基于离散元法的含细粒砂土静动力特性宏细观机理研究

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近几十年来,数次强震中均发现有低塑性含细粒砂土液化或震陷的灾害现象,使得研究单调和循环荷载作用下低塑性含细粒砂土的静动力响应具有重大意义。先前研究发现循环荷载作用下部分黏粒含量较少的低塑性含细粒砂土会出现与中密纯砂类似的应变与孔压突然急剧增长的崩塌式破坏现象,以及其粘滞能量耗散比VEDR波浪形曲线不同阶段的颗粒行为表现尚不清楚。因此,需要对循环荷载作用下低塑性含细粒砂土的崩塌式破坏现象和VEDR曲线不同阶段的颗粒行为进行更深入的研究,加深对其液化破坏进程的理解。本文以细粒含量FC=0%、10%、20%、30%与50%的5组低塑性含细粒砂土为研究对象,通过基础物理试验、相对密度试验与单调剪切试验等室内试验,以及相对密度试验、单调剪切试验与循环剪切试验的离散元模型,对低塑性含细粒砂土的静动力特性进行了深入研究。主要结论概括如下:(1)在相对密度试验、单调剪切试验与循环剪切试验的室内试验和离散元模拟中,随着细粒含量的增加,两者的最小孔隙比emin和最大孔隙比emax均先降后升;两者的临界摩擦角ΦCSL均先升后降,且临界状态下两者的细粒含量阈值均在FCth=20%附近;两者的循环阻抗比CRR均先降后升,且不同地震震级下两者的细粒含量阈值均在FCth=30%附近。(2)配位数Z与力学配位数Zm均反映出单调荷载作用下含细粒砂土的应力-应变曲线的应变硬化与软化类型变化;并从细观能量的角度上解释了其临界摩擦角ΦCSL的变化趋势。通过离散元法直接揭示了循环荷载作用下低塑性细粒含量的含细粒砂土呈现出崩塌式破坏现象的作用机理是模拟颗粒间黏结效应的黏结键大量断裂破坏。(3)通过细观能量、颗粒间相对滑动量与黏结键断裂破坏等细观组构,明确了循环荷载作用下低塑性含细粒砂土的VEDR曲线a、b、c与d四个阶段的不同颗粒行为表现。其中低细粒含量和循环应力比条件下滑动耗散能Eμ、滚动耗散能Eμr与黏结破坏能(?)b共同主导了VEDR曲线形态变化;而高细粒含量或高循环应力比条件下只有黏结破坏能(?)b主导了VEDR曲线形态变化。
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