砂土宏观力学特性与细观结构的相关性试验研究

黏性土宏—细观参数关系的PFC2D模拟研究作者：徐松来源：《中国水运》2017年第08期关键词： PFC2D；黏性土；双轴试验；宏-细观参数中图分类号：O59 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）08-0074-031 引言PFC2D作为一种离散元数值模拟方法，克服了传统宏观力学模型连续性假设的弊端，但在现有实验水平条件下，PFC2D数值模拟所需的细观参数无法直接获取。

针对这一问题，国内外学者作了大量研究，Huang选用黏结模型对PFC2D样本宏观力学性质的比例法作了研究。

周健对砂土进行数值双轴试验，探讨了颗粒粒径、摩擦系数等细观参数变化对砂土宏观性质的影响。

5 结论（1）采用PFC2D数值双轴试验研究黏性土宏-细观参数关系是可行的，获得的细观参数能够很好地反映土体原有的宏观力学性能。

（2）决定黏性土内摩擦角的细观参数是颗粒的摩擦系数，两者呈线性关系；颗粒切向黏结强度和颗粒接触强度比是影响黏性土粘聚力的最主要因素。

（3）上述研究成果均是在特定的颗粒粒径、级配、初始应力状态、加载速度等条件下获得的，因此具体模型试验的细观参数选择时，上述公式、结论等只能作为一种定性的参考。

参考文献：[1] HUANG H Y. Discrete element modeling of took-rock interaction[D].Minneapolis：University of Minnesata，1999.[2] 周健，池毓蔚，池永等.砂土双轴试验的颗粒流模拟[J].岩土工程学报， 2000， 22（6）： 701-704.[3] 徐小敏，凌道盛，陈云敏等. 基于线性接触模型的颗粒材料细-宏观弹性常数相关关系研究[J].岩土工程学报， 2010， 32（7）： 991-998.[4] 赵国彦，戴兵等.平行黏结模型中细观参数对宏观特性影响研究[J].岩石力学与工程学报， 2012， 31（7）： 1491-1498.[5] 周健，池永.土的工程力学性质的颗粒流模拟[J].固体力学学报， 2004， 25（4）：377-382.[6] 陈亚东，于艳等.PFC3D模型中砂土细观参数的确定方法[J].2013， 35（2）： 88-93.[7] 周博，汪华斌等. 黏性土细观与宏观力学参数相关性研究[J].岩土力学， 2012， 33（10）： 3171-3178.[8] 陆祖煜. 土质边坡稳定性分析原理、方法和程序[M].北京：中国水利水电出版社，2003.。

基于 PFC3D 的粗粒土三轴试验细观参数敏感性分析李灿;邱红胜;张志华【摘要】以PFC3D为工具，以室内三轴固结排水试验作为基础，以加权平均数颗粒生成法建模。

选择孔隙度、配位数、kn／ks 、颗粒粒径分布、剪切速率和摩擦系数等细观参数作为研究内容，以应力应变强度曲线为力学分析方法，以颗粒转动速度场为变形分析手段，将各细观参数对粗粒强度的敏感性进行排序，对粗粒土剪切破坏的影响程度进行总结分析。

研究表明，各细观参数对粗粒土强度及变形都有一定的影响，其中 kn／ks 对粗粒土强度及变形影响最大，孔隙度和配位数的影响最小。

%This paper uses PFC3D as the tool and using weighted average particle size distribution method to build model .The parameters including porosity ,coordinate number ,kn/ks ,particle size distribution ,shear rate and friction coefficient are chosen as the micro parameters to analyze the sensi-tivity .The stress-strain intensity curve is taken as the mechanics analysis method and the particle ro-tation velocity field is used as deformation analysis method .The sensitivity of each parameter to the strength of the coarse grain is sorted .The effect of the shear failure of coarse grained soil is summa-rized and analyzed .The research shows that the parameters in the model have a certain effect on the strength and deformation of coarse grained soil and the kn/ks has the greatest influence on the strength and deformation of coarse grained soil ,while the porosity and coordinate number have least influence .【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2016(040)005【总页数】6页(P864-869)【关键词】PFC3D;细观参数;颗粒转动速度场【作者】李灿;邱红胜;张志华【作者单位】武汉理工大学交通学院武汉 430063;武汉理工大学交通学院武汉430063;武汉理工大学交通学院武汉 430063【正文语种】中文【中图分类】TU411目前，试验及测试技术都无法获取其细观力学参数，无法很好揭示粗粒土宏观力学特性的内在作用机制.PFC作为离散元方法的一种，是细观分析的主要手段之一[1]，近年来在岩土工程领域得到了初步运用[2].粗粒土作为国内外岩土工程中主要的应用材料，运用PFC研究其宏细观力学特性的重要性是显而易见的.在数值模拟研究中发现，细观参数值的调整和标定是拟合试验结果成功的关键步骤.因此，在对粗粒土进行颗粒流数值模拟过程中，得出各细观参数对粗粒土强度及破坏变形影响的敏感性排序具有重要意义.国内外研究学者运用PFC对粗粒土细观参数的研究很多，黄彦华等[3]分析围压以及岩桥倾角对断续双裂隙红砂岩强度破坏特征的影响规律，揭示断续双裂隙红砂岩在不同围压作用下裂纹扩展的细观力学响应机制；丛宇等[4]结合大理岩室内加、卸荷试验确定适用于岩石类材料的细观参数；唐文帅[5]得出随着颗粒最大粒径的增大，粗砂应力应变曲线的类型没有发生变化，初始杨氏模量变化不明显，但是峰值强度却随之减小；陈亚东等[6]提出了在三维离散元中与砂土的孔隙率、内摩擦角及压缩模量等宏观力学参数相匹配的细观参数确定方法，并给出了细观结构参数与宏观力学参数的函数关系.耿丽等[7]得出结论摩擦系数对材料的弹性性质影响不大，只与峰值强度有关；Huang[8]研究了粘性颗粒材料细观参数和宏观参数之间的相似关系；Nardin等[9]根据自定义的颗粒流接触模型和接触参数，建立了细观参数与宏观力学特性的定性关系.研究发现，在选取细观参数进行研究时，未对一系列重要的细观参数进行全面系统分析.因此，文中在模拟三轴试验的基础上，选取孔隙度、配位数、kn/ks、颗粒粒径分布、剪切速率和摩擦系数等6种细观参数作为研究对象，通过应力-应变曲线和颗粒转动速度场来研究它们对粗粒土宏观力学及变形特性的影响.室内试验所用材料取自水布垭大坝工程的施工料场.用筛分法和混合法测试粗粒土的颗粒级配，得到粗粒土不同粒径范围内颗粒的含量见表1.在颗粒流模型中使用不同参数调节方法，可能得到相同的宏观力学反应——应力-应变曲线.在三轴模型试验中，要考虑的因素很多，如初始杨氏模量Ec，颗粒抗剪强度c，φ，颗粒刚度比kn/ks，颗粒最小半径Rmin，颗粒最大、最小半径比Rmax/Rmin，试样的密度ρ，初始接触点个数Nf,摩擦系数f等.按试验结果应力-应变曲线弹性阶段计算初始杨氏模量，根据摩尔应力圆得到颗粒的抗剪强度，根据试验试样确定材料的密度，根据加权平均数颗粒生成法选取颗粒最小半径及最大、最小半径比，得到细观参数值，见表2.在PFC3D中合成材料土样是由球形颗粒组装而成的，模型是由一个圆柱形墙面围绕生成的颗粒体以及上下两面压缩板组成的.其中，上下2面压缩板在试样压缩过程中，上墙面对试样进行压缩剪切，下墙面保持不动；圆柱形墙面在压缩剪切过程中通过伺服系统维持恒定围压的工作.应力-应变数据的收集与整理是根据跟踪墙面所受力的情况，以及墙面相对位移决定的.对模型试样分6层进行标识颜色，其中，每层的厚度是100 mm；对圆柱试样从内到外分3层，每层厚度50 mm.模拟尺寸与室内三轴试验试样尺寸一致，为300 mm×600 mm(直径×高)，颗粒流三轴模型见图1.根据已确定的细观参数，调整未知细观参数，得到围压为0.8,1.6,3.3 MPa下试样的应力-应变曲线，并将各数值结果与试验结果进行对比，见图2.由图2可知，数值试验得到的应力-应变曲线与实验室里得到的应力-应变曲线基本吻合，数值模型中在竖向荷载作用下，首先随着轴应变的增大处于弹性阶段，该阶段处于轴应变小于10%；随着轴应变的继续增大，模型内部裂隙出现贯穿现象形成剪切面，此时模型处于塑性阶段.曲线在达到峰值强度时的轴应变也大体相同，试样达到临界状态之后也处于和室内试验一样的应变硬化现象，因此可用三维离散元数值试验模拟室内三轴试验.影响粗粒土强度及变形的因素很多，根据高等土力学中的土的抗剪强度与其影响因素的关系，可以确定为以下公式.式中：e为孔隙比；C为土的组成，其中包括颗粒级配或土石比；t为温度；分别为应变和应变率；c，φ分别为土的粘结力和内摩擦角.式中也同样包含应力条件、围压范围、应力历史、排水条件以及加载速率等因素.由式(1)可知，影响粗粒土强度及变形的因素可以分为2大类：一类是粗粒土体本身，主要是物理性质；另一类是外界条件.孔隙度、摩擦系数是影响土体抗剪强度的主要参数，而土体自身的性质、试验条件等也是其抗剪强度的主要影响因素.在PFC模型中，配位数反映颗粒间的接触情况，其变化规律反映颗粒间裂隙的产生与演变.因此，选取了孔隙度、配位数、颗粒刚度比(杨氏模量)、颗粒粒径分布、试验剪切速率，以及摩擦系数进行了细观参数敏感性分析.3.1 孔隙度文中根据室内三轴试验，在围压0.8 MPa的条件下，分别设定孔隙度为0.2，0.25，0.3，0.35以及0.4下的数值三轴试验，试样生成的颗粒个数见表3，其应力-应变曲线见图3.刘勇等[10]得出随着孔隙度的增大，土体峰值强度明显减小，且在孔隙度为0.45时，模型明显表现出体缩效应.文中研究在不用孔隙度条件下的土体宏观力学反应.由图3可知，在初始应力为正常固结的情况下，随着孔隙度的增大，模型峰值强度减小不明显.此时由于试样在生成颗粒之后得到了充分固结，因此剪切初始应力状态一样.固结后的模型与孔隙度联系较小，而在不同孔隙度下试样均表现出应变软化的现象，根据应变软化型破坏试样的机制可知，试样内部出现剪切面，从细观角度分析孔隙度对试样宏观特性的影响.由图4颗粒转动速度场可知，标定为白色的颗粒为转动速度大于0.11 rad/s的颗粒，白色的颗粒反应了剪切面的分布情况.因此，围压0.8 MPa不同孔隙度下模型中试样均形成了剪切面，但根据三维坐标可知，不同的孔隙度试样破坏形成的剪切面空间分布不同.已知试样密度与试样孔隙度相关，在不同密度条件下，试样的破坏面空间分布不同.3.2 配位数初始配位数是指模型在生成过程中已经设定了的颗粒间的接触数.初始配位数最大，表明初始模型颗粒越紧凑，在一定的孔隙度条件下，颗粒生成的数量也就越多.从上述孔隙度对模型材料的宏观力学特性的影响可以得出，生成颗粒的数量(由不同的孔隙度引起的)对材料峰值强度基本没有影响，而对材料的剩余强度有一定的影响，但影响不大.基于此，在分析配位数对材料宏观力学特性的影响时推测，其影响与孔隙度的影响大致相同.图5为不同初始配位数下的应力-应变曲线.不同初始配位数对数值模型中粗粒土宏观力学特性几乎没有影响.由图5可知，不同初始配位数对材料的峰值强度没有影响，对剩余强度影响不大.不同的颗粒初始配位数导致了试样的应变软化现象，根据颗粒位移场机制可知试样内部均出现了剪切面.从细观角度分析不同颗粒初始配位数下颗粒转动速度场的变化情况，不同的初始配位数造成试样剪切破坏面空间分布不同.初始配位数为3时的颗粒转动速度场与初始配位数为4时的完全相反，而初始配位数为5时亦不相同.初始配位数影响颗粒数量的生成，也影响大颗粒数量的生成和分布.而大颗粒的空间位置分布不同，又影响剪切面的分布和走势.因此，初始颗粒配位数对于材料的峰值强度以及剩余强度影响较小，对于材料的破坏面分布影响较大.3.3 法向刚度与切向刚度比kn/ks是颗粒法向刚度与切向刚度之比.改变颗粒的竖向接触刚度与切向接触刚度之比，得到在围压0.8 MPa下不同kn/ks的应力-应变曲线图，见图6.由图6可知，随着kn/ks的不断增大，土体峰值强度不断减小，峰值强度对应的轴应变在不断增大，kn/ks与试样峰值强度的关系式为y=-3e-8x3+4e-5x2-0.022 3x+6(2)式中：x为kn/ks，试样模型逐渐从应变软化型向应变硬化型转变.随着切向刚度不断减小，切向抗变形能力下降；随着kn/ks的不断增大，试样的破坏形式从形成剪切面转变成以侧向应变为主的破坏形式.根据颗粒转动速度场进行分析，随着kn/ks的增大，转动速度较大的颗粒逐渐减少，剪切面分布不明显.kn/ks为80时，转动速度较大的颗粒组成的剪切分布比较明显，当kn/ks值增大到400，发现试样内部没有剪切面的形成.颗粒切向刚度逐渐减小，试样破坏主要以圆周型侧向向外扩散为主，转动速度较大的颗粒均匀分布在试样内部，试样抗剪强度降低主要是试样切向抗变形能力下降导致的.而kn/ks值较大时，应力应变曲线呈应变硬化型主要是由于试样圆周型侧向破坏为主而无法形成剪切面导致的.3.4 颗粒粒径分布根据加权平均数颗粒粒径11.066 25 mm，设定不同的颗粒最小半径，计算得表4的数据.由表4可知，计算各不同最小颗粒半径条件下的试样三轴试验，分析粒径分布情况对抗剪强度的影响，见图7.由图7可知，当试样颗粒粒径的加权平均数为11.066 25 mm时，随着颗粒最小粒径的增大，试样的峰值强度逐渐减小；最小颗粒粒径在0.1～1 mm波动时，试样颗粒粒径对试样抗剪强度的影响较小；但随着最小颗粒粒径不断增大，模型中颗粒粒径的分布对试样抗剪强度的影响增大.这是因为在生成的模型中最小颗粒粒径值很小时，大小颗粒间的咬合较为紧密，尤其是在加载一段时间后，颗粒经过挤压和错动，有利于接触力的传递以及摩擦力的生成.结果显示，随着最小颗粒粒径不断增大，转动颗粒的分布差异较大；其中11 mm 时颗粒粒径相同，但试样破坏不明显.图8为转动颗粒，可以看出转动颗粒越来越少，这是由于在粒径相同的模型内，颗粒间接触力的分布与一般有相对大颗粒模型内的接触力分布不同，内部破坏裂隙均匀分布在模型内.根据应力应变曲线可知，最小颗粒粒径不仅影响着试样内部的应力路径，也影响着剪切面的形成以及试样应变类型.3.5 剪切速率室内试验和数值试验的宏观反应对加载速率敏感，通常选择一个足够慢的加载速率确保试样在加载过程中处于准静态状态.准静态状态是设置墙体一系列的常量速度后，通过应变控制法实现，且这种状态在一定临界速度内都均适用.文中设置加载速率为0.5 mm/min进行数值模拟，设定不同的加载速率进行研究.图9为不同剪切速率下的应力-应变曲线.由图9可知，剪切速率对模型中的粗粒土抗剪强度影响很大，随着剪切速率的增大，峰值强度不断增大.实验室内选择较低的剪切速率进行三轴剪切试验，首先是因为实验室内的仪器的限制，其次是试样在准静态状态下的剪切强度最能反映堆石坝或野外滑坡土体的抗剪强度.而在很大的剪切速率下，其剪切类似于滑坡体受到地震或库水位急剧下降或上升等地质灾害条件下的剪切，对土体的力学特性分析没有多大的意义.根据不同的剪切速率得到不同的土体抗剪强度峰值，它们之间的关系为σp=0.019 2v+3.478 1(围压0.8 MPa)式中：σp为峰值强度，MPa；v为剪切速率，mm/min.在不同剪切速率下的颗粒转动速度场，随着剪切速率增大，试样破坏不再沿剪切面破坏，试样内部出现大量破坏区.根据剪切速率为75 mm/min的颗粒转动速度场可以看出，试样内部出现了大量的转动颗粒，产生转动颗粒的原因是试样内部出现了大量的剪切裂隙，导致试样“粉碎性”破坏.在剪切速率很大时，试样在压缩剪切过程中不再是准静态过程.因此，剪切速度不仅影响材料的峰值强度，也影响材料的剩余强度，对材料的破坏的影响最大.3.6 摩擦系数在粗粒土研究中，摩擦系数很小时，摩擦角对摩擦系数的敏感度很大，试样的剪切强度摩擦角与摩擦系数呈对数关系.且摩擦系数在0.1～0.4范围内时，摩擦角增加了12.21°(12.49°～24.7°)，占摩擦角总增加量的76%，可见在摩擦系数较小时，试样摩擦角受摩擦系数的影响较大.文中分别设置摩擦系数为0.1，0.3，0.5，0.7，0.9和1.1，大范围地分析摩擦系数对材料强度的影响，得到摩擦系数与材料强度的关系，见图10.由图10可知，围压0.8 MPa下摩擦系数对材料的峰值强度影响不大，对材料的剩余强度影响较大.摩擦系数与峰值强度以及剩余强度之间的关系见图11.由图11可知，材料抗剪峰值强度随摩擦系数增大而增大，两者呈线性正相关；剩余强度随摩擦系数增大而增大，当摩擦系数越来越大时，其值对剩余强度的影响越来越小.这与Zhang等[11]对粗粒土进行PFC2D双轴试验结果不同，从校对摩擦系数中发现，摩擦系数对峰值强度的影响因数为2.2，对材料剩余强度的影响因子是2.55，后者大于前者.与二维模拟结果不同，二维离散元材料剪切带形成之后，接触力主要由摩擦力构成，因此二维离散元中摩擦系数对于剩余强度的影响较大；三维离散元中，材料剪切带形成以后，由于三维立体颗粒间挤压与错动，颗粒并不会像二维模型中的颗粒因剪切带形成而分开.围压的存在致使颗粒间的接触力由摩擦力、侧向接触力以及竖向接触力组成，所以在三维离散元中，影响剩余强度的因素不仅有摩擦系数.从细观颗粒的摩擦系数角度，对试样破坏形式进行分析可知，观察其剪切结束之后的颗粒转动速度场，在不同摩擦系数下，剪切面走向基本相同；转动速度较大的颗粒基本围绕在剪切面附近，且随着摩擦系数增大，试样剪切面厚度不断增大.这是由于颗粒间的摩擦力越来越大，剪切面附近的颗粒在发生平移和转动过程中会带动其周围的颗粒一起运动，所以从外观上看剪切面增厚.1) 基于数值试验结果能够很好的拟合室内试验结果，以应力-应变曲线为粗粒土宏观力学特性研究对象，得出各细观参数对粗粒土抗剪峰值强度以及剩余强度的力学敏感性排序为：kn/ks >摩擦系数>剪切速率>颗粒粒径分布>孔隙度>配位数. 2) 从细观角度出发，根据模型中的颗粒位移场以及颗粒转动速度场对各细观参数对粗粒土三轴模型变形，以及破坏面空间分布进行分析，得到各细观参数对粗粒土三轴模型变形敏感性结论：剪切速率>kn/ks>颗粒粒径分布>孔隙度>配位数>摩擦系数.其中摩擦系数对材料破坏面的空间分布基本没有影响，但影响着破坏面的厚度.【相关文献】[1]邓益兵,周健,刘文白,等.螺旋挤土桩下旋成孔过程的颗粒流数值模拟[J].岩土工程学报,2011,33(9):1391-1398.[2]MATTHEW E T, STEVE C, ZHAO X L, et al. Visualization and analysis of microstructure in three-dimensional discrete numerical models[J]. Journal of Computing in Civil Engineering,2009,23(4):277-287.[3]黄彦华,杨圣奇.非共面双裂隙红砂岩宏细观力学行为颗粒流模拟[J].岩石力学与工程学报,2014,33(8):1644-1653.[4]丛宇,王在泉,郑颖人,等.基于颗粒流原理的岩石类材料细观参数的试验研究[J].岩土工程学报,2015,37(6):1031-1040.[5]唐文帅.离散元细观参数对粗砂变形性质的影响[J].水利科技与经济,2015,21(2):32-34.[6]陈亚东,于艳,佘跃心.PFC3D模型中砂土细观参数的确定方法[J].岩土工程学报,2013,35(2)：88-93.[7]耿丽,黄志强,苗雨.粗粒土三轴试验细观模拟[J].土木工程与管理学报,2011,28(4):24-29.[8]HUANG H Y. Discrete element modeling of tool rock interaction[D]. Minnesota: University of Minnesota,1999.[9]NARDIN A, SCHERFLER B A. Modeling of cutting tool soil interaction part II： macro-mechanical model and up scaling[J].Computer Mechanics,2005,36(5):343-359.[10]刘勇，朱俊樸，闫斌.基于离散元理论的粗粒土三轴试验细观模拟[J].铁道科学与工程学报,2014,11(4):58-62.[11]ZHANG Z H, ZHANG G D, LI X L, et al. The shear dilation and shear band of coarse grained soil based on discrete element method[J]. Advanced in Civil Engineering and Transportation IV,2015(7):679-685.。

单剪试验的细观模拟研究摘要：采用离散单元法的颗粒流理论，模拟了松砂和密砂的单剪固结排水试验，研究了单剪试验中砂土细观力学行为和细观组构的演化规律。

本文采用PFC2D实现了单剪试验的模拟，记录了实验中颗粒的分布图，接触力分布图，位移图等，同时也测得应力-应变关系，以及配位数等，并用origin软件将其绘制成图表。

分析了砂土变形过程中细观组构的变化，并对比分析了松砂、密砂在剪切过程中变形机制的区别。

最后阐述了剪切过程中应力主轴的旋转问题。

关键词：离散单元法单剪试验细观组构Abstract:We use the particles flow theory by discrete element method to simulate the single shear consolidated drained test with loose sand and dense sand. Then we discussed the sand micromechanics and the evolution of microfabric in the simple shear test.In this essay,we use PFC2D to achieve a single shear test simulation,and record the distribution of particles,the contact force distribution and displacement in the experiment.Also we measured the stress-strain relations and the coordination number,etc.and draw them with origin software.Then we analyze the change of microfabric during the deformation of sand and the difference between the loose sand and dense sand comparatively.At last,we describe the rotation of stress axes during the shear.Keyword:discrete element method;simple shear test;microfabric我们经常通过土单元试验，来研究土体的承载，破坏机理，分析土的强度参数等。

最小粒径截距对颗粒体数值模拟的影响马幸;周伟;马刚;常晓林【摘要】基于颗粒流离散单元法，采用2种压实度控制标准，生成3种不同最小粒径的颗粒体试样，分别对其进行多组、多种数值试验，从而揭示颗粒体最小粒径与其宏观力学特性及细观力学响应的关系，并分析最小粒径对数值试验结果精度的影响。

研究结果表明：颗粒集合体试样各力学参量与最小粒径呈单调关系，经推求可得出不同最小粒径截距对应的试样抗变形能力；配位数与最小粒径的对数呈较好的线性递增关系，从细观层面解释了最小粒径对试样密实度及强度特性的影响；采用相对密度控制以及选择较低的围压均能缩小由最小粒径引起的试验结果的差异。

%The effect of the minimum size of particles on the strength properties and deformation characteristics of particles and the accuracy of simulations were simulated by the particle flow code in two dimensions (PFC2D). Three specimens with different minimum size of particles were analyzed, and two different compactness control standards were considered. The results show that the mechanical parameters are monotone function about the minimum particle size, and that the anti-distortion capacity of assemblies with different minimum particle sizes can be calculated through the function. On the other hand, linearly increasing relationship was found between coordination number and logarithmic minimum particle size, the impact of minimum particle size on density and strength properties was explained from the micro level. Finally, the influence of the minimum particle size on the results of the simulationwere reduced by using relative density control standard and low confining stress.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】10页(P166-175)【关键词】颗粒体;双轴试验;离散元;最小粒径;压实度控制标准【作者】马幸;周伟;马刚;常晓林【作者单位】武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉，430072; 武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室，湖北武汉，430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉，430072; 武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室，湖北武汉，430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉，430072; 武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室，湖北武汉，430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉，430072; 武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室，湖北武汉，430072【正文语种】中文【中图分类】TV311近年来，我国高堆石坝建设的迅速发展，对堆石料等粗粒土的力学特性研究提出了更高要求。

利用迭代思想标定砂土三轴试验宏-细观参数徐国元;孙元鹏【摘要】为提高离散元中三轴试验宏-细观参数标定工作效率,提出一种新的方法——迭代标定法.利用fish语言编写程序在PFC3D中实现了三轴试验的数值模拟.基于接触黏结模型对砂土三轴试验进行模拟,验证了迭代标定法的有效性.结果表明:颗粒刚度大小和颗粒刚度比都会影响偏应力的大小;颗粒法向刚度会影响初始杨氏模量;细观摩擦系数对偏应力的影响程度取决于模型围压的大小;黏结强度对接触黏结模型的应力应变曲线形态影响较小,但对平行黏结模型的应力应变曲线形态有较大影响.迭代标定法可以有效标定宏-细观参数,减少"试参数"过程.%To improve the efficiency of the macro-meso parameters calibration of the triaxial test in the DEM,a new method, iterative calibration, is proposed. By using a fish language program, the numerical simulation of the triaxial test in the PFC3D software is achieved. Based on the contact bond model, the triaxial test of sand is simulated, and the validity of the iterative calibration method is verified. The calibration proves that both the size of the particle stiffness and the ratio of the particle stiffness affect the size of the partial stress, particle normal stiffness affect the initial Young' s modulus, the effect of the friction coefficient on the partial stress is depended on the size of the confining pressure, and the bond strength has little influence on the stress-strain curve of the contact bond model, but huge influence on the parallel bond model. It is concluded that the iterative calibration method can effectively calibrate macro-meso parameters and reduce the "test parameter" process.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2017(046)009【总页数】5页(P65-69)【关键词】离散元法;迭代算法;PFC3D;三轴试验;宏-观参数标定【作者】徐国元;孙元鹏【作者单位】华南理工大学土木与交通学院,广州510641;华南理工大学土木与交通学院,广州510641【正文语种】中文【中图分类】TU411离散元法数值试验相较于物理试验，具有高效、便利、不确定性小、试验参数可控等特性，便于人们剖析试验机理，解释物理现象. 周健等[1-6] 研究了饱和层状砂土液化的特性，通过PFC2D研究了砂土颗粒与土工合成材料的接触界面，对砂土的双轴试验、力学性质、渗流过程以砂土中单桩进行了模拟. 李识博等[7]通过颗粒流软件对黄土三轴固结不排水剪切试验进行了数值模拟. 姜景山等[8]认为密度和围压是影响粗粒土三轴试验应力应变曲线的重要因素. 徐小敏等[9]对颗粒材料初始杨氏模量、初始泊松比与颗粒法向刚度、颗粒刚度比的关系进行了研究，认为砂土材料的刚度比适宜取值范围为2.0～20.7. 邢纪波等[10]推导出了单元接触刚度的计算公式，认为泊松比从0变到0.4时，颗粒刚度比对应范围为2.0～6.0. 张振南等[11]提出了VMIB模型，建立起虚拟键力学属性与材料宏观力学响应的联系. 蒋明镜等[12]在模拟砂土双轴试验时刚度比采用了1.33. 周博等[13]认为颗粒破碎对砂土的宏观力学特性有很大的影响，其在模拟砂土双轴试验采用了刚度比为1的平行黏结模型. 李宁等[14]通过PFC建立了三轴试验模型，模拟了砂土的三轴试验. 离散元法中细观参数的取值决定了土样力学性质的宏观响应，目前众多学者提出了种类繁多的细观参数选取机制，但大都适用性不强，模拟的结果与实际相差较大. 对于细观参数与宏观参数的标定仍然是一个值得探讨的问题. 基于室内砂土三轴试验，利用PFC3D软件进行数值模拟，然后通过该试验介绍基于迭代思想标定宏-细观参数的方法，并且通过将本文的模拟结果与室内试验结果进行对比，来验证迭代标定法的有效性. 迭代标定法提高了标定工作效率，可设置迭代终止准则，误差率可控，对于完成宏细观参数标定工作有重要的指导意义.室内粗粒土三轴试验试样是高8 cm，上下底面直径为4 cm的圆柱体. 松散土的天然密度为1.39 g/cm3，室内试验土样密度为1.88 g/cm3，数值模拟试验中颗粒密度均为1.88 g/cm3. 采用各向等压固结排水(CD)剪切的试验方法，试验采用应变控制，以轴向应变速率0.03 mm/min进行剪切，分别进行围压为50、100、150 kPa的3组试验，当试样的轴向应变达到15%时视为试样破坏. 室内试验土样的颗粒级配：粒组划分为5～2、2～0.5、0.5～0.25、0.25～0.075、0.075～0.005、0.005～0 mm，土样质量分数分别为5.3%、20.4%、35%、26.6%、9.3%、3.4%.为尽量与室内试验结果相近，在PFC3D中生成高为80 mm，上下底面直径均为40 mm的圆柱体模型，由于室内试验的土样粒径在0.075 ～2 mm之间占了82%，又考虑到生成太多颗粒会严重影响计算机运行速度，所以数值模拟采用的颗粒最大半径为2 mm，最小粒径为0.1 mm，共生成9 275个颗粒. 采用围压为50、100、150 kPa，试件目标孔隙率为0.2，细观摩擦系数为0.25，试件模型见图1.用迭代法进行宏-细观参数标定，迭代变量为颗粒法向刚度和刚度比. 迭代关系式是利用细观参数对曲线形态的影响，将拐点强度σ0和剪切破坏时的偏应力Δσ1-3作为控制参数，不断拟合出合适的法向刚度和刚度比，使得数值模拟的应力应变曲线越来越接近于室内试验得出的应力应变曲线. 迭代终止，是通过计算拐点强度和剪切破坏时偏应力的误差率，在可接受范围内即终止迭代.已有研究[15]表明，根据各细观参数对宏观参数的影响程度，由强到弱排序，依次为：法向和切向的刚度比、细观摩擦系数、剪切速率、颗粒粒径分布、孔隙度. 为了更加接近室内试验，数值模拟试验中剪切速率、颗粒粒径分布和孔隙度均与室内试验保持一致. 在数值模拟过程中发现：1)在接触黏结模型中，对应力应变曲线形态影响较大的是颗粒刚度值的大小和刚度比的大小. 由于颗粒之间是点接触，接触面积趋近于0，颗粒间的黏结强度和细观摩擦系数对应力应变曲线影响很小. 2)在平行黏结模型中，颗粒刚度、刚度比、颗粒间黏结强度均对应力应变曲线形态有较大的影响，而细观摩擦系数对应力应变曲线影响较小.经多次试验发现，在颗粒刚度、刚度比、黏结强度和细观摩擦系数4个影响参数中，对颗粒刚度和刚度比进行迭代是确定宏-细观参数最有效的方法. 每次迭代分3个步骤：1)确定法向刚度Kn值；2)确定刚度比Kn/Ks；3)计算误差率，判断是否进行下次迭代. 以线性接触模型为例，具体迭代过程如下.第1步设置试验1，确定Kn值. 试验1中共设置8组试验，选定初始参数：8组试验中法向黏结强度和切向黏结强度均为50 kN·m-1，围压为100 kPa，细观摩擦系数采用0.25，颗粒法向黏结强度和切向黏结强度比值为1，颗粒平均半径Rc=1.05 mm，颗粒法向刚度分别为8.0、9.0、10.0、11.3、12.0、13.0、14.0、15.0 kN·m-1. 数值试验模拟得出的应力应变曲线如图2所示.从图3中可以明显看出，当颗粒的法向刚度与切向刚度不断增大时，应力应变曲线的峰值强度也不断增大. 定义应力应变曲线中偏应力不再随着应变线性增长的点为曲线拐点，根据试验结果提取应力应变曲线的拐点强度σ0，提取结果如下. 当Kn值为8.0、9.0、10.0、11.3、12.0、13.0、14.0、15.0 kN· m-1时，拐点强度分别为54.84、67.12、78.98、98.11、101.47、112.44、122.53、136.50 kPa. 根据结果绘制散点图并进行拟合，如图3所示，拟合结果为式中：Kn为法向刚度，kN·m-1；σ0为拐点强度，kPa. 室内试验拐点强度为101.3 kPa，将其代入到公式得Kn的值为12.011 35 kN·m-1.第2步根据试验1得出的Kn设置试验2，通过试验2确定合适的Kn/Ks(即确定合适的切向刚度Ks). 试验参数: 围压为100 kPa，细观摩擦系数为0.25，颗粒法向黏结强度和切向黏结强度比值为1，颗粒黏结强度均为50 kN·m-1，其他参数设置以及提取的剪切破坏时偏应力Δσ1-3见表1.找出与室内试验Δσ1-3相近的那一组数值模拟试验. 室内试验的Δσ1-3分别为93.4 kPa (围压为50 kPa时)、124 kPa(围压为100 kPa时)、144.02 kPa(围压为150 kPa时). 数值模拟结果应力应变曲线如图4所示.对试验结果进行拟合，得到100 kPa围压下颗粒刚度比与剪切破坏时偏应力的关系,见图5. 从图4、5中可以得出，颗粒刚度比不影响应力应变曲线的拐点强度和弹性模量，但随着颗粒刚度比的增大Δσ1-3不断减小. 根据试验数据绘制刚度比与Δσ1-3的散点图，如图5所示，并对其进行拟合，拟合结果为Kn/Ks=14.922 56-15.383 36Δσ1-3 +4.186 85Δσ1-32.式中Δσ1-3的单位为105 Pa. 室内试验的Δσ1-3为124 kPa，将Δσ1-3=1.24代入到公式中，得到Kn/Ks=2.28.第3步设置试验3，采用试验1确定的颗粒法向刚度以及试验2确定的颗粒刚度比，分别在围压50、100、150 kPa的情况下对试样进行数值模拟，结果如图6所示.提取图中6组应力应变曲线的室内试验拐点强度Δσ0室内、数值模拟试验拐点强度Δσ0数值、室内试验峰值强度Δσ1-3室内和数值模拟试验峰值强度Δσ1-3数值，计算室内试验和数值试验的误差率，结果如表2中所示. 从图中看出，数值试验的应力应变曲线形态与室内试验的相似，从表中可以看出，在围压50 kPa时，Δσ1-3误差率大于5%，其他5组参考数据的误差率都在5%以内，数值模拟效果良好.经过试验1、2、3就完成了一步迭代标定，如果数值试验结果与室内试验结果有较大的出入或是没有达到预定的精度，那么就在第1步迭代的基础上进行第2步迭代，继续标定颗粒的刚度和黏结强度，直至达到所需的精度为止. 经过多次试验证明，这种迭代方法，所模拟出来的应力应变曲线最终会接近于室内试验所得到的应力应变曲线.图7中的应力应变曲线是试验1轴向应变0～0.003内的放大图，徐小敏等认为轴向应变在1%内轴向应变增量与轴向应变几乎成线性关系[5]，图中的结果与其结论是一致的. 从图中可看出刚度比等其他细观参数不变时颗粒法向刚度越大初始杨氏模量越大.摩擦系数在细观和宏观上存在差异性，宏观摩擦系数取值为0～1，而细观摩擦系数取值理论上为0～+∝. 图8为在试验3的基础上，只改变细观摩擦系数大小得出的8条应力应变曲线，从局部放大图中可看出细观摩擦系数对应力应变曲线的形态只有细微的影响. 图9为在试验3的基础上将围压从100 kPa提高到100 MPa所得出的6条应力应变曲线，从图中可以看出，细观摩擦系数对于剪切破坏时的偏应力有很大影响，随着细观摩擦系数的增大，抗剪强度也不断增大. 对比两图可知，当围压较小的时候，模型抗剪强度受细观摩擦系数的影响较小，当围压较大时，则不能忽略细观摩擦系数的影响.基于线性接触的分析发现黏结强度对于应力应变曲线没有明显影响，这是因为接触黏结模型中球是刚性的、且接触面积趋近于0，当受到外力作用时，容易产生滑移，小球之间的咬合作用极小，所以黏结强度对线性接触模型中的抗剪强度没有太大影响.图10中是基于平行黏结模型得出的应力应变曲线，切向、法向黏结强度比值为1，其他参数不变，只改变黏结强度的大小. 从图中可得出，黏结强度越大偏应力峰值强度越大. 平行黏结模型中颗粒接触允许有一定的重叠量，平行黏结接触面积远大于线性模型的接触面积，这样法向黏结强度增大了小球间的抗拉能力，切向黏结强度增大了小球间的切向抗剪能力，总体上提高了小球间的咬合力，从而提高了模型的抗剪能力.1)对颗粒法向刚度和刚度比进行迭代是最有效确定宏-细观参数的方法. 试验证明，利用初始值不断循环迭代可使数值模拟试验结果更加接近室内三轴试验的结果，迭代标定法可以减少无效的“试参数”工作，提高参数标定工作效率，且误差率可控.2)颗粒的法向刚度与切向刚度不断增大时，应力应变曲线的Δσ1-3也不断增大. 颗粒法向刚度越大初始杨氏模量越大. 颗粒刚度比不影响应力应变曲线的拐点强度和弹性模量，但随着颗粒刚度比的增大,Δσ1-3不断减小.3)接触黏结模型中，黏结强度对应力应变曲线的破坏时偏应力几乎没有影响. 在平行黏结模型中，随着黏结强度的不断增大，模型的抗剪能力不断增大，剪切破坏时偏应力也不断增大.4)围压较小时，细观摩擦系数对应力应变曲线的影响极其微小. 围压较大时，随着细观摩擦系数的增大，模型的抗剪强度也随之增大，此时细观摩擦系数的影响不可忽略. 围压大小与细观摩擦系数对应力应变曲线影响的内在关系，在以后的研究工作中还需要深入探讨.【相关文献】[1] 周健, 陈小亮, 杨永香,等. 饱和层状砂土液化特性的动三轴试验研究[J]. 岩土力学, 2011,32(4):967-972.ZHOU Jian, CHEN Xiaoliang, YANG Yongxiang, et al. 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Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2009,26(8):46-50.[9] 徐小敏, 凌道盛, 陈云敏,等. 基于线性接触模型的颗粒材料细-宏观弹性常数相关关系研究[J]. 岩土工程学报,2010,32(7):991-998.XU Xiaomin, LING Daosheng, CHEN Yunmin, et al.Correlation of microscopic and macroscopic elastic constants of granular materials based on linear contact model[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010,32(7):991-998.[10]邢纪波,王泳嘉.离散单元法的计算参数和求解方法选择[J].计算力学学报,1999,16(1):47-51. XING Jibo, WANG Yongjia. Determination of calculating parameters and solution methodsof discrete element method[J]. Chinese Journal of Computational Mechannics,1999,16(1):47-51.[11]张振南, 葛修润, 李永和. 基于虚内键理论的材料多尺度力学模型 [J].固体力学学报,2006,27(4):325-329.ZHANG Zhennan, GE Xiurun, LI Yonghe.A multiscale mechanical model of materials based on virtual internal bond theory[J]. Acta Mechanica Solid Sinica,2006, 27(4):325-329. [12]蒋明镜, 付昌, 刘静德,等. 不同沉积方向各向异性结构性砂土离散元力学特性分析[J]. 岩土工程学报,2016, 38(1):138-146.JIANG Mingjing, FU Chang, LIU Jingde, et al. 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混凝土的宏观与细观力学性能分析关于《混凝土的宏观与细观力学性能分析》，是我们特意为大家整理的，希望对大家有所帮助。

混凝土材料的宏观力学性能，主要源于其内部的微缺陷的萌生、扩展、交汇贯通等细观结构的变化过程，以下是一篇关于混凝土宏观力学性能探究的论文范文，供大家阅读借鉴。

引言混凝土，是一种由水泥石、骨料和二者之间的界面过渡区所构成的三相复合材料。

并且，各相之中由于天然或人工的因素而包含大量的初始微缺陷(微裂缝和微空洞等).故，混凝土的力学性能不可避免地由三相与微缺陷所共同决定。

然而，不仅混凝土材料复杂的宏观力学行为，让人们难于把握;而且，从宏观层次所进行的力学性能研究，也很难从根本上解释各种宏观力学行为。

于是，在细观层次上，对混凝土材料细观结构构成及其变化，进行现象规律等的试验统计、简化概括等的数值模拟、抽象升华等的理论分析等一系列研究，人们希望能够从中找到既能有效表征混凝土材料力学性能的模型，又能合理解释其复杂力学行为的理论。

也因此，混凝土细观力学研究，成为当前一个人们极为热衷的研究方向。

本试验介绍了混凝土宏细观力学性能及细观力学机理研究现状，总结了混凝土细观力学机理研究的不足之处，提出了混凝土力学性能与力学机理的“宏细统一，拉压同质，压拱拉裂”的研究思路与力学模型。

此研究思路与力学模型，有可能较好地统一混凝土宏观非线性力学行为与细观损伤演化过程，较好地解释混凝土在拉压应力、拉压循环应力等状态下力学行为的细观损伤机理(本质).1、混凝土宏观力学性能混凝土的宏观力学性能，主要有：不同加载方式下的力学性能，不同加载速率下的力学性能和不同构件尺寸的力学性能等。

下文简述前两者。

1.1不同加载方式下的力学性能混凝土在不同加载方式下的力学性能，主要表现为：σ-ε曲线特征方面、弹性模量方面、强度方面、应变或变形方面和单边效应方面等(表1).故分别概述混凝土各个方面的力学性能。

土体微细观组构对其工程性质影响的研究方法综述Review on the researching method of soil’s fabric and microstructure influence on its engineering c haracteristic摘要：土是岩石在漫长的地质历史上经过各种物理化学风化作用形成的不同尺度大小的土颗粒经过各种外力搬运堆积沉淀形成的堆积体。

土体漫长的形成历史决定其复杂的组分、结构及其工程性质。

人们从事工程技术活动需要确定土的工程性质与其内部组成及结构之间的关系。

土的构造是从宏观层面上对土体的描述，如土的层状构造。

土的结构是从相对较小的尺度上对土的描述，按土颗粒粒径划分为粒组，通过筛分法和比重计法确定土的颗粒粒径级配累计曲线初步判断其工程性质好坏。

土的微观结构是组成土的矿物成分的晶体结构特征和在空间上的排列及其联结关系，着重研究土颗粒内部的矿物组成及晶体结构形态和相互关系；可以采用扫描电子显微镜观测其结构并配合能谱仪研究其矿物成分。

细观结构是指土颗粒粘聚体之间的排列特征、空间位置、粒间作用、接触状态、胶结物连接、胶结状态及颗粒间孔隙大小与形态。

土的工程性质在一定程度上是其成分和微细观结构在宏观上的外在表现，比如土的抗剪强度和压缩特性、渗透性能。

对于一些特殊土的工程性质，其微细观结构更是对其特殊性质起到决定性影响，比如膨胀土、红黏土、湿陷性土等。

因此研究土的内部结构与其本身表现出来的宏观工程性质之间的关系成为重要课题。

多种方法和理论被用于反应和描述土的结构，以方便在工程中准确反映和应用其性质。

关键词：土的结构；微细观组构；扫描电镜法；CT断层扫描法；一、土体微细观组构研究的发展历史过去由于研究方法和技术手段的限制，研究粒状材料的细观结构与其工程性质的方法主要有理论分析法和物理模拟试验分析法。

在物理模拟法试验研究中利用圆形或者椭圆形截面的钢粒、光敏塑料等理想棒状颗粒模拟材料，代替实际砂土颗粒制作成试样，通过光弹性试验、切片法等试验手段依据在试样表面绘制的网格变化去定性分析颗粒集合体在不同受力状态的组构演化。

第36卷第6期2019年12月Vol.36,No.6December2019计算力学学报Chinese Jounml of Compubitioiml Meeh斸liesDOI：10.7511棷slx20180926001基于PFC3D的砂土直剪模拟及宏细观分析杨升，李晓庆灣（新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐830052）摘要：为能更好地分析砂土在剪切过程中的体积变化及力学行为，通过PFC3D颗粒流程序，按照室内实际级配建立数值试样，进行了不同垂直压力下的砂土直剪试验模拟，并将模拟结果与室内试验结果进行了对比；研究了砂土在剪切过程中的体积变化，并用两种方法分析了砂土剪切带的演变过程；从细观角度对试样颗粒的速度场及力链网络的发展变化进行了分析研究暎结果表明，数值模拟结果与室内试验结果基本一致，砂土的体积变化表现为先剪缩后剪胀，剪胀量与垂直压力成反比；剪切带厚度约为11〜12倍山o,在剪切带内颗粒的位移和欧拉角变化较大；试样内部强力链的演变较为明显，力链网络对外荷载变化的敏感性很高；剪切过程中上盒颗粒速度场方向的变化能够较好地解释砂土产生的剪胀现象暎关键词：直剪试验；数值模拟；颗粒流；离散元；剪切带中图分类号：TU411.7文献标志码：A文章编号：1007-4708（2019）060777071引言土体可以看成是由各向异性的散体颗粒聚集在一起的集合体，自提出土的微观结构概念以来，国内外许多学者对此进行了大量的试验与研究+暎其中，室内直剪试验由于其操作简便和应用范围广等特点，一直都是研究土体抗剪强度及力学性能的重要方法。

但是，室内试验只能通过宏观的角度来解释土体的抗剪强度，存在较大的局限性，并不能反映出土体剪切时微观方面的力学性质及颗粒间的接触关系。

而真正影响土体力学特性的是其内部复杂的细观结构，土体对外所表现出的各向异性、非均匀性以及离散性等特点，都与其内部细观结构的变化有着密切的联系［随］暎因此且如何从土的细观结构入手，将土颗粒的宏细观性质联系起来，更好地理解土的本构模型，是目前需要解决的重要问题。

解析法推导颗粒体系在受力过程中的力链分布苏梁;苏强;马良荣【摘要】采用解析法推导了颗粒体系在受力过程中的力链分布,并通过PFC2D数值软件模拟双轴实验,在其他参数不变的情况下,改变应力比得到相应的力链分布图加以验证,二者结果定性吻合,具有一定的研究意义.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2011(037)009【总页数】2页(P74-75)【关键词】颗粒物质;力链;PFC2D;多尺度【作者】苏梁;苏强;马良荣【作者单位】中铁十二局集团有限公司,山西太原,030053;宁夏大学固体力学研究所,宁夏银川,750021;宁夏电力设计院,宁夏银川,750021【正文语种】中文【中图分类】TU501土体作为一种典型的散体颗粒,其宏观力学性质与其微观结构特性密切相关,可以说土体的微观结构特性在很大程度上决定了其宏观力学性质。

随着研究的深入,人们发现通过细观结构(力链[1,2])作为桥梁将土颗粒体系的宏微观建立联系,更能真实反映土体的实际变形和变形过程的内在机理。

因此,研究力链形态、特性及其动态演变,对于现代土力学具有直接的理论意义。

近年来,对于颗粒体系中力链的分布、传递以及演化研究有了很大进展,如Dantu[3]在光弹试验中发现颗粒体系内部接触力传递的非均匀现象。

Liu[4]相继采用试验方法观测到颗粒体系内部接触力基本沿着外力方向传递,形成力链结构,进而形成力链网络。

Oda[5]将砂土的三轴压缩试验试样经固化处理后从不同的方向切成薄片,然后观察颗粒接点数按接触角的分布,发现颗粒接点数在剪切过程中向大主应力方向集中。

孙其诚等[6]阐述了颗粒物质多尺度力学的研究框架,研究二维静态堆积颗粒中接触力及力链的分布。

综观以往研究,不同学者都是从试验或 DEM模拟角度观测得到力链的演变规律,很少有人从理论上进行推导。

本文主要采用解析法推导得出土颗粒在外荷载作用下力链向大主应力方向集中。

并通过离散元软件 PFC2D模拟双轴试验,在其他微观参数不变的情况下,改变应力比得到相应的力链分布图,进一步验证理论推导的正确性。

碎石道床的组构描述王　平　万复光(西南交通大学　铁道及道路工程系　成都　610031)【摘　要】　散粒体的宏观力学行为是由其细观组构所决定的,基于此,本文对影响铁路碎石道床力学特性的几种主要细观组构进行了较为详尽的统计描述,在碎石道床的离散介质理论分析方面进行了探讨。

【关键词】　散粒体;道床;细观组构【分类号】　U 213.7铁路碎石道床是由许多颗带有尖锐棱角的粗粒体所组成的,具有较强的散体性。

研究碎石道床物理力学特性的传统方法是采用连续介质理论和试验方法,不涉及道碴颗粒的大小、表面形状、排列方式、孔隙比等细观特征,无疑对研究道床的传力、变形及破坏机理有一定的局限性。

突破传统方法,采用离散介质理论研究碎石道床的细观特征与宏观力学特性之间的关系,是推动轨道力学特别是道床力学发展的一个重要途径。

组构是散粒体力学中的一个重要概念,用来描述散粒体中颗粒在空间的排列分布特征及颗粒间的相互作用。

颗粒间的接触方向在空间中的分布就是一种常用的组构。

碎石道碴属于粗粒体范畴,与砂土等一般颗粒体、水泥等粉状体、岩石等块状体相比,影响其宏观力学性能的主要细观组构类型有较大差别。

构成道碴细观组构的主要因素有:碎石颗粒本身的性质,如粒径、粒状、硬度、摩擦特性、咬合程度等;颗粒间排列与组合的性质,如级配、孔隙率、颗粒间的接触点数(即配位数)、颗粒的定向排列等;颗粒间的几何关系,如接触点的法方向、连接相接触颗粒中心间的枝矢量等。

其它因素,如饱和度、颗粒表面吸附力等已成为次要因素,不予考虑。

本文将从统计角度出发,用几种主要的组构参量来描述影响道碴体宏观力学性能的细观特征,在碎石道床的散粒体力学理论分析方面进行探讨。

1　道碴颗粒的一般描述 道碴体的总体积为V ,其中颗粒体积V 1,空隙体积V 0。

定义孔隙比e 及孔隙率n 为e =V 0 V 1,　n =V 0 V (1)碎石道床在原始状态下,其最大孔隙率可达0.45以上,而在最密实状态下,其孔隙率却稳定在0.33～0.34之间。

标准砂直剪试验数值模拟研究孙康【摘要】By indoor direct shear tests ,we acquired quantitative results from different sides of standard sand structures .The increasing complexity of the test method and a growing number of structural elements compelled people to consider the mesoscopic structural elements in combination with the macro mechanical properties .Currently ,parameter analysis relies mainly on the numerical simulations of this method .The PFC (Particle Flow Code) is the commonly used simulation software .PFC takes the internal structure of the medium as the basic unit (particle and contact) and studies the mechanical characteristics and mechanics of the medium system's re‐sponse from the perspective of the media structure's mechanical behavior .This study discusses the influence of particle friction coefficient ,particle stiffness ,particle shape ,the porosity of sample to direct shear macroscopic mechanical behavior ,and compares the simulation results and labora‐tory soil test results .The resulting numerical model mainly recreates the direct shear test of standard sand .Results show that the PFC process simulation standard for the basic mechanical behavior of sand is feasible ,and the results provide reference for future numerical simulation ex‐periments for stan dard sand .%利用 PFC（Particle Flow Code）软件探讨颗粒摩擦系数、颗粒刚度、颗粒形状、试样孔隙率对直剪宏观力学行为的影响，并将模拟结果与室内土工试验结果对比，所得到的数值模型基本再现标准砂直剪试验。