动荷载下EPS颗粒混合轻量土滞回曲线本构模型及离散元数值模拟研究

作     者：刘浩钰 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：侯天顺

授予年度：2023年

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：轻量土 Masing法则 滞回曲线模型 循环加载 动三轴试验 离散元方法 

摘      要：多年以来,我国深入推动交通基础设施高质量建设,繁忙运行的交通网络促进了不同区域的协调发展,但在长期的交通荷载下,诸如桥头跳车、地面沉降等工程问题也日益严重。EPS颗粒混合轻量土是一种典型的人造结构性土,具有轻质高强、绿色环保等特点,可以应用于高等级公路、铁路等基础设施建设,在降低高填方段填土自重和控制路面不均匀沉降等方面表现出色。因此,开展动荷载作用下EPS颗粒混合轻量土动力特性的研究意义重大。在轻量土动应力-应变特性中,滞回曲线反映了轻量土在动荷载作用下应力应变的全过程,是土体动力反应分析的基础。本研究通过室内固结不排水动三轴试验,对不同配比和围压条件的EPS颗粒混合轻量土的动力变形特性进行系统性研究,从动剪应力-剪应变滞回曲线、骨干曲线、动剪切模量和阻尼比等方面分析了轻量土的动力变形特征。在Hardin-Drnevich模型和Masing法则基础上,综合试验结果建立了EPS颗粒混合轻量土修正滞回曲线模型,利用PFC3D软件建立了轻量土颗粒流离散元三维动力变形数值模型,从细观角度的接触力、速度场和位移场出发,探究EPS颗粒混合轻量土的细观力学特性和变形破坏机理。研究表明:（1）轻量土的滞回曲线反映了其在动力循环加卸载的过程中每一周动剪应力-动剪应变关系。在分级加载的动荷载作用下,随着动剪应变逐步增大,滞回曲线所围成的面积也逐渐变大。在极小动剪应变下,轻量土滞回曲线的形状大致呈“纺锤形或“椭圆形。随着动剪应变逐渐增大,滞回曲线的形状逐渐过度成了弯曲的“月牙形,其形状也逐渐失去了对称性。在应变较大时,不同动剪应力幅值下的轻量土滞回曲线间距较大,出现了明显的变形累积现象。在应变较小的范围内,围压越高,轻量土变形累积现象越不明显。（2）轻量土骨干曲线反映了其在动力循环加卸载的过程中每周峰值动剪应力与动剪应变的关系。EPS颗粒混合轻量土的动剪应力-剪应变骨干曲线整体上呈双曲线型,具有明显的应变硬化特性。在施加逐级增大的动力荷载的过程中,轻量土的变形可以分为三个阶段,即振动压密阶段、振动剪切阶段和振动破坏阶段。随着动剪应变的不断增加,轻量土的动剪应力也逐步增大,在较小的应变范围内迅速增大,然后增加的速率不断减弱,最终趋于某一个稳定值,即达到了上限剪应力值τult,表现出明显的非线性特征。（3）基于Hardin-Drnevich骨干曲线模型和Masing法则建立了轻量土修正滞回曲线模型,重新规定了轻量土滞回曲线的加卸载准则,取消了滞回曲线初始动剪切模量等于最大动剪切模量的限制。引入最大动剪切模量修正系数k1和动剪切模量衰减系数k2对轻量土滞回曲线模型进行修正,修正滞回曲线模型预测值与试验值之间的绝对误差范围为0.46～3.14k Pa,相对误差的范围为3.19%～19.41%,具有较高的准确性。同时也解决了极小应变情况下Masing法则不能构建完整滞回曲线的缺陷。（4）最大动剪切模量修正系数k1为修正滞回曲线初始剪切模量与Masing法滞回曲线初始剪切模量之比,描述了土体在卸载和再加载初始的瞬间土体动剪切模量的大小。动剪切模量衰减系数k2为Masing法滞回曲线剪切模量衰减程度与修正滞回曲线剪切模量衰减程度之比,描述了轻量土在动荷载作用下随着动剪应变的增加,土体动剪切模量的衰减特性,滞回曲线修正系数k1和k2共同决定了轻量土滞回曲线的形状和走势。（5）在轻量土数值模拟中,试样宏观上的变形表现为细观上土颗粒和EPS颗粒运动位移和运动速度的变化、颗粒间平行黏结的破坏和退化、整个颗粒体系的排列重组。当动应力较小时,一个加卸载周期内试样的接触力整体上并未发生明显变化,力链分布均匀;位移场呈周期性变化,越靠近上下加载板处颗粒的位移越大,试样中心处颗粒的位移量最小;颗粒运动速度对应力的变化较为敏感,随着动应力大小和方向的改变,靠近试样边缘处颗粒运动速度的方向变化最为明显,试样内部颗粒运动速度的方向变化总是滞后于边缘处颗粒运动速度的方向变化。（6）多级循环荷载作用可以视为不同振级下多个加卸载周期的叠加。在离散元数值试样逐级循环加载的过程中,力链经历了“密集→稀疏→密集的变化过程,表明颗粒与颗粒之间的接触发生了破坏,随后在外力的作用下接触重新产生。位移场经历了从“有序→无序→有序的变化过程,随着动应力的增大,颗粒体系的位移量逐渐增大。在动应力较小的时候增大得慢,在动应力较大的时候增大得快,在动应力等于90k Pa时,位移量出现了短暂的波动状态。速度场的变化与位移场的变化有一定的相似之处,越靠近试样内部,颗粒运动越复杂;越靠近试样外部,颗粒运动越有序。（7）在离散元数值模型中,EPS颗粒本身的刚度小于土颗粒的刚度,EPS颗粒含量的增加意味着土颗粒含量的降低,试样整体刚度会随着EPS颗粒含量的增大而减小,其抵抗变形的能力也就越弱。随着EPS颗粒含量