黄土三轴试验的颗粒流数值模拟_李识博

第２ ６卷 第６期 ２ ０ １ ３年１ １月
（ ） 文章编号 ： １ ０ ０ １ ７ ３ ７ ２ ２ ０ １ ３ ０ ６ ０ ０ ２ ２ ０ ８ － － －
中 国 公 路 学 报 Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｈ ｉ ｈ ｗ ａ ａ ｎ ｄ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｏ ｒ ｔ ｇ ｙ ｐ
颗粒流程序 （ 从 细 观 力 学 特 征 出 发， 其不 Ｐ Ｆ Ｃ） 仅可以利用颗粒之间的相对运动位移来直观地表现 颗粒的运动 ， 而且能 够 模 拟 由 于 压 缩 而 产 生 的 应 力 集中 ， 目前已成为一 个 通 过 细 观 参 数 来 分 析 宏 观 力
［ ４］ 学 行 为 的 新 型 数 值 模 拟 技 术 。Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ等 运用
０ 引 言
黄土 是 一 种 第 四 纪 松 散 堆 积 物 ， 在中国分布范 围广 ， 多分布 于 西 北 、 华北和东北地区
［ ］ １ ２ －
要以粉粒为主 ， 多为大孔隙结构发育 ， 其抗剪强度是 研究黄土工程地质 特 性 最 重 要 的 指 标 之 一 ， 而对黄 土应力 －应变特征 的 研 究 是 揭 示 黄 土 抗 剪 强 度 的 重 要途径 。 因此 研 究 黄 土 的 应 力 －应 变 特 性 及 抗 剪 强 。黄土主
３ Ｄ Ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｌ ｏ ｅ ｓ ｓ Ｔ ｒ ｉ ａ ｘ ｉ ａ ｌ Ｓ ｈ ｅ ａ ｒ Ｔ ｅ ｓ ｔ ｂ Ｐ Ｆ Ｃ ｙ
１ １ ２ １ １ ，ＷＡＮＧ ，ＷＡＮＧ ｉ ｎ Ｌ Ｉ Ｓ ｈ ｉ ｂ ｏ Ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｎ Ｎ ｉ ａ ｎ Ｇ ａ ｎ ｃ ｈ ｅ ｎ ＹＡＯ Ｋ ａ ｎ － －ｍ －ｑ － ｇ ｇ ，ＷＡＮＧ ｇ ｇ， ｇ
Ｐ Ｆ Ｃ 对岩石的团块组合进行三轴应力 －应变模拟分 析， 得出了应力 、 应 变、 位移及峰值强度之间的关系
３ Ｄ
曲线 ； Ｔ ａ ｎ ｎ ａ ｎ ｔ等
［ ５］
利用油砂的三轴试验数 据 ， 构建
［ ６］
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ６ Ｎ ｏ ． ６ Ｎ ｏ ｖ ． ２ ０ １ ３
黄土三轴试验的颗粒流数值模拟
李识博１， 王常明１， 王念秦２， 王钢城１， 姚 康１
（ ） 吉林 长春 １ 陕西 西安 ７ １．吉林大学 建设工程学院 ， ３ ０ ０ ２ ６； ２．西安科技大学 地质与环境学院 ， １ ０ ０ ５ ４
３ Ｄ ） 摘要 ： 采 用 三 维 颗粒流 软 件 （ 对 陇 西 地 区 相 同 含 水 率、 不 同 围 压 和 相 同 围 压、 不同含水率条 Ｐ Ｆ Ｃ
； 含水 率 为 ２ 围 压 分 别 为 ０， 围压为１ 含 水 率 分 别 为 ２％ ， 件 下（ ０％ 时 ， ５ ０， １ ５ ０， ３ ０ ０ｋ Ｐ ａ ０ ０ｋ Ｐ ａ时， 的 黄 土 三轴 固结不 排 水剪 切 试验 进行 了 数 值 模 拟 ， 并 与 室 内 试 验 结 果 进 行 对 比， 得到 ６． ５％ ， １ ３％ ） 了 宏 观 的 应 力 －应 变 曲 线 、 应 变 能 －轴 向应 变 曲 线 以 及微 观 的 颗粒 间 应 力 场 、 位移 场 的变化规律 。 研 法 向 刚 度 控制 宏 观 变形模量 ， 法 向 刚 度与 切 向 刚 度 之 比 控 制 泊 松 比 ， 摩擦因数控制峰 究结果表 明 ： 值强度， 粘 结 强 度 控制 不 同 含水 率 下 抗剪 强 度 中 粘聚 力 大 小 ； 研究结果 较 全 面地 描述 了 黄 土 三轴 试 验从 宏 观到 微 观 的 全 过 程 。 关键词 ： 道路工程； 黄土； 三轴 试验 ； 颗粒流 ； 数值模拟 中图分类号 ： Ｕ ４ １ ６． １ ６ ９ 文献标志码 ： Ａ
：Ｔ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｒ ｉ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｕ ｎ ｄ ｒ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｓ ｈ ｅ ａ ｒ ｔ ｅ ｓ ｔ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｅ ｓ ｓ ｆ ｒ ｏ ｍ Ｌ ｏ ｎ ｘ ｉ ｒ ｅ ｉ ｏ ｎ ｗ ａ ｓ ｇ ｇ ３ Ｄ ， ， ， ｂ Ｐ Ｆ Ｃ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｓ ｕ ｃ ｈ ａ ｓ ２ ０％ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｔ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｌ ｏ ｅ ｓ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｙ ｓ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｎ ｆ ｉ ｎ ｉ ｎ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｓ（ ０， ５ ０， １ ５ ０， ３ ０ ０ｋ Ｐ ａ）ａ ｎ ｄ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｔ ｅ ｎ ｔ ｓ（ ２％ ， ｇ ｐ ６． ５％ ， １ ３％ ）ｏ ｆ ｌ ｏ ｅ ｓ ｓ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｍ ｅ ｃ ｏ ｎ ｆ ｉ ｎ ｉ ｎ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ １ ０ ０ｋ Ｐ ａ ． Ｗｈ ｏ ｓ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｇ ｐ ｃ ｏ ｍ ａ ｒ ｅ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｔ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ．Ｔ ｈ ｅ ｗ ｈ ｏ ｌ ｅ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｆ ｒ ｏ ｍ ｍ ａ ｃ ｒ ｏ ｔ ｏ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｅ ｓ ｓ ｐ ｙ ｐ ， ， ｔ ｒ ｉ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｓ ｈ ｅ ａ ｒ ｔ ｅ ｓ ｔ ｗ ａ ｓ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｄ ｆ ｒ ｏ ｍ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｓ ｓ ｕ ｃ ｈ ａ ｓ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ｉ － ｐ ｐ ｐ， ， ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｅ ｎ ｅ ｒ ｗ ｉ ｔ ｈ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｄ ｉ ｓ ｌ ａ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｇ ｙ ｐ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｍ ａ ｃ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｉ ｃ ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ｕ ｓ ｏ ｆ ｓ ａ ｍ ｌ ｅ ｉ ｓ ｄ ｅ ｃ ｉ ｄ ｅ ｄ ｂ ｐ ｐ ｐ ｙ ；Ｐ ｎ ｏ ｒ ｍ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｃ ｔ ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｉ ｓ ｓ ｏ ｎ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｉ ｓ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｄ ｂ ｔ ｈ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｏ ｆ ｎ ｏ ｒ ｍ ａ ｌ ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ｄ ｓ ｈ ｅ ａ ｒ ｙ ； ； ｅ ａ ｋ ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓ ｆ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｈ ａ ｓ ｉ ｍ ａ ｃ ｔ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｔ ｈ ｏ ｆ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｃ ｏ ｈ ｅ ｓ ｉ ｏ ｎ － ｐ ｐ ｇ ｗ ｉ ｔ ｈ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｔ ｅ ｎ ｔ ｓ ｃ ｈ ａ ｎ ｅ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈ ｂ ｏ ｎ ｄ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｔ ｈ． ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｇ ｇ ： ； ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓｒ ｏ ａ ｄ ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｏ ｅ ｓ ｓｔ ｒ ｉ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｔ ｅ ｓ ｔｐ ｆ ｌ ｏ ｗ； ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｇ ｇｌ ｙ
收稿日期 ： ２ ０ １ ３ ０ ３ １ ０ － － ） ； ） 基金项目 ： 国家自然科学基金重点项目 （ 国家自然科学基金项目 （ ４ １ １ ３ ０ ７ ５ ３ ４ ０ ９ ７ ２ １ ７ １， ４ １ ０ ７ ２ １ ９ １ ， ， ： 作者简介 ： 李识博 （ 女（ 回族 ） 内蒙古赤峰人 ， 工学博士研究生 ， １ ９ ８ ７ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｋ ｕ ｋ ｕ ｍ ａ ｈ ｕ ２ ６． ｃ ｏ ｍ。 －） ＠１
（ ｗ） 荷载 （ 墙体所受的应力 ） 度来决定 ， σ 为 （ ｗ）
， 对于试样内部颗粒间应力的变化
为了弥补 规律及颗粒运动位 移 的 变 化 却 无 法 了 解 ， 室内试验中无法观 测 土 颗 粒 变 数值模拟 。 Ｐ Ｆ Ｃ ）
３ Ｄ
（ ， ， ， ； １． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｊ ｉ ｌ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ｃ ｈ ａ ｎ ｃ ｈ ｕ ｎ １ ３ ０ ０ ２ ６， Ｊ ｉ ｌ ｉ ｎ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ２． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｇ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｇ ｙ ｇ ｇ ｙ ， ， ， ） Ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ Ｘ ｉ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ Ｘ ｉ ａ ｎ ７ １ ０ ０ ５ ４， Ｓ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ａ ｎ ｄ ｙ ｇ ｙ
第 ６ 期 李识博 ， 等： 黄 土 三轴 试验的 颗粒流 数 值 模 拟 度指标对于研究黄土地区工程地质性质具有重要意 义 。 室内试验对于黄土三轴的研究仅停留在宏观力 学参 数 的 获 得
［ ３］
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颗粒间的相互作用被处理成颗粒间的接触力和位移 的动态变化过程 ， 结合牛顿第二定律 ， 内力将在每一 时步下自动调 整 到 平 衡 状 态 。 颗 粒 假 设 为 刚 性 体 ， 变形主要来自于颗粒刚性体的滑移和转动以及接触 界面处的 张 开 和 闭 锁 。 颗 粒 之 间 采 用 接 触 约 束 模 颗粒的大小和排 列 的 紧 密 程 度 能 够 影 响 计 算 模 型， 型的离散特性 ， 因此 采 用 较 符 合 模 型 的 孔 隙 率 及 颗 粒的刚度和摩擦因 数 ， 并且通过调节微观参数的方 法来确定颗粒之间的粘结特性 。 １． ２ 计算原理 采用 Ｆ ｉ ｓ ｈ函数和数据文件模拟三轴剪切试验 过程中弹塑性材料 的 变 化 情 况 ， 通过内置的伺服控 制机制来控制围压的稳定 ， 利用模型上 、 下的 ２ 个压 板以一定速度运动 来 控 制 三 轴 试 验 的 轴 向 加 荷 ， 用 圆形颗粒的运动来模拟土颗粒在剪切过程中的位移 在整个模 拟 过 程 中 荷 载 通 过 墙 的 移 动 速 变化情况 ，