基于離散單元法的碎石道砟力學(xué)特性研究

《基于離散單元法的碎石道砟力學(xué)特性研究》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。

1、基于離散單元法的碎石道砟力學(xué)特性研究1緒論1.1選題的背景和意義級配碎石作為一種古典路面材料，其價格低廉、施工簡便，曾在我國公路建設(shè)中發(fā)揮非常重要的作用⑴。碎石土指粒徑大于2mni的顆粒的質(zhì)量高出總質(zhì)量50%的土，按表1-1進(jìn)一步分類。通過破碎、篩分天然巖石（或卵石）可以得到碎石，碎石需要符合工程要求，由粗、細(xì)顆粒物質(zhì)組成，是一種非勻質(zhì)土，與一般粗顆粒土和細(xì)顆粒土相比，存在明顯的差別。碎石是介于土體及巖體之間的一種特殊土體，一般具有壓縮變形較小、抗壓強(qiáng)度高、承載力較高的特點(diǎn)，是良好的地基直接持力層或樁端持力層，但是碎石的巖性及軟硬都不均勻、粒

2、徑變化大，其結(jié)構(gòu)也松散[3]。碎石廣泛應(yīng)用于公路工程中和巖土工程中，如在公路工程中的碎石混合料的基層、底基層、大粒徑填料的試驗(yàn)等，但其工程性質(zhì)受諸多因素的影響和制約。級配碎石結(jié)構(gòu)松散，不會傳遞拉應(yīng)力和拉應(yīng)變。當(dāng)其被用于基層材料時，受力狀態(tài)為三向受壓，如圖1-1所示，該結(jié)構(gòu)及其特殊受力狀態(tài)使級配碎石層可以充分吸收下層裂縫所釋放的應(yīng)變能，以達(dá)到抑制裂縫的效果[4]。當(dāng)己經(jīng)存在的路面結(jié)構(gòu)不再滿足交通發(fā)展的需求時，借鑒級配碎石的路面結(jié)構(gòu)，道路建設(shè)者提出了半剛性基層瀝青路面，并且逐漸替代了級配碎石路面，發(fā)展為主要路面結(jié)構(gòu)，鑒于強(qiáng)基薄面思想，半剛性材料漸

3、漸發(fā)展為我國瀝青結(jié)構(gòu)的主要形式。然而，多年實(shí)踐表明[56]，許多半剛性基層瀝青路面產(chǎn)生了嚴(yán)重早期破壞，主要是出現(xiàn)瀝青路面反射裂縫，以及裂縫引發(fā)的一系列路基病害。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，國內(nèi)的許多單位都對碎石道碎的力學(xué)特性和變形特性等進(jìn)行了一系列的室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，并且取得了一定成果。何兆益等對級配碎石基層材料進(jìn)行靜態(tài)三軸和動態(tài)三軸試驗(yàn)，研究其組成結(jié)構(gòu)及動力特性，對比不同級配的試驗(yàn)結(jié)果，探討級配碎石的非線性特性，并給出了建議級配及其成型方法。王龍等基于級配碎石混合料的室內(nèi)三軸試驗(yàn)和MTS重復(fù)加載試驗(yàn)，對其力學(xué)性能及基層的抗剪性能進(jìn)行研

4、究，分析了級配碎石的強(qiáng)度、塑性變形機(jī)理以及在長期車輛荷載作用下級配碎石基層的塑性變形發(fā)展規(guī)律與分布狀態(tài)。金剛[20]通過級配碎石的室內(nèi)三軸試驗(yàn)，研究其強(qiáng)度、變形特性及其性能評價指標(biāo)。袁峻等通過級配碎石的三軸試驗(yàn)，研究了動彈性模量隨應(yīng)力狀態(tài)變化的非線性特性，以及各種因素對回彈模量的影響，并針對我國兩種級配碎石基層結(jié)構(gòu)，提出了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。曹建新通過研究基層材料的組成結(jié)構(gòu)及動力特性，從而提出了影響級配碎石力學(xué)性質(zhì)的因素。柳音對基于級配碎石的回彈模量與永久變形這兩個因素的級配碎石路面的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。劉星[4]進(jìn)行了級配碎石的動三軸試驗(yàn)，構(gòu)建

5、出級配碎石的級配-回彈模量的關(guān)系模型。馬翁[24]通過室內(nèi)試驗(yàn)對級配碎石的級配與回彈模量、抗剪性能及抗變形能力的關(guān)系。國內(nèi)離散元法起步稍晚，20世紀(jì)80年代，原東北工學(xué)院的王泳嘉教授將離散元法引入國內(nèi)，并首先用于巖石力學(xué)問題的分析中。他和邢紀(jì)波于1991年合著了《離散單元法及其在巖土中的應(yīng)用》，是國內(nèi)最早系統(tǒng)介紹離散單元方法的著作。2離散元基本理論及顆粒流介紹2.1離散單元法1971年，美國學(xué)者CundallP.A.教授基于分子動力學(xué)原理首次提出離散單元法(DistinctElementMethod,簡稱DEM)，它是種分析離散顆粒體的數(shù)值方

6、法。離散單元法和有限單元法存在相似之處：將區(qū)域劃分成單元，運(yùn)動過程中各單元的單元結(jié)點(diǎn)可以分離，即各個單元和其相鄰的單元不僅可以接觸，而且可以分離；通過力和位移的關(guān)系可以求出各單元之間的相互作用力，通過單元所受的不平衡力及不平衡力矩，根據(jù)牛頓運(yùn)動定律可以確定個別單元的運(yùn)動。[34]但是與有限元相比，離散元在解決碎石問題中有自身的特點(diǎn)：（1)碎石是典型的離散體，有限元法是建立在連續(xù)介質(zhì)理論上的，不能很好的解決大變形問題，而離散元各個單元都相互獨(dú)立，更加符合實(shí)際。（2)在離散元中通過接觸模型來模擬不同的材料，當(dāng)參數(shù)合理時一些本構(gòu)特性可以直接顯現(xiàn)出來

7、。（3)采用顯式的計(jì)算方式，避免了有限元隱式求解中迭代對內(nèi)存和迭代次數(shù)要求。在離散元方法中，當(dāng)顆粒間的相互作用滿足內(nèi)力平衡時，將該相互作用視為平衡狀態(tài)不斷變化發(fā)展的動態(tài)過程。在顆粒流理論中，由于假定介質(zhì)是離散體的相互結(jié)合，所以顆粒之間不存在變形協(xié)調(diào)的約束，但是顆粒間相互作用必須滿足平衡方程。當(dāng)作用在顆粒上的合力或合力矩不為零時，顆粒間的不平衡力或不平衡力矩會令顆粒按照牛頓第二定律發(fā)生運(yùn)動。并且顆粒的運(yùn)動受相鄰顆粒的約束，該相鄰顆粒的阻力與位移的運(yùn)動規(guī)律被視為物理方程，線性方程或非線性方程都是可能的。基于牛頓第二定律與力-位移定律的顆粒流方法利

8、用顯示時步循環(huán)運(yùn)算，并將牛頓第二定律和力-位移定律用于分析顆粒的接觸特性，各顆粒再也不呈現(xiàn)不平衡力與不平衡力矩時終止。2.2基于離散元理論的顆粒流方法九十年代以來，