留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

碎石土三轴测试仿真建模及试样尺寸效应分析

董辉 罗潇 罗正东 王智超

董辉, 罗潇, 罗正东, 等, 2016. 碎石土三轴测试仿真建模及试样尺寸效应分析. 地质力学学报, 22 (1): 104-113.
引用本文: 董辉, 罗潇, 罗正东, 等, 2016. 碎石土三轴测试仿真建模及试样尺寸效应分析. 地质力学学报, 22 (1): 104-113.
DONG Hui, LUO Xiao, LUO Zheng-dong, et al., 2016. SIMULATION MODELING AND SAMPLE SIZE EFFECT ANALYSIS FOR GRAVEL SOIL TRIAXIAL TEST. Journal of Geomechanics, 22 (1): 104-113.
Citation: DONG Hui, LUO Xiao, LUO Zheng-dong, et al., 2016. SIMULATION MODELING AND SAMPLE SIZE EFFECT ANALYSIS FOR GRAVEL SOIL TRIAXIAL TEST. Journal of Geomechanics, 22 (1): 104-113.

碎石土三轴测试仿真建模及试样尺寸效应分析

基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 51108397

国家自然科学基金资助项目 51308485

湖南省自然科学基金资助项目 2015JJ2136

湖南省自然科学基金资助项目 2015JJ6038

详细信息
    作者简介:

    董辉(1976-), 男, 湖南安乡县人, 博士, 副教授, 主要从事环境地质与地质灾害研究。E-mail:aneurin.h.d@gmail.com

  • 中图分类号: TU411

SIMULATION MODELING AND SAMPLE SIZE EFFECT ANALYSIS FOR GRAVEL SOIL TRIAXIAL TEST

  • 摘要: 借助离散单元理论与室内三轴试验, 分析碎石土物理实验中试样尺寸(直径和高度)变化对应力应变、体应变、粘聚力和内摩擦角等力学性能的尺寸效应影响。研究结果表明, 所提出的块体随机生成法则能较好地实现试样中不同形状碎石块的模拟。不同直径和高度的碎石土试样, 初始2%应变范围内的应力-应变曲线变化规律基本一致, 后部曲线变化较大。直径和高度越小, 围压越低, 应力软化现象越明显; 直径大于250 mm、高度大于350 mm后无应变软化, 残余应力恒定。峰值应力随试样直径增大以25%的增长率呈线性增长, 随高度的增大呈非线性增长, 高度小于200 mm时增长率为11.9%, 大于200 mm后为28.9%。体应变破坏峰值则表现为先增大后减小的趋势。同时粘聚力随直径的增大线性增长, 内摩擦角则减小, 而试件高度的变化对其影响规律则相反。

     

  • 图  1  碎石土颗粒组成

    Figure  1.  Granular composition of gravel soil

    图  2  碎石土试验结果

    Figure  2.  Test results of gravel soil

    图  3  碎石块生成法则

    Figure  3.  Law of crushed stone formation

    图  4  仿真模型生成

    Figure  4.  Simulation model generation

    图  5  参数标定及验证

    Figure  5.  Parameter calibration and verification

    图  6  不同直径应力-应变曲线

    Figure  6.  Stress strain curve of different diameters

    图  7  不同高度应力-应变曲线

    Figure  7.  Stress strain curve of different heights

    图  8  偏应力峰值

    Figure  8.  Deviatoric stress peak

    图  9  粘聚力及内摩擦角

    Figure  9.  Cohesive force and inner friction angle

    表  1  模拟级配与试样级配对比

    Table  1.   Comparison of simulated grading and sample grading

    三轴试验试样尺寸和级配数值模拟模型尺寸和级配
    试样尺寸/mm粒径/mm含量/%模型尺寸/mm粒径/mm含量/%
    101×20020~1021.72101×20020~1021.72
    10~520.1910~520.19
    5~218.095.0~2.518.09
    <2402.540
    下载: 导出CSV

    表  2  参数标定值

    Table  2.   The calibration parameters

    参数含义程序代码参数取值
    杨氏模量md_Ec4.5e6
    平行粘结模量pb_Ec1e7
    密度md_dens2600
    土颗粒法向刚度kn7.2e4.
    块体法向刚度kn4e5
    法向刚度与切向刚度比kn/ks0.8
    接触粘结法向力平均值cb_sn_mean1.35e5
    接触粘结切向力平均值cb_ss_mean1.35e5
    平行粘结法向力平均值pb_sn_mean7e4
    平行粘结切向力平均值pb_ss_mean7e4
    下载: 导出CSV

    表  3  模拟实验与三轴试验误差分析

    Table  3.   Error analysis in simulation experiment and triaxial test

    实验类型峰值偏应力/kPa粘聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)
    围压100 kPa围压200 kPa围压400 kPa
    三轴试验501.80677.901119.2079.8930.67
    模拟实验466.91708.411016.4391.3328.38
    误差/%6.954.509.1814.307.45
    下载: 导出CSV

    表  4  数值模拟工况组合

    Table  4.   Numerical simulation case combinations

    编号试样尺寸/mm
    直径高度
    试样150200
    试样270200
    试样3101200
    试样4150200
    试样5200200
    试样6250200
    试样7101100
    试样8101150
    试样9101200
    试样10101250
    试样11101300
    试样12101350
    下载: 导出CSV

    表  5  不同试样直径下峰值体应变

    Table  5.   Peak body strain under different diameter

    试样直径/
    mm
    峰值体应变
    100 kPa200 kPa400 kPa
    500.02640.04810.0174
    700.03260.04770.0452
    1010.05680.05870.0372
    1500.02860.028400.03640
    2000.01130.009830.00282
    250-0.0021-0.01360-0.03350
    下载: 导出CSV

    表  6  不同试样高度下峰值体应变

    Table  6.   Peak body strain under different height

    试样高度/
    mm
    峰值体应变
    100 kPa200 kPa400 kPa
    1000.02790.01210.0074
    1500.03790.03090.0151
    2000.05680.05870.0372
    2500.05570.04480.0912
    3000.05630.04620.0396
    3500.01330.01370.0888
    下载: 导出CSV
  • [1] 谈云志, 郑爱, 吴翩, 等.红黏土承载比的土团尺寸效应研究[J].岩土力学, 2013, 34(5):1242~1246 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201305002.htm

    TAN Zhi-yun, ZHEN Ai, WU Pian, et al. Effect of aggregate soil size on Californi a bearing ratio values of laterite soil[J]. Rock and soil mechanics, 2013, 34(5): 1242~1246. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201305002.htm
    [2] 凌华, 殷宗泽, 朱俊高, 等.堆石料强度的缩尺效应试验研究[J].河海大学学报, 2011, 39(5):540~544 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HHDX201105016.htm

    LING Hua, YIN Zong-ze, ZHU Jun-gao, et al. Experimental studyof scaleeffect onstrengthof rockfill materials[J]. Journal of HohaiUniversity, 2011, 39(5): 540~544. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HHDX201105016.htm
    [3] 徐文杰, 胡瑞林, 岳中琦, 等.土石混合体细观结构及力学特性数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报, 2007, 26(2):300~311 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200702010.htm

    XU Wen-jie, HU Rui-lin, YUE Zhong-qi, et al. Mesostructural character and numerical simulation of mechanical properties of soil-rock mixtures[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(2): 300~311. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200702010.htm
    [4] The Influence of Rock Block Contents on Geo-Mechanical Behavior of Soil-Rock Mixture[C] //2012颗粒材料计算力学研究进展. 2012. http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-DLLG201209001032.htm
    [5] 狄圣杰, 汪明元, 邓南沙, 等.土石混合体REV尺度数值方法研究[J].防灾减灾工程学报, 2012, 32(5):523~526 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZXK201205002.htm

    DI Sheng-jie, WANG Yuan-ming, DENG Nan-sha, et al. Numerical Simulation Study on REV's Measure of Soil-rock Mixture[J]. Disaster Prevention and Mitigation Engineering, 2012, 32(5): 523~526. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZXK201205002.htm
    [6] Minneapolis M. PFC2D particle flow code in 2 dimensions theory and background [R]. Itasca Consulting Group Incorporation, 2004. doi: 10.1134/S1062739116041046
    [7] 刘宝琛, 张家生, 杜奇中, 等.岩石抗压强度的尺寸效应[J].岩石力学与工程学报, 1998, 17(5):611~614 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZLX201702017.htm

    LIU Bao-chen, ZHANG Jia-sheng, DU Qi-zhong, et al. A study of size effect for compression strength of rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1998, 17(5): 611~614. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZLX201702017.htm
    [8] 潘一山, 魏建明.岩石材料应变软化尺寸效应的试验和理论研究[J].岩石力学与工程学报, 2002, 21(2):215~218 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200202013.htm

    PAN Yi-shan, WEI Jian-ming. Experimental and theoretical study on size effect on strain softening of rock materials[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21(2): 215~218. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200202013.htm
    [9] 李翀, 何昌荣, 王琛, 等.粗粒料大型三轴试验的尺寸效应研究[J].岩土力学, 2008, 29(增刊):563~566 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX2008S1113.htm

    LI Xu, HE Chang-rong, WANG Chen, et al. Study of scale effect of lage-scale triaxial test of coarse-grained meterials[J]. Rock and soil mechanics, 2008, 29(Supplement.): 563~566. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX2008S1113.htm
    [10] 阳云华, 赵晏, 关沛强, 等.膨胀土抗剪强度的尺寸效应研究[J].人民长江, 2007, 38(9):18~22 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-RIVE200709010.htm

    YANG Yun-hua, ZHAO Yan, GUAN Pei-qiang, et al. A study of size effect for shear strength of the expansive soil[J]. Ren Min Chang Jiang Journal, 2007, 38(9): 18~22. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-RIVE200709010.htm
    [11] 杨圣奇, 苏承东, 徐卫亚, 等.岩石材料尺寸效应的试验和理论研究[J].工程力学, 2005, 22(4):112~118 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCLX200504021.htm

    YANG Sheng-qi, SU Cheng-dong, XU Wei-ya, et al. Experimental and theoretical study of size effect on of rock material[J]. Engineering mechanics, 2005, 22(4): 112~118. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCLX200504021.htm
    [12] 吕兆兴, 冯增朝, 赵阳升, 等.岩石的非均质性对其材料强度尺寸效应的影响[J].煤炭学报, 2007, 32(9):917~920 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB200709004.htm

    LV Zhao-xing, FENG Zeng-chao, ZHAO Yang-shen, et al. Influence of rock in homogeneity on strength2size effect of rock materials[J]. Journal of coal, 2007, 32(9): 917~920. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB200709004.htm
    [13] 肖昭然, 胡霞光, 刘玉, 等.沥青混合料细观结构离散元分析[J].公路, 2007, (4):146~148 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GLGL200704039.htm

    XIAO Zhao-ran, HU Xia-guang, LIU Yu, et al. Discrete element method analysis for micro structure of asphalt mixtures [J]. High Way, 2007, (4): 146~148. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GLGL200704039.htm
    [14] 李耀旭. 颗粒流方法在土石混合体力学特性研究中的应用[D]. 长江科学院, 2009 http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10611-1016731846.htm

    LI Yao-xu. The application of particle flow code in studing of mechanical characteristics of soil-rock mixture [D]. Yangtze River Scientific Research Institute, 2009. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10611-1016731846.htm
    [15] 王新. 土石混合体力学特性影响因素及破坏机制研究[D]. 长江科学院, 2010 http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-DZDQ201501006007.htm

    WANG Xin. Research on influence factors of mechanics charateristics and failure mechanism of soil-rock mixture [D]. Yangtze River Scientific Research Institute, 2010. http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-DZDQ201501006007.htm
  • 加载中
图(9) / 表(6)
计量
  • 文章访问数:  164
  • HTML全文浏览量:  103
  • PDF下载量:  8
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2015-09-02
  • 刊出日期:  2016-03-28

目录

    /

    返回文章
    返回