碎石土三轴测试仿真建模及试样尺寸效应分析.pdfVIP

第 22卷第 1期 地 质 力 学 学 报 V01．22N0．1 2016年 3月 JOURNALOFGEOMECHANICS Mal．2016 文章编号：1006-6616 (2016)01-0104．10 碎石土三轴测试仿真建模及 试样尺寸效应分析 董 辉 ，罗 潇 ，罗正东 ，王智超 (1．湘潭大学土木T程与力学学院，湖南 湘潭411105； 2．成都理丁大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都610059) 摘 要：借助离散单元理论与室 内三轴试验 ，分析碎石土物理实验 中试样尺寸 (直径和高度)变化对应力应变、体应变、粘聚力和内摩擦角等力学性能的尺寸效 应影响 研究结果表明。所提出的块体随机生成法则能较好地实现试样中不同形状 碎石块的模拟。不同直径和高度的碎石土试样．初始2％应变范围内的应力一应变 曲线变化规律基本一致，后部曲线变化较大。直径和高度越小，围压越低 ，应力软 化现象越明显；直径大干 250mill、高度大于350mm后无应变软化，残余应力恒 定。峰值应力随试样直径增大以25％的增长率呈线性增长，随高度的增大呈非线 性增长。高度小于200mlYl时增长率为 11．9％，大于200mlI1后为28．9％。体应变 破坏峰值则表现为先增大后减小的趋势。同时粘聚力随直径的增大线性增长，内摩 擦角则减小，而试件高度的变化对其影响规律则相反 关键词 ：碎石土；三轴仿真：尺寸效应 中图分类号：TU411 文献标识码：A 0 引言 随着西部开发的拓展，我国的工程活动重心偏向西北、西南等地，而这些地区的地形地 貌复杂，严峻的工程地质条件给工程建设带来 了极大困难 ．同时也导致了很多灾难 ，如滑坡 和泥石流等。这些区域具有代表性的工程介质就是碎石土，其物质组成的复杂性和结构分布 的不规则给工程和科研带来极大挑战。有很多学者通过依托工程或现场及室内物理实验对其 力学特性进行了相应的研究，也获得了一定的研究成果_l“]。李种等_9]和阳云华等 l。。分别 对粗粒料和膨胀土进行了现场和室内试验，发现存在尺寸效应的影响。李羽中等_9分析了试 样直径 以及最大粒径的影响，得知主应力差、内摩擦角和初始切线模量随试样直径的减小而 增大。但 由于只做了4种工况的试验，考虑的因素不全，不能充分反应力学性质。阳云华 收稿 日期：2015-09-02 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目 51308485)；湖南省 自然科学基金资助项 目 (2o15JJ2136 2015JJ6038) 作者简介：董辉 (1976一)，男，湖南安乡县人，博士，副教授，主要从事环境地质与地质灾害研究。E-mail aneufin．h．d@ gmail．tom 106 地 质 力 学 学 报 1．2 仿真模型生成 基于三轴试验结果，以60％含石量、7％含水率一组为研究对象进行数值模拟。为了更 加接近真实物理实验并减小模拟误差，数值模型尺寸与粒径大小应尽可能接近真实尺寸。因 此，模型尺寸设置为直径 101mm、高度200mm的圆柱体，与实际三轴试验试样尺寸一致。 模拟过程中颗粒分为两种 (土和碎石)，模型中土颗粒以及各粒径碎石的含量严格遵守三轴 试样配置的百分比。在程序运行效率与颗粒生成总数之间折中考虑，模拟实验中小于2mm 粒径的颗粒统一用2．5mm代替，2～5mm的则用2．5～5mm代替，这样既克服了计算机容 量和速度的限制，又满足了计算精度的要求。数值模拟模型的具体级配组成见表 1。 表 1 模拟级配与试样级配对 比 Table1 Comparisonofsimulatedgradingandsamplegrading 碎石块的形状对模拟结果起着至关重要的作用。而实际碎石土中碎石块的形状大小极不 规则．对碎石块进行模拟有一定困难，因此很多研究者在碎石土或土石混合体数值模拟中直 接用大球代替碎石