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不规则颗粒砾石土离散元三轴数值模拟研究

邓博麒  
【摘要】:心墙砾石土的力学性质直接影响土石坝心墙沉降变形及结构安全。心墙砾石土为土石混合料的一种,是由具有一定级配的碎块石和粘性土组成的复杂多相不规则形状的混合介质,呈现出非均质性和非连续性的特点。目前,常采用的原位试验和室内试验难以从细观角度研究砾石土的力学特性;而数值模拟方法能够很好的揭示砾石土变形破坏的内在作用机制。以解决非均质性和非连续性问题为目标的离散元数值分析方法,能够研究砾石土中砾石和土体在相互作用下产生的颗粒旋转、滑移和分离等运动形式;然而现有对砾石土的数值模拟研究集中于砾石掺配比例和砾石空间分布,缺乏考虑不规则砾石颗粒形状对砾石土力学特性的影响。因此,提出砾石土不规则颗粒离散元的三轴数值模拟方法,取得以下主要研究成果:(1)针对缺乏考虑不规则砾石颗粒形状对砾石土力学特性的影响的问题,采用三维激光扫描技术构建不规则三维形态砾石模型库,并提出三变量形状评定标准对砾石形状特征进行判定。研究结果表明:受爆破形成的心墙砾石棱角分明、形态各异,提出的三变量形状评定标准简单有效,能够精确识别不规则砾石的多重形状特性。(2)提出基于颗粒原位替换思想的颗粒流建模方法,并结合西南某工程试验数据对颗粒流模型进行验证。通过对构建的标准圆球模型和不规则颗粒模型分别进行加载,模拟结果表明:颗粒原位替换法能够有效避免由于砾石级配和细观分布造成的试验结果偏差;基于颗粒原位替换法的PFC建模方法具有合理性,可用于后续影响因素分析研究。(3)基于以上形状研究和建模方法,结合西南某大型水电工程,开展一系列不同影响因素的三轴压缩数值模拟应用研究,探究颗粒形状、含石量、细观分布、加载速度和PFC细观参数等对不规则颗粒形态下的砾石土力学特性的影响。数值模拟结果表明:砾石形状对砾石土的宏观力学性质影响显著,砾石形状对砾石土抗剪强度的影响存在规律性变化,不同形状砾石数量的均匀性有助于提高试样强度;含石量、细观分布、模型加载速度和PFC细观参数对砾石土的各项力学性质均有不同程度的影响,不同影响因素之间的复杂性和交叉性造成了砾石土宏观力学性质的离散性。


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