摘 要：本文應(yīng)用PFC2D軟件模擬不同各向異性砂土在半模直剪試驗(yàn)的表現(xiàn)，并通過(guò)軟件觀測(cè)其細(xì)觀層面的變化。結(jié)果表明在相同圍壓下砂土顆粒的各向異性對(duì)砂土抗剪強(qiáng)度的影響非常明顯。細(xì)觀層面上發(fā)現(xiàn)影響砂土抗剪強(qiáng)度的主要是與顆粒接觸數(shù)有關(guān)，最后達(dá)到殘余狀態(tài)時(shí)試樣的孔隙率，接觸數(shù)等均達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值與初始組構(gòu)無(wú)關(guān)。

關(guān)鍵詞：PFC2D；半模直剪；初始組構(gòu)；各向異性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.117

由于自然或者非自然原因，砂土顆粒一般具有各向異性的特點(diǎn)，即砂土在剪切過(guò)程中的峰值強(qiáng)度與沉積方向和剪切方向的夾角有關(guān)。M.Oda和I.Koishikawa對(duì)密實(shí)砂土進(jìn)行的模型試驗(yàn)表明，在圍壓以及密實(shí)度等條件完全相同的情況下，沉積方向和剪切方向的夾角為0°時(shí)比沉積方向和剪切方向的夾角為90°的大50%左右。

為了研究土的承載、破壞機(jī)理分析強(qiáng)度參數(shù)等，我們需要進(jìn)行室內(nèi)土體單元試驗(yàn)。在實(shí)際試驗(yàn)中直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)應(yīng)用比較廣泛，因?yàn)樗鼈儽容^簡(jiǎn)單易行并且能反映一些土體實(shí)際破壞的問(wèn)題[1]。但是很多實(shí)驗(yàn)我們需要重復(fù)做很多組才能得出一般性結(jié)論，這無(wú)疑大大浪費(fèi)了我們實(shí)驗(yàn)的效率。于是用電腦軟件模擬一般砂土的剪切等試驗(yàn)的方法得以誕生。其中運(yùn)用最廣泛的就是離散單元法。

離散元法（Distinct Element Method，簡(jiǎn)稱DEM）的思想起源于分子動(dòng)力學(xué)。1971年Cundall首次提出適用于分析巖石力學(xué)問(wèn)題的離散元法[2]。上世紀(jì)九十年代以來(lái)，離散元法由于應(yīng)用廣泛且方便得到了迅速的發(fā)展。這一時(shí)期， 相繼出現(xiàn)各種商用離散元軟件，由Cundall加盟的美國(guó)ITASCA公司開發(fā)和完善TUDEC和3DEec，以及基于圓盤形和球形離散單元的PFC2D和PFC3D軟件。特別是PFC2D和PFC3D軟件，因具有鄰居單元搜索速度快和能夠有效模擬大變形等優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，從而使離散元法在工程應(yīng)用中向前邁進(jìn)了一大步。本文主要運(yùn)用PFC2D軟件模擬不同各向異性砂土在直剪試驗(yàn)中抗剪強(qiáng)度具體有多大差異。

1 數(shù)值建模

1.1 參數(shù)選取

本文參考實(shí)際實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬半模直剪試驗(yàn)，底部粗糙面用鋸齒墻代替，砂土密度為2651kg/m3，粒徑范圍為emax=0.669，emin=0.400，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.9，剛度為kn=1×107N/m，ks=7×106N/m，鋸齒墻數(shù)據(jù)參考，定位高度為0.25mm的等腰直角三角形模擬摩擦系數(shù)為41.7的粗糙面。剪切模型尺寸為45×45mm，孔隙率為0.2。

1.2 模型建立

在120mm×90mm的空間內(nèi)隨機(jī)生成孔隙率為0.5粒徑范圍emax=0.669，emin=0.400的圓形顆粒，運(yùn)用等面積原理將一個(gè)圓顆粒分成三個(gè)重疊的圓顆粒模擬橢圓顆粒，施加重力將這些顆粒進(jìn)行自然沉積，并運(yùn)用伺服機(jī)制等沉積到需要孔隙率時(shí)停止程序，最后設(shè)定最終剪切模型大小的幾面墻并且刪除墻外的顆粒，施加圍壓為200kpa進(jìn)行剪切，其中不同沉積方向是通過(guò)改變底面鋸齒墻的角度來(lái)得到的，分別為0o，30o，60o，90o。如圖1。

2 結(jié)果及展望

（1）0°方向的沙土試樣峰值剪應(yīng)力最小90°方向最大，分別為178kpa和263kpa，相差了約50%，說(shuō)明初始組構(gòu)的各向異性對(duì)砂土抗剪強(qiáng)度有著很大的影響。

（2）砂土抗剪強(qiáng)度與初始的顆粒接觸數(shù)有關(guān)，接觸數(shù)越大其抗剪強(qiáng)度越大，但當(dāng)各向異性的試樣剪切到殘余狀態(tài)時(shí)其接觸數(shù)均保持在同樣一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)目并且孔隙率同樣穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值與試樣初始組構(gòu)無(wú)關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Frydman S ，Talesnick M.Simple shear of isotropic elasto-plasticsoil[J].International Journal for Numerical and Analyt icalMethods in Geomechanics ，1991，15（04）：251-270.

[2]Cundall P A.A computer model for simulating progressive large scale movements in blocky system. In： Muller Led. Proceedings of the international Society of Rock Mechanics[J]. Rotterdam A.A.Balkema，1971（01）：8-12.

作者簡(jiǎn)介：顏坤（1992-），男，上海人，碩士研究生，研究方向：土與結(jié)構(gòu)物相互作用研究。