椭球颗粒体系宏、细观特性的3维离散元分析

摘要

颗粒材料由大量不同形状的离散颗粒组成，其力学特性与构成颗粒体系的颗粒形状密切相关。目前，关于颗粒形状对颗粒材料剪切强度的影响已有大量的物理试验或数值模拟试验研究，而非球形颗粒材料在复杂应力路径下的宏、细观力学特性认识还不够充分。本文采用离散单元法（DEM）对按一定级配生成的不同伸长率的椭球颗粒体系进行等σ₃（第3主应力）及等b（中主应力比）的真三轴加载数值模拟试验，研究椭球颗粒体系的3维宏、细观力学特性，并验证常用3维强度准则对椭球颗粒体系的适用性。结果表明：在3维加载路径下，不同于圆球颗粒体系宏、细观演化规律的一致性，椭球颗粒体系的宏观应力面与细观组构面演化规律不一致，宏观应力比与强接触网络组构偏值/均值比线性不为1，这是因为椭球颗粒体系弱接触网络对宏观应力的贡献；椭球颗粒体系宏观体应变、细观法向接触力分布、接触数目及配位数分布等宏、细观指标与加载路径无关；随着椭球伸长率L_AR增大，Mohr–Coulomb准则、Lade–Duncan准则、Mastsuoka–Nakai准则及施维成3维强度准则对φ_max（峰值内摩擦角）–b关系预测准确度逐渐增大，其中，Lade–Duncan准则能更好地拟合不同加载路径下椭球颗粒体系的数据点。研究为真实应力状态下椭球颗粒材料的宏、细观特性的认识提供了一定的理论基础。

关键词

离散元 / 颗粒形状 / 真三轴数值试验 / 3维强度准则 / 宏、细观特性