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砂土稳态强度试验研究及颗粒流模拟

闫东霄  
【摘要】:稳态变形是指任何颗粒物体在常体积、常法向有效应力、常剪切应力、常速度时的一种连续变形状态。只有当所有颗粒都发生破坏、且都达到定向排列的完全稳定状态时稳态变形才达到。稳态变形获得的稳态强度和稳态线是用来评价饱和无粘性土体稳定性的一种重要指标。现阶段对饱和无粘性土的稳态变形特性还不能说是了解的很全面,很多问题尚没有定论。 稳态强度是判断砂土液化后稳定性的重要参数。以往砂土稳态强度研究主要基于室内试验数据。但是室内试验也存在一定的局限性。三轴试验除受到固端约束、膜嵌入等仪器构造因素影响外,制样方式对试验结果的影响不可忽略。通过研究试样端部约束、面积校正、体积压缩、橡皮膜嵌入等因素,认为在准稳定状态后的剪胀大多是由于以上因素造成的。 与试验分析法相比,数值分析法快捷、省时,而且可以保证数值试样初始的完全“同一性”。本文通过引入颗粒流理论和开发颗粒流数值模拟技术,克服传统的连续介质力学模型的宏观连续性假设,对砂土室内三轴试验进行数值模拟。 本文利用室内三轴试验对砂土的变形特性及稳态强度进行了研究,证明了砂土稳态强度与砂土的初始密实度以及围压无关,得到了唯一的稳态线,表明了稳态是土体的基本属性;得到了砂土的稳态内摩擦角,稳态内摩擦角为土体最终可动用的有效内摩擦角。 利用PFC~(3D)对砂土剪切变形特性进行数值模拟。在得到试样宏观力学剪切特性的同时,分析了剪切过程中内部平均配位数的变化规律。进一步研究了围压、相对密度对剪切力学特性的影响,并与室内试验规律进行了对比。结果表明,数值模拟能够反映砂土单调剪切的一般规律。然后利用数值实验结果从宏细观两个角度分析了粉细砂的变形特性,表现出与室内实验相吻合的稳态变形特性、稳态强度特性,得到了与宏观上临界孔隙比相对应的细观参数即临界配位数。


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