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        離散單元法顆粒土膨脹性影響分析

        2016-11-12 03:38:10董晶晶深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院后勤基建處廣東深圳518055
        安徽建筑 2016年2期
        關(guān)鍵詞:盒子剪切粒徑

        董晶晶(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院后勤基建處,廣東 深圳 518055)

        離散單元法顆粒土膨脹性影響分析

        董晶晶(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院后勤基建處,廣東 深圳 518055)

        在這篇文章中,離散單元法被用來(lái)模擬一系列數(shù)字化的直接剪切實(shí)驗(yàn)。剪切盒子的尺寸是6cm(長(zhǎng))× 3cm(寬)× 4cm(深)。由于顆粒級(jí)配的不同,每個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)中所用到的土顆粒的數(shù)量從4000~6000不等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確地表明了離散元模型能夠準(zhǔn)確地模擬出顆粒土隨壓力變化的特性。在剪切之前具有相同比重的顆粒土的直接剪切試驗(yàn)的結(jié)果表明,在不同的荷載作用下,顆粒土表現(xiàn)出不同的膨脹性。在較大的荷載作用下膨脹被壓制,這和實(shí)驗(yàn)室里的顆粒土的剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。同時(shí)具有相同平均粒徑(d50)的三種不同顆粒級(jí)配的顆粒土被研究,研究的重點(diǎn)是顆粒級(jí)配對(duì)土的膨脹性的影響。結(jié)果表明,具有相同粒徑大小的顆粒土的膨脹性比顆粒級(jí)配良好的顆粒土的膨脹性要顯著。

        離散單元法;顆粒土;直接剪切實(shí)驗(yàn);膨脹性

        1 簡(jiǎn) 介

        顆粒土由天然的物質(zhì)構(gòu)成并以離散的形式存在。在加載的過(guò)程中,顆粒旋轉(zhuǎn)、移動(dòng),甚至被破壞都可能會(huì)發(fā)生。顆粒的這些微觀變化將自然而然地引起宏觀的變形,這是目前的主要興趣所在。膨脹是描述剪切過(guò)程中土體積變化的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。我們可以很明顯地發(fā)現(xiàn),膨脹是由顆粒水平的元素控制的,并且是由顆粒特性(例如顆粒級(jí)配、顆粒形狀和顆粒之間的摩擦等)所決定的。離單散元法可以從微觀顆粒層次給予具有深刻見(jiàn)解的解釋?zhuān)⑶乙呀?jīng)吸引了來(lái)自世界各地的研究者(Bardet 和 Proubet 1991【1】;Ng 1994【2】;Ni et al.2000【3】;Thornton 2000【4】;Powrie et al.2005【5】;Cui 和 O'Sullivan 2006【6】等等)。在這篇文章中,離散單元法被用來(lái)模擬一系列數(shù)字化的直接剪切實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中使用球形的顆粒,具有不同顆粒大小組合的顆粒試樣的膨脹性在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中被監(jiān)測(cè)。此次研究的主要目的是:①探索三維離散單元法在模擬顆粒土的力學(xué)反應(yīng)方面的潛能;②研究顆粒級(jí)配對(duì)顆粒土的宏觀膨脹性的影響。

        2 數(shù)字模擬的直接剪切實(shí)驗(yàn)

        在本文中,線性接觸模型被用來(lái)模擬顆粒與顆粒之間以及顆粒與剪切盒子之間的連接。模擬的直接剪切盒子由10個(gè)堅(jiān)固的墻組成,內(nèi)部尺寸為6cm(長(zhǎng))× 3cm(寬)× 4cm(深),如圖1所示??紤]到對(duì)稱性,模擬的剪切盒子的寬度只有典型的剪切盒子的一半。這種理想化的方法減少了模擬過(guò)程中顆粒的數(shù)量,因此也減少了計(jì)算機(jī)循環(huán)所需要的時(shí)間。兩個(gè)額外的翼緣加在側(cè)邊,這樣可以避免在剪切過(guò)程中土顆粒從剪切盒子里溢出。

        圖1 模擬的直接剪切實(shí)驗(yàn)原理圖

        2.1 試樣制備和初始應(yīng)力

        球形的土顆粒在剪切盒子里隨機(jī)生成以達(dá)到一個(gè)初始的目標(biāo)密度,同時(shí)摩擦系數(shù)被臨時(shí)設(shè)為零。球形土顆粒和墻的物理特性以及試樣的顆粒級(jí)配總結(jié)在表1,從表中可以看到三種不同的顆粒級(jí)配(見(jiàn)圖2)的試樣被模擬。試樣 1是具有相同顆粒直徑(d=0.24cm)的土顆粒集合,試樣 2和3是具有不同的顆粒直徑的土顆粒集合。從圖2可以看出,試樣3具有更廣泛的顆粒分布,同時(shí)顆粒形狀的分級(jí)非常類(lèi)似于一種典型的顆粒土。另一方面,試樣 2僅僅是一種均勻的隨機(jī)分布的具有不同顆粒直徑的顆粒集合。雖然它們的顆粒級(jí)配不同,但它們的顆粒中位徑(d50)卻是相同的。實(shí)驗(yàn)分析中用到的土顆粒的數(shù)量從4000到6000不等,取決于它們的顆粒級(jí)配。之后試樣被循環(huán)到平衡狀態(tài)。然后,摩擦系數(shù)被重新變成1.0(當(dāng)前研究中采用的數(shù)值)。然后,通過(guò)向下移動(dòng)上部的墻,垂直壓力被施加直到滿足目標(biāo)的加載壓力。在當(dāng)前的研究中,三種不同的垂直壓力(0.1GPa、0.5 GPa和1.0 GPa)被研究。

        2.2 直接剪切過(guò)程

        為了模擬一個(gè)直接剪切的過(guò)程,墻1和2(見(jiàn)圖1)同時(shí)以相同的速度朝正 x軸方向移動(dòng)。同時(shí),上面的墻的位置通過(guò)一個(gè)伺服控制機(jī)構(gòu)被連續(xù)不斷的調(diào)整以保持既定的加載壓力不變(Cui,L.和O'Sullivan,C.2006[6])。所有移動(dòng)的墻的位置被監(jiān)控以獲得宏觀的變形(水平和豎直方向)。

        圖2 土的顆粒級(jí)配曲線

        圖3 一維壓縮實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

        模擬實(shí)驗(yàn)的參數(shù) 表1

        3 模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        宏觀的垂直壓力(σzz)和剪切壓力(τxz)通過(guò)上部的和垂直方向的移動(dòng)墻的接觸壓力和接觸面積獲得。整體的孔隙率通過(guò)剪切盒子里的測(cè)量球獲得,測(cè)量球位于剪切盒子的中央,半徑為1.5cm,見(jiàn)圖1。

        3.1 相同土顆粒大小的試樣

        顆粒土在一維壓力作用下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 3所示。從圖中可以看到,在當(dāng)前研究范圍內(nèi)的壓力的作用下,只有可以忽略的變形產(chǎn)生。這個(gè)結(jié)果和顆粒土在顆粒碎裂之前的實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。具有相同粒徑大小的顆粒土的宏觀力學(xué)的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn),從測(cè)量球中獲得的剪切力的數(shù)值和基于作用在墻上的力計(jì)算所得的數(shù)值是一致的。這個(gè)結(jié)果和典型的顆粒土的直接剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。應(yīng)變軟化行為和膨脹一起被發(fā)現(xiàn),這和Cui 和O'Sullivan(2006)[6]發(fā)現(xiàn)的結(jié)果是非常相似的。同時(shí)和典型的實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的,即膨脹隨著荷載的增加而被壓制。從圖 4(c)可以看到,從實(shí)驗(yàn)最終階段的接觸壓力矢量可以清楚地看到,在剪切的過(guò)程中應(yīng)力沿對(duì)角線發(fā)展。Oda et al(2005)[7]把顆粒土的應(yīng)變軟化行為歸為平穩(wěn)柱形結(jié)構(gòu)的屈曲。從圖 4(d)中可以發(fā)現(xiàn)伺服控制運(yùn)算法則在保持特定的加載壓力方面是非常有效的。

        圖4 相同顆粒大小的顆粒土的宏觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果:(a)歸一化的剪切應(yīng)力;(b)膨脹;(c)顆粒內(nèi)部的相互作用力;(d)豎向壓力

        3.2 顆粒級(jí)配的影響

        顆粒級(jí)配對(duì)土的膨脹性的影響如圖5所示。試樣2和試樣3比試樣1顯示出較少的膨脹性。這可能是因?yàn)樵诩羟械倪^(guò)程中粒徑小的土顆粒移動(dòng)到粒徑大的土顆粒之間的空隙中了。因此顯示出較少的膨脹性。試樣2是三種試樣中具有最大不均勻系數(shù)的,但在相似的條件下卻表現(xiàn)出最小的膨脹性。試樣3具有范圍最廣的顆粒級(jí)配并且含有更多的小粒徑的土顆粒,但比試樣2顯示出較多的膨脹性。

        圖5 不同顆粒級(jí)配的顆粒土在豎向荷載為10MPa作用下的宏觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        4 結(jié) 論

        離散單元法被用來(lái)模擬一系列數(shù)字化的直接剪切實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)研究的主要目的是了解顆粒級(jí)配對(duì)顆粒土的膨脹性的影響。研究結(jié)果表明離散單元法能夠模擬出土的膨脹性是由壓力決定的特性。荷載的增加阻止了膨脹的擴(kuò)大。級(jí)配良好的顆粒土表現(xiàn)出較少的膨脹性,這可能是由于小的土顆粒移動(dòng)到大的土顆粒之間的空隙中了,從而導(dǎo)致膨脹被壓制。同時(shí),基于目前的研究發(fā)現(xiàn)具有較大不均勻系數(shù) Cu的顆粒土表現(xiàn)出較少的膨脹性。

        [1]Bardet,J.P.and Proubet,J.A numerical investigation of the structure of persistent shear bands in granular media.Géotechnique,1991,41(4):599-613.

        [2]Ng,T.T.Behavior of ellipsoids of two sizes.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering.1994,130(10):1077-1083.

        [3]Ni,Q.,Powrie,W.,Zhang,X.,and Harkness,R.Effect of particle properties on soil behaviour :3-D numerical modelling of shearbox tests.ASCE Geotechnical Special Publication 2000,No 96:58-70.

        [4]Thornton,C.Numerical Simulations of deviatoric shear deformation of granulare media.Géotechnique,2000,50(1):43-53.

        [5]Powrie,W.,Ni,Q.,Harkness,R.,and Zhang,X.Numerical modelling of plane strain tests on sands using a particulate approach.Géotechnique,2005,55(4):297-306.

        [6]Cui,L.,and O'Sullivan,C.Exploring the macro-and micro-scale response of idealised granular material in the direct shear apparatus.G é otechnique,2006,56(7):455-468.

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        TU441+.1

        A

        1007-7359(2016)02-0259-03

        10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.092

        董晶晶(1984-),女,河南駐馬店人,碩士,工程師,研究方向:建筑施工管理、巖土工程。

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