透明砂室内动三轴试验及离散元模拟

论文摘要

透明土是人工合成的一种新型岩土试验材料,其与粒子图像测速（PIV）技术结合,近年来应用于土木工程模型试验中,取得了较好的试验效果。透明土技术与传统变形测量技术不同,其可从细观角度监测土体变形从而得到土体变形机理。目前针对人工合成透明土力学特性的研究主要侧重于静力方面,对动力作用下透明土的力学特性研究较少。本文基于熔融石英砂配制而成的透明砂开展室内动三轴试验,得到了透明土的动强度和动变形变化规律,进而进行了动力特性离散元分析,研究了围压、频率、相对密度、偏动应力幅值等因素对动强度与动变形的影响,所得结论如下:（1）对熔融石英砂为骨架材料配制的透明砂试样开展了不排水条件下的动三轴试验,得到了透明砂的非线性、滞回性及变形累积性的动应力-应变关系,体现出该种材料的弹塑性及应变硬化的特征;对试样的累积塑性变形曲线进行拟合发现,变形发展趋势为稳定及破坏型曲线特征;此外分析了相对密度、围压、频率和偏动应力幅值等因素对透明土动强度和动变形的影响规律。（2）采用PFC 2D软件建立透明砂离散元分析模型,依据细观参数对宏观力学性质的影响规律确定模型参数和接触滑动本构关系,对动力作用下的透明砂的细观特性变化进行了分析,经与室内动三轴试验结果的比较,验证了所建离散元模型及计算的合理性。（3）综合分析室内动三轴试验和离散元分析结果,得到静荷载下的相对密度对位移场以及接触力的影响规律;分析了循环荷载作用下的偏动应力幅值、围压以及初始孔隙等参数对透明砂试样变形的影响规律,并对这些参数进行了敏感性分析,从细观角度得到动载作用下的试样的接触力链、配位数、孔隙率的变化,从而揭示了透明砂试样内部的变形演化特点。上述对透明砂的动三轴试验及离散元分析的成果为透明砂应用于土动力学的相关模型试验提供了科学参考。

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摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 透明土研究现状

1.2.1 透明土物理力学性质的研究现状

1.2.2 透明土技术应用研究现状

1.2.3 离散元用于透明土力学性质研究的现状

1.3 研究内容及技术路线

2 透明砂的动三轴试验研究

2.1 试样制备

2.1.1 透明砂的基本特性

2.1.2 试样的制备步骤

2.2 试验仪器

2.3 动三轴试验简介

2.3.1 试验原理

2.3.2 试验方案

2.4 透明砂的应力—应变关系

2.5 透明砂动变形分析

2.5.1 累积塑性变形分析研究

2.5.2 围压对动变形的影响

2.5.3 频率对动变形的影响

2.5.4 偏动应力幅值对动变形的影响

2.5.5 初始相对密度对动变形的影响

2.6 透明砂动强度分析

2.6.1 围压对动强度的影响

2.6.2 频率对动强度的影响

2.6.3 偏动应力幅值对动强度的影响

2.6.4 初始相对密度对动强度的影响

2.7 本章小结

3 透明砂在循环荷载作用下的离散元数值模拟

3.1 颗粒流理论及方法

3.1.1 基本理论

3.1.2 颗粒本构模型

3.1.3 试验常体积控制及伺服加载方式

3.1.4 量测的微细观表征

3.2 模型参数选取

3.2.1 细观参数的影响

3.2.2 参数的确定

3.3 动三轴试验数值模型建立

3.3.1 模型建立步骤

3.3.2 试样制备

3.3.3 模拟结果与试验结果的对比

3.4 本章小结

4 透明砂静动力特性影响因素分析

4.1 静荷载作用下的透明砂力学性质

4.1.1 偏应力-应变曲线

4.1.2 接触力与位移场的变化规律

4.2 透明砂循环荷载作用下的影响因素分析

4.2.1 围压的影响

4.2.2 偏动应力幅值的影响

4.2.3 初始孔隙率的影响

4.3 透明砂整体变形特征及位移场的变化规律

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士/博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 彭敬

导师: 魏静

关键词: 透明土,熔融石英砂,动三轴试验,循环荷载,离散元

来源: 北京交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 北京交通大学

分类号: TU411.8

总页数: 89

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