›› 2014, Vol. 35 ›› Issue (9): 2709-2716.

• 数值分析 • 上一篇    下一篇

基于离散元法的砂土破碎演化规律研究

周 博1, 2,黄润秋2,汪华斌1,王剑锋3   

  1. 1.华中科技大学 土木工程与力学学院,武汉 430074;2.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059; 3.香港城市大学 土木与建筑工程系,香港 999077
  • 收稿日期:2013-05-25 出版日期:2014-09-10 发布日期:2014-09-16
  • 作者简介:周博,男,1987年生,博士后,博士学历,主要从事砂土微观力学行为方面的研究工作
  • 基金资助:

    地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开放基金项目(No. SKLGP2012K019);国家自然科学基金青年基金项目(No. 51109182);国家自然科学基金(No. 41372296);科技部十二五支撑计划项目(No. 2012BAK10B02)。

Study of evolution of sand crushability based on discrete elements method

ZHOU Bo1, 2, HUANG Run-qiu2, WANG Hua-bin1, WANG Jian-feng3   

  1. 1. College of Civil Engineering and Mechanics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China; 3. Department of Civil and Architectural Engineering, City University of Hong Kong, Hong Kong 999077,China
  • Received:2013-05-25 Online:2014-09-10 Published:2014-09-16

摘要: 颗粒破碎是影响砂土宏-微观力学性质的重要因素。采用改进型的可破碎颗粒生成方法,通过设置不同强度的平行黏结键模拟不同强度的可破碎颗粒,并借用基于离散元方法(DEM)的双轴压缩试验详细研究了可破碎性土在剪切过程中颗粒破碎率/平均破碎程度、微观尺度上的能量耗散分配机制、剪切破碎带形成以及断裂键各向异性的演化过程。结果表明,颗粒破碎强烈地影响砂土在宏观尺度上的力学响应、颗粒尺度上的能量分配机制以及剪切过程中的颗粒的组织结构演化。颗粒破碎主要影响小应变阶段各能量耗散元的分配机制,而在临界状态下剪切带内的颗粒摩擦以及破碎耗能是消耗外界功的主要因素。数值结果亦表明,颗粒的破碎伴随着整个剪切过程,但破碎率的增长速度却随着剪切应变的发展逐渐降低。另外,在剪切过程中,对于低破碎性土,在临界状态下剪切破碎带基本形成,带内的原有组织结构被打乱,断裂键的各向异性也随之弱化。

关键词: 离散元, 破碎率, 能量耗散, 剪切带, 各向异性

Abstract: Detailed knowledge of crushability evolution and particle-scale energy allocation behavior under the influence of particle breakage is of fundamental importance to the development of micromechanics-based constitutive models of sands. This study reports original results of the particle development, energy input/dissipation and shear band formation of idealized crushable sands using 2D discrete elements simulations. Particle breakage is modeled as the disintegration of synthetic agglomerate particles which are made up of parallel-bonded elementary discs. Simulation results show that the particle crushability strongly affect the mechanical response in macroscopic level and energy allocation in particle-scale level of the soil both at small and large strains. The major role of particle breakage, which itself only dissipates a negligible amount of input energy, is found to advance the soil fabric change and promote the inter-particle friction dissipation. At large strains where particle breakage is greatly reduced, a steady energy dissipation by inter-particle friction and mechanical damping is observed. Furthermore, it is found that the amount of particle breakage keeps increasing during the whole shearing process; but the rate of particle breakage decreases gradually with the applied axial strain. And a clear shear band can be found in low-crushable soil and the anisotropy of the broken bonds becomes weaker and weaker as the development of shearing.

Key words: discrete elements, crushing ratio, energy dissipation, shear band, anisotropy

中图分类号: 

  • O 302
[1] 徐杰, 周建, 罗凌晖, 余良贵, . 高岭-蒙脱混合黏土渗透各向异性模型研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 469-476.
[2] 孙红, 宋春雨, 滕慕薇, 葛修润. 加荷条件下软黏土的孔隙演化特征[J]. 岩土力学, 2020, 41(1): 141-146.
[3] 范运辉, 朱其志, 倪涛, 张坤, 张振南, . 基于弹性张量离散化的脆延转变本构模型研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(S1): 181-188.
[4] 赵国彦, 李振阳, 吴浩, 王恩杰, 刘雷磊. 含非贯通裂隙砂岩的动力破坏特性研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(S1): 73-81.
[5] 彭守建, 岳雨晴, 刘义鑫, 许江, . 不同成因结构面各向异性特征及其剪切力学特性[J]. 岩土力学, 2019, 40(9): 3291-3299.
[6] 孙博, 杨怀德, 谷玲, 刘跃, 唐碧华, 赵桂连, 张连明. 基于UDEC颗粒模型的不确定性分析[J]. 岩土力学, 2019, 40(9): 3679-3688.
[7] 尹晓萌, 晏鄂川, 王鲁男, 陈 利, . 各向异性片岩的微观组构信息定量 提取与断面形貌特征分析[J]. 岩土力学, 2019, 40(7): 2617-2627.
[8] 马德鹏, 周岩, 刘传孝, 商岩冬, . 不同卸围压速率下煤样卸荷破坏能量演化特征[J]. 岩土力学, 2019, 40(7): 2645-2652.
[9] 彭宇, 丁选明, 肖杨, 楚剑, 邓玮婷, . 基于染色标定与图像颗粒分割的 钙质砂颗粒破碎特性研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(7): 2663-2672.
[10] 赵振华, 张晓君, 李晓程, . 含卸压孔硬岩应力松弛特性试验研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(6): 2192-2199.
[11] 加瑞, 雷华阳, . 有明黏土各向异性固结特性的试验研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(6): 2231-2238.
[12] 王蕴嘉, 宋二祥. 堆石料颗粒形状对堆积密度及强度影响的 离散元分析[J]. 岩土力学, 2019, 40(6): 2416-2426.
[13] 付龙龙, 周顺华, 田志尧, 田哲侃, . 双轴压缩条件下颗粒材料中力链的演化[J]. 岩土力学, 2019, 40(6): 2427-2434.
[14] 陈 峥, 何 平, 颜杜民, 高红杰, . 考虑土拱效应的管棚合理间距计算方法[J]. 岩土力学, 2019, 40(5): 1993-2000.
[15] 丁建源, 陈晓斌, 张家生, 刘怡吟, 肖源杰, . 基于对数几率回归模型的粗颗粒土颗粒 破碎过程演化研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(4): 1465-1473.
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[1] 魏 丽,柴寿喜,蔡宏洲,王晓燕,李 敏,石 茜. 麦秸秆加筋材料抗拉性能的实验研究[J]. , 2010, 31(1): 128 -132 .
[2] 黄庆享,张 沛,董爱菊. 浅埋煤层地表厚砂土层“拱梁”结构模型研究[J]. , 2009, 30(9): 2722 -2726 .
[3] 刘争宏,廖燕宏,张玉守. 罗安达砂物理力学性质初探[J]. , 2010, 31(S1): 121 -126 .
[4] 雷金波,陈从新. 基于双曲线模型的带帽刚性桩复合地基荷载传递机制研究[J]. , 2010, 31(11): 3385 -3391 .
[5] 王登科,刘 建,尹光志,韦立德. 突出危险煤渗透性变化的影响因素探讨[J]. , 2010, 31(11): 3469 -3474 .
[6] 张成平,张顶立,骆建军,王梦恕,吴介普. 地铁车站下穿既有线隧道施工中的远程监测系统[J]. , 2009, 30(6): 1861 -1866 .
[7] 王 军,曹 平,李江腾,刘业科. 降雨入渗对流变介质隧道边坡稳定性的分析[J]. , 2009, 30(7): 2158 -2162 .
[8] 张 渊,万志军,康建荣3,赵阳升. 温度、三轴应力条件下砂岩渗透率阶段特征分析[J]. , 2011, 32(3): 677 -683 .
[9] 唐世斌,唐春安,李连崇,张永彬. 湿度扩散诱发的隧洞时效变形数值模拟研究[J]. , 2011, 32(S1): 697 -0703 .
[10] 席人双,陈从新,肖国锋,黄平路. 结构面对程潮铁矿东区地表及岩体移动变形的影响研究[J]. , 2011, 32(S2): 532 -538 .