基于离散元的颗粒材料中应变局部化形成与演化研究

岩土颗粒材料的应变局部化失效问题广泛存在于工程设计应用中,主要表现为介观尺度上的应变局部化现象和宏观尺度上的剪切带产生,目前在微观尺度上的形成机理尚不明确。为了系统研究颗粒集合体的应变局部化的形成与演化过程,通过使用离散单元法(Discrete Element Method,DEM)模拟了指定平面应变加载路径的真三轴试验,获取了宏观和微观尺度上的颗粒材料几何、运动以及力学信息。为了找出表征应变局部化特性的最佳特征量,比较了颗粒温度、波动位移和局部剪胀角等微观指标,发现波动位移在表征应变局部化方面与其他参数相比相关性更好,并选定其作为应变局部化表征变量。为了量化颗粒集合体从应变局部化开始产生到发育完成的具体应变区间,采用莫兰指数对波动位移的空间分布特征进行统计和分析,确定了颗粒集合体在弹塑性转换阶段的发育区间。进一步对颗粒集合体应变局部化发育区间内的波动位移空间分布进行探究,并统计不同空间区域内波动位移的概率密度函数,发现研究区域外部的局部塑性在过渡阶段停止演化,而内部塑性以逾渗模式发展。最终,通过波动位移的空间分布进行聚类分析,获得了描述介观尺度上应变局部化的团簇体模型。该模型可以将颗粒集合体宏观剪切带的形成与发育和单个颗粒的微观塑性发展相联系,刻画颗粒集合体从介观尺度上的应变局部化出现到宏观尺度上剪切带完全形成的演化过程。