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1、对直剪试验条件下颗粒破碎的离散元方法评价SebastianLobo-Guerrero1andLuisE.Vallejo2摘要：作为构成土木工程结构一部分的颗粒材料可以同时承受静力和动力荷载。这些荷载导致颗粒破碎发生。本文着重模拟颗粒材料在直剪试验下颗粒破碎的发展过程。研究发现离散元方法（DEM）可用于显示和理解颗粒材料在直剪试验下颗粒的破碎过程。虽然DEM通常不能考虑颗粒的破坏，但是它可以通过用许多不同尺寸颗粒的结合来替换在张力下破坏的颗粒从而模拟材料的破坏。模拟发现在整个试样中破碎发展不均匀，颗粒尺寸呈现出不规则的分布。该颗粒材料的

2、其他性能参数的变化也被记录和分析例如孔隙率、剪切强度，并与那些在试验工程中颗粒破碎并非主要特征的模拟进行对比。关键词：离散元；破碎；剪切试验；颗粒材料；静荷载1引言作为构成路堤，基础和道路一部分的颗粒材料经常承受静力和动力荷载。因为荷载的作用，颗粒发生破裂。颗粒破裂导致沉降和引起颗粒材料渗透系数的减小（FragaszyandVoss1986）。先前的研究发现颗粒材料在发生破碎时表现出非线性的破坏包络线（Fera2002）。颗粒材料初始性能参数的改变影响工程结构的稳定性。因此。颗粒破碎可能是有害的现象，是值得研究的。本文着重形象化颗粒材

3、料在直剪试验条件下破碎的发展过程。给出使用离散元方法（DEM）（CundallandStrack1979）的两种电脑模拟结果。两种模拟使用不同的垂直应力。在模拟过程中记录下孔隙率，粒度级配，破碎程度和剪切强度的变化。2研究进展根据室内试验，材料破碎的发生与很多因素相关。研究发现影响颗粒破碎的因素有颗粒强度，棱角性，级配，孔隙率，徐变和含水率（LeeandFarhoomand1967;Hardin1985;Hagertyetal.1993;Ladeetal.1996;McDowellandBolton1998;Takeietal.200

4、1）。另一种方法分析颗粒材料的破碎过程是采用DEM进行数值模拟。然而，大多数DEM模拟不允许颗粒的破坏。不同的解决办法被提议去考虑颗粒破坏。一种方法是将颗粒看做由粘结颗粒构成的多孔团状结构。在模拟过程中这些团块可以分解。此方法已经被Chengetal.（2003）McDowellandHarireche（2002）Jensenetal.（2001）是用等效的一组小颗粒代替原本的颗粒使其满足预定义的破坏准则（Tsounguietal.1999）。本文使用的就是后一种方法。3计算机模拟基础使用的是Itasca公司生产的PFC软件。在该软件

5、中，颗粒被视为圆盘且通过颗粒间的接触相互作用。相互作用由三个主要模型控制：刚度模型，滑移模型和粘结模型（Itasca咨询集团公司,2002b）。本文只用到前两个模型。4试样结构和直剪试验顺序第一步是剪切盒的构造。剪切盒宽6cm，高3cm。剪切盒墙壁法向刚度和切向刚度均为1×109N/m。假定墙的摩擦系数均为0。剪切盒创建之后，生成48个半径为3mm的圆形颗粒。颗粒密度设置为2500kg/m3，法向和切向刚度为1×108N/m，摩擦系数为0.7。程序随机选择颗粒位置并保证颗粒彼此不发生重叠。模拟过程中重力加速度设置为9.8m/s2。本文

6、两个模拟的这些参数均相同包括颗粒材料结构的相同。两个试验开始时均通过移动剪切盒上部分的顶墙从而获得指定的垂直应力。第一个试验施加的垂直力为1.6×104N，第二个为3×104N。第一个试验施加给材料的垂直应力小于其屈服应力。第二个施加的垂直应力大于材料的屈服应力。将在DEM试验中引起初始颗粒发生破碎的垂直应力定义为屈服应力。模拟过程中施加的垂直应力保持为常数。这一过程通过Fish语言的伺服控制机构实现（Itasca咨询集团公司,2002a）。当垂直应力设置为常数后，以恒定的速度5×10-8m/step向左移动剪切盒的上部分，开始剪切。

7、当水平位移达到5mm时试验结束。4.1颗粒破坏准则因为PFC程序不允许颗粒破坏，通过Fish语言编译一个子程序实现颗粒破坏的发生。根据施加到颗粒上的力，颗粒配位数和尺寸采用简化的破坏准则。在破坏过程中配位数是重要的，高配位数的颗粒有较好的应力分布并被周围颗粒限制，因此不容易发生破碎（Ladeetal.1996;Nakataetal.2001a）。颗粒尺寸也是相当重要的，因为许多研究者发现单个颗粒的抗拉强度是其自身尺寸的函数（Billam1971;Nakataetal.2001b）。图1拉应力理想化及真实骨料和理想材料由于拉应力破坏产生

8、的破坏形式简化的破坏准则认为：1）只有配位数等于或小于3的颗粒才能够破坏。2）对于那些配位数小于或等于3的颗粒，加荷简图如图1（a）所示，假定等效为如图1（a，）所示的巴西试验。引起的拉应力σt由图1得到，P1为作