初始組構(gòu)各向異性砂土半模直剪試驗的數(shù)值模擬

摘 要：本文應(yīng)用PFC2D軟件模擬不同各向異性砂土在半模直剪試驗的表現(xiàn)，并通過軟件觀測其細觀層面的變化。結(jié)果表明在相同圍壓下砂土顆粒的各向異性對砂土抗剪強度的影響非常明顯。細觀層面上發(fā)現(xiàn)影響砂土抗剪強度的主要是與顆粒接觸數(shù)有關(guān)，最后達到殘余狀態(tài)時試樣的孔隙率，接觸數(shù)等均達到一個穩(wěn)定值與初始組構(gòu)無關(guān)。

關(guān)鍵詞：PFC2D；半模直剪；初始組構(gòu)；各向異性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.117

由于自然或者非自然原因，砂土顆粒一般具有各向異性的特點，即砂土在剪切過程中的峰值強度與沉積方向和剪切方向的夾角有關(guān)。M.Oda和I.Koishikawa對密實砂土進行的模型試驗表明，在圍壓以及密實度等條件完全相同的情況下，沉積方向和剪切方向的夾角為0°時比沉積方向和剪切方向的夾角為90°的大50%左右。

為了研究土的承載、破壞機理分析強度參數(shù)等，我們需要進行室內(nèi)土體單元試驗。在實際試驗中直剪試驗和三軸試驗應(yīng)用比較廣泛，因為它們比較簡單易行并且能反映一些土體實際破壞的問題[1]。但是很多實驗我們需要重復(fù)做很多組才能得出一般性結(jié)論，這無疑大大浪費了我們實驗的效率。于是用電腦軟件模擬一般砂土的剪切等試驗的方法得以誕生。其中運用最廣泛的就是離散單元法。

離散元法（Distinct Element Method，簡稱DEM）的思想起源于分子動力學(xué)。1971年Cundall首次提出適用于分析巖石力學(xué)問題的離散元法[2]。上世紀(jì)九十年代以來，離散元法由于應(yīng)用廣泛且方便得到了迅速的發(fā)展。這一時期， 相繼出現(xiàn)各種商用離散元軟件，由Cundall加盟的美國ITASCA公司開發(fā)和完善TUDEC和3DEec，以及基于圓盤形和球形離散單元的PFC2D和PFC3D軟件。特別是PFC2D和PFC3D軟件，因具有鄰居單元搜索速度快和能夠有效模擬大變形等優(yōu)點，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，從而使離散元法在工程應(yīng)用中向前邁進了一大步。本文主要運用PFC2D軟件模擬不同各向異性砂土在直剪試驗中抗剪強度具體有多大差異。

1 數(shù)值建模

1.1 參數(shù)選取

本文參考實際實驗的數(shù)據(jù)進行數(shù)值模擬半模直剪試驗，底部粗糙面用鋸齒墻代替，砂土密度為2651kg/m3，粒徑范圍為emax=0.669，emin=0.400，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.9，剛度為kn=1×107N/m，ks=7×106N/m，鋸齒墻數(shù)據(jù)參考，定位高度為0.25mm的等腰直角三角形模擬摩擦系數(shù)為41.7的粗糙面。剪切模型尺寸為45×45mm，孔隙率為0.2。

1.2 模型建立

在120mm×90mm的空間內(nèi)隨機生成孔隙率為0.5粒徑范圍emax=0.669，emin=0.400的圓形顆粒，運用等面積原理將一個圓顆粒分成三個重疊的圓顆粒模擬橢圓顆粒，施加重力將這些顆粒進行自然沉積，并運用伺服機制等沉積到需要孔隙率時停止程序，最后設(shè)定最終剪切模型大小的幾面墻并且刪除墻外的顆粒，施加圍壓為200kpa進行剪切，其中不同沉積方向是通過改變底面鋸齒墻的角度來得到的，分別為0o，30o，60o，90o。如圖1。

2 結(jié)果及展望

（1）0°方向的沙土試樣峰值剪應(yīng)力最小90°方向最大，分別為178kpa和263kpa，相差了約50%，說明初始組構(gòu)的各向異性對砂土抗剪強度有著很大的影響。

（2）砂土抗剪強度與初始的顆粒接觸數(shù)有關(guān)，接觸數(shù)越大其抗剪強度越大，但當(dāng)各向異性的試樣剪切到殘余狀態(tài)時其接觸數(shù)均保持在同樣一個穩(wěn)定的數(shù)目并且孔隙率同樣穩(wěn)定在一個數(shù)值與試樣初始組構(gòu)無關(guān)。

參考文獻：

[1]Frydman S ，Talesnick M.Simple shear of isotropic elasto-plasticsoil[J].International Journal for Numerical and Analyt icalMethods in Geomechanics ，1991，15（04）：251-270.

[2]Cundall P A.A computer model for simulating progressive large scale movements in blocky system. In： Muller Led. Proceedings of the international Society of Rock Mechanics[J]. Rotterdam A.A.Balkema，1971（01）：8-12.

作者簡介：顏坤（1992-），男，上海人，碩士研究生，研究方向：土與結(jié)構(gòu)物相互作用研究。