砂土力学特性及临界破坏三维离散元数值模拟

砂土是一种典型的颗粒离散介质,具有明显的各向异性,在外荷载作用下呈现复杂的力学特性。关于砂土材料的力学特性及其临界破坏的研究一直是重要的课题。砂土的宏观力学特性在很大程度上受到其内部微观结构的影响,并且内结构在受荷过程中也会不断发生演化。因此为了准确地掌握砂土的力学特性并开展具有物理细观机制的本构模拟,需要对砂土特性从细观尺度进行研究分析。 本文的研究目的是揭示砂土颗粒材料在三轴应力路径下内结构及其演化规律,并探讨砂土临界破坏的宏细观特性。采用离散单元数值模拟,利用半径扩展法和重力沉积法两种试样制备方法,获得具有不同初始各向异性的试样,在三轴压缩和拉伸两种应力路径下进行数值模拟试验,并采用组构张量对砂土的各向异性进行量化,分析和探讨不同试样密度、围压、初始各向异性、加载模式和排水情况等对砂土试样宏微观力学特性的影响,并对砂土临界破坏状态进行研究和分析,探讨临界状态的唯一性。 本文的主要结论如下：1)试样的密度、围压和排水条件对材料的剪切特性有影响,当试样达到足够大剪切应变(εa>60%)时,达到临界破坏；2)不同的制样方法获得的试样具有不同的初始各向异性,并且对剪胀性有重要影响；当各向异性程度越大且组构方向与加载方向越一致,剪胀性越显著,同样地初始组构各向异性在剪应变较小对试样的力学行为有影响,但对其临界状态没有影响；3)砂土试样达到临界状态时组构张量具有唯一性,其方向与加载方向一致,而采用密度度量的各向异性大小则仅与剪切模式(或罗德角)有关；4)加载模式对试样的宏观力学特性和微观组构演化均有影响,对比三轴拉伸和压缩状态的组构各向异性大小临界值,发现其与相应的临界应力比互为倒数关系；5)临界状态线在e-p’平面内具有唯一性,与试样的密度、围压、应力路径、初始各向异性程度和排水条件无关。