论文题目：基于离散元的无黏性干颗粒土剪切振动流化特性研究
摘要：在土木工程领域,土体作为大量工程结构的承载体,频繁地受到动荷载作用,如地铁隧道周边岩土体、高速列车路基、地震作用下的边坡等。土体受动荷载作用下可能由固态向液态（流态）转变,其承载力下降,并导致灾难性的后果。国内外学者针对含水砂土的液化问题已做了大量的研究,但对于反映土颗粒相互作用机理的振动流化现象仍缺乏深入的理解。本文基于振动流化理论以及国外学者Taslagyan博士开展的振动直剪试验成果,以离散元软件PFC3D为平台,进行二次开发,通过大量的数值模拟,展开无黏性干颗粒土的振动流化特性研究。主要的研究工作如下:（1）根据依托试验和相关理论,分别建立了玻璃珠和粗砂试样的振动直剪试验三维离散元数值模型;为保证数值试验的准确性,对颗粒的各细观参数进行标定;通过按一个周期分段施加墙体水平速度的方法实现上剪切盒的振动模拟。（2）将数值试验结果与室内试验实测数据进行对比,通过分析剪应力、竖向位移、抗剪强度包线等参数,研究试样发生振动流化的宏观力学及变形特性。（3）数值模拟结果的可靠性是展开细观分析的前提。针对模型的尺寸效应,考虑模型最小尺寸与颗粒最大粒径之比,展开对比建模分析。（4）根据振动前的局部体应变分布规律将模型划分为多个分析区域,采用多种可视化方法展现试验过程中的多个细观物理参数演化过程,探讨流化过程中各参数的变化规律及颗粒相互作用机理。研究结果表明:在三维直剪模型中,采用按周期分段施加水平速度的方法可以有效模拟振动过程,根据颗粒粒径选取较小的模型宽度,在保证模拟结果可靠性的同时能显著提高模型计算效率;振动流化伴随着试样残余抗剪强度、内摩擦角和竖向位移等宏观参数减小,振动流化限是描述振动流化特性的重要参数,可以反映材料抗流化能力的强弱;振动流化过程中试样各细观参数均表现出典型的应变局部化特征,将流化的主要发生区域称为流化剪切带,带内试样呈现局部体应变、孔隙比增大而局部配位数减小等细观特征,其厚度约为中值粒径d50的13.3~14.5倍。
关键词：离散单元法;无黏性土;剪切振动流化;细观力学;应变局部化
学科专业：桥梁与隧道工程
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 颗粒材料力学特性研究
1.2.1 细观力学研究方法
1.2.2 临界状态表征
1.2.3 应变局部化(剪切带)研究
1.2.4 直剪试验概述与数值模拟研究
1.3 振动荷载作用下土体力学特性研究
1.3.1 土体流化概念提出
1.3.2 振动流化试验与机理研究
1.4 本文主要工作
第2章 离散元方法及振动流化理论
2.1 离散元理论
2.1.1 颗粒流模型
2.1.2 力与位移法
2.1.3 牛顿第二定律
2.1.4 接触模型
2.2 振动流化理论
2.2.1 惯性流化力学
2.2.2 初始流化状态
2.2.3 中级流化与总体流化
2.3 本章小结
第3章 振动直剪试验数值建模
3.1 直剪试验三维离散元建模
3.1.1 振动直剪试验简介
3.1.2 颗粒生成与墙体建立
3.1.3 围压伺服控制系统
3.1.4 模型参数计算
3.2 模型细观参数标定
3.2.1 摩擦系数
3.2.2 接触杨氏模量
3.2.3 刚度比
3.2.4 试验细观参数的确定
3.3 数值模型曲线拟合
3.4 振动阶段模型
3.4.1 计算时间步长
3.4.2 振动过程数值模拟
3.5 本章小结
第4章 振动流化宏观力学及变形特性研究
4.1 数值试验与室内试验结果对比分析
4.1.1 剪切强度
4.1.2 剪切变形
4.2 模型尺寸效应研究
4.2.1 对比模型建立
4.2.2 尺寸效应分析
4.3 本章小结
第5章 振动流化细观力学特性研究
5.1 应变局部化分析区域划分
5.1.1 模型内测量球布置
5.1.2 计算分析区域确定
5.2 剪切振动流化特性分析
5.2.1 位移场
5.2.2 体应变
5.2.3 孔隙比
5.2.4 配位数
5.2.5 接触力链
5.2.6 组构各向异性
5.3 单个振动周期内颗粒流化特性分析
5.3.1 水平速度场
5.3.2 局部细观参数演化
5.4 本章小结
第6章 结论与展望
6.1 主要研究结论
6.2 创新点
6.3 不足与展望
致谢
参考文献