基于PFC方法的粗粒土三轴试验尺寸效应研究
基于PFC3D的粗粒土三轴试验细观数值模拟
基于PFC3D的粗粒土三轴试验细观数值模拟一、本文概述随着计算机技术的快速发展和数值模拟方法的日益成熟，离散元方法（Discrete Element Method, DEM）在岩土工程领域的应用越来越广泛。
PFC3D（Particle Flow Code in 3 Dimensions）作为一款基于DEM的三维颗粒流数值模拟软件，以其独特的细观模拟能力，在粗粒土三轴试验的数值模拟中展现出显著优势。
本文旨在探讨基于PFC3D的粗粒土三轴试验细观数值模拟的关键技术、方法及其在工程实践中的应用价值。
本文首先介绍了粗粒土三轴试验的基本原理及其在岩土工程中的重要性，随后详细阐述了PFC3D软件的基本原理及其在粗粒土细观数值模拟中的适用性。
在此基础上，文章重点探讨了基于PFC3D的粗粒土三轴试验数值模拟的建模方法、参数标定以及模拟结果的分析与验证。
文章还结合具体工程案例，分析了数值模拟结果与实际工程问题的关联，并探讨了数值模拟在粗粒土工程稳定性分析、优化设计等方面的应用前景。
本文旨在为从事岩土工程数值模拟的研究人员、工程师和研究生提供一种基于PFC3D的粗粒土三轴试验细观数值模拟的有效方法和技术支持，推动离散元方法在岩土工程领域的应用和发展。
二、PFC3D软件简介PFC3D（Particle Flow Code in 3 Dimensions）是一款专门用于模拟颗粒介质行为的三维离散元分析软件。
该软件由Itasca公司开发，自推出以来，凭借其强大的模拟能力和灵活的自定义选项，在岩土工程、地质工程、颗粒物质力学等领域得到了广泛的应用。
PFC3D基于离散元方法（Discrete Element Method, DEM）进行模拟，其核心思想是将介质视为由一系列离散、独立的颗粒组成，颗粒之间通过接触模型来定义相互作用。
这种方法特别适用于处理颗粒形状不规则、大小不均以及颗粒间存在复杂相互作用的问题，如粗粒土的力学行为。
pfc在土力学三轴试验教学中的应用探索
黑龙江工业学院学报JOURNAL OF HEILONGJIANG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY第20卷第1期2020年1月Vol.20 No.l Jan. 2020文章编号：2096 - 3874(2020)01 -0026 - 05PFC 在土力学三轴试验教学中的应用探索樊猛，丁点点，王芳(宿州学院资源与土木工程学院土木工程系，安徽宿州234000)摘 要：土力学作为土木工程专业的专业核心课，掌握土力学相关的试验理论和技能是该 课程基本教学目标之一，其中三轴压缩试验相较于其他基本试验而言，操作复杂且相关理论难 以掌握。
另一方面，实际试验的时间成本较大，受限于试验课时，在相关试验教学中学生的学习效果不佳。
基于此，将离散元软件PFC 应用在三轴压缩试验教学中，模拟结果证明了 PFC 模拟三轴试验的合理性，对本科生土力学试验教学具有重要的参考意义。
关键词：PFC ； 土力学；三轴试验;试验教学中图分类号:G642 文献标识码:A土力学是土木工程专业的一门专业核心课, 其主要研究内容分为三个部分:土的渗透、变形和强度特性。
该课程的课程目标为使学生掌握有关 土的理论知识，分析方法和试验技能。
因此土力 学课程在学时分配上试验课时应占据一定比例。
在土力学的试验教学中，三轴压缩试验作为测定土体的应力应变关系和强度的一种最为常用的室内试验方法，是每一位学习土力学的学生都 必须要掌握的。
在三轴试验中试样采用圆柱形土样,用橡皮膜包裹,通过密封压力室的压力水来施 加围压，轴向施加偏应力以实现对试样的剪切。
其特点为:应力状态明确，变形量测简单,排水条 件可控等。
学生通过实际的试验操作,如制样、加载、数据记录与计算等，可以增强对土体变形与强度相关理论的理解，然而由于实际试验的时间成本较大，受限于试验课时,一般很难做到让每一位学生 做一个完整的三轴试验，而是采取分组的方式协同完成。
因此采取数值模拟的手段，使学生不用受限 于试验仪器仍能进行相关试验的探索，则显得尤为重要。
粗粒土三轴试验颗粒流细观参数敏感性分析
基金项目：
关键词：颗粒流；粗粒土；三轴试验；敏感性分析
安徽省交通控股集团科技项目No.2021014
散 单 元 法 PFC、UDEC、3DEC 等 ，充 分
大 提 高 [12] 。 因 此 ，本 文 基 于 典 型 的 颗
文章编号：1007-7359（2021）09-0224-03
考虑了岩土材料的非连续性，可以有效
定性分析了宏观和细观参数之间的关系。结果表明，试样峰值应力随着围压和摩擦系
学道路桥梁与渡河工程专业，本科，工程师。
数的增大而增大；弹性模量随着有效模量的增加而增加；刚度比对试样的泊松比影响较
专业方向：交通工程。
大；颗粒形状对试样的峰值应力影响较大，不规则颗粒试样的峰值应力比球体颗粒的更
大。研究结果对粗粒土三轴试验离散元模拟的参数标定提供了一定的指导意义。
粒离散元软件 PFC 就室内粗粒土三轴
DOI:10.16330/ki.1007-7359.2021.09.097
解 决 上 述 问 题 ，因 此 也 越 来 越 受 到 重
试 验 建 立 了 离 散 元 模 型 ，并 对 其 细 观
视，成国文等 [1] 通过三维空间随机点生
引言
参 数 进 行 了 敏 感 性 分 析 ，得 到 了 一 些
算求解。在 PFC 中，材料的本构特性是
通过接触本构模型来模拟的。PFC5.0
中提供了 10 种内嵌的接触模型，常用的
接触本构模型有线性接触模型、接触黏
结模型和平行粘结模型。当模拟土体
时，一般选用线性接触模型，这类模型的
特点是抗压、抗剪，但不抗拉；当模拟岩
数的敏感性分析。
基于 PFC3D 的粗粒土三轴试验细观参数敏感性分析
基于 PFC3D 的粗粒土三轴试验细观参数敏感性分析李灿;邱红胜;张志华【摘要】以PFC3D为工具，以室内三轴固结排水试验作为基础，以加权平均数颗粒生成法建模。
选择孔隙度、配位数、kn／ks 、颗粒粒径分布、剪切速率和摩擦系数等细观参数作为研究内容，以应力应变强度曲线为力学分析方法，以颗粒转动速度场为变形分析手段，将各细观参数对粗粒强度的敏感性进行排序，对粗粒土剪切破坏的影响程度进行总结分析。
研究表明，各细观参数对粗粒土强度及变形都有一定的影响，其中 kn／ks 对粗粒土强度及变形影响最大，孔隙度和配位数的影响最小。
%This paper uses PFC3D as the tool and using weighted average particle size distribution method to build model .The parameters including porosity ,coordinate number ,kn/ks ,particle size distribution ,shear rate and friction coefficient are chosen as the micro parameters to analyze the sensi-tivity .The stress-strain intensity curve is taken as the mechanics analysis method and the particle ro-tation velocity field is used as deformation analysis method .The sensitivity of each parameter to the strength of the coarse grain is sorted .The effect of the shear failure of coarse grained soil is summa-rized and analyzed .The research shows that the parameters in the model have a certain effect on the strength and deformation of coarse grained soil and the kn/ks has the greatest influence on the strength and deformation of coarse grained soil ,while the porosity and coordinate number have least influence .【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2016(040)005【总页数】6页(P864-869)【关键词】PFC3D;细观参数;颗粒转动速度场【作者】李灿;邱红胜;张志华【作者单位】武汉理工大学交通学院武汉 430063;武汉理工大学交通学院武汉430063;武汉理工大学交通学院武汉 430063【正文语种】中文【中图分类】TU411目前，试验及测试技术都无法获取其细观力学参数，无法很好揭示粗粒土宏观力学特性的内在作用机制.PFC作为离散元方法的一种，是细观分析的主要手段之一[1]，近年来在岩土工程领域得到了初步运用[2].粗粒土作为国内外岩土工程中主要的应用材料，运用PFC研究其宏细观力学特性的重要性是显而易见的.在数值模拟研究中发现，细观参数值的调整和标定是拟合试验结果成功的关键步骤.因此，在对粗粒土进行颗粒流数值模拟过程中，得出各细观参数对粗粒土强度及破坏变形影响的敏感性排序具有重要意义.国内外研究学者运用PFC对粗粒土细观参数的研究很多，黄彦华等[3]分析围压以及岩桥倾角对断续双裂隙红砂岩强度破坏特征的影响规律，揭示断续双裂隙红砂岩在不同围压作用下裂纹扩展的细观力学响应机制；丛宇等[4]结合大理岩室内加、卸荷试验确定适用于岩石类材料的细观参数；唐文帅[5]得出随着颗粒最大粒径的增大，粗砂应力应变曲线的类型没有发生变化，初始杨氏模量变化不明显，但是峰值强度却随之减小；陈亚东等[6]提出了在三维离散元中与砂土的孔隙率、内摩擦角及压缩模量等宏观力学参数相匹配的细观参数确定方法，并给出了细观结构参数与宏观力学参数的函数关系.耿丽等[7]得出结论摩擦系数对材料的弹性性质影响不大，只与峰值强度有关；Huang[8]研究了粘性颗粒材料细观参数和宏观参数之间的相似关系；Nardin等[9]根据自定义的颗粒流接触模型和接触参数，建立了细观参数与宏观力学特性的定性关系.研究发现，在选取细观参数进行研究时，未对一系列重要的细观参数进行全面系统分析.因此，文中在模拟三轴试验的基础上，选取孔隙度、配位数、kn/ks、颗粒粒径分布、剪切速率和摩擦系数等6种细观参数作为研究对象，通过应力-应变曲线和颗粒转动速度场来研究它们对粗粒土宏观力学及变形特性的影响.室内试验所用材料取自水布垭大坝工程的施工料场.用筛分法和混合法测试粗粒土的颗粒级配，得到粗粒土不同粒径范围内颗粒的含量见表1.在颗粒流模型中使用不同参数调节方法，可能得到相同的宏观力学反应——应力-应变曲线.在三轴模型试验中，要考虑的因素很多，如初始杨氏模量Ec，颗粒抗剪强度c，φ，颗粒刚度比kn/ks，颗粒最小半径Rmin，颗粒最大、最小半径比Rmax/Rmin，试样的密度ρ，初始接触点个数Nf,摩擦系数f等.按试验结果应力-应变曲线弹性阶段计算初始杨氏模量，根据摩尔应力圆得到颗粒的抗剪强度，根据试验试样确定材料的密度，根据加权平均数颗粒生成法选取颗粒最小半径及最大、最小半径比，得到细观参数值，见表2.在PFC3D中合成材料土样是由球形颗粒组装而成的，模型是由一个圆柱形墙面围绕生成的颗粒体以及上下两面压缩板组成的.其中，上下2面压缩板在试样压缩过程中，上墙面对试样进行压缩剪切，下墙面保持不动；圆柱形墙面在压缩剪切过程中通过伺服系统维持恒定围压的工作.应力-应变数据的收集与整理是根据跟踪墙面所受力的情况，以及墙面相对位移决定的.对模型试样分6层进行标识颜色，其中，每层的厚度是100 mm；对圆柱试样从内到外分3层，每层厚度50 mm.模拟尺寸与室内三轴试验试样尺寸一致，为300 mm×600 mm(直径×高)，颗粒流三轴模型见图1.根据已确定的细观参数，调整未知细观参数，得到围压为0.8,1.6,3.3 MPa下试样的应力-应变曲线，并将各数值结果与试验结果进行对比，见图2.由图2可知，数值试验得到的应力-应变曲线与实验室里得到的应力-应变曲线基本吻合，数值模型中在竖向荷载作用下，首先随着轴应变的增大处于弹性阶段，该阶段处于轴应变小于10%；随着轴应变的继续增大，模型内部裂隙出现贯穿现象形成剪切面，此时模型处于塑性阶段.曲线在达到峰值强度时的轴应变也大体相同，试样达到临界状态之后也处于和室内试验一样的应变硬化现象，因此可用三维离散元数值试验模拟室内三轴试验.影响粗粒土强度及变形的因素很多，根据高等土力学中的土的抗剪强度与其影响因素的关系，可以确定为以下公式.式中：e为孔隙比；C为土的组成，其中包括颗粒级配或土石比；t为温度；分别为应变和应变率；c，φ分别为土的粘结力和内摩擦角.式中也同样包含应力条件、围压范围、应力历史、排水条件以及加载速率等因素.由式(1)可知，影响粗粒土强度及变形的因素可以分为2大类：一类是粗粒土体本身，主要是物理性质；另一类是外界条件.孔隙度、摩擦系数是影响土体抗剪强度的主要参数，而土体自身的性质、试验条件等也是其抗剪强度的主要影响因素.在PFC模型中，配位数反映颗粒间的接触情况，其变化规律反映颗粒间裂隙的产生与演变.因此，选取了孔隙度、配位数、颗粒刚度比(杨氏模量)、颗粒粒径分布、试验剪切速率，以及摩擦系数进行了细观参数敏感性分析.3.1 孔隙度文中根据室内三轴试验，在围压0.8 MPa的条件下，分别设定孔隙度为0.2，0.25，0.3，0.35以及0.4下的数值三轴试验，试样生成的颗粒个数见表3，其应力-应变曲线见图3.刘勇等[10]得出随着孔隙度的增大，土体峰值强度明显减小，且在孔隙度为0.45时，模型明显表现出体缩效应.文中研究在不用孔隙度条件下的土体宏观力学反应.由图3可知，在初始应力为正常固结的情况下，随着孔隙度的增大，模型峰值强度减小不明显.此时由于试样在生成颗粒之后得到了充分固结，因此剪切初始应力状态一样.固结后的模型与孔隙度联系较小，而在不同孔隙度下试样均表现出应变软化的现象，根据应变软化型破坏试样的机制可知，试样内部出现剪切面，从细观角度分析孔隙度对试样宏观特性的影响.由图4颗粒转动速度场可知，标定为白色的颗粒为转动速度大于0.11 rad/s的颗粒，白色的颗粒反应了剪切面的分布情况.因此，围压0.8 MPa不同孔隙度下模型中试样均形成了剪切面，但根据三维坐标可知，不同的孔隙度试样破坏形成的剪切面空间分布不同.已知试样密度与试样孔隙度相关，在不同密度条件下，试样的破坏面空间分布不同.3.2 配位数初始配位数是指模型在生成过程中已经设定了的颗粒间的接触数.初始配位数最大，表明初始模型颗粒越紧凑，在一定的孔隙度条件下，颗粒生成的数量也就越多.从上述孔隙度对模型材料的宏观力学特性的影响可以得出，生成颗粒的数量(由不同的孔隙度引起的)对材料峰值强度基本没有影响，而对材料的剩余强度有一定的影响，但影响不大.基于此，在分析配位数对材料宏观力学特性的影响时推测，其影响与孔隙度的影响大致相同.图5为不同初始配位数下的应力-应变曲线.不同初始配位数对数值模型中粗粒土宏观力学特性几乎没有影响.由图5可知，不同初始配位数对材料的峰值强度没有影响，对剩余强度影响不大.不同的颗粒初始配位数导致了试样的应变软化现象，根据颗粒位移场机制可知试样内部均出现了剪切面.从细观角度分析不同颗粒初始配位数下颗粒转动速度场的变化情况，不同的初始配位数造成试样剪切破坏面空间分布不同.初始配位数为3时的颗粒转动速度场与初始配位数为4时的完全相反，而初始配位数为5时亦不相同.初始配位数影响颗粒数量的生成，也影响大颗粒数量的生成和分布.而大颗粒的空间位置分布不同，又影响剪切面的分布和走势.因此，初始颗粒配位数对于材料的峰值强度以及剩余强度影响较小，对于材料的破坏面分布影响较大.3.3 法向刚度与切向刚度比kn/ks是颗粒法向刚度与切向刚度之比.改变颗粒的竖向接触刚度与切向接触刚度之比，得到在围压0.8 MPa下不同kn/ks的应力-应变曲线图，见图6.由图6可知，随着kn/ks的不断增大，土体峰值强度不断减小，峰值强度对应的轴应变在不断增大，kn/ks与试样峰值强度的关系式为y=-3e-8x3+4e-5x2-0.022 3x+6(2)式中：x为kn/ks，试样模型逐渐从应变软化型向应变硬化型转变.随着切向刚度不断减小，切向抗变形能力下降；随着kn/ks的不断增大，试样的破坏形式从形成剪切面转变成以侧向应变为主的破坏形式.根据颗粒转动速度场进行分析，随着kn/ks的增大，转动速度较大的颗粒逐渐减少，剪切面分布不明显.kn/ks为80时，转动速度较大的颗粒组成的剪切分布比较明显，当kn/ks值增大到400，发现试样内部没有剪切面的形成.颗粒切向刚度逐渐减小，试样破坏主要以圆周型侧向向外扩散为主，转动速度较大的颗粒均匀分布在试样内部，试样抗剪强度降低主要是试样切向抗变形能力下降导致的.而kn/ks值较大时，应力应变曲线呈应变硬化型主要是由于试样圆周型侧向破坏为主而无法形成剪切面导致的.3.4 颗粒粒径分布根据加权平均数颗粒粒径11.066 25 mm，设定不同的颗粒最小半径，计算得表4的数据.由表4可知，计算各不同最小颗粒半径条件下的试样三轴试验，分析粒径分布情况对抗剪强度的影响，见图7.由图7可知，当试样颗粒粒径的加权平均数为11.066 25 mm时，随着颗粒最小粒径的增大，试样的峰值强度逐渐减小；最小颗粒粒径在0.1～1 mm波动时，试样颗粒粒径对试样抗剪强度的影响较小；但随着最小颗粒粒径不断增大，模型中颗粒粒径的分布对试样抗剪强度的影响增大.这是因为在生成的模型中最小颗粒粒径值很小时，大小颗粒间的咬合较为紧密，尤其是在加载一段时间后，颗粒经过挤压和错动，有利于接触力的传递以及摩擦力的生成.结果显示，随着最小颗粒粒径不断增大，转动颗粒的分布差异较大；其中11 mm 时颗粒粒径相同，但试样破坏不明显.图8为转动颗粒，可以看出转动颗粒越来越少，这是由于在粒径相同的模型内，颗粒间接触力的分布与一般有相对大颗粒模型内的接触力分布不同，内部破坏裂隙均匀分布在模型内.根据应力应变曲线可知，最小颗粒粒径不仅影响着试样内部的应力路径，也影响着剪切面的形成以及试样应变类型.3.5 剪切速率室内试验和数值试验的宏观反应对加载速率敏感，通常选择一个足够慢的加载速率确保试样在加载过程中处于准静态状态.准静态状态是设置墙体一系列的常量速度后，通过应变控制法实现，且这种状态在一定临界速度内都均适用.文中设置加载速率为0.5 mm/min进行数值模拟，设定不同的加载速率进行研究.图9为不同剪切速率下的应力-应变曲线.由图9可知，剪切速率对模型中的粗粒土抗剪强度影响很大，随着剪切速率的增大，峰值强度不断增大.实验室内选择较低的剪切速率进行三轴剪切试验，首先是因为实验室内的仪器的限制，其次是试样在准静态状态下的剪切强度最能反映堆石坝或野外滑坡土体的抗剪强度.而在很大的剪切速率下，其剪切类似于滑坡体受到地震或库水位急剧下降或上升等地质灾害条件下的剪切，对土体的力学特性分析没有多大的意义.根据不同的剪切速率得到不同的土体抗剪强度峰值，它们之间的关系为σp=0.019 2v+3.478 1(围压0.8 MPa)式中：σp为峰值强度，MPa；v为剪切速率，mm/min.在不同剪切速率下的颗粒转动速度场，随着剪切速率增大，试样破坏不再沿剪切面破坏，试样内部出现大量破坏区.根据剪切速率为75 mm/min的颗粒转动速度场可以看出，试样内部出现了大量的转动颗粒，产生转动颗粒的原因是试样内部出现了大量的剪切裂隙，导致试样“粉碎性”破坏.在剪切速率很大时，试样在压缩剪切过程中不再是准静态过程.因此，剪切速度不仅影响材料的峰值强度，也影响材料的剩余强度，对材料的破坏的影响最大.3.6 摩擦系数在粗粒土研究中，摩擦系数很小时，摩擦角对摩擦系数的敏感度很大，试样的剪切强度摩擦角与摩擦系数呈对数关系.且摩擦系数在0.1～0.4范围内时，摩擦角增加了12.21°(12.49°～24.7°)，占摩擦角总增加量的76%，可见在摩擦系数较小时，试样摩擦角受摩擦系数的影响较大.文中分别设置摩擦系数为0.1，0.3，0.5，0.7，0.9和1.1，大范围地分析摩擦系数对材料强度的影响，得到摩擦系数与材料强度的关系，见图10.由图10可知，围压0.8 MPa下摩擦系数对材料的峰值强度影响不大，对材料的剩余强度影响较大.摩擦系数与峰值强度以及剩余强度之间的关系见图11.由图11可知，材料抗剪峰值强度随摩擦系数增大而增大，两者呈线性正相关；剩余强度随摩擦系数增大而增大，当摩擦系数越来越大时，其值对剩余强度的影响越来越小.这与Zhang等[11]对粗粒土进行PFC2D双轴试验结果不同，从校对摩擦系数中发现，摩擦系数对峰值强度的影响因数为2.2，对材料剩余强度的影响因子是2.55，后者大于前者.与二维模拟结果不同，二维离散元材料剪切带形成之后，接触力主要由摩擦力构成，因此二维离散元中摩擦系数对于剩余强度的影响较大；三维离散元中，材料剪切带形成以后，由于三维立体颗粒间挤压与错动，颗粒并不会像二维模型中的颗粒因剪切带形成而分开.围压的存在致使颗粒间的接触力由摩擦力、侧向接触力以及竖向接触力组成，所以在三维离散元中，影响剩余强度的因素不仅有摩擦系数.从细观颗粒的摩擦系数角度，对试样破坏形式进行分析可知，观察其剪切结束之后的颗粒转动速度场，在不同摩擦系数下，剪切面走向基本相同；转动速度较大的颗粒基本围绕在剪切面附近，且随着摩擦系数增大，试样剪切面厚度不断增大.这是由于颗粒间的摩擦力越来越大，剪切面附近的颗粒在发生平移和转动过程中会带动其周围的颗粒一起运动，所以从外观上看剪切面增厚.1) 基于数值试验结果能够很好的拟合室内试验结果，以应力-应变曲线为粗粒土宏观力学特性研究对象，得出各细观参数对粗粒土抗剪峰值强度以及剩余强度的力学敏感性排序为：kn/ks >摩擦系数>剪切速率>颗粒粒径分布>孔隙度>配位数. 2) 从细观角度出发，根据模型中的颗粒位移场以及颗粒转动速度场对各细观参数对粗粒土三轴模型变形，以及破坏面空间分布进行分析，得到各细观参数对粗粒土三轴模型变形敏感性结论：剪切速率>kn/ks>颗粒粒径分布>孔隙度>配位数>摩擦系数.其中摩擦系数对材料破坏面的空间分布基本没有影响，但影响着破坏面的厚度.【相关文献】[1]邓益兵,周健,刘文白,等.螺旋挤土桩下旋成孔过程的颗粒流数值模拟[J].岩土工程学报,2011,33(9):1391-1398.[2]MATTHEW E T, STEVE C, ZHAO X L, et al. Visualization and analysis of microstructure in three-dimensional discrete numerical models[J]. Journal of Computing in Civil Engineering,2009,23(4):277-287.[3]黄彦华,杨圣奇.非共面双裂隙红砂岩宏细观力学行为颗粒流模拟[J].岩石力学与工程学报,2014,33(8):1644-1653.[4]丛宇,王在泉,郑颖人,等.基于颗粒流原理的岩石类材料细观参数的试验研究[J].岩土工程学报,2015,37(6):1031-1040.[5]唐文帅.离散元细观参数对粗砂变形性质的影响[J].水利科技与经济,2015,21(2):32-34.[6]陈亚东,于艳,佘跃心.PFC3D模型中砂土细观参数的确定方法[J].岩土工程学报,2013,35(2)：88-93.[7]耿丽,黄志强,苗雨.粗粒土三轴试验细观模拟[J].土木工程与管理学报,2011,28(4):24-29.[8]HUANG H Y. Discrete element modeling of tool rock interaction[D]. Minnesota: University of Minnesota,1999.[9]NARDIN A, SCHERFLER B A. Modeling of cutting tool soil interaction part II： macro-mechanical model and up scaling[J].Computer Mechanics,2005,36(5):343-359.[10]刘勇，朱俊樸，闫斌.基于离散元理论的粗粒土三轴试验细观模拟[J].铁道科学与工程学报,2014,11(4):58-62.[11]ZHANG Z H, ZHANG G D, LI X L, et al. The shear dilation and shear band of coarse grained soil based on discrete element method[J]. Advanced in Civil Engineering and Transportation IV,2015(7):679-685.。
考虑缩尺效应的粗粒料湿化变形特性颗粒流数值模拟研究
考虑缩尺效应的粗粒料湿化变形特性颗粒流数值模拟研究近年来,随着我国土石坝工程的迅速发展,粗粒料作为土石坝的主要填筑材料,其工程性质变得尤为重要。
由于粗粒料颗粒粒径一般较大,现有大型试验仪器无法满足对原型材料进行力学试验的要求,需要对原型材料级配进行缩尺,近似研究原型材料的物理力学性质,因缩尺引起的试验值和实际值中的差异目前很难把握。
同时,坝体堆石料的粗粒料浸水变形以及干湿循环变形问题一直没有得到很好的解决。
考虑到室内试验成本较高,本文采用PFC颗粒流程序,对粗粒料的三轴缩尺试验和湿化试验进行了数值模拟,研究了粗粒料的缩尺效应以及考虑缩尺影响的湿化变形特性。
首先,采用PFC常规BPM模型,通过粗粒料三轴试验数值模拟,研究数值模型细观参数与粗粒料宏观特性的响应关系。
结果表明,摩擦系数、黏结参数与试样峰值剪切强度呈正相关；颗粒弹性模量、摩擦系数、切向接触黏结力、平行黏结刚度与试样变形模量呈正相关,颗粒法向切向刚度比、孔隙率、法向接触黏结力、平行黏结强度与试样变形模量呈负相关；颗粒弹性模量、颗粒法向切向刚度比、孔隙率、法向接触黏结力、平行黏结强度与试样泊松比呈正相关,摩擦系数、切向接触黏结力、平行黏结刚度与试样泊松比呈负相关。
其次,针对已有试验数据,采用PFC常规模型和引入CLUSTER颗粒模型,开展粗粒料的三轴缩尺试验数值模拟,研究缩尺方法对粗粒料强度变形特性的影响。
结果表明,数值模拟的体变曲线与试验差异较大,引入CLUSTER颗粒的数值模拟应力应变曲线与试验较吻合,其相似级配法的峰值强度最大,等量替代法的最小,混合法和剔除法的介于两者之间。
采用CLUSTER模型,研究了试样最大粒径与数值模型标定的细观参数之间的关系,指出随着试样最大粒径的增大,标定的颗粒弹性模量增大,增幅逐渐减小,接触黏结参数线性增大。
基于上述关系,通过小尺寸试样的室内试验,采用数值模拟研究超出试验仪器尺寸试样的强度。
最后,采用PFC程序,通过粗粒料的单线法和双线法湿化试验数值模拟,得到了不同缩尺方法的湿化变形量,探讨了考虑缩尺效应的湿化变形特性,结果表明：单线法计算得到的湿化变形量明显大于双线法的,湿化变形量整体上随着围压的增大而增大。
无黏性粗粒土强度的三轴尺寸效应_谭彩
1 试验
1． 1 试验土料与程序
试验材 料 为 微 风 化 砂 岩，相 对 体 积 质 量 （ 比
重） 2． 69，通过人工破碎、清洗、风干后，过 0． 1，0． 25，
无黏性粗粒土作为一种松散颗粒集合体，试样 尺寸效应和颗粒尺寸效应是其尺寸效应研究的主 要内容。国内外许多学者对不同试样尺寸和不同最 大粒径粗粒土进行的直剪和三轴压缩试验表明，试 样尺寸对粗粒土抗剪强度影响所得结论较为一致，
收稿日期： 2015 － 05 － 10； 修订日期： 2015 － 06 － 17。 作者简介： 谭 彩（ 1992—） ，男，湖南衡阳人，岩土专业硕士研究生。 * 通信作者： 王 琛（ 1977—） ，男，江苏无锡人，副教授，硕士生导师。主要从事粗粒土的本构模型与数值模拟研
300 1． 73 1． 32 1． 63
1． 2 试验结果
不同最大粒径无黏性粗粒土的偏应力 q-轴向
应变 εa 关系曲线见图 2，取峰值点偏应力为破坏偏 应力 qf，如表 2 所示。
812
江 南 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版）
第 14 卷
τf = σtanφ + c
（ 3）
式中： c 为咬合力； φ 为内摩擦角； σ 为剪切面上正
第 14 卷第 6 期 2015 年 12 月
江 南 大 学 学 报（ 自 然 科 学 版） Journal of Jiangnan University（ Natural Science Edition）
不同温度灾变下混凝土三轴受压力学性能试验研究
来荣国：不同温度灾变下混凝土三轴受压力学性能试验研究
害，会导致结构物的失效。故很有必要开展混凝土材 压、三轴压强度相对于其单轴压强度提高倍数取决
料在复杂温度灾变下的强度损伤研究。
于其应力比以及不同温度高温后高强混凝土单轴
学者们分别针对混凝土在多轴应力状态下的 压强度；２００、３００ ℃稍低，４００ ～ ６００ ℃ 逐渐升高，三
ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｕｎｄｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｅ． Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａｔ ｔｈｅ
， ， ｓａｍｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｔｈｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ； ， ， ’ ｔｅｎｄ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｓ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓ ｕｌｔｉｍａｔｅ ， ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｉｒｓｔ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ． Ｆｉｎａｌｌｙ ａ ｕｎｉｆｉｅｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｃｔａｈｅｄｒａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｓｐａｃｅ ｏｆ ， ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｕｎｄｅｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｅｓ ｉｓ ｄｅｄｕｃｅｄ ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ． ： ； ； ； Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｒｉａｘｉａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｅｓｔ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
pfc2d三轴压缩试验代码
pfc2d三轴压缩试验代码PFC2D是一种用于模拟颗粒流动和固体颗粒行为的离散元素方法（DEM）软件。
它可以模拟三维颗粒流动和固体颗粒行为，并提供了丰富的功能和工具来进行各种类型的试验模拟。
在本文中，将介绍如何使用PFC2D进行三轴压缩试验的模拟，并提供相应的代码示例。
## 1. PFC2D简介PFC2D是一个基于离散元素方法的软件，用于模拟颗粒流动和固体颗粒行为。
它采用了离散元素方法来描述颗粒之间的相互作用，并通过求解牛顿第二定律来模拟力学行为。
PFC2D提供了丰富的功能和工具，可以进行各种类型的试验模拟，包括三轴压缩试验。
## 2. PFC2D三轴压缩试验原理三轴压缩试验是一种常用的土壤力学试验，用于研究土壤在不同应力条件下的变形特性。
在PFC2D中，可以通过设置不同应力条件和边界条件来模拟三轴压缩试验。
需要创建一个表示土体样品的颗粒模型。
可以使用PFC2D提供的颗粒生成工具来生成不同形状和大小的颗粒。
将这些颗粒放置在一个边界框内，并设置边界条件来模拟试验设备的约束。
接下来，需要定义试验过程中施加的应力条件。
可以通过设置边界条件或施加外部力来实现。
在三轴压缩试验中，通常会先施加垂直于样品顶部的轴向压力，然后逐渐增加侧向压力。
可以运行模拟并观察土体样品在不同应力条件下的变形和破坏情况。
PFC2D提供了丰富的分析工具和可视化功能，可以帮助用户分析模拟结果。
## 3. PFC2D三轴压缩试验代码示例以下是一个使用PFC2D进行三轴压缩试验模拟的简单代码示例：```python# 导入PFC2D库import pfc# 创建一个PFC2D模型model = pfc.New()# 设置模型尺寸model.domain(0, 100, 0, 100)# 创建一个颗粒组件grains = model.create.particles.random(1000, radius=(1, 5))# 设置边界条件model.create.boundary(0, 100, 0, 100)# 设置应力条件model.set.stressBoundary('top', 'z', -10)# 运行模拟model.run()# 分析模拟结果stress = model.measure.stress('z')strain = model.measure.strain('z')# 输出结果print("Stress: ", stress)print("Strain: ", strain)```上述代码示例中，首先导入了PFC2D库，并创建了一个PFC2D模型。
粗粒土的大型三轴试验及其变形与强度特性研究综述
般认 为 ，影 响粗粒土 抗剪强度 的因素有 ：密度 、颗粒级
律 ，以及剪切 中的剪胀效应 和颗粗 破碎性 的影响 ，较 全面
地 论 证 了 粗 粒 土 的 抗 剪 强 度 特 性 ；他 把 （ 一 ） 一８ 与
配 、颗 粒的几何 形状 、颗粒本身 的强度 、试 样 的含水 量 、 径径 比 、试样 尺寸 、剪 切速度 、应 力与应变 在状态 、应力
１ 粗粒 土的高压 三轴试 验及其变形与强度特性研究
１ ． １ 抗 剪 强 度
№ ） ］ ｐ ＝ ｃ Ｄ ＋ ；粗粒 土的抗剪强度包 络线呈非线 性 ，幂 函 数 强度 表达式 （ ａ 。 ／ ） 能较 好地 反映强 度包 络线 的非线
性 性 质 。 内摩 擦 角 随剪 胀 因子 的增 加 大致 呈 线性 增加 趋 势 ，说 明剪胀 性的发生会 增加粗 粒土 的抗 剪强度 ；通 过非
隙 比 ）和动力触探 击数分别 作为粗粒 土 的物 理和力学性 质
的特征 指标 。他 指 出：级 配 良好 的土的力学 强度要 比级配
不好 的土的抗剪 强度大些 ，并且 随着 粗粒土 中黏性土含 量
的增 加 ，粗 粒 土 的力 学性 质将 逐 渐 过渡 为黏 土 的力 学性
质。
轴剪切强度试验 ，研究粗粒土的强度及变形特性 。 粗 粒 土是 粗 颗粒 土 石混 合 料 （ 包 括 一般 所 称 的砾 石 土 、砂 卵石 、石 渣 、堆石 等 ）的总 称。它分 布广泛 ，储量 丰富 ，工 程特性 （ 密度 大 、抗剪强度 高 、沉 陷变形小 、透 水性 较强等 ）良好 。它们作 为一 种填 料正越来越广泛地 在 工程 中 ，尤其 在土石 坝工程 中得 到应用 。 自２ ０ 世 纪６ ０ 年
基于离散单元法的粗粒料缩尺效应探究
基于离散单元法的粗粒料缩尺效应探究李毓;李林安;陈坤生;张展嘉【摘要】In this paper, according to the gradation change of soil, five grades of graded samples were set up by means of the continuous gradation equation, the Taylor equation and the Fuller formula. The numerical simulation software PFC was used to carry out the direct shear test. According to the results, the paper analyzes the influence of gradation change on soil shear strength index and puts forward a new evaluation index of gradation, and establishes the index and the fitting relationship between the soil shear strength, and makes a detailed analysis.%粗粒料粒径较大,很难采用原型级配料开展相应的室内试验,有必要对原型土进行缩尺,并根据试验级配料试验结果推测原型土的力学参数.目前,对于粗粒土的缩尺效应依然缺乏足够的认识.针对土体的级配变化,通过连续级配方程、泰勒级配方程、Fuller理想级配方程人为设置5组不同的级配试样,利用数值模拟软件PFC开展直剪试验.分析级配变化对土体抗剪强度指标的影响规律,并提出新的级配评价指标,建立该指标与土体抗剪强度之间的拟合关系.研究结果表明:两者之间具有较好的曲线关系.【期刊名称】《铁道科学与工程学报》【年(卷),期】2018(015)007【总页数】8页(P1722-1729)【关键词】级配曲线;直剪试验;离散元;级配参数;强度指标【作者】李毓;李林安;陈坤生;张展嘉【作者单位】天津大学力学系,天津 300350;天津大学力学系,天津 300350;国立中央大学土木工程系,台湾中坜 32001;国立中央大学土木工程系,台湾中坜32001【正文语种】中文【中图分类】TU411粗粒料通常是由块石、碎石等粗颗粒组成的无黏性混合料。
粗粒土体变规律大型三轴试验研究
ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｉｓ ｒ ｏ ｎ ｗｉ ｔ ｈ ｂ ｏ ｔ ｈ Ｄｕ ｎ ｃ ａ ｎ ・ Ｃｈ ａ ｎ ｇ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｔ ａ ｎ ｇ ｅ ｎ ｔ ｐ ｏ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ’ Ｓ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｎ ｕ ｍｅ ｉ ｒ ｃ ａ ｌ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ
水利水 电技术
第４ ４卷
２ ０ １ ３年第 ６期
粗 粒 土 体 变 规 律 大 型 三 轴 试 验 研 究
孟 飞 ，张 家生 ，胡奇凡 ，陈晓斌 ，王启云
（ １ ．中南大 学 土 木工 程 学院 ，湖 南 长 沙 ４ １ ０ ０ ７ ５ ；２ ．铁 道 第三勘 察设 计 院集 团有 限公 司 ，天津 ３ ０ ０ ２ ５ １ ）
ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｔ ｈ ｅ ｖ ｏ ｌ ｕ ｍｅ ｔ ｉ ｒ ｃ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｉ ｌ — ｓ ａ ｍｐ ｌ ｅ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｉ ｓ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ｏ ｗｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｈｅ ｔ ｍｏ ｄ ｉ ｉ ｆ ｅ ｄ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｃ ａ ｎ ｒ ｅ ａ ｓ ｏ ｎ —
张模 型 及 其 改 进 模 型 应 用 于 粗 粒 土 研 究 中 ；张 嘎
型及 Ｅ—Ｋ模 型 对 粗 粒 土 体 积 应 变 特 性 的 预 测 往 往 存 在较 大 偏差 ，且 不 能 反 映粗 粒 土 的剪 胀 性 。 为 建
立 适 用 于 粗粒 土 的应 力 应 变关 系 ，国 内外 学 者进 行
并提 出 了改进 模 型 ；徐 明 ，宋 二祥 ¨ 以 由机 动 摩 擦 角控 制 的 Ｍｏ ｈ ｒ — Ｃ ｏ ｕ ｌ ｏ ｍ ｂ准 则 作 为屈 服 准 则 ，提 出一 个 能够 反 映 粗 粒 土 剪 胀 和 剪 缩 特 性 的应 变 硬 化 模 型 。Ｍｃ Ｄ ｏ ｗ ｅ Ｈ ¨ 和 Ｓ ａ ｌ ｉ ｍ １ ３ ］ 则 通 过 颗 粒 破 碎 与 荷 载 、颗 粒粒 径 的关 系 ，从 颗 粒 破 碎 耗 能 角 度 出 发 ， 提 出了 考 虑 土体 剪 胀 性 的 本 构 模 型 ；刘 萌 成 等 ¨
a基于三维离散元理论的粗粒土力学特性PFC3D数值模拟
△研＝矿’出
式中；Ｆ为切向接触速度； 址为计算时步。
ｌ
控制加载板柏对速度对试样 进行加载
ｉ
通过监测偏应力控制试验进度
切向作用力与位移的代数关系为：
觚’＝一矿△Ｃｒ
式中：七４为切向刚度；
（４）
《ｆ念Ｎ。
△研为切向位移增量。
接触点新的切身力由迭代计算给出：
Ｆ：卜Ｆ÷。七断：
２．３运动法则一牛顿运动定律
单个颗粒的运动形式由作用其上的合力和合 力矩决定，分别可用平动和转动描述：
８、ｌ ６、２
４Ｍｐａ下
童滴
８
进行颗粒流模拟试验．得到偏应力峰值如下表所
不： 衰２不同国压Ｔ偏＆力峰值
ＴＩｂ ２ Ｐ¨ｋ
单位；断ａ ｖ‘ｒ●ｏｕ¨ｏⅡｎｎ●ＩＥ
ｄｃｖｉ－ＩｏｒＫ￥ｔｍｓｉ…ｌｍ
…ｕ”
ａ错警墨；羔葚嚣２
利用培小二一乘法对表２数据进行线性回归．得
到大主应力Ｅ和小主应力ｏ，之『ｎＪ的差导式为：
ｓ●“ＰＩｅ
Ｍｋｍｐｍｐｔｒ“…ＰＦＣｊＤ
０ ３ｌ
ｏｆｒＢｕ№ｂｃｔｗｅ…ＩＩ ｓ…ｋ●ｎｄＰＦＣ
…Ｄｌｅ
祈蛄ｎ＊￥
Ｋａ＆＾￥ Ｉ ６６
一ｍ黼等鬻篙８嚣…
ｌ ２ ８ｘ１ ０１ ３ ５
４颗粒流模型参数灵敏度分析
３
４主要试验成果 作为三轴试验的重要成果，ＰＦｃ３。颗车矗流数值
影响颗粒流模型宏观山学特性的冈索众多。为 探明各细观参数对土的力学特性的蟛响，分别从摩
正＝３ ７７０正十Ｏ １２３
（７）
Ｆ＿｝４ｃｏｎｔＨｎ
ｂｅｔ…ｎ ＰＦｆ…ｐｋｉｎｄｎ¨…ｐｋ
其次．通过伺服机制对模型的围压进行严格控
制，分别对围压为０
基于PFC~(3D)的三轴数值试验模型在建筑垃圾堆填体稳定性分析中的应用
２ ０ １ ７年 第 ３期
ＥＮＶＩ Ｒ ＯＮＭＥ ＮＴ ＡＮＤ Ｓ Ｕ Ｓ Ｔ ＡＩ ＮＡＢＬ Ｅ ＤＥ ＶＥ Ｌ ＯＰＭＥＮ Ｔ Ｎｏ ３， ２ ０ １ ７
．
基于 Ｐ Ｆ Ｃ ３ Ｄ的三 轴 数 值 试 验模 型 在 建筑 垃 圾堆 填体 稳 定 性 分 析 中 的应 用
该 三轴试 验对应的颗粒流数值模 拟细观参数 ．建立基 于
Ｐ Ｆ Ｃ 的三轴数值 试验 模 型 ，得到 了较 为统 一 的强度 参
作者简介 ：苗雨 ，博士 ．教授 ，博士生导师 ，主要从事环境岩土工程 方面的研 究工作
通讯作者 ：陈海滨 ，教授 ，博士生导师 ，主要从事 固体废物处理及资 源化方 面的研 究 引用文献格式 ：苗 雨 等． 基于 Ｐ Ｆ Ｃ ３ Ｄ 的三轴数值试验模型在 建筑垃圾堆填体稳定性分析 中的应用 ［ Ｊ ］ ．环境 与可持续发展 ，２ ０ １ ７ ，４ ２ （ ３ ） ： ７ ４ － ７ ７
苗 雨 陈海 滨
４ ３ ０ ０ ７ ４ ； ４ ３ ０ ０ ７ ４ ） （ １ ． 华 中科技 大学 土木工程与力学学院 ，湖北 武汉 ２ ．华 中科技大 学环 境科 学与工程学院 ，湖北 武汉
【 摘要】随着我 国的城镇化进程加速显 著 ，建筑垃圾 堆填体数量急剧增加 ，存在 失稳 滑坡的潜在危险 ，现有研 究对于 建筑垃圾堆填体稳 定性 的研 究缺乏理论支撑。为此 ，本文首先选取典 型建筑垃圾堆填材 料进行 了室 内三轴试验 。确 定与该 三轴试验 对应的颗 粒流数值模 拟细观参数 ：然后 建立基 于 Ｐ Ｆ Ｃ 三轴数值 试验模 型 ，得到较 为统一 的强度 参 数 ；最后利 用 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ 软件和计算得到的 强度 参数 分析 了实际建筑垃圾 堆填 体 的稳 定性 。数 值算 例表 明 ．应 用本 文 方法判 断建筑垃圾堆填体的安全 系数 ．具有一 定的普适 性 ，可用 于分析 同类工程在堆填过程 中的坡体稳定性 ． ．
应用PFC3D模拟道砟三轴试验
研究探讨 Research290 应用PFC3D 模拟道砟三轴试验刘 力(山东职业学院铁道工程与土木工程系， 山东 济南 250104)中图分类号：G322 文献标识码：A 文章编号1007-6344（2018）05-0290-02摘要：本文基于William F. Anderson 的道砟室内三轴试验，应用离散元软件（PFC3D ），模拟道砟的三轴试验，两种试验取各项参数一样，比较二者的试验结果，验证PFC3D 模拟道砟的三轴试验的可行性，并分析道砟力学性质。
结果表明：道砟的室内三轴试验结果与数值模拟结果非常接近。
与室内试验相比，数值模拟试验的试样软化现象更明显。
关键词：道砟；三轴试验；PFC3D ；力学性质0 引言道砟作为粗砂砾或碎石用于铁路运输系统中，是轨道下部结构最重要的组成部分 [1]。
颗粒流理论是基于颗粒细观力学特征建立的一种简化的离散元法[2]，该方法将颗粒集料简化成具有一定形状、质量的颗粒的集合[3]，在研究道砟等散粒体的力学特性、相互作用等方面得到了广泛应用 [2,4-8]。
离散元程序PFC3D 被认为是研究道砟微观力学性质的最适合的数值方法。
[2,9]道砟的力学特性也可以通过微观颗粒尺度，如颗粒的平移、转动以及形态演化等解释。
井国庆等[10]应用PFC3D 模拟道砟三轴试验，研究道砟的宏观力学机理。
张徐等[11]应用PFC3D 建立道砟静态压碎的离散元模型，重点分析道砟的压碎强度。
本文基于William F. Anderson [12]的室内三轴试验结果，应用PFC3D模拟道砟的三轴试验，选取与室内试验一样的三轴仪尺寸、道砟密度及刚度等，比较二者的试验结果，验证参数一致时，PFC3D模拟室内试验结果的可行性，分析道砟的力学特性。
1 三轴压缩试验1.1 William F. Anderson [12]的室内三轴试验William F. Anderson 对道砟进行室内三轴试验，轴室直径为0.236m，高为0.455米。
椭球颗粒对PFC3D模拟三轴压缩试验的影响研究
文章编号：C S TA M2014．P47一E0139椭球颗粒对PFC3D模拟三轴压缩试验的影响研究+李幸，姜乐华(国防科学技术大学指挥军官基础教育学院，湖南，长沙410072)摘要：基于三维离散元颗粒流仿真软件PFC”，通过“CLUMP”方法(超单元)开发了椭球颗粒，建立了以椭球为基本单兀的砂土材料数值试件，并赋予颗粒相应的细观参数，以椭球颗粒为代表，研究了颗粒形状对模拟三轴压缩试验的影响。
结果表明，椭球颗粒能有效提高试件的稳态强度，并探讨得出了椭球颗粒之间由于互相“咬合”，导致初始接触数多于圆球颗粒是其试件强度较高的原因。
关键词：离散元；P F C”：三轴压缩试验；椭球颗粒；超单元]l士l ’l苗土是复杂的颗粒集合体，颗粒的细观特性影响着土的宏观力学性质【l，2J，从细观角度研究土的力学性质具有重要意义。
早期微观力学研究依赖于高精度试验设备和细观测量技术的研发，难度大且代价昂贵；另外，有限元等方法在处理非线性、大变形问题上存在一定缺陷。
目前，离散单元法(DEM)p j广泛运用于土的微观力学研究。
C u n da ll和S tr a ck[11在离散单元法的基础上提出了颗粒流法，研发了颗粒流程序(如It as ca公司研发的PFC2驯3D)，成为研究土的微观力学问题的一种有效手段。
CundallC21，Potyondy[4]，周健【21，蒋明镜[5]等运用P F C2D门。
进行土力学数值模拟试验，成功的用于分析岩石、砂土和黏性土等不同岩土介质的基础性问题研究。
早期的试验研究【6】以及采用颗粒流软件仿真分析(DoddsJ S等【7岿1)的结果表明，砂土力学性质受颗粒形状等微观参数的影响较大，因此国内外研究者利用P FC软件针对颗粒形状的单独影响进行了一些探索：张种[卅对比讨论了三种不同的异形颗粒和圆形颗粒对模拟双轴试验的影响，结果表明颗粒形状对颗粒试样的宏观特性有较大影响，且异形颗粒能够显著提高颗粒试样的剪切强度。
粗粒土三轴试验的细观模拟
粗粒土三轴试验的细观模拟
耿丽;黄志强;苗雨
【期刊名称】《土木工程与管理学报》
【年(卷),期】2011(028)004
【摘要】对排土场粗粒土进行室内三轴固结排水试验,以此试验结果为基础,基于三维离散元颗粒流理论,从细观角度出发,以PFC3D为工具,通过自编程序并引入接触黏结模型,得到按级配生成的粗粒土三轴试验三维颗粒流模型.对比了不同围压下颗粒流模型与三轴试验的应力应变关系.分析了颗粒细观参数对粗粒土强度的影响.结果表明:按级配曲线得到的PFC数值模型的应力应变曲线的变化趋势与试验值一致,但强度值略低于试验值.粗粒土强度随颗粒间摩擦系数、接触处黏结强度的增大而提高；颗粒形状对材料的抗剪强度影响显著.研究意义在于从细观角度揭示影响粗粒土强度的因素,突破了常规三轴试验的局限性.
【总页数】6页(P24-29)
【作者】耿丽;黄志强;苗雨
【作者单位】华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉430074;中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉430074;华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉430074
【正文语种】中文
【中图分类】TU441
【相关文献】
1.基于离散元理论的粗粒土三轴试验细观模拟 [J], 刘勇;朱俊朴;闫斌
2.基于 PFC3D 的粗粒土三轴试验细观参数敏感性分析 [J], 李灿;邱红胜;张志华
3.钢珠和玻璃珠模拟粗粒土的三轴试验研究 [J], 董启朋;姚海林;詹永祥
4.粗粒土三轴试验的细观模拟 [J], 耿丽;黄志强;苗雨
5.粗粒土三轴试验颗粒流细观参数敏感性分析 [J], 沈筠;莘子健
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基于PFC方法的粗粒土三轴试验尺寸效应研究_王飞
等质量替代法公式：
Pi
=
P5
Poi － Pdmax
P5
（ 1）
其中，Pi 为替代后某粒组含量，% ； Poi为原级配中某
粒组含量，% ； P5 大 于 5 mm 粒 径 的 颗 粒 含 量，% ；
Pdmax为超粒径颗粒含量，% 。
通过等质量替代法将 600 × 300 mm 样本进行
缩尺得到 4 个样本，分别是： 500 × 250，400 × 200，
后不同尺寸样本的应力 － 应变曲线。结果表明： PFC2D 可以很好的模拟三轴试验； 缩尺后的样本应变模量降低，且
随着样本尺寸的增大而增大，样本的抗剪强度也存在差异； 等质量替代法对缩尺后样本的尺寸大小有限制； 当样本
颗粒级配相同时，不同尺寸样本在峰前阶段的尺寸效应不明显。
［关键词］ 粗粒土； PFC2D； 尺寸效应； 大三轴试验
合资助 ［作者简介］ 王 飞（ 1990 — ） ，男，河北邯郸人，硕士研究生，研究方向为地质灾害与环境评价。
第2 期
王 飞，等： 基于 PFC 方法的粗粒土三轴试验尺寸效应研究
81
究了一些大型高压三轴试验仪器，最大试样直径达 到 120 cm，试样最大粒径达 250 mm［1］。但这些仪 器耗费大、数量少、工程实用性并不大，所以科学家 开始致力于缩尺效应研究，即通过相似级配法、等质 量替代法、剔 除 法、混 合 法 等 方 法［2］ 将 所 研 究 的 粒 级缩小到目前实验室可以研究的范围内，再根据缩 尺后级配土的性质推算原级配土的性质。
82
公路工程
39 卷
2 缩尺效应研究
2． 1 缩尺样本的新级配研究
通过公式（ 1） 的等质量替代法将 600 × 300 mm
PFC3D颗粒流模拟纳米黏土改良黄土三轴试验
PFC3D颗粒流模拟纳米黏土改良黄土三轴试验
张子萱;曹宝花;韩泽敏;许江波;程芳卉;陈绍华;侯鑫敏;詹皓辰
【期刊名称】《岩土工程技术》
【年(卷),期】2024(38)3
【摘要】基于PFC3D软件研究不同纳米材料、掺量、围压、干密度对改良黄土力学性能的影响,确定改良黄土宏细观之间的参数关系,通过建立改良黄土数值模型、三轴试验,获得了改良黄土的应力–应变曲线。
将数值模拟的结果与室内试验的结果相比较,通过数值模拟和室内三轴试验,得出的改良黄土抗剪强度指标基本吻合。
试验结果表明:(1)围压一定时,改良黄土试样偏应力随纳米黏土掺量的增加而增大;改良黄土的应力与应变正相关,不同围压时,表现为软化型和强硬化型;(2)当凹凸棒土掺量小于2%时,数值模拟得到的抗剪强度总体小于室内试验得到的抗剪强度,材料大于2%时则相反;(3)纳米蒙脱土改良黄土数值试样材料掺量小于等于4%时,数值模拟得到的抗剪强度大于室内试验的抗剪强度,大于4%则相反。
【总页数】9页(P365-373)
【作者】张子萱;曹宝花;韩泽敏;许江波;程芳卉;陈绍华;侯鑫敏;詹皓辰
【作者单位】长安大学公路学院;西安长大公路工程检测有限公司;中铁第一勘察设计院集团有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TU411
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1.颗粒流PFC3D数值模拟中标定细观参数的方法——拟合直剪试验法
2.应用PFC3D模拟道砟三轴试验
3.黄土取土方向微观分析与动三轴颗粒流模拟研究
4.基于PFC3D的黄土三轴试验细观参数敏感性分析
5.黄土三轴试验的颗粒流数值模拟
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粗粒土力学特性的大型三轴试验及离散元—有限元耦合模拟
粗粒土力学特性的大型三轴试验及离散元—有限元耦合模拟刘重宏;巨能攀;周新;许烈
【期刊名称】《成都理工大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2024(51)2
【摘要】本文旨在探究粗粒土的力学特性,并揭示细观力学组构与宏观变形特征之间的内在关系。
综合室内大型三轴试验及离散元—有限元耦合技术,建立还原大粒径块石含量及形状的粗粒土三维数值模型,基于柔性围压加载,考虑Rigid Block刚性块优化块石的细观模型,采用PFC程序对粗粒土试样开展了大型三轴试验数值模拟研究,分析粗粒土试样的宏观变形特征及细观力学组构特性。
试验研究表明:该试样呈现出应变强化效应,在围压柔性加载下,试样侧向鼓胀变形,试样中部发育“X”形剪切带,竖直方向接触力链逐渐加强,呈现贯通趋势。
结合宏观变形特征和细观力学组构综合分析,发现试样在竖直方向由压缩引发的变形程度较试样径向方向由剪切破坏所引发的变形程度更为显著,且竖直各向异性变化程度大于水平各向异性变化程度,这表明细观力学组构与宏观变形特征的变化趋势具有明显的一致性。
【总页数】12页(P291-302)
【作者】刘重宏;巨能攀;周新;许烈
【作者单位】地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)
【正文语种】中文
【中图分类】TU43
【相关文献】
1.级配和密实度对粗粒土三轴试验影响离散元分析
2.基于离散元理论的粗粒土三轴试验细观模拟
3.粗粒土大型直剪试验宏细观研究与离散元模拟
4.基于三轴试验与离散元模拟的路基土力学特性研究
5.粗粒土大型直剪试验的二维离散元模拟
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粗粒土三轴试验及邓肯模型参数研究的开题报告
粗粒土三轴试验及邓肯模型参数研究的开题报告一、研究背景与意义粗粒土广泛应用于土力学、地基工程等领域，其三轴试验是粗粒土力学特性研究的基础，对于建立粗粒土力学模型和分析土体应力应变规律具有重要意义。
邓肯模型作为一种经典的粗粒土力学模型，成为了研究粗粒土力学模型的重要工具之一。
因此，对粗粒土三轴试验及邓肯模型参数研究具有重要的理论和实际意义。
二、研究内容和方案本研究拟采用室内常规三轴试验来研究粗粒土在不同固结状态下的力学特性，其中包括MaAnShan粗粒土、长江黄土以及夏邑砂土等。
并基于三轴试验数据，采用邓肯模型对粗粒土的力学行为进行分析，并研究不同邓肯模型参数对其精度的影响。
具体实验方案如下：1. 样品准备：选取不同密度下的MaAnShan粗粒土、长江黄土以及夏邑砂土作为实验材料，并按照标准方法制备土样。
2. 实验步骤：对制备好的土样进行三轴试验，试验条件为不同固结状态、不同应力路径及加载速率等，记录试验数据。
3. 数据分析：基于试验数据，进行邓肯模型参数拟合并分析其敏感性，寻找最优参数组合。
4. 结果分析：通过对试验数据和邓肯模型拟合结果的分析，研究粗粒土的力学行为及该模型在粗粒土力学中的适用性。
三、研究意义和预计成果本研究旨在研究粗粒土的力学特性和邓肯模型的适用性，并为工程实践提供理论支持。
预计可以达到以下成果：1. 确定粗粒土的力学特性及其固结特性。
2. 研究不同固结状态下邓肯模型参数对其精度的影响。
3. 提出邓肯模型在粗粒土力学中的适用性和不足之处。
4. 为今后粗粒土力学特性研究提供参考和借鉴价值。
四、研究进度安排1. 前期准备（2022.01-2022.02）：文献阅读、资料收集、土样制备及实验设备校验等。
2. 实验及数据处理（2022.03-2022.06）：进行实验、处理试验数据，进行邓肯模型参数优化。
3. 结果分析和论文撰写（2022.07-2022.10）：分析实验数据和模型拟合结果，撰写开题报告和论文初稿。
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［ 关 键 词 ］粗 粒 土 ； Ｐ Ｆ Ｃ ２ Ｄ；尺寸 效 应 ； 大 三 轴 试 验
［ 中 图 分 类 号 ］Ｕ ４ １ ６ ． ０ ３ ［ 文 献 标识 码 ］Ａ ［ 文章 编 号 ］１ ６ ７ ４ — ０ ６ １ ０ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ２ — ０ ０ ８ ０ — ０ ４
王 飞 ，徐佩 华 ，高井望 。 ， 卢 丙清
（ １ ． 吉林 大 学 建 设 工 程 学 院 ， 吉 林 长 春 １ ３ ０ ０ ２ ６ ； ２ ． 重 庆 市 地 质 勘 查 开 发局 南 江 水 文 地 质［ 摘
要 ］粗 粒 土 是 工 程 建 设 过 程 中 经 常 遇 到 的一 类 土 ． 由于室内仪器限制 ． 通 常 将 其 按 一定 条 件 缩 尺后 进 行
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｎ Ｓ ｉ ｚ ｅ Ｅｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ｏ ｆ Ｃｏ ａ ｒ ｓ ｅ － ｇ ｒ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ Ｓ ｏ ｉ ｌ ｓ Ｔｒ ｉ ａ ｘ ｉ ａ ｌ Ｔｅ ｓ ｓ ｔ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＰＦＣ
Ｗ ＡＮＧ Ｆ ｅ ｉ ，ＸＵ Ｐ ｅ ｉ ｈ ｕ ａ ，ＧＡＯ Ｊ ｉ ｎ ｇ ｗａ ｎ ｇ ，ＬＵ Ｂｉ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ 。
第３ ９卷 ， 第 ２期
２ ０ １ ４年 ４月
公 路 工 程
Ｈｉ ｇ ｈ ｗａ ｙ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
Ｖｏ １ ． ３ ９，Ｎｏ ． ２ Ａｐ ｒ． ， ２ ０ １ ４
基于 Ｐ Ｆ Ｃ方 法 的粗 粒 土 三轴 试 验 尺寸 效 应 研 究
ｔ ｉ ｏ ｎ ，Ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ ４ ０ １ １ ４ ７ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
［ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ］Ｃ ｏ ａ ｒ ｓ ｅ － ｇ ｒ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｓ ｏ ｉ ｌ ｓ ａ ｒ ｅ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｉ ｌ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ａ ｌ ｗ ａ ｙ ｓ ａ ｒ ｅ ｅ ｎ ｃ ｏ ｕ ｎ ｔ ｅ ｒ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ —
ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｈｙ ｄ ｒ ｏ ｇ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ ＆Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｇｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｂ ｒ ｉ ｇ ａ ｄ ｅ ，ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ ｂ ｕ ｒ ｅ ａ ｕ ｏ ｆ Ｇｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ＆ Ｍｉ ｎ ｅ ｒ ａ ｌ ｓ Ｅ ｘ ｐ ｌ ｏ ｒ ａ —
室 内大 三轴 试 验 ． 进 而 推 算 原 级 配 土 的 强 度 特 性 。缩 尺 后 替 代 级 配 与 原 级 配 存 在 着 缩 尺 条 件 、 尺 寸效应 等问题 。 在 某 高 速 公 路 大 三 轴 试 验 数据 基 础 上 ． 运用 Ｐ Ｆ Ｃ ２ Ｄ软件 ， 将 ６ ０ ０ Ｘ ３ ０ ０ ｍ ｍ样本经 等质 量替代 法缩尺 ． 比较 了 缩 尺 后 不 同 尺 寸 样本 的 应 力 一应 变 曲线 。结 果 表 明 ： Ｐ Ｆ Ｃ ２ Ｄ可 以 很 好 的 模 拟 三 轴试 验 ； 缩 尺 后 的样 本 应 变 模 量 降 低 ， 且 随 着 样 本 尺 寸 的 增 大 而增 大 ， 样本的抗剪强度也存在差异 ； 等 质量 替 代 法对 缩 尺后 样本 的 尺 寸 大 小 有 限 制 ； 当 样 本
ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ． Ｄｕ ｅ ｔ ｏ ｉ ｎ ｄ ｏ ｏ ｒ ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｍｅ ｎ ｔ ｌ ｉ ｍｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ，Ｔｒ ｉ ａ ｘｉ ａ ｌ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｐｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍｅ ｄ ｕｎ ｄ ｅ ｒ ｃ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ ｓ ｃ ａ ｌ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｎ ｔ ｈｅ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｔ ｈｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｔｉ ｒ ｅ ｓ ｏ ｆ ｏ ｒ ｉ ｇ ｉ ｎ ａ ｌ ｓ ｏ ｉ ｌ ｇ ｒ ａ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ａ ｒ ｅ ｐ ｒ ｏ ｂ— ｌ ｅ ｍｓ ｏ ｆ ｓ ｉ ｚ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ａ ｎ ｄ ｓ ｃ ａ ｌ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｂ ｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ｎａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｇ ｒ ａ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｓ ｕ ｂ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ． Ａｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎｇ ｔ ｏ ｔ ｈｅ ｔ ｒ ｉ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｔ ｅ ｓ ｔ ｄ ａ ｔ ａ ｏ ｆ ｓ ｏ ｍｅ ｈ ｉ ｇ ｈ ｗａ ｙ， ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｍｐｌ ｅ ｏ ｆ ６ ０ ０ Ｘ ３ ０ ０ ｍｍ ｗｉ ｌ ｌ ｂ ｅ ｓ ｃ ａ ｌ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｗｉ ｌ ｌ ｃ ｏ ｎ— ｒ
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