基于pfc3d的粗粒土三轴试验细观数值模拟

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1、分类号TU4密级UDC624硕士学位论文基于PFC3D的粗粒土三轴试验细观数值模拟学位申请人：张志华学科专业：岩土工程指导教师：张国栋教授Dave.Chan教授二○一五年五月ADissertationSubmittedinFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofScienceinEngineeringMesoscopicNumericalSimulationofTriaxialTestofCoarseGrainedSoilBasedonPFC3DMasterCandidate:ZhangZhihuaMajor:

2、GeotechnicalEngineeringSupervisor:Prof.ZhangGuodongProf.Dave.ChanChinaThreeGorgesUniversityYichang,443002,P.R.ChinaMay,2015三峡大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名：日期：III内

3、容摘要细观力学特性是粗粒土力学特性的主要研究内容之一。目前，试验及测试技术都无法获取其细观力学参数，粗粒土宏观力学特性内在作用机制不能得到很好的揭示。PFC作为离散元方法的一种，是细观分析的主要手段之一。在PFC三轴数值模拟试验中，建立既高效又反应室内试样颗粒级配的数值模型是三轴数值模拟的基础，选择各细观参数值的调节顺序及调节程度是提高三轴数值模拟效率的关键，采用不同的细观分析方法揭示粗粒土宏观力学特性内在机制是三轴数值模拟试验的最终目的。因此，本文基于室内三轴试验研究成果，开展PFC三轴数值试验研究，提出了高效数值建模方法和新的细观分析方法，分析细观参数对宏观力学特性

4、的影响，并进行了各细观参数力学及变形敏感性排序。本文主要研究工作及成果如下：1）基于已有的室内大型三轴试验数据，自编程序，建立PFC3D三轴数值试验模型。2）首次提出采用加权平均数方法生成模型中的颗粒，避免粒径较小的颗粒数目庞大导致的计算效率的降低。同时根据颗粒粒径的加权平均数生成方法，能够很好的得到三轴数值试验应力应变曲线结果。3）从细观角度分析不同围压下剪切过程中颗粒位移场和颗粒转动速度场的变化规律，并根据其变化情况分析室内三轴试验宏观力学特性现象的细观本质。4）首次将测量模型运用到三轴数值试验模型中，通过自编测量模型程序，采用133个测量球体对试样内部裂隙分布进行

5、检测，根据量球环内的颗粒配位数、孔隙度以及体应变在剪切过程中的变化规律分析剪切面在三轴模型中的空间分布，得到三轴数值试验的空间剪切面。5）进行了各细观参数对粗粒土强度以及变形的敏感性影响分析，其中包括：孔隙度、颗粒配位数、颗粒法向刚度与切向刚度之比（kn/ks）、颗粒粒径分布、剪切速率以及摩擦系数等细观参数。得出各细观参数对粗粒土峰值强度的敏感性排序为：kn/ks>摩擦系数>剪切速率>颗粒粒径分布>孔隙度>配位数。关键词：粗粒土PFC3D加权平均数颗粒位移场颗粒转动速度场IVAbstractMesoscopicmechanicalpropertiesisthemainr

6、esearchcontentofmechanicscharacteristicsofcoarsegrainedsoil.Atpresent,testsandmeasurementtechnologycannotobtainthemesoscopicmechanicsparameters,neitherwellrevealmacromechanicalpropertiesinherentmechanismofcoarsegrainedsoil.Asakindofdiscreteelementmethod,PFCisoneofthemainmeansofmesoscopic

7、analysis.InPFCtriaxialnumericalsimulationexperiment,establishingefficientandreactingindoorsampleparticlesizedistributionofthenumericalmodelisthebasisoftriaxialnumericalsimulation,selectingtheregulationorderandadjustingthedegreeofthemesoscopicparametersvalueisthekeytoimpro