考慮顆粒破碎的粗粒料力學(xué)特性研究綜述

蘇 明

(1.長江科學(xué)院 材料與結(jié)構(gòu)研究所，武漢 430010；2.合肥建工集團(tuán)有限公司，合肥 230088)

考慮顆粒破碎的粗粒料力學(xué)特性研究綜述

蘇 明1,2

(1.長江科學(xué)院 材料與結(jié)構(gòu)研究所，武漢 430010；2.合肥建工集團(tuán)有限公司，合肥 230088)

粗粒料在荷載及自身重力作用下易發(fā)生顆粒破碎，且顆粒破碎具有隨機(jī)性和不確定性，嚴(yán)重影響了粗粒料的力學(xué)特性。基于此，從考慮顆粒破碎的物理試驗出發(fā)，介紹了粗粒料的本構(gòu)模型、影響顆粒破碎的因素、顆粒破碎對粗粒料力學(xué)特性的影響，以及顆粒破碎物理模型研究的局限性；系統(tǒng)總結(jié)了考慮顆粒破碎的粗粒料力學(xué)特性的數(shù)值模擬研究方法(如DEM，PFC，DDA等)及其存在的缺陷，并為突破數(shù)值模擬方法不能考慮顆粒破碎的限制提出了2種解決方法。最后，對今后的研究方向提出了展望——需從細(xì)觀機(jī)理方面建立粗粒料各組構(gòu)要素的關(guān)系。

粗粒料；力學(xué)特性；顆粒破碎；本構(gòu)模型；物理試驗；數(shù)值模擬

1 研究背景

粗粒料是由大小不等、性質(zhì)不一的顆粒彼此充填而成的散粒集合體，其宏觀力學(xué)特性非常復(fù)雜。目前有限的物理試驗方法難以揭示粗粒料真實的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，在各種理論基礎(chǔ)上提出的本構(gòu)模型也難以準(zhǔn)確反映粗粒料受力后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。從細(xì)觀來看，如果以顆粒作為研究對象，粗粒料的應(yīng)力-應(yīng)變問題就成為散粒集合體的顆粒間相互作用問題，如果能合理地描述顆粒間的接觸力學(xué)關(guān)系和顆粒破碎過程，就有可能采用數(shù)值分析方法分析散粒集合體即粗粒料的力學(xué)特征，建立合理的粗粒料本構(gòu)模型，為工程建設(shè)與維護(hù)提供理論依據(jù)。

2 物理試驗研究現(xiàn)狀

2.1 考慮顆粒破碎的粗粒料本構(gòu)模型

土具有非常復(fù)雜的非線性特征，國內(nèi)外土的本構(gòu)模型研究有上百種，但真正用于工程實際并為工程界所接受甚少。國際上經(jīng)典的土的本構(gòu)模型有鄧肯-張模型、摩爾-庫倫理想彈塑性模型、劍橋模型、Rowe剪脹模型等，國內(nèi)應(yīng)用較多的土的本構(gòu)模型有清華K-G模型、沈珠江南水雙屈服面模型、殷宗澤橢圓-拋物線雙屈服面模型。土的流變模型主要有沈珠江三參數(shù)指數(shù)流變模型以及程展林等[1]提出的九參數(shù)冪函數(shù)流變模型。

粗粒料是高堆石壩的主要筑壩材料，相對于砂土而言，粗粒料具有顆粒尺寸大、孔隙比小、高接觸應(yīng)力下易于發(fā)生顆粒破碎的特點。粗粒料的顆粒破碎對土體的峰值強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、剪脹、滲透系數(shù)、孔隙水壓力發(fā)展等工程特性都會產(chǎn)生影響，導(dǎo)致土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系發(fā)生變化，因此，在建立本構(gòu)模型時，考慮顆粒破碎是必要的。

遲世春等[2]建立了修正的羅維剪脹本構(gòu)模型，雖然具有低剪脹性的優(yōu)點，但是并沒有考慮顆粒破碎造成的顆粒內(nèi)摩擦角的變化，也缺少與顆粒破碎參量對應(yīng)的硬化規(guī)律。賈宇峰等[3]推導(dǎo)考慮顆粒破碎的粗粒土剪脹性“統(tǒng)一本構(gòu)模型”，既考慮了顆粒破碎對粗粒土剪脹、內(nèi)摩擦角的影響，又考慮了剪脹特性與土體初始狀態(tài)的關(guān)系。孫海忠等[4]建立了考慮顆粒破碎的粗粒料臨界狀態(tài)彈塑性本構(gòu)模型，模型能較好地闡述低圍壓和相對中高圍壓下粗粒料的強(qiáng)度和變形特性。姚仰平等[5]提出無黏性土的動力統(tǒng)一硬化模型，能合理反映無黏性土的顆粒破碎效應(yīng)以及動力加載條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。Liu等[6]建立廣義塑性本構(gòu)模型，顆粒破碎及其影響通過與塑性耗散能有關(guān)的臨界狀態(tài)雙曲線來描述。

2.2 顆粒破碎的描述

顆粒破碎貫穿于堆石壩的建設(shè)期與運行期，顆粒破碎率直接影響堆石壩的應(yīng)力與變形，因而準(zhǔn)確地認(rèn)識、描述粗粒料顆粒破碎后的性質(zhì)至關(guān)重要。又因顆粒破碎現(xiàn)象復(fù)雜，顆粒破碎具有隨機(jī)性和不確定性，目前大部分顆粒破碎的度量指標(biāo)建立在統(tǒng)計學(xué)的基礎(chǔ)上，對顆粒破碎的程度具有整體性和映射性的描述，能夠綜合反映堆石體顆粒破碎對大壩應(yīng)力與變形的影響。

Hardin[7]定義土體的破碎勢Bp為加載前級配曲線與0.074 mm粒徑線所圍成的面積，土體的整體破碎參量Bt為加載前后級配曲線圍成的面積，相對破碎參量Br=Bt/Bp；Br能夠反映級配曲線的整體變化，考慮了不同初始級配對破碎的影響。Marsal[8]提出的顆粒破碎率Bg，其值為試驗前后顆粒各粒組含量之差的絕對值之和，雖能反映整個破碎過程中某粒組的相對變化量，但不能反映某粒組在顆粒破碎過程中的實際破碎量。Miura等[9]提出了采用顆粒新生表面積ΔS作為度量顆粒破碎程度的指標(biāo)，但該指標(biāo)需要事先確定顆粒形狀，對于形狀不規(guī)則的顆粒適用性不好。石修松等[10]認(rèn)為粗粒料破碎分形維數(shù)反映了顆粒破碎后粒徑的大小、分布的均勻程度、分形維數(shù)與破碎量成正相關(guān)性，并與Marsal[8]提出的顆粒破碎率存在線性回歸關(guān)系，且其與粗粒料的粒徑分布具有明顯的映射關(guān)系，因而利用破碎分形維數(shù)來反映粗粒料顆粒破碎前后的粒徑分布更具有準(zhǔn)確性。

2.3 顆粒破碎的影響因素

巖石是天然產(chǎn)出的具有穩(wěn)定外形的礦物或玻璃集合體，按照一定的方式結(jié)合而成。粗粒料是巖石破碎后的組合體，因而粗粒料的顆粒破碎受巖石的力學(xué)性質(zhì)影響，諸如巖石的密度、強(qiáng)度和細(xì)觀結(jié)構(gòu)，同時粗粒料顆粒的大小、形狀、風(fēng)化程度、初始孔隙比、級配曲線以及表面的粗糙程度都將影響其破碎。當(dāng)然粗粒料的破碎肯定是有外因作用的，譬如取樣過程、應(yīng)力水平、應(yīng)力路徑、邊界條件、受荷時間、濕化程度，以及動力加載的荷載頻率和循環(huán)次數(shù)等因素。

王者超等[11]認(rèn)為高應(yīng)力下砂土的蠕變過程伴隨著顆粒破碎現(xiàn)象，且粗粒料受荷時間越長，顆粒破碎率越大。劉漢龍等[12]認(rèn)為顆粒破碎率隨圍壓的增加而增加，二者之間的關(guān)系可以用雙曲線表示。傅華等[13]發(fā)現(xiàn)粗顆粒土的母巖強(qiáng)度或細(xì)顆粒含量越高，或粗顆粒土的渾圓度越好，顆粒受力破碎率越小。Lackenby等[14]認(rèn)為，通過控制碎石的圍壓和偏應(yīng)力可以影響碎石的變形和破碎。高玉峰等[15]認(rèn)為應(yīng)該重視粗粒料在試樣制備過程中所發(fā)生的顆粒破碎。劉堯等[16]認(rèn)為顆粒破碎率與法向應(yīng)力成正相關(guān)性，顆粒破碎受剪應(yīng)力大小的影響程度與法向應(yīng)力成負(fù)相關(guān)性。楊光等[17]認(rèn)為應(yīng)力路徑對粗粒料的強(qiáng)度特性影響并不顯著，顆粒破碎率與輸入塑性功成正相關(guān)性。魏松等[18]通過試驗得出濕化顆粒破碎隨著圍壓和濕化應(yīng)力水平的增大而增大。Indraratna等[19]研究了循環(huán)荷載作用下粗粒料的永久變形和破碎，并得出結(jié)論：隨著荷載頻率和循環(huán)次數(shù)的增加，粗粒料的永久變形和破碎量增大；大部分顆粒破碎發(fā)生在循環(huán)初期。

粗粒料顆粒破碎具有普遍性，即使像花崗巖那樣堅硬的巖石顆粒有時在很小的應(yīng)力下就發(fā)生破碎。粗粒料大顆粒中含有大量的裂紋或缺陷，承載能力差，易破碎。顆粒破碎不但與顆粒本身粒徑有關(guān)，也受相鄰顆粒大小的影響，同時還與相鄰顆粒的接觸個數(shù)有關(guān)。

2.4 顆粒破碎對粗粒料力學(xué)特性的影響

粗粒料在外力及自身重力作用下產(chǎn)生顆粒破碎，對土體的力學(xué)特性產(chǎn)生顯著的影響。顆粒破碎致使粗粒料的內(nèi)摩擦角發(fā)生變化，進(jìn)而影響其抗剪強(qiáng)度；同時顆粒破碎使粗粒料的孔隙比減小，使粗粒料更加密實，在一定程度上影響了粗粒料受力產(chǎn)生的剪脹作用。由于顆粒破碎受承載時間和濕化條件的影響，隨著受載時間的增長和濕化條件的增強(qiáng)，堆石壩粗粒料的顆粒破碎率逐漸增長，進(jìn)而增大了壩體的流變變形，使大壩的局部變形和整體體積變形逐漸增大，因而深入研究顆粒破碎對粗粒料力學(xué)特性的影響意義重大。

張季如等[20]發(fā)現(xiàn)粗砂的內(nèi)摩擦角隨著顆粒破碎量的增加而增大，細(xì)礫的內(nèi)摩擦角先增大后減小，二者最終都趨于穩(wěn)值。徐永福等[21]認(rèn)為顆粒破碎是影響粒狀材料變形與強(qiáng)度的主要因素，且是粒狀體塑性壓縮變形的根源。趙光思等[22]提出福建標(biāo)準(zhǔn)砂內(nèi)摩擦角隨顆粒相對破碎率的增大呈負(fù)指數(shù)函數(shù)減小，顆粒破碎導(dǎo)致砂在高壓條件下的剪切特性呈非線性狀態(tài)。梁軍等[23]認(rèn)為細(xì)化破碎的顆粒滑移充填孔隙是堆石發(fā)生蠕變的重要原因，顆粒破碎引起堆石級配的改變，從而引起后期變形。郭熙靈等[24]研究表明，粗粒料剪脹性與強(qiáng)度指標(biāo)、壓力與顆粒破碎率成正相關(guān)性，顆粒破碎率與強(qiáng)度指標(biāo)、剪脹性成負(fù)相關(guān)性。張家銘等[25]研究認(rèn)為，圍壓的增加促使鈣質(zhì)砂顆粒破碎加劇，且剪脹影響減小，顆粒破碎影響增大。

2.5 顆粒破碎物理試驗局限性

由于設(shè)計水平、現(xiàn)代施工能力的提高，土石壩壩體填筑料的最大粒徑已提高甚至超過1 000 mm。通常室內(nèi)三軸試驗試樣尺寸為300 mm，試樣最大允許粒徑僅為60 mm，所以只能對壩體填筑料進(jìn)行縮尺研究。凌華等[26]認(rèn)為粗粒料隨著最大粒徑的增大，強(qiáng)度指標(biāo)c增大、φ變小，非線性強(qiáng)度指標(biāo)φ0變大、Δφ變大，顆粒破碎影響粗粒料強(qiáng)度隨最大粒徑變化?；〗艿萚27]認(rèn)為堆石顆粒的破碎也存在尺寸效應(yīng)，大顆粒較小，顆粒之間有更多微裂隙，更容易發(fā)生破碎。粗粒料的蠕變是堆石體系統(tǒng)內(nèi)部散體顆粒破碎、滑移、充填不斷循環(huán)并趨于平衡的調(diào)整過程[28]，室內(nèi)堆石試樣內(nèi)部調(diào)整平衡的速率比堆石壩要快得多；其次，堆石壩在運行過程中，會受到濕化、日曬雨淋和氣溫變化等影響，導(dǎo)致堆石強(qiáng)度逐漸降低，這都將導(dǎo)致現(xiàn)場粗粒料蠕變量較室內(nèi)試驗大。所以進(jìn)行縮尺研究后，粗粒料的力學(xué)特性發(fā)生了較大的變化，室內(nèi)試驗在一定程度上反映了粗粒料強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、蠕變變形等特性，但是縮尺效應(yīng)的影響不可忽視。

粗粒料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)是指土顆粒自身形狀及其空間排列方式，土顆粒間的排列方式和粒間作用力決定其宏觀力學(xué)性質(zhì)。粗粒料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究是觀察粗粒料在受力變形過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，如試樣在受力前后孔隙的大小和分布、配位數(shù)和接觸法線的分布等細(xì)觀結(jié)構(gòu)問題；同時以此研究其對顆粒接觸力變化、顆粒破碎的影響。由于粗粒料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、多樣性，研究粗粒料顆粒破碎的力學(xué)特性就必須進(jìn)行大量的物理模型試驗，基于統(tǒng)計學(xué)的基礎(chǔ)來揭示其規(guī)律，這在現(xiàn)實的室內(nèi)試驗中有一定的人力、物力資源限制；而且有時室內(nèi)試驗得到的結(jié)果與實際工程甚至相對立，這就需要數(shù)值模擬加以驗證，從細(xì)觀的角度認(rèn)識顆粒破碎的規(guī)律及其對粗粒料力學(xué)特性的影響。

3 顆粒破碎的數(shù)值模擬試驗

隨著數(shù)值模擬方法的發(fā)展和高性能計算機(jī)的運用，以及粗粒料現(xiàn)場、室內(nèi)試驗的諸多限制因素，使得數(shù)值模擬方法在粗粒料的力學(xué)特性研究中應(yīng)用越來越廣泛，同時也可以作為物理試驗的補(bǔ)充與驗證?？紤]顆粒破碎的粗粒料力學(xué)特性研究，由于室內(nèi)試驗縮尺效應(yīng)的影響，以及顆粒破碎的隨機(jī)性和復(fù)雜性，室內(nèi)試驗難以反復(fù)地從細(xì)觀結(jié)構(gòu)充分認(rèn)識顆粒破碎的機(jī)制和顆粒破碎帶來的粗粒料力學(xué)特性的變化，而數(shù)值模擬則能避開或者解決這些問題，為研究考慮顆粒破碎的粗粒料的力學(xué)特性提供一條有利的途徑。

3.1 DEM數(shù)值模擬試驗

離散元法(DEM)將含不連續(xù)面的巖體看作若干塊剛體組成，塊體之間靠角點作用力維持平衡，角點接觸力用彈簧和黏性元件描述，并服從牛頓第二運動定律，塊體的位移和轉(zhuǎn)動用動力松弛法按時步進(jìn)行迭代求解。

蔣明鏡等[29]采用DEM研究膠結(jié)巖土材料的結(jié)構(gòu)破損規(guī)律，發(fā)現(xiàn)膠結(jié)強(qiáng)度、應(yīng)力比以及圍壓均對數(shù)值試樣的結(jié)構(gòu)破損規(guī)律產(chǎn)生影響。Lobo-guerrero等[30]運用DEM研究顆粒材料受力破碎演化的可視化過程，發(fā)現(xiàn)顆粒破碎并非均勻發(fā)展，而是集中于某些區(qū)域。Hosseininia等[31]運用DEM模擬二維多邊形顆粒的破碎，每個原始顆粒運用更小的相互粘結(jié)的次顆粒代替，若粘結(jié)失效，原始顆粒破碎；并由此研究了顆粒破碎對粗粒料宏觀和細(xì)觀的力學(xué)參數(shù)影響。Lobo-guerrero等[32]運用DEM研究了軸向壓縮荷載和離心荷載情況下圓柱狀顆粒破碎的可視化過程，軸向壓縮試驗中顆粒破碎呈均勻分布，而不斷增大的離心荷載中試驗顆粒破碎集中于容器的底部。Hosseininia等[33]利用DEM模擬二維多邊形顆粒的破碎，研究了顆粒破碎過程中粗粒料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演化，以及由此帶來的宏觀力學(xué)參數(shù)的變化和顆粒強(qiáng)度對粗粒料力學(xué)性能的影響，同時研究了顆粒破碎強(qiáng)度對粗粒料性能的影響。Estay等[34]采用基于DEM的離散破碎模型(DCM)模擬巖石破碎過程，DCM可以確定巖石開裂的類型、裂紋的萌生以及傳播方向，但是不能準(zhǔn)確地確定復(fù)雜裂紋的路徑。

3.2 PFC數(shù)值模擬試驗

顆粒流(PFC)數(shù)值模擬中的基本顆粒為剛性、不可破碎的圓盤或圓球，計算方法與DEM基本相同。

史旦達(dá)等[35]利用二維PFC中的接觸黏結(jié)模型來模擬砂土的顆粒破碎特性，通過分析內(nèi)部接觸力和黏結(jié)破碎位置的變化來研究顆粒破碎的細(xì)觀演化規(guī)律。李永松等[36]采用PFC，研究發(fā)現(xiàn)砂土的峰值強(qiáng)度以及體積應(yīng)變性質(zhì)受顆粒破碎影響強(qiáng)烈，通過分析顆粒破碎的位置和試樣內(nèi)位移場得到顆粒破碎的細(xì)觀演化規(guī)律。劉君等[37]利用PFC對粗粒料進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)顆粒破碎的細(xì)觀演化規(guī)律和破碎帶的分布范圍。李凡[38]基于PFC理論，利用顆粒接觸膠結(jié)本構(gòu)模型，通過記錄試樣膠結(jié)破損的數(shù)目和空間位置來反映結(jié)構(gòu)性巖土材料破損特性。Indraratna等[19]運用PFC圓盤簇黏結(jié)技術(shù)形成2D尖角顆粒模型，黏結(jié)的退化失效表征顆粒破碎，利用細(xì)觀力學(xué)參數(shù)如接觸力和黏結(jié)力的分布在循環(huán)荷載作用下的發(fā)展來解釋顆粒破碎的力學(xué)機(jī)制。

顆粒流方法中一個很大的缺陷在于，其模型的基本組成單元為剛性的不可破碎的圓盤或圓球?，F(xiàn)實的顆粒材料受外力作用、變形或自身應(yīng)力狀態(tài)改變時，其內(nèi)部的細(xì)觀物理過程表現(xiàn)出顆粒的碎裂、滑移滾動，雖然目前的PFC程序采用Cluster技術(shù)，即由基本單元組成的可破碎的顆粒團(tuán)，但顆粒破碎成基本單元圓盤或圓球后則不能繼續(xù)變形破碎了，而且還存在諸如旋轉(zhuǎn)摩擦等問題。

3.3 DDA數(shù)值模擬試驗

非連續(xù)變形分析(DDA)[39]以離散的塊體集合作為研究對象，以天然存在的不連續(xù)面，如節(jié)理、裂隙等切割巖體形成塊體單元，各個塊體的位移為未知量，通過塊體的接觸和幾何約束形成一個塊體系統(tǒng)；塊體單元受非連續(xù)面的控制，在塊體運動過程中，滿足塊體間不侵入和不承受拉伸力的條件，總體平衡方程由系統(tǒng)的最小勢能原理求得；求解方程組即可得到塊體當(dāng)前時步的位移場、應(yīng)力場、應(yīng)變場及塊體間的作用力。

郭培璽等[40]按照一定的級配曲線在計算機(jī)上生成隨機(jī)松散的二維粗粒料顆粒模型，采用DDA模擬顆粒受重力作用的下落與形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的聚合體，同時應(yīng)用DDA對粗粒料的力學(xué)特性進(jìn)行模擬。張國新等[41]采用DDA模擬了土的平面應(yīng)變試驗，通過分析顆粒間的受力位移，揭示了砂土的剪脹性、彈塑性、卸載-再加載的滯回圈、應(yīng)變軟化，卸載體縮、各向異性等變形特性。運用DDA數(shù)值方法研究粗粒料的大變形問題具有可靠的依據(jù)，但是目前少有模擬顆粒破碎，文獻(xiàn)[40-41]也沒有考慮顆粒破碎。張秀麗[42]應(yīng)用DDA研究巖石的破碎時，將計算區(qū)域離散為細(xì)密的三角形塊體系統(tǒng)，用虛擬節(jié)理將其兩邊的塊體粘結(jié)起來，以模擬連續(xù)區(qū)特性，而虛擬節(jié)理的動態(tài)變化將決定裂紋沿塊體單元邊界的擴(kuò)展。這種思路和做法，對研究考慮顆粒破碎粗粒料的力學(xué)特性具有一定的參考價值。

3.4 其它數(shù)值模擬試驗

Ma等[43]基于細(xì)觀結(jié)構(gòu)的晶格彈簧模型(Distinct Lattice Spring Model，DLSM)模擬了巖石的動態(tài)裂縫擴(kuò)展。馬剛等[44]基于隨機(jī)顆粒不連續(xù)變形模型(SGDD)，通過在顆粒的細(xì)觀單元之間插入界面單元，采用黏聚力裂縫模型模擬界面單元的起裂、擴(kuò)展和失效，研究顆粒破碎對粗粒料強(qiáng)度和變形的影響。Kh等[45]聯(lián)合有限元和離散元法模擬有尖角顆粒的顆粒破碎，所有的顆粒被當(dāng)作一個集合用離散元進(jìn)行模擬，每步的離散元分析之后，每個顆粒用有限元單獨模擬其是否發(fā)生破碎，如果破碎，則產(chǎn)生2個新的顆粒。綜上可知研究巖石及粗粒料的主要數(shù)值方法有非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法和連續(xù)-離散耦合的力學(xué)分析方法。

3.5 數(shù)值模擬試驗技術(shù)處理

為了突破諸多粗粒料數(shù)值模擬方法不能考慮顆粒破碎的限制，提出2種解決方法：①每個顆粒由均勻的小圓粒黏結(jié)成多孔的團(tuán)聚體，小圓粒之間的某一部分分離則顆粒破裂，進(jìn)而破碎；②將每個顆粒劃分為滿足預(yù)先定義開裂準(zhǔn)則的一團(tuán)相互粘結(jié)的任意形狀次顆粒進(jìn)行模擬，任意形狀的次顆粒間的某一部分分離則顆粒破裂，并逐步發(fā)展為破碎。

至于粗粒料顆粒破裂過程的模擬也分為2種：① 粗粒料塊體劃分單元后沿單元邊界開裂；②粗粒料塊體劃分單元后沿任意路徑開裂。第1種方法對塊體單元劃分技術(shù)提出了較高的要求，第2種方法則必須對塊體開裂路徑作出明確的判斷。目前應(yīng)用較多的為第1種方法。

3.6 顆粒破碎數(shù)值模擬試驗局限性

目前考慮顆粒破碎的粗粒料力學(xué)特性的數(shù)值模擬試驗研究，大部分都是基于離散元基本理論和非連續(xù)變形分析理論，而這些原始理論都沒有考慮顆粒破碎，這就出現(xiàn)了如第3.5節(jié)的技術(shù)處理方法，如何得當(dāng)?shù)剡\用這些技術(shù)處理方法，使數(shù)值模擬試驗更貼近實際具有一定的難度。其次，考慮顆粒破碎的粗粒料力學(xué)特性試驗是準(zhǔn)靜態(tài)問題，又是接觸和開裂非線性問題，甚至存在剛體運動，數(shù)值模擬試驗中如何合理選擇接觸彈簧剛度、時間步長、阻尼等計算參數(shù)，也存在難度。再次，考慮顆粒破碎的粗粒料力學(xué)特性的數(shù)值模擬試驗，為了使數(shù)值模擬的結(jié)果更加準(zhǔn)確，減小不必要的誤差，數(shù)值模型單元的劃分就必須達(dá)到足夠的精度，這對計算速度提出了較高的要求。如何處理好這些問題，都將是后期工作的重點。

4 展 望

(1) 考慮顆粒破碎的粗粒料力學(xué)特性研究，前人已經(jīng)做了大量的工作，尤其在室內(nèi)試驗研究方面，得出了很多實踐性的經(jīng)驗，給工程建設(shè)與理論研究提供了強(qiáng)有力的支持。然而由于粗粒料力學(xué)特性復(fù)雜，受荷后易產(chǎn)生破碎，且顆粒破碎表現(xiàn)出隨機(jī)性與不確定性，以及基于統(tǒng)計學(xué)的宏觀物理試驗往往受諸多條件如縮尺效應(yīng)的影響，這就有必要從細(xì)觀機(jī)理來解釋顆粒破碎對粗粒料力學(xué)特性的影響。數(shù)值模擬技術(shù)不受外界因素的影響，不受縮尺效應(yīng)的影響，不受試驗條件單一性的影響，對考慮顆粒破碎的粗粒料力學(xué)特性研究具有一定的優(yōu)勢。

(2) 目前常用的數(shù)值模擬方法有DEM，PFC和SGDD，DDA等，取得了一定的成果，但有待于更多的試驗驗證。運用這些數(shù)值方法研究顆粒破碎及其對粗粒料力學(xué)特性的影響在處理顆粒開裂、參數(shù)設(shè)置等問題的情況下可望取得一定的進(jìn)步。

(3) 考慮顆粒破碎的粗粒料力學(xué)特性數(shù)值模擬試驗計算量巨大，對計算機(jī)的性能提出了很高的要求。這就有必要將并行計算技術(shù)引入數(shù)值模擬試驗中，以提高計算速度，為數(shù)值試驗的實現(xiàn)提供有力的保證。

(4) 由于粗粒料力學(xué)特性的隨機(jī)性與復(fù)雜性，必須從細(xì)觀機(jī)理方面來建立粗粒料各組構(gòu)要素的關(guān)系，利用可視化過程，記錄試驗每一步顆粒的配位數(shù)、接觸法線、運動方向、破碎程度及其對粗粒料宏觀力學(xué)參數(shù)如摩擦角、剪脹角、彈性模量等的影響，同時與室內(nèi)試驗的CT掃描切片作比較，為正確認(rèn)識粗粒料的力學(xué)特性提供有力依據(jù)。

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(編輯：黃 玲)

Review on Mechanical Properties of Coarse Materials inConsideration of Particle Fracture

SU Ming1，2

(1.Material and Engineering Structure Department,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China;2.Hefei Construction Engineering Group Co., Ltd.，Hefei 230088，China)

Granule rupture is prone to happen in coarse material under gravity and other loads. Granule rupture is random and uncertain, seriously affecting the mechanical properties of coarse materials. From the perspective of physical test in consideration of granule rupture, we introduced the constitutive models of coarse materials and the factors affecting granule rupture. We also described the effect of granule rupture on the coarse materials’ mechanical properties, and the limitation of physical model research in consideration of granule rupture. Furthermore, we expounded the numerical simulation methods such as DEM, PFC and DDA systematically and their defects, and put forward two solutions to break through the limitation that granule rupture couldn’t be considered by numerical simulation methods. At last, we presented future research direction and suggested that the relationships among structure factors in coarse materials should be established from mesoscopic mechanism.

coarse materials; mechanical properties; granules rupture; constitutive model; physical test; numerical simulation

2014-04-03；

2014-04-17

蘇 明(1988-)，男，安徽合肥人，助理工程師，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)數(shù)值計算研究，(電話)15256256188(電子信箱)suming20064229@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.05.016

2015,32(05):82-88

TU441.2

A

1001-5485(2015)05-0082-07