岩土材料各向异性和破损特性颗粒流数值模拟研究

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1、河海大学博士学位论文岩土材料各向异性和破损特性颗粒流数值模拟研究姓名：李凡申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：殷宗泽20080501摘要摘要岩土体的结构性研究是土力学研究中的前沿课题之一。土体结构上的各向异性是导致土体强度和变形各向异性的根本原因，因此，开展土体各向异性的机理研究是一个重要内容。但是由于其复杂性及研究手段的限制，研究成果比较少，需要进一步研究。结构性岩土材料可以抽象成由胶结块和软弱带组成的双重介质材料，胶结块的破损是岩土破损力学的研究焦点。常规试验无法得到整个加荷过程中胶结块和软弱带的局部应力和局部应变的变化情况，也就无法准确研究胶结块的破损演化

2、的全过程。而颗粒流PFC(P砌icleFlowCode)数值模拟试验除宏观结果外，还能给出试样颗粒间的应力应变，正在成为研究岩土力学的一个有力工具。本文采用颗粒流对颗粒材料的各向异性以及岩土破损力学进行了深入研究。首先采用颗粒流方法，对具有不同排列组构的试样，进行竖向、横向的试验。采用块颗粒研究散粒体原生结构的各向异性，对不同颗粒排向的试样进行数值模拟试验，研究了试样强度和加荷方向以及试样长轴定向分布的关系，分析了试样加荷过程中颗粒接触法向的空间分布的变化情况。从细观上揭示了具有不同原生结构的散粒体试样，具有不同的各向异性特征。采用颗粒流模拟大主应力加荷、中主应力加荷

3、和小主应力加荷试验，得到了和真三轴试验相类似的应力各向异性的规律。进行了更复杂的大主应力、中主应力和小主应力组合加卸荷的试验，进一步反映了应力各向异性的规律。计算结果分析认为塑性体积应变和塑性剪切应变存在线性关系，即可以认为存在塑性应变方向唯一性，同时也发现塑性主应变和塑性体积应变也存在线性关系。通过构造町破碎颗粒，建立结构性岩土材料试样构造试样，进行了刚性边界施加较低围压、柔性边界施加围压和柔性边界施加围压下提高颗粒的脆性三种情况下的数值模拟，研究了棒状结构体破损过程中，胶结块和软弱带的局部应力和局部应变以及平均应力和平均应变的变化过程。分析了软弱带和胶结块的剪切应

4、变和体积应变发展的差异，研究破损带生成及发展的演化规律。通过构造棱柱状可破碎颗粒，研究了棱柱状结构体在受荷过程中的变形和破损机理。研究了棱柱状结构体破损过程中，胶结块和软弱带的局部应力和局部应变以及平均应力和平均应变的变化过程。分析棱柱状结构体与棒状结构体破损过程应变发展的不同点。通过预制设黄材料缺陷进行试验发现，研究了缺陷会对轴向应力、破损带的空间位置分布产生重要的影响。利用颗粒流方法可以模拟裂隙试样变形过程中裂纹的形成。裂纹可以通过胶结破损空间位置直观反映出来。对含两条雁行及雁行共面三条预制裂隙试样模拟试验，分析研摘要究了分支裂纹的扩展及贯通过程。研究了非贯通雁行

5、裂隙试样在剪切荷载作用下的破坏机制，与现场真实的破坏机制进行了比较，分析了岩桥局部应变随着裂隙扩展的变化过程。关键词：颗粒流；结构性岩土材料；细观力学；各向异性；岩土破损力学；裂隙lIABSTRACTABSTRACTnleanisotropyandbreal(ageofgeologicalmaterialsareVeryimpoIrtalltintenIlsoftheoreticalanalysisandpracticalengineering，butitarenotsolVedwellsofnBreakagemechaflicsconceptualizesthege

6、ologicalmaterialsaSbinarystmcturalbodiesconsistingofbondedblocksandweakenedbands．Duringtheirdef；D]rrnationtheblocksbreakdo、vn伊aduallya11dtumtobeweakenedbands．Inthismesisa11isotropyaIldbreakageofgeologicalmaterialsarestudiedsystematicallyandintensivelybyPaIticleFlowCode(PFC)，whichadoptst

7、hedistinctelementmethod(DEM)．Aseriesofbiaxialtestsonsandswithinheremanisotropicwereperfonned．TlleeValuationofmicrofabricparameterssuchascontacto订entationandcontactforceswerestudiedduringtheprocessloading．ThemechanismofinherentanisotropicwaLsdiscussed缸omtheVie、Ⅳpointofmicro—mech