砂土剪切带尺寸效应数值模拟研究

摘要

本文采用PFC 离散元软件模拟砂土双轴CD 试验,探讨细观参数标定方法以及柔性边界建模方法,通过一系列双轴试验从细观角度分析双轴压缩过程中砂土颗粒的位移场和孔隙率的变化规律,讨论试样尺寸对应力应变曲线、体应变曲线、抗剪强度指标等特性的影响,研究剪切带形式、宽度以及角度的尺寸效应,并结合剪切带特征的尺寸效应分析砂土宏观力学特性随试样尺寸的变化规律.数值模拟结果及数据分析表明:根据正交实验的原则设计实验,得到宏观内摩擦角与细观摩擦系数,宏观压缩模量与细观法向刚度之间基本成呈线性关系;在轴向加载的过程中,试样颗粒由两端向中心挤压,土体颗粒之间应力增大,试样中部两侧的土体率先发生侧向位移,导致在试样中心会形成一个孔隙率较高较松散的核心薄弱区域,其内部土体最先达到极限状态,致使剪切带在核心区域的薄弱点开始发育并向两侧发展,最终形成贯穿整个试样的剪切带;在相同围压下,不同尺寸试样的应力应变曲线基本一致,抗剪强度指标基本相同,不存在尺寸效应,而体应变曲线在剪缩阶段基本重合,差异性主要表现在剪胀阶段,试样尺寸越大,剪胀性越弱;随着围压的增大,剪切带形式从交叉型剪切带逐渐转变为单一型剪切带,剪切带的宽度逐渐降低,最终稳定在某一水平;剪切带面积占比(剪切带与试样面积的比值)随着围压的增大逐渐降低最终趋于稳定,稳定值约为0.02,并且剪切带面积占比的尺寸效应主要表现在低围压阶段;剪切带倾角尺寸效应不明显,各尺寸试样剪切带倾角处于50-54 之间;各尺寸试样在双轴压缩过程中剪切带区域内外的孔隙比基本一致,不存在尺寸效应,且压缩曲线和临界状态曲线唯一,与试样尺寸的大小无关.