三軸壓縮顆粒流研究范文

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《四川建筑科學研究雜志》2014年第三期

1模型監(jiān)測分析

通過對模型全過程的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)數(shù)值試件在加載的過程中呈現(xiàn)出45°斜角的剪切破壞特征(圖4)。通過對不同圍壓下模型的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)球形顆粒的平均不平衡力在Step為25000～40000之間時，平均不平衡力趨于0，隨后逐漸增大，達到峰值后又逐漸減小，而且最大不平衡力隨圍壓的增大而減小，而之后趨向于穩(wěn)定(圖5)。而不同圍壓下球形顆粒間的接觸力卻是隨圍壓的增大而遞增的，而曲線的斜率有隨圍壓的增大而逐漸減小的趨勢，當圍壓大于20MPa后，曲線斜率基本相等(圖6)。通過監(jiān)測不同圍壓下ID號為200的顆粒Z方向的速度變化過程，發(fā)現(xiàn)其速度逐漸增大，然后趨于穩(wěn)定，很好的吻合了圖5中的平均不平衡力為0的階段，而且圍壓越大，平均不平衡力趨于0的區(qū)段越小。

2力學參數(shù)分析

三軸試驗的加載機理是采用伺服式應(yīng)變率控制的數(shù)值伺服控制機理。其目的就是控制上壓盤和下壓盤的速度達到規(guī)定的應(yīng)力值σ(w)。墻體應(yīng)力改變是由于與之接觸的顆粒不斷的改變接觸應(yīng)力所致，軸向應(yīng)變可以用公式(1)和公式(2)來計算得到:顆粒試樣的宏觀特性是由顆粒的細觀參數(shù)決定［8］，而細觀參數(shù)主要包括顆粒的摩擦系數(shù)、剪切剛度、泊松比、顆粒大小和顆粒形狀等。通過對不同圍壓下(1MPa、10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa)軸向偏應(yīng)力σd的監(jiān)測(其中σa=σd+σc，σa指軸向應(yīng)力，σc指圍壓)，可以繪制出軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系圖、體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變的關(guān)系圖(圖8～9)。其相應(yīng)的彈性模量E和泊松比ν可以通過下式計算。 通過對比分析圖8和圖9，可知如下幾點。1)在模擬花崗巖的三軸壓縮試驗過程中，可以通過監(jiān)測偏應(yīng)力σd來確定試驗是否完成。對于有接觸連接的巖體，σd首先增加到一定值，然后會隨著試樣的破壞而逐漸降低。而峰值強度卻隨圍壓的增大而增大。2)花崗巖的三軸壓縮試驗應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)出三個階段。第一階段:彈性階段，花崗巖在低應(yīng)力作用下，應(yīng)力與應(yīng)變呈現(xiàn)線性關(guān)系，表現(xiàn)出一定的彈性特性，而隨著初始裂紋在低應(yīng)力下的閉合，花崗巖體積縮小。第二階段:塑性階段，呈斜率逐漸減小的曲線段，細觀裂紋逐漸貫通延長，直到峰值應(yīng)力，試樣破壞。第三階段:應(yīng)變軟化階段，隨著試件的破壞，花崗巖發(fā)生應(yīng)變軟化［11］，試件的裂紋會慢慢擴展，形成45°斜角的剪切破壞，且花崗巖體積會發(fā)生膨脹，圍壓越小膨脹越厲害。3)花崗巖的彈性模量、抗壓強度、軸向峰值應(yīng)變均與圍壓成線性關(guān)系，而泊松比在不同圍壓下的變化不大，均約為0.2，很好的體現(xiàn)了花崗巖是一種硬脆型材料。

3結(jié)論

通過PFC3D軟件對花崗巖的三軸壓縮試驗進行顆粒流模擬研究，可得到如下結(jié)論:1)從通過PFC3D軟件建立的花崗巖三軸壓縮試驗顆粒試樣的分析來看，顆粒尺寸對數(shù)值顆粒試樣的宏觀特性有較大的影響;2)花崗巖的三軸壓縮顆粒流模擬試驗過程中，可以通過監(jiān)測軸向偏應(yīng)力σd來確定試驗是否完成。軸向偏應(yīng)力σd首先增加到一定值，然后會隨著試樣的破壞而逐漸降低;3)花崗巖的彈性模量、抗壓強度、軸向峰值應(yīng)變均與圍壓成線性關(guān)系，而泊松比在不同圍壓下的變化不大，約為0.2，很好的體現(xiàn)了花崗巖是一種硬脆型材料。

作者：劉軍劉俊新龍志偉陳西磊單位：西南科技大學土木工程與建筑學院