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基于三维离散元的土石混合料振动压实特性研究

王团结  
【摘要】:土石混合料主要由山体开挖爆破产生的粗、细颗粒共同组成,广泛应用于山区公路的路基填筑。由于土石混合料级配变化大、含石量不均匀,相关的室内试验测定最大干密度的成本较高,且不能研究颗粒细观参数对压实效果的影响,难以系统研究土石混合料的压实机理。与传统的有限元法(FEM)相比,离散单元法(DEM)在模拟大变形、大位移等方面具有明显的优势,适用于土石混合料振动压实特性的研究。本文基于离散理论,采用三维离散元方法对土石混合料表面振动压实试验进行了数值模拟分析,研究了颗粒细观与宏观参数对压实效果的影响。在三维离散元模型建立过程中,通过将级配粒径取中值,能够保证土石混合料的颗粒级配要求,采用半径放缩法生成振动压实初始试样,提高了初始试样的建立速度,并保证了粗、细颗粒的随机分布,并通过每计算一定循环将所有颗粒的速度设置为零,解决了由于颗粒间接触力较大引起的颗粒逃逸问题。在数值模拟分析试验中,假定粗、细颗粒密度相等,不考虑含水率的影响,提出以孔隙率作为模拟试验压实质量的量化评价指标。在此基础上,分析了细观与宏观参数对压实效果的影响,并根据振动压实理论对模拟计算结果进行了分析。计算模拟分析结果表明:1)孔隙率随着含石量和颗粒最大粒径的增大而减小,并且变化趋势与室内试验结果一致。2)随着试筒直径与颗粒最大直径比值的增大,孔隙率逐渐减小;3)随着荷载振动频率的增大,孔隙率逐渐增大;4)随着试筒刚度的增大,孔隙率先增大后减小;5)颗粒摩擦系数对孔隙率的影响不太明显,而孔隙率随着阻尼系数和球体刚度的增大而增大。本文的研究结果对于探讨土石混合料的压实机理、优化相关室内外试验方案和施工质量控制措施具有一定的参考价值。


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