考虑粘土特性的离散元模拟程序开发

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1、硕士学位论文考虑粘土特性的离散元模拟程序开发StudyonDiscreteElementMethodProgramDevelopmentConsideringtheCharacteristicofClay作者：杨晨导师：商翔宇副教授中国矿业大学二○一五年六月中图分类号TU432学校代码10290UDC624密级公开中国矿业大学硕士学位论文考虑粘土特性的离散元模拟程序开发StudyonDiscreteElementMethodProgramDevelopmentConsideringtheCharacteristicofClay国家自然

2、科学基金青年基金(51009136)江苏省自然科学基金(BK2011212)中国博士后科学基金(2012M521145)资助作者杨晨导师商翔宇申请学位工学硕士培养单位力学与建筑工程学院学科专业岩土工程研究方向深土力学理论与地下工程答辩委员会主席张伟评阅人二○一五年六月论文审阅认定书研究生杨晨在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。导师签字：年月日致

3、谢本文是在导师商翔宇副教授悉心指导下完成的，从论文的选题、研究方案的指定直至论文的撰写和定稿无不凝聚着导师的心血和关怀。导师深博精深的学识、科学严谨的态度和宽厚正值的品质让我如沐春风，也是我一生受益的宝贵财富，在此向导师致以深深的感谢和诚挚的敬意！感谢土力学与基础工程研究所刘志强教授、马金荣教授、周金生副教授、赵光思副教授、梁恒昌副教授、王建州副研究员、赵晓东副研究员、王义江副教授、周扬副教授、王博老师、况联飞老师和刘明老师在论文选题和研究过程中提出的宝贵意见！感谢课题组的师兄弟，他们是：赖泽金、路贵林、朱坤朋、姜雄、吕长霖、吕亚、梁

4、智、陈鹏、顾建祥、李幸福、范浩、郑秀忠、陈鑫、路庆涛。感谢父母的养育之恩，感谢父母及弟弟对于我学业的支持，愿二老长寿安康！感谢女友在硕士及写论文期间对我精神上的支持。感谢我的母校－中国矿业大学对我三年的培养！论文研究工作还得到：国家自然科学基金青年基金(51009136)、江苏省自然科学基金(BK2011212)、中国博士后科学基金(2012M521145)等项目的资助，再次深表感谢。感谢各位专家、教授在百忙中对论文的审阅与指教！杨晨2015年5月摘要粘土的力学性质依赖于其微观结构特性。相较于颗粒材料，粘土颗粒间存在物理-化学作用。从

5、宏观角度上看，室内力学实验并不能充分反映粘土颗粒间的力学特性。随着数值方法的发展，粘土作为非连续性介质，离散单元法被更多的用来模拟粘土的力学行为。目前，离散元软件中并未真正地反映粘土的特性，如忽略粘土颗粒单元的线性形状及颗粒间的物理-化学作用。另外，在粘土颗粒间双电层斥力计算时，所用到的表达式在适用范围及准确度上均受到一定限制，因此，为离散元法在粘土中进一步的应用与发展带来难度。本论文首先对离散单元法基本理论进行阐述，并结合开源软件Physics2D进行对比，熟悉该软件的正常运行及操作，为后续程序的开发提供基础。粘土颗粒间的双电层斥力

6、是由渗透压力及Maxwell应力两部分组成，通过完善已有学者的研究，更为准确的求解粘土颗粒间的双电层斥力。利用有限元软件FreeFem++得到颗粒间的电斥力近似精确解。为了更方便获得颗粒间电斥力，拟合得到两平行颗粒间的双电层斥力求解公式。同时，在考虑实际粘土参数的基础上，利用所得到的电斥力数值解，拟合得到间距非0的对称颗粒间双电层斥力的拟合公式，使其更具适用性与精确性。另外，也考虑了颗粒间的范德华引力，最终获得到两平行颗粒间的力-位移关系，为程序开发时力学参数的选择提供依据。基于上述得到的双电层斥力求解方法及公式，建立双电层斥力模块、

7、范德华引力模块及Born斥力模块，同时建立符合粘土颗粒形状的线性单元。在双电层斥力模块中，相较于已有学者的研究，在程序中更为准确及全面的计算颗粒间双电层斥力及其引起的力矩。在阻尼的选择上，通过实例分析对比，选择更符合真实物理学的计算方法。通过随机生成法，获得颗粒单元体系。通过模拟深部饱和粘土泥浆试样的生成验证所开发的程序的有效性。由于在特定的范围内直接生成500个颗粒群较为困难，可通过将较大孔隙比的粘土试样压缩至室内试验一维固结实验土样的初始孔隙比。该土样由这些颗粒随机分布组成，并通过分阶段分步压缩至所需孔隙比。综合以上，本论文依托于

8、Physics2D软件，并基于最新获得的求解颗粒间电斥力的公式及方法，进行离散元程序开发。一维固结试样的生成模拟表明将粘土特性考虑到离散元模拟中的可行性，并对离散元法在粘土中的应用具有重要的指导意义。该论文有图52幅，表