网站首页  词典首页

请输入您要查询的论文：

　

标题 粒状材料颗粒破碎过程分析
范文 魏巍 覃燕林 曹鹏 刘恩龙 陈生水



摘要：采用离散元方法生成由一定粒径范围小颗粒组成的等粒径颗粒团，颗粒之间定义为平行胶结方式。通过模拟圆形颗粒团在两种不同排列方式下的双轴压缩试验，研究了不同侧向应力下颗粒破碎的过程、剪切带的形成与发展等。结果表明：低侧向应力下，试样颗粒先滑移转动、后破碎，致密排列下，出现剪胀现象；高侧向应力下，试样两端颗粒有少量滑移、转动，然后发生破碎，并向试样中部发展，形成剪切带。
关键词：数值模拟；颗粒破碎；剪切带
中图分类号：TU43 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2014）06-0098-05
粒状材料是由大量离散体颗粒相互作用组成的具有复杂力学特性的材料，广泛存在于自然界中，比如堆石体和粗粒料等。粒状材料内部存在许多肉眼难以观测的微裂纹，而且其颗粒组成大都具有天然或人为造成的棱角，材质上比较脆弱，即使施加不大的压力时也易发生颗粒破碎，从而导致粒状材料变形加大，剪胀效应减弱甚至消失，最终表现为抗剪强度降低，摩擦角减小[1]。
近年来，采用离散元方法研究土体细观结构的变化已经成为岩土力学一个新的方向。毕忠伟等[2]用 PFC2D 模拟了双轴压缩条件下颗粒流体系中剪切带的形成和演变过程；Yang等[3]采用PFC2D中内置的平行胶结接触模型，对黏性颗粒材料进行二维单轴压缩试验研究了颗粒粒径与弹性模量的关系；周解慧等[4]用PFC2D模拟了粗粒土大型直剪试验，分析了直剪剪应力与剪位移的关系；McDowell[5]等利用数值模拟软件PFC建立了土颗粒的离散元模型，分析研究了土颗粒的颗粒破碎特性，认为颗粒破碎的塑性变形符合非关联流动法则；张翀等[6]研究了颗粒形状对模拟双轴试验的影响以及不同颗粒试样宏观特性随颗粒细观参数的变化关系。
另外，人工制备岩土材料进行室内试验，也是常用的探讨方法之一。刘恩龙等[7]通过平面应变试验，分析了不同侧向应力状态下棒状结构体试件的破损过程。孔德志等[8]通过人工模拟堆石料颗粒破碎应变的三轴试验研究，认为破碎率同颗粒强度和围压力的相对大小直接相关，且颗粒破碎对堆石体的应力应变特性具有十分重要的影响。王绪民等[9]研究了人工胶结砂的物理力学特性，定义了反映胶结物生成量的化学指标。不过，各种天然材料的室内试验仍是研究颗粒破碎的主要方法。杜俊等[10] 对多个级配不同含水率的粗粒土进行击实试验研究粗粒土的压实特性和颗粒破碎分形特征。胡万雨等[11]通过对不同粒径粗粒土试样的大型直剪试验，发现了随着法向应力增加，颗粒破碎率增加，且颗粒破碎主要形成次一级粒径。
由于天然粒状材料间接触的不均匀性，使室内试验研究粒状材料颗粒破碎存在诸多不易控制、颗粒微观破碎过程难以准确观测等问题[12-15]。本文采用PFC2D颗粒流程序，针对等粒径的颗粒团，模拟双轴试验加荷过程，将数值模拟应力应变关系与室内三轴试验进行对比，结合不同的侧向应力和颗粒排列方式，从微观尺度探讨粒状材料破碎过程，剪切带形成与发展。
1 数值模拟方法
1.1 模型简介
PFC2D（Particle Flow Code in 2 Dimensions）通过离散单元方法来直接模拟圆形颗粒介质的运动及颗粒间的相互作用，颗粒之间作用牛顿第二定律。圆形颗粒可以代表材料中的一个颗粒，比如砂土中的砂粒；也可以通过多个圆形颗粒胶结在一起来模拟任意形状的材料，且颗粒间给定强度的胶结是可以渐进破坏的，因此该模型可以很好地模拟颗粒破碎过程。
本文采用1～1.5 mm粒径范围的刚性体小颗粒，以平行胶结的方式组成粒径为20 mm的颗粒团，对小颗粒间的平行胶结定义了一定的强度和刚度，可以传递力和力矩。加荷过程中，颗粒团受到力的作用，当颗粒间胶结键处法向应力Fn或者剪应力Fs超过胶结法向强度或切向强度时，胶结键破坏，颗粒破碎发生；胶结键破裂后，A颗粒移动到新位置A′，颗粒分离，相互间无力的作用，见图1（a）。随着试样的变形，颗粒A和B再次接触-分离-接触，循环往复，直至加载结束，此时接触类型为线性接触，PFC2D程序定义线性接触可以传递力，但无法传递力矩。类似地，试样模型中颗粒团是由许多小颗粒胶结而成，其破碎的过程发生颗粒的接触与分离，并伴有孔隙率和颗粒团体积的变化，见图1（b）。
1.2 模拟方法及参数
利用PFC2D程序，以颗粒团来模拟室内的双轴试验颗粒，试样尺寸为20 cm×10 cm（长×宽）。为了便于观测颗粒团的破碎情况，给予颗粒团不同颜色标记。试样小颗粒数约为3 503个，粒径范围1～1.5 mm。
颗粒的排列方式分为两种，PLa1、PLa2、PLa3表示图2（a）所示平行排列方式，PLb1、PLb2、PLb3代表图2（b）中的交叉排列方式（数字1、2、3分别表示侧向应力为25 kPa、100 kPa和400 kPa）。模型试样细观参数见表1。
模拟时，在试样模型上边界，沿Y轴负方向的速率模拟轴向进行加载，边界四周一定侧向应力模拟围压，达到设定要求的时步后加荷停止。
1.3 室内试验设计
人工制备粒径为2 cm，水泥含量为40%四种不同强度的水泥球颗粒，由黏土和水泥按不同的质量配比制成，模拟堆石料，见图3（a）；在不同围压下进行三轴压缩试验，三轴试验所采用的试验仪器为中型三轴仪，见图3（b）。
试验试样尺寸为20 cm×10 cm（高×直径），分5层装料适当击实防止人为造成颗粒破碎，并保证每次击实次数、高度的一致性，装样后所得到的试样孔隙比e0=0.875。
2 模拟试验结果
2.1 破碎过程
图4（a）至图4（c）、图4（d）至图4（f）分别为图2（a）、2（b）两种排列方式下，模型试样在不同侧向应力和不同受荷阶段的破碎发展过程，其中ε1表示轴向应变，σ3表示侧向应力。由图4得出如下结论。
（1）对于平行排列方式，在低侧向应力下的加荷过程中，颗粒首先滑移、转动，试样体积压缩，孔隙率减小，颗粒破碎发生，并伴有大孔隙出现；在高侧向应力下，颗粒有少量滑移、压密，颗粒发生破碎并向试样中部扩展，试样体积压缩明显。
（2）对于交叉排列方式，在低侧向应力下，加荷过程中，体积压缩，孔隙率减小，颗粒的滑移和转动由于受到周边颗粒限制而有所减弱，破碎增多，并伴有较大孔隙和剪胀发生；在高侧向应力下，加荷过程中，颗粒来不及有较大滑移和转动发生，就发生破碎，破碎状态向试样中部传递，试样体积压缩明显。
2.2 应力-应变关系及体变
图5为两种排列不同围压下的应力-应变关系曲线，分析可知如下结果。
（1）对于两种排列方式，在不同侧向应力下均表现为不同程度的应变硬化，颗粒破碎后的移动和重排列，致使竖向应力出现波动。
（2）在相同侧向应力下，平行排列方式下试样屈服强度低于交叉排列方式，在低侧向应力情况下尤为明显，高侧向应力下轴向应变ε1≥20%时两种排列试样的屈服强度接近。
（3）加荷过程中，平行排列方式下试样表现为体缩型，这是由于试样孔隙率较大，剪切变形过程中，试样孔隙率始终减小，引起体积收缩；交叉排列方式下，试样体变较小，高侧向应力下为体缩型，低侧向应力下出现剪胀现象，这是由于试样孔隙率相对较小，高侧向应力下，试样侧向变形受到较大限制，孔隙率一直减小，而低侧向应力下，试样侧向变形限制相对较弱，试样颗粒在剪应力作用下的重新排列加剧，出现剪胀。
（4）对于试样PLb2，随着轴向应变的增大体积先压缩后膨胀，出现剪胀；在轴向应变ε1≥26%时模型试样体变εv，试样再次进入剪缩阶段。这是由于颗粒进一步破碎，试样孔隙压缩，颗粒间的胶结联系被已有的法向应力进一步破坏，出现剪缩。
将PLa2和PLa3数值模拟结果与排水静三轴试验结果进行对比，发现100 kPa和400 kPa两种围压下试验结果与平行排列方式下数值模拟轴向应力曲线和体变曲线拟合情况良好，证明平行排列方式更接近室内三轴试验结果。
2.3 破碎过程分析
2.3.1 破碎形式
在模拟试验过程中发现，试样体内颗粒滑移、转动及破碎在不同的侧向应力状态下有很大的差异。低侧向应力状态下试样的破损过程以结构体的滑移和转动为主，高侧向应力下试样的破损以破碎为主，几乎没有转动发生[7]。图4（a）和图4（e）显示，低侧向应力下试样内部孔隙较大，为颗粒的滑移和转动提供较大的空间，即试样的变形主要是由于颗粒的滑移和转动引起的。高侧向应力下试样内部颗粒间挤压作用较大，颗粒团来不及有明显的滑移就产生裂纹，发生破碎。
图6（a）至图6（c）为加荷完成后颗粒破碎的几种形式，其中，黑色代表目标颗粒，周边为其他颗粒。其中，图6（a）为低侧向压力下，试样剪切变形过程中，颗粒表面破损后发生轴向劈裂破坏；图6（b）、图6（c）为应力较大的情况下试样颗粒发生的局部压碎破坏；图6（d）为高侧向应力下，颗粒受到挤压，发生塑性流动的整体压碎破坏。低侧向应力下的加荷初期，颗粒滑移、转动引起表面破损，侧向限制较小，发生轴向劈裂；高侧向应力下，试样体破碎由两端向中部发展，试样压缩明显，颗粒团形状相比于低侧向应力下变化较大，颗粒破碎是以整体压碎破坏为主的，是一种破碎状态的传递。
2.3.2 剪切带的形成
根据不同排列方式试样位移场的变化情况（图7），同种排列方式不同侧向应力下，试样模型位移场变化情况类似；不同排列方式会影响到剪切带发展方向，宽度和分布范围等。在模型试样的剪切变形过程发现，所有模型试样均表现出了圆颗粒试样破碎和剪切带的形成。
交叉排列方式下两端颗粒位移较大，中部形成明显“X”型剪切带，剪切带附近颗粒破碎严重，随着轴向应变增大剪切带逐渐压缩。加荷阶段两端颗粒向中部移动过程中会受到侧向颗粒的限制作用，因此竖向位移的颗粒数目由端部至中部逐渐减少，在位移场中表现为上下两个三角形短短相接，形成“X”型剪切带，见图7（a）至图7（c）。
平行排列方式下两端颗粒位移较大，中部形成明显的横向剪切带，随着轴向应变增大剪切带逐渐压缩；加荷阶段两端颗粒向中部移动过程中会受到侧向颗粒的挤压限制作用，但由于试样体孔隙率较大，此种作用会受到削弱，因此两端颗粒向试样中部移动数目较多，在位移场中形成横向剪切带，见图7（d）至7（f）。
3 结论
（1）粒状材料试样在破坏过程中，颗粒破碎的机理与侧向应力、颗粒排列方式等有关。低侧向应力下，试样颗粒先滑移、转动，变形以试样两端向中部挤压剪切为主，是一种力的传递，且致密排列下，出现剪胀现象；高侧向应力下，颗粒有少量滑移、压密，颗粒形状压缩明显，颗粒破碎是以试样两端破碎向中部发展为主，形成剪切带，是一种破碎状态的传递。
（2）根据室内三轴试验与数值模拟结果，平行排列方式的应力-应变关系更接近室内三轴的试验结果。
参考文献（References）：
[1] 魏松，朱俊高，钱七虎，等.粗粒料颗粒破碎三轴试验研究[J].岩土工程学报，2009，31（4）：533-538.（WEI Song，ZHU Jun-gao，QIAN Qi-hu，et al.Particle breakage of coarse-grained materials in triaxial tests[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31（4）：533-538.（in Chinese））
[2] 毕忠伟，孙其诚，刘建国，等.双轴压缩下颗粒物质剪切带的形成与发展[J].物理学报，2011， 60（3）：376-385.（BI Zhong-wei，SUN Qi-cheng，LIU Jian-guo，et al.Development of shear band in a granular material in biaxial tests[J].Acta Physica Sinica，2011，63（3）：376-385.（in Chinese））
[3] Bu-dong YANG，Yue JIAO，Shu-ting LEI.A study on the effects of microparameters on macroproperties for specimens created by bonded particles[J].International Journal for Computer-Aided Engineering and Software，2006，23：607-631.
[4] 周解慧，冯春辉.粗粒土大型直剪试验的二维离散元模拟[J].土工基础，2012，26（4）：69-71.（ZHOU Jie-hui，FENG Chun-hui.Two-dimensional discrete element simulations of large-scale direct shear tests of coarse grained soils[J].Soil Eng.and Foundation，2012，26（4）：69-71.（in Chinese））
[5] McDowell，G R.&Harireche;，O.Discrete element modelling of soil particle fracture[J].Geotechnique，2002，52（2）：131-135.
[6] 张翀，舒赣平.颗粒形状对颗粒流模拟双轴压缩试验的影响研究[J].岩土工程学报，2009，31（8）：1281-1286.（ZHANG Chong，SHU Gan-ping.Effect of particle shape on biaxial tests simulated by particle flow code[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，31（8）：1281-1286.（in Chinese））
[7] 刘恩龙，沈珠江，陈铁林.棒状结构体试件破损过程的实验研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（12）：2003-2008.（LIU En-long，SHEN Zhu-jiang，CHEN Tie-lin.Experimental study on breaking process of bar-like structural bodies[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（11）：2003-2008.（in Chinese））
[8] 孔德志，张丙印，孙逊.人工模拟堆石料颗粒破碎应变的三轴试验研究[J].岩土工程学报，2009，51（3）：464-469.（KONG De-zhi，ZHANG Bin-yin，SUN Xun.Triaxial tests on particle breakage strain of artificial rockfill materials[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，51（3）：464-469.（in Chinese））
[9] 杜俊，侯克鹏，梁维，等.粗粒土压实特性及颗粒破碎分形特征试验研究[J].岩土力学，2013，34（增1）：155-161.（DU Jun，HOU Ke-peng，LIANG Wei，et al.Experimental study of compaction characteristics and fractal feature incrushing of coarse-grained soils[J].Rock and Soil Mechanics，2013，34（Supp.1）：155-161.（in Chinese））
[10] 王绪民，赵灿，陈善雄，等.人工胶结砂物理力学特性实验研究[J].岩土力学，2013，34（11）：3134-3140.（WANG Xu-min，ZHAO Can，CHEN Shan-xiong，et al.Experimental study of physic-mechanical properties of artificially cemented sand[J].Rock and Soil Mechanics，2013，34（11）：3134-3140.（in Chinese））
[11] 胡万雨，覃燕林，刘恩龙，等.粗粒土颗粒破碎大型直剪试验研究[J].南水北调与水利科技，2013，11（2）：31-33.（HU Wan-yu，QIN Yan-lin，LIU En-long，et al.Large-scale direct shear experimental study on particle breakage of coarse-grained soil[J].South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology，2013，11（2）：31-33.（in Chinese））
[12] 覃燕林.粒状材料破碎机理研究[D].成都：四川大学，2013.（QIN Yan-lin.Study on breakage mechanism of granular materials[D].Chengdu：Sichuan University，2013.（in Chinese））
[13] COOP M R，SORENSEN K K，FREITAS T B，et al.Particle breakage during shearing of a carbonate sand[J].Geotechnique，2004，54（3）：157-163.
[14] Lee D M.The angles of friction of granular fills[D].Ph D dissertation，University of Cambridge，1992.
[15] Drecher A，De Josselin de Jong G.Photoelastic verification of mechanical model for the flow of a granular material[J].Journal of mechanical physics of solids，1972，20（5）：337-351.
随便看

　

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。

　

Copyright © 2004-2023 puapp.net All Rights Reserved
更新时间：2025/3/10 20:48:16