初始组构各向异性砂土半模直剪试验的数值模拟

摘 要：本文应用PFC2D软件模拟不同各向异性砂土在半模直剪试验的表现，并通过软件观测其细观层面的变化。结果表明在相同围压下砂土颗粒的各向异性对砂土抗剪强度的影响非常明显。细观层面上发现影响砂土抗剪强度的主要是与颗粒接触数有关，最后达到残余状态时试样的孔隙率，接觸数等均达到一个稳定值与初始组构无关。

关键词：PFC2D；半模直剪；初始组构；各向异性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.117

由于自然或者非自然原因，砂土颗粒一般具有各向异性的特点，即砂土在剪切过程中的峰值强度与沉积方向和剪切方向的夹角有关。M.Oda和I.Koishikawa对密实砂土进行的模型试验表明，在围压以及密实度等条件完全相同的情况下，沉积方向和剪切方向的夹角为0°时比沉积方向和剪切方向的夹角为90°的大50%左右。

为了研究土的承载、破坏机理分析强度参数等，我们需要进行室内土体单元试验。在实际试验中直剪试验和三轴试验应用比较广泛，因为它们比较简单易行并且能反映一些土体实际破坏的问题[1]。但是很多实验我们需要重复做很多组才能得出一般性结论，这无疑大大浪费了我们实验的效率。于是用电脑软件模拟一般砂土的剪切等试验的方法得以诞生。其中运用最广泛的就是离散单元法。

离散元法（Distinct Element Method，简称DEM）的思想起源于分子动力学。1971年Cundall首次提出适用于分析岩石力学问题的离散元法[2]。上世纪九十年代以来，离散元法由于应用广泛且方便得到了迅速的发展。这一时期， 相继出现各种商用离散元软件，由Cundall加盟的美国ITASCA公司开发和完善TUDEC和3DEec，以及基于圆盘形和球形离散单元的PFC2D和PFC3D软件。特别是PFC2D和PFC3D软件，因具有邻居单元搜索速度快和能够有效模拟大变形等优点，在很多领域得到了广泛应用，从而使离散元法在工程应用中向前迈进了一大步。本文主要运用PFC2D软件模拟不同各向异性砂土在直剪试验中抗剪强度具体有多大差异。

1 数值建模

1.1 参数选取

本文参考实际实验的数据进行数值模拟半模直剪试验，底部粗糙面用锯齿墙代替，砂土密度为2651kg/m3，粒径范围为emax=0.669，emin=0.400，摩擦系数设定为0.9，刚度为kn=1×107N/m，ks=7×106N/m，锯齿墙数据参考，定位高度为0.25mm的等腰直角三角形模拟摩擦系数为41.7的粗糙面。剪切模型尺寸为45×45mm，孔隙率为0.2。

1.2 模型建立

在120mm×90mm的空间内随机生成孔隙率为0.5粒径范围emax=0.669，emin=0.400的圆形颗粒，运用等面积原理将一个圆颗粒分成三个重叠的圆颗粒模拟椭圆颗粒，施加重力将这些颗粒进行自然沉积，并运用伺服机制等沉积到需要孔隙率时停止程序，最后设定最终剪切模型大小的几面墙并且删除墙外的颗粒，施加围压为200kpa进行剪切，其中不同沉积方向是通过改变底面锯齿墙的角度来得到的，分别为0o，30o，60o，90o。如图1。

2 结果及展望

（1）0°方向的沙土试样峰值剪应力最小90°方向最大，分别为178kpa和263kpa，相差了约50%，说明初始组构的各向异性对砂土抗剪强度有着很大的影响。

（2）砂土抗剪强度与初始的颗粒接触数有关，接触数越大其抗剪强度越大，但当各向异性的试样剪切到残余状态时其接触数均保持在同样一个稳定的数目并且孔隙率同样稳定在一个数值与试样初始组构无关。

参考文献：

[1]Frydman S ，Talesnick M.Simple shear of isotropic elasto-plasticsoil[J].International Journal for Numerical and Analyt icalMethods in Geomechanics ，1991，15（04）：251-270.

[2]Cundall P A.A computer model for simulating progressive large scale movements in blocky system. In： Muller Led. Proceedings of the international Society of Rock Mechanics[J]. Rotterdam A.A.Balkema，1971（01）：8-12.

作者简介：颜坤（1992-），男，上海人，硕士研究生，研究方向：土与结构物相互作用研究。