【摘要】：目前,剪切帶的研究已經(jīng)成為巖土工程界的熱點課題之一,而國內(nèi)外對土樣內(nèi)部剪切帶的形成過程和剪切帶特性的研究仍處于探索階段。為了深入了解砂土剪切帶的形成過程和剪切帶的特征,本文將采用數(shù)值模擬手段對砂土剪切行為進行模擬,探討網(wǎng)格尺寸、約束、缺陷,砂土密實程度對砂土剪切過程及剪切帶特征的影響。采用的數(shù)值模擬方法包括:基于網(wǎng)格重劃分的有限元大變形模擬程序AFENA以及基于離散元的PFC2D程序。通過數(shù)值模擬分析,本文對剪切帶的數(shù)值模擬方法及力學(xué)行為特征有了更深入的了解:(1)在有限元模擬中,試樣剪應(yīng)力-剪應(yīng)變變化規(guī)律基本一致,網(wǎng)格尺寸和約束的影響可以忽略,試樣最終能達到的最大體應(yīng)變與試樣幾何形狀、網(wǎng)格尺寸有關(guān)。網(wǎng)格的疏密會影響試樣的剪切帶形成,對密砂剪脹過程所產(chǎn)生的體變有一定的影響,一般情況下,網(wǎng)格越疏,試樣最終能夠達到的最大體積最大。在有限元模擬中,雙軸剪切的剪切帶寬度和網(wǎng)格尺寸之間有一定的相關(guān)性,大約為全局網(wǎng)格平均尺寸的1.6倍。因此雙軸剪切的全局網(wǎng)格尺寸應(yīng)根據(jù)實際土體平均粒徑選擇,建議取為土體平均粒徑的5-8倍。(2)剪切帶的形狀和約束有關(guān),而剪切帶的形成受缺陷影響很大。缺陷的位置對剪切帶的形狀、寬度和傾角影響很大,缺陷的面積大小也會對剪切帶的形成有一定的影響。土體壓密區(qū)之外的最軟弱缺陷會控制土體剪切帶的形成。當(dāng)試樣內(nèi)部有缺陷時,試樣內(nèi)形成的剪切帶往往是經(jīng)過缺陷點處的,但當(dāng)缺陷位于壓密區(qū)的時候,剪切帶有可能不經(jīng)過該缺陷點。土體壓密區(qū)之外的最軟弱缺陷會控制土體剪切帶的形成。缺陷的面積大小也會對剪切帶的形成有一定的影響。(3)在PFC的雙軸剪切模擬中,顆粒間的摩擦系數(shù)比砂土的孔隙比對砂土強度的影響更加明顯。顆粒間的摩擦系數(shù)越大,砂土的抗剪強度越高。使用PFC模擬了不同顆粒粒徑下剪切帶的形成情況,得到剪切帶寬度約為顆粒粒徑的10倍。(4)PFC和有限元模擬都表明:在密砂的雙軸剪切過程中,剪切帶內(nèi)的土體逐步達到臨界狀態(tài),剪切帶外土體性質(zhì)基本不變。剪切帶的角度隨著剪切變形的增大稍有所變大。剪切帶內(nèi)部的應(yīng)變和土體宏觀應(yīng)變差別很大。
【圖文】：

１緒論逡逑１．１課題背景逡逑隨著當(dāng)代社會的不斷發(fā)展，土木工程有關(guān)的基礎(chǔ)建設(shè)也在不斷進行。其中，逡逑由于空間資源的匱乏，巖土工程和地下工程的有關(guān)項目建設(shè)越來越多。然而，在逡逑項目施工過程中遇到的問題也越來越多，其中土體發(fā)生大變形破壞問題更是屢見逡逑不鮮：如在我國沿海地區(qū)的深厚軟粘土處，通常會發(fā)生地基的大變形；再如有大逡逑規(guī)模沖填土的地區(qū)容易發(fā)生大變形沉降；再如在進行隧道開挖時，軟巖的大變形逡逑控制也是整個工程能否順利安全進行的關(guān)鍵之一；再如在進行隧道或壩體的開挖逡逑時發(fā)生山體滑坡和邊坡失穩(wěn)事故（如圖１．１和圖１．２所示）。這些問題的及時解決逡逑對工程的正常施工及后續(xù)工程的投入使用都有著重大的意義。逡逑

蔣明鏡等［２８］利用離散元法軟件ＰＦＣ２Ｄ模擬了大量砂土試樣的雙軸試驗，分析逡逑了砂土剪切帶形成機理及發(fā)展過程，并研宄了剪切帶內(nèi)外微觀性質(zhì)的差異，如圖逡逑１．７［引用于文獻２８］所示，從圖中可以看出，砂土的剪切過程中應(yīng)力會先隨著應(yīng)變逡逑增大而增大，達到峰值后減小最后達到一個穩(wěn)定值，而體積會先減小后增大，最逡逑后逐步增大到一個穩(wěn)定值。逡逑周健，池永等［２９］基于顆粒流理論，對砂土的室內(nèi)雙軸試驗和砂土剪切帶形成逡逑與發(fā)展進行了數(shù)值模擬，主要研究了顆粒粒徑、顆粒剛度及顆粒摩擦系數(shù)等細(xì)觀逡逑參數(shù)變化時試樣宏觀性質(zhì)的變化情況，通過調(diào)整顆粒組合型式，消除了粒徑變化逡逑對曲線峰值強度的影響。分析得出，顆粒粒徑對恒定剪切帶的傾角、寬度和傾斜逡逑方向有明顯的影響。隨著粒徑的增大，剪切帶傾角呈增大的趨勢，形成的剪切帶逡逑寬度也逐漸增大。逡逑李福林，彭芳樂等［３Ｃ）］根據(jù)飽和砂土的排水平面應(yīng)變壓縮試驗的應(yīng)變場，分析逡逑研究砂土的應(yīng)變局部化現(xiàn)象以及剪切帶的形成，，分別利用高精度攝影設(shè)備和基于逡逑砂土的三要素彈黏塑性本構(gòu)模型及動態(tài)松弛有限元對剪切帶的形成和基本特性進逡逑行了觀察與分析，兩種方法得到的剪切帶基本一致，砂土內(nèi)部最終都形成Ｖ型剪逡逑切帶。逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TU441

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本文編號：2575604