粒间摩擦对岩土颗粒材料三维力学行为的影响机制

颗粒间摩擦是影响岩土颗粒材料力学特性的重要因素之一,现有研究主要集中在粒间摩擦对颗粒集合体堆积、宏观剪切强度等的影响,而其在复杂应力路径下对岩土颗粒材料的影响机制尚不明确。采用离散单元法(DEM)进行了颗粒材料的真三轴加载路径数值试验,通过改变颗粒间摩擦系数μ来研究粒间摩擦对颗粒材料宏观力学特性的影响。对比了4种三维强度准则,发现当0.2<μ≤0.5时,Lade-Duncan和Matsuoka-Nakai准则能较好地拟合不同加载路径下的数据点。采用平均接触力将颗粒体系的接触网络划分为强、弱两个子网络,分析了强、弱接触网络的配位数分布、接触力和组构各向异性等。结果表明在峰值剪应力状态,随着颗粒间滑动摩擦系数μ的增加,强接触网络中参与形成"力链"的颗粒数目基本不变,但强接触网络中颗粒间法向接触力明显增加以及法向接触力各向异性加强,这是导致宏观抗剪强度增大的主要原因。而弱接触网络的配位数分布随μ值明显变化,其对颗粒体系剪胀程度的增加贡献显著。

粒间摩擦对含有点缺陷的二维颗粒堆积体底部力链的影响

力链对颗粒物质的宏观与微观力学性质起着决定性的作用。在离散元法的基础上,建立二维规则排列的颗粒物质系统,分别研究无缺陷颗粒系统在集中载荷变化与有缺陷颗粒系统在缺陷区域改变时,粒间摩擦系数对颗粒系统底部接触力分布规律的影响。结果表明:在无缺陷颗粒系统中,颗粒系统底部接触力的分布形式受摩擦系数和集中载荷的大小影响。随摩擦系数的增大,底部接触力由双峰形式经平台过渡,逐渐向单峰形式转变。在有缺陷颗粒系统中,摩擦系数和缺陷尺寸对底部接触力分布均有影响。同种载荷作用下,随缺陷尺寸的增大,底部接触力峰值显著增大;底部平均力被明显削弱,力向边界的传递增强。系统中轴线上缺陷的存在使底部中间区域受力削弱,当缺陷尺寸超过2层以上时,底部中间力随摩擦系数的变化特征由递增曲线演变为线形衰减曲线。

粒间摩擦和层厚比对二维分层颗粒系统底部响应的影响

研究分层颗粒中的力学响应对于理解复杂颗粒系统的弹性与变形的机理具有重要意义。基于离散单元法,针对粒间摩擦和层厚比对系统中力学响应的影响,建立上软下硬和上硬下软两种规则排列的二维分层颗粒系统模型,并进行仿真分析。结果表明:在上软下硬型系统中,随摩擦系数的增大,底部响应均是按照双峰→平台→单峰的顺序演变,平均力、峰值、中间力随之先减后增;硬层厚比对系统底部响应几乎没有影响。在上硬下软型系统中,粒间摩擦和软层厚比对系统底部响应均有影响,底部响应有三种转变形式,但随着摩擦系数的增大,最终都会变为单峰分布,平均力随之波动型下降,峰值/中间力先增后减;软层厚比的增大会使力更容易向系统中间聚集,从而引起底部响应形式的变化。

离散元微观参数对砂土宏观参数的影响

采用离散元商业软件PFC2D对密砂和松砂试样共进行了66组双轴压缩试验,试验中改变颗粒接触刚度和粒间摩擦系数以探究离散元微观参数对试样宏观参数(弹性模量和内摩擦角)的影响,其中颗粒法向刚度变化范围为1.5×108～1.5×109N.m-1,粒间摩擦系数变化范围为0.1～0.7 N.m-1。结果表明:颗粒接触刚度对弹性模量有一定程度影响且对密样影响程度大于松样,而对内摩擦角基本无影响;粒间摩擦系数对试样弹性模量有明显影响且对松样的影响程度更大,对密样和松样的内摩擦角都有非常显著的影响。