粒体骨架的宏观力学行为的影响。     

甲烷水合物三维离散元模拟参数反演初探

含填充型水合物的砂性能源土可视为特殊的散粒体材料（砂粒和水合物颗粒混合物）,具有明显的非连续特征。在离散元中若采用团粒（胶结成团的颗粒组）模拟填充水合物颗粒则需合理确定团粒结构内颗粒间胶结模型参数。为此,基于前人的室内纯水合物三轴试验资料进行离散元建模与参数反演。结果表明,宜采用松散且颗粒间摩擦系数较小的试样模拟水合物块体,当颗粒间摩擦系数小于等于0.0时,可确保无胶结试样的内摩擦角小于室内试验获得的纯水合物内摩擦角。胶结刚度只需在较小范围变化即可反映相同温度不同围压条件下的弹性特性,且微观刚度参数与胶结强度参数的相互作用较小,可以假定二者相互独立。通过选取不同的微观胶结强度值进行不同围压下的三轴压缩试验,建立微观胶结强度参数与宏观参数（内摩擦角和黏聚力）之间的关系,从而确定与室内试验强度特性相符合的微观胶结强度值,实现甲烷水合物三轴试验离散元模拟;由体变规律可知,甲烷水合物在发生剪胀前均存在一个初始的体积收缩阶段,且剪胀特性随着围压的减小而呈现增强趋势。通过微观变量颗粒接触方向组构的分布图可知,随着轴向应变增大,颗粒间接触主方向朝竖直方向偏转,表现出明显的各向异性特性。随着轴向应变的增大,颗粒间胶结残余率变小,表明试样逐步破坏。     

不排水循环荷载条件下胶结砂土宏微观力学性质离散元模拟研究

天然或人工胶结的存在能够提高砂土的抗液化能力,从宏微观尺度对其动力学性质进行研究具有重大意义.将已有的三维完整胶结接触模型引入到三维离散元程序中,对胶结砂土不排水循环三轴剪切试验进行三维离散元模拟,研究颗粒间胶结、循环应力比对离散元试样宏微观力学性质的影响.研究结果表明,胶结的存在能够抑制轴应变和孔压的发展,提高砂土的...     

Strain localization analyses of idealized sands in biaxial tests by distinct element method

This paper presents a numerical investigation on the strain localization of an idealized sand in biaxial compression tests using the distinct element method (DEM). In addition to the dilatancy and material frictional angle, the principal stress field, and distributions of void ratio, particle velocity, and the averaged pure rotation rate (APR) in the DEM specimen are examined to illustrate the link between microscopic and macroscopic variables in the case of strain localization. The study shows that strain localization of the granular material in the tests proceeds with localizations of void ratio, strain and APR, and distortions of stress field and force chains. In addition, both thickness and inclination of the shear band change with the increasing of axial strain, with the former valued around 10–14 times of mean grain diameter and the later overall described by the Mohr-Coulomb theory.     

Strain localization analyses of idealized sands in biaxial tests by distinct element method

This paper presents a numerical investigation on the strain localization of an idealized sand in biaxial compression tests using the distinct element method (DEM). In addition to the dilatancy and material frictional angle, the principal stress field, and distributions of void ratio, particle velocity, and the averaged pure rotation rate (APR) in the DEM specimen are examined to illustrate the link between microscopic and macroscopic variables in the case of strain localization. The study shows that strain localization of the granular material in the tests proceeds with localizations of void ratio, strain and APR, and distortions of stress field and force chains. In addition, both thickness and inclination of the shear band change with the increasing of axial strain, with the former valued around 10–14 times of mean grain diameter and the later overall described by the Mohr-Coulomb theory.     

循环荷载下砂土变形的细观数值模拟I:松砂试验结果

采用颗粒流方法模拟不同排水条件下砂土的双轴试验,研究了循环荷载作用下松砂渐进破坏过程中配位数、接触方向、粒间接触力的演化规律,应用表征上述量的组构参数研究了砂土的诱发各向异性,探讨了饱和砂土液化、状态转换面产生的微细观机理。研究表明:宏观的液化对应于细观组构上配位数的连续累积丧失和粒间接触力的不断减小,其根本原因在于循环荷载往返过程中,组构各向异性与应力各向异性发展的不匹配。研究成果对于揭示砂土变形的细观机理以及建立砂土的细观力学模型都具有意义。     

Applicability of discrete element method with spherical and clumped particles for constitutive study of granular materials

Discrete element method(DEM)has been intensively used to study the constitutive behaviour of granular materials.However,to what extent a real granular material can be reproduced by virtual DEM simulations remains unclear.This study attempts to answer this question by comparing DEM simulations with typical features of experimental granular materials.Three groups of models with spherical and clumped particles are investigated from four perspectives:(i)deviatoric stress and volumetric behaviour;(ii)critical state behaviour;(iii)stress-dilatancy relationship;and(iv)the evolution of principal stress ratio against axial strain.The results demonstrate that DEM with spherical or clumped particles is capable of qualitatively describing macroscopic deviatoric stress responses,volumetric behaviour,and critical state behaviour observed in experiments for granular materials.On the other hand,some qualitative deviations between experiments and the investigated DEM simulations are also observed,in terms of the stress-dilatancy behaviour and principal stress ratio against axial strain,which are proven to be critical for constitutive modelling.The results demonstrate that DEM with spherical or clumped particles may not necessarily fully capture experimental features of granular materials even from a qualitative perspective.It is thus encouraged to thoroughly validate DEM with experiments when developing constitutive models based on DEM observations.     

循环荷载下砂土变形的细观数值模拟Ⅰ：松砂试验结果

采用颗粒流方法模拟不同排水条件下砂土的双轴试验，研究了循环荷载作用下松砂渐进破坏过程中配位数、接触方向、粒间接触力的演化规律，应用表征上述量的组构参数研究了砂土的诱发各向异性，探讨了饱和砂土液化、状态转换面产生的微细观机理。研究表明：宏观的液化对应于细观组构上配位数的连续累积丧失和粒间接触力的不断减小，其根本原因在于循环荷载往返过程中，组构各向异性与应力各向异性发展的不匹配。研究成果对于揭示砂土变形的细观机理以及建立砂土的细观力学模型都具有意义。     

Insight on bulk shear strength parameters of clay using discrete element approach incorporating physics-based interparticle force model

This paper aims to provide insight on factors affecting the bulk shear strength parameters of clay, i.e., the cohesion and internal friction as well as the effects of memory of preconsolidation pressure. A unique Discrete Element Method (DEM) model is built on platy particles with customized particle interaction force model. The particle interaction force model considers non-contact forces (such as the long-range electrostatic repulsion, short-range van der Waals attraction) as well as the direct contact force. The long-range electrostatic forces are calibrated by measurement with Atomic Force Microscope (AFM). Parameters for direct particle contacts of the regular DEM contact model, such as the contact stiffness and the friction coefficient, are calibrated by use of experimental consolidation and direct shear testing data. Computational simulations are conducted on digital clay specimen subjected to virtual direct shear tests. The predicted experimental responses of the digital specimens are consistent with typically observed in experiments including the shear stress-shear strain relationship, volumetric contraction and dilation, shear band formation, etc. From the stress–strain curves, the soil strength parameters are obtained with common experimental criteria. The DEM simulation results show that higher preconsolidation pressure drives more particles to overcome non-contact force into direct contacts and consequently bonding by van der Waals force. Consequently, the bulk cohesion of clay increases with increasing preconsolidation pressure. The results show that bulk cohesion strength is mainly attributed to the attractive interparticle force as well as the interlocking of platy particle, while the bulk internal friction angle is affected by the particle friction coefficient and particle fabric. Overall, the simulation results indicate the experimentally observed macroscopic shear strength parameters c and φ are linked to the microscope characteristics of soil particles and their mutual interactions. The results offer insight on the microscopic properties of particles on the bulk macroscopic strength behaviors. Besides, this work demonstrates a new strategy for simulation-based prediction of bulk soil strength parameters, by incorporating microscale characterization of the interparticle interactions and particle fabric into the particle-based DEM model.     

考虑侧向变形的各向异性砂土土压力试验研究

 基于各向异性砂土在不同常应变增量比条件下的应变路径试验研究土压力系数与侧向应变约束条件之间的密切关系,并且进行各向异性砂土的土压力离心模型试验,验证材料试验的规律,分析比较大主应力与沉积面夹角不同时填土的土压力及位移场随挡墙位移变化规律的异同。研究结果表明,大主应力分别垂直和平行于沉积面的2种情况下,K0状态附近的滑动区域差别较小,土压力大小差别较小。随着挡墙位移的增大,2种情况下填土形成的滑楔体大小和土压力大小的差异明显增大,大主应力垂直于沉积面时填土中形成的滑楔体尺寸较小,土压力也相对较小。试验结果表明,与各向同性的情形相比,各向异性使静止状态的土压力增大,对极限状态影响较小,表明压缩变形各向异性明显比强度各向异性影响要大。     

粗粒土二维模型试验的组构分析

粗粒土的组构主要指土颗粒的几何排列方式,是决定粗粒土宏观力学性质的根本因素。为研究组构对粗粒土应力应变关系的影响,进行了粗粒土二维模型试验研究。应用计算机图像测量分析系统对模型试验图片进行分析,能定量地分析试验过程中颗粒的位移、转角、长轴的定向、配位数及枝向量的变化。图像处理结果表明,模型试验过程中颗粒的运动规律与三轴试验过程中颗粒的运动规律一致,说明模型试验能反映三轴试验过程。颗粒位移矢量图和颗粒错动矢量图分析说明,宏观应变均由颗粒调整得到,在变形的不同阶段均有颗粒错动发生,随着变形的发展发生错动的颗粒数量增多,并逐渐集中到剪切带上。颗粒长轴和枝向量的定向性与偏应力有很好的关系,定向性增强应力是增长的;反之,定向性减弱应力是衰减的。对于接触紧密的颗粒,随着变形的发展平均枝长的变化不是很明显。平均配位数与体变之间没有很好的关系,可能与模型试验中采用多边形颗粒及颗粒偏大有关。