土的颗粒力学理论及数值模拟

论文摘要

很多学者认为,进一步认识岩土力学性质的关键取决于对岩土微观结构的洞察。而粗粒土（砂土）和细粒土（粘土）的颗粒性和散碎性很适合从颗粒力学角度来分析其力学性质。本文利用二十世纪80年代以来出现的颗粒流数值方法,通过PFC2D分析岩土的微观结构和力学性能,并尝试建立微观与宏观（表观）力学参数之间的关系。本文首先建立了土力学基本试验（单轴抗压试验、侧限压缩试验、侧限双轴试验、无侧限双轴试验和简单剪切试验）的颗粒力学模型,解决了孔隙率、边界条件和加载/伺服机制等数值模拟中的难题,其中的无侧限双轴试验和简单剪切试验的颗粒力学模型在国内尚未有人提出。这些基本试验的颗粒力学模型为后文的研究提供了基础性的工具。本文利用所标定的砂土的颗粒力学模型,研究了砂土无侧限双轴试验下的三种表观强度指标（临界状态强度、峰值强度和特征应力强度）、剪胀性及剪切模量的颗粒力学影响因素,得到了砂土颗粒力学参数与砂土表观岩土参数相互影响表。用标定的颗粒力学模型,研究了无重地基极限承载力问题,并与普朗德尔-瑞斯纳解对比,深化了对砂土地基极限承载力的理解。本文还分别研究颗粒状粘性土和片状粘性土的力学性质,研究了片状粘性土颗粒单元的倾角、长度、样品的均匀性和单元形状对粘性土力学性质的影响。利用所标定的片状粘性土的颗粒力学模型,观察到片状粘性土表观内摩擦角在较大围压时随围压增大有很明显的下降,该现象未发生在颗粒状粘性土和砂土中。解释了粘性土在小围压下存在高表观内摩擦角的可能原因是粘性土内部片状单元的存在和分布。综上所述,本文建立了砂土颗粒力学指标与其表观性质的定性与定量关系,还从颗粒力学层面理解低应力状态下片状粘性土材料的各向异性行为,初步解释了软土宏观实验所观察到的实验现象。因此,合理使用颗粒流程序能够较好的模拟砂土和粘性土的力学性质,为从微观层次来理解岩土的工程性质提供了一条新的途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 本文研究内容和思路
• 第2章 颗粒力学理论简介
• 2.1 PFC2D 简介
• 2.1.1 PFC2D 基本假定和计算过程
• 2.1.2 PFC2D 的接触模型
• 2.1.3 PFC2D 连接模型
• 2.1.4 PFC2D 量测法则
• 2.2 颗粒体的弹性接触模型理论研究
• 2.2.1 两球体的接触问题
• 2.2.2 两无限圆柱体的接触问题
• 第3章 土力学基本试验的颗粒流模型
• 3.1 单轴抗压试验
• 3.2 侧限压缩试验
• 3.3 侧限双轴试验
• 3.4 无侧限双轴试验
• 3.5 简单剪切试验
• 第4章 颗粒力学参数对粗粒土工程性质的影响及标定
• 4.1 平面孔隙率
• 4.2 砂土侧限双轴试验颗粒力学参数的研究
• 4.2.1 线性接触模型
• 4.2.2 非线性模型
• 4.3 砂土无侧限双轴试验颗粒力学参数的研究
• 4.3.1 颗粒的平均粒径的影响
• 4.3.2 颗粒摩擦系数的影响
• 4.3.3 颗粒刚度的影响
• 4.4 “砂土样品”颗粒力学模型的标定
• 4.4.1 砂土的无侧限双轴实验的标定
• 4.4.2 砂土的三轴实验标定
• 4.5 小结
• 第5章 砂土强度和剪胀性的颗粒力学研究
• 5.1 颗粒力学模型及其方法
• 5.2 砂土强度和剪胀性的颗粒力学分析
• 5.2.1 峰值强度与尺寸效应的关系
• 5.2.2 三种强度指标与颗粒摩擦系数的关系
• 5.2.3 “砂土样品”剪切模量与颗粒刚度性质的关系
• 5.2.4 砂土剪胀角与颗粒力学参数的关系
• 5.2.5 “砂土样品”表观强度和剪胀性的颗粒力学讨论
• 5.3 地基极限承载力研究
• 5.4 小结
• 第6章 颗粒力学参数对细粒土工程性质的影响及标定
• 6.1 细粒粘性土的平面孔隙率的确定
• 6.2 颗粒状细粒粘性土的颗粒力学参数的影响
• 6.2.1 峰值强度与颗粒尺寸效应的关系
• 6.2.2 峰值强度与颗粒接触抗拉强度的关系
• 6.2.3 峰值强度与颗粒的摩擦系数的关系
• 6.2.4 峰值强度与颗粒的刚度参数的关系
• 6.2.5 割线模量Er 与颗粒的刚度参数的关系
• 6.2.6 颗粒状细粒粘性土颗粒力学参数影响小结
• 6.3 片状细粒粘性土的颗粒力学参数的影响
• 6.3.1 颗粒力学数值模拟中片状细粒粘性土材料的生成
• 6.3.2 峰值强度与颗粒接触抗拉强度的关系
• 6.3.3 峰值强度与颗粒的摩擦系数的关系
• 6.3.4 峰值强度与颗粒的刚度参数的关系
• 6.3.5 割线模量Er 与颗粒的刚度参数的关系
• 6.3.6 片状细粒粘性土颗粒力学参数影响小结
• 6.4 片状细粒粘性土材料的标定
• 6.4.1 试验准备
• 6.4.2 片状细粒粘性土材料的标定结果
• 6.5 小结
• 第7章 片状细粒粘性土材料力学性质的颗粒力学研究
• 7.1 片状细粒粘性土材料片状颗粒单元倾角的影响
• 7.2 片状细粒粘性土材料片状单元长度的影响
• 7.3 片状细粒粘性土材料均匀性的影响
• 7.4 片状细粒粘性土材料颗粒单元形状的影响
• 7.5 小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.1.1 粗粒土研究结论
• 8.1.2 细粒土研究结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果