非饱和土的三维液桥接触模型及离散元数值仿真研究

论文摘要

随着高土石坝、超高建筑物等的建设,工程方面对抗裂要求越来越高。若对土的抗拉伸能力不加以考虑,会在工程建造过程中造成较大浪费,因此研究非饱和土在三轴状态下的拉伸破坏特性具有很强的实际意义。由于室内实验受到测试技术和设备的限制,目前对于土体在三轴状态下的拉伸特性研究较少,很多学者研究土体的抗拉特性时多为单轴拉伸情况。因此,本文拟基于离散元数值分析软件MatDEM（矩阵离散元）和PFC（颗粒流）对非饱和土的抗拉特性进行研究,研究成果主要分为以下三点:（1）就目前岩土工程界的研究现状来看,通过室内试验手段进行非饱和土体的三轴拉剪试验存在一定的困难。本文基于非饱和土室内复杂单轴拉伸试验确定的不同孔隙比下的土体含水量与复杂单轴抗拉强度关系,利用MatDEM进行数值仿真模拟。以非饱和土的复杂单轴抗拉强度为中间变量,标定了非饱和土的宏观参数含水量和离散元模拟的细观参数之间的关系。进而利用矩阵离散元软件MatDEM建立非饱和土的三轴拉剪模型,并依据上述宏细观参数之间的关系对数值模拟试样进行不同含水量下的三轴拉剪模拟。进而分析不同含水量下试样的三轴拉剪强度、破坏模式、位移场、能量场等,从试样的宏观破坏模式和细观破坏机理方面探讨非饱和土在三向受力条件下的拉伸破坏特性。（2）已有的针对非饱和土的离散元细观接触模型中,都没有考虑两个相邻颗粒分开一定距离时的毛细水作用,并且认为当颗粒之间重叠量为零时,即颗粒分开时毛细水作用即消失,且没有考虑颗粒间胶结和毛细水胶结同时存在的情况。为了更加真实地模拟非饱和材料的毛细水作用力,基于PFC5.0的用户自定义接触模型模块,利用C++程序设计语言和QT图形用户界面（Graphical User Interface）应用程序开发框架,建立了能考虑分开一定距离的颗粒间毛细水作用力的液桥接触模型。并可以根据实际情况,将颗粒之间的天然胶结作用和毛细水作用力作用在模型中,通过运行相关的可执行DLL文件,验证了该模型可以在PFC3D和PFC2D中成功生成接触并运行。（3）基于创建的三维液桥接触模型（lsy液桥接触模型）,利用PFC5.0进行非饱和材料单轴拉伸的离散元数值模拟。从颗粒的拉伸强度、速度场、位移场、接触力链、接触组构等方面分析非饱和材料的单轴拉伸特性,重点分析所建立模型的细观参数对试样单轴拉伸模拟特性的影响,进一步验证上述模型在模拟非饱和材料时的适用性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
•   1.1 研究背景
•   1.2 研究目的和内容
•     1.2.1 研究目的
•     1.2.1 研究内容
•   1.3 创新点
•   1.4 研究方法与技术路线
• 2 国内外研究现状
•   2.1 细观接触模型
•     2.1.1 标准接触模型
•     2.1.2 非饱和材料接触模型
•     2.1.3 考虑颗粒间胶结的黏结接触模型
•   2.2 岩土材料拉伸试验
•     2.2.1 室内拉伸实验
•     2.2.2 拉伸开裂模拟
•   2.3 上述研究中存在的问题
• 3 基于MATDEM强度反演的非饱和土三轴拉剪模拟
•   3.1 MATDEM细观材料参数的确定
•     3.1.1 利用复杂单轴拉伸模拟确定细观参数的合理性分析
•     3.1.2 MatDEM材料参数对复杂单轴拉伸模拟的影响性分析
•     3.1.3 非饱和黏土复杂单轴抗拉强度和含水量的关系
• u和复杂单轴抗拉强度σ_t的关系'>    3.1.4 MatDEM材料参数抗拉强度T_u和复杂单轴抗拉强度σ_t的关系
•     3.1.5 MatDEM材料参数和非饱和黏土含水量的关系
•   3.2 非饱和土三轴拉剪模拟
•     3.2.1 模拟原理
•     3.2.2 模拟步骤
•     3.2.3 非饱和黏土三轴拉剪模拟
•   3.3 本章小结
• 4 非饱和土的三维离散元液桥接触模型
•   4.1 非饱和颗粒材料的三维液桥接触模型
•     4.1.1 颗粒间接触析构分析
•     4.1.2 液桥模型的基本框架
•   4.4 自定义接触模型开发环境配置过程
•   4.5 LSY液桥接触模型的可行性分析
•   4.6 本章小结
• 5 基于LSY液桥接触模型的非饱和土单轴拉伸模拟
•   5.1 非饱和材料单轴拉伸模拟离散元模型
•   5.2 模型伺服过程和加载控制
•   5.3 非饱和材料持水角Θ（半填充角）和饱和度的关系
•   5.4 非饱和材料的单轴拉伸模拟
•   5.5 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 附录A
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘少鹏

导师: 赵成刚,蔡国庆

关键词: 非饱和土,离散元,三轴拉剪,三维液桥接触模型

来源: 北京交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 北京交通大学

分类号: TU43

DOI: 10.26944/d.cnki.gbfju.2019.000643

总页数: 124

文件大小: 13113K

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