CN102564855B - 一种级配碎石动三轴试验的数值方法 - Google Patents
一种级配碎石动三轴试验的数值方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102564855B CN102564855B CN2011104572472A CN201110457247A CN102564855B CN 102564855 B CN102564855 B CN 102564855B CN 2011104572472 A CN2011104572472 A CN 2011104572472A CN 201110457247 A CN201110457247 A CN 201110457247A CN 102564855 B CN102564855 B CN 102564855B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- simulation
- wall
- crushed stone
- test
- particle
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000004575 stone Substances 0.000 title claims abstract description 50
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 48
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 33
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 21
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 claims description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 15
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 13
- 230000001932 seasonal effect Effects 0.000 claims description 9
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 9
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 6
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011707 mineral Substances 0.000 claims description 3
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 abstract description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 2
- 235000019738 Limestone Nutrition 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001739 density measurement Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000006028 limestone Substances 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明公开了一种级配碎石动三轴试验的数值方法,该方法利用PFC2D软件平台,通过建立物理模型和力学模型,进行级配碎石动三轴试验的模拟,包括基本参数的测试,试模的模拟,级配碎石模拟试件的生成;其次,赋予物理模型微力学参数,构建力学模型;然后,对级配碎石模拟试件进行重复动荷载模拟,得到级配碎石应力~应变曲线、永久变形~荷载作用次数曲线。该方法可准确、便捷地再现三轴试验中级配碎石永久变形~荷载作用次数曲线并揭示级配碎石变形规律,有利于深入研究级配碎石破坏机理;回避了室内动三轴试验中仪器造价高且操作不便的问题,提高了试验效率,节约了研究成本。
Description
技术领域
本发明属于交通土建领域,涉及一种级配碎石动三轴试验的数值方法。该方法采用PFC2D软件作为基础平台,可准确模拟荷载反复作用下级配碎石塑性变形累积过程,并预测级配碎石永久变形规律。
背景技术
级配碎石属典型道路基层材料,物理力学特性极为复杂。目前,常采用室内动三轴试验研究级配碎石变形行为,其基本原理及步骤如下:(1)按最大干密度和最佳含水量制备试件;(2)安装应力~应变监测***;(3)对试件施加轴向动压力;(4)整理试验结果获取级配碎石永久变形~轴载次数关系曲线。目前,未见有级配碎石动三轴试验数值试验方法的报道。
申请人分析上述级配碎石室内动三轴试验方法,存在如下缺陷:(1)试验成本高、效率低,不利于揭示级配碎石变形行为;(2)难以监测荷载作用下级配碎石的内部物质运移和细观力学特征。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题,本发明的目的在于,提供一种级配碎石动三轴试验的数值方法,该方法利用PFC2D软件平台,可准确模拟荷载反复作用下级配碎石塑性变形累积过程,并预测级配碎石永久变形规律。
为了实现上述任务,本发明采取以下的技术解决方案予以实现:
一种级配碎石动三轴试验的数值方法,其特征在于,按照以下步骤进行:
1)物理模型的构建
(1)试件的模拟
①基本参数的测试:
测定碎石密度,确定级配碎石最大干密度和最佳含水量;
②试模的模拟:
利用PFC2D内置命令“wall”生成两片长度为H的竖直墙体和两片长度为D的水平墙体组成封闭矩形以模拟试模;
③级配碎石的生成:
根据矿料级配、碎石密度、压实度、试件尺寸和最大干密度按式(1)计算第i种规格集料的二维映射面积Si;
式中:ρmax:最大干密度,g/cm3;
d:试件直径,cm;
h:试件高度,cm;
K:压实度,%;
Pi:第i种规格集料的分计筛余百分率,%,i为大于0的自然数;
ρi:第i种规格集料的密度,g/cm3,i为大于0的自然数。
利用PFC2D内置命令“ball”在模拟试模中生成颗粒,并使之符合第i种规格集料的粒径要求,当生成颗粒的总面积达到Si时,停止颗粒生成;
按上述方法依次生成各规格集料颗粒。
2)力学模型的构建
①接触模型的选取:
采用Hertz模型和滑动模型描述级配碎石的颗粒性结构特征和非线性力学特性,其中,Hertz模型通过泊松比ν、剪切模量G定义,滑动模型通过摩擦系数μ定义;
②物理模型微力学参数的赋予:
利用PFC2D内置命令“prop”赋予级配碎石物理模型以微力学参数,包括泊松比ν、剪切模量G、摩擦系数μ。
微力学参数可通过级配碎石室内动三轴试验结果反算获取。
3)加载过程的模拟与结果整理
①围压的控制:
通过控制墙体速度以保持墙体应力恒定的方法实现围压控制,墙体速度按式(2)计算:
式中:
σn:目标应力,KPa;
σm:当前计算时步内的墙体应力,KPa;
δ:伺服系数;
Δt:累积计算时间,s;
N:当前计算时步内与模拟试模竖直墙体接触的颗粒个数;
H:模拟试模竖直墙体的长度,m。
②一次加载过程的模拟:
利用左右两面墙体保持模拟试件围压稳定,保持底部墙体静止,以恒定加速度a竖直向下推动压板,并在达到运算步数n时使压板位移等于L,同时令压板运动速度归零,至此,一次加载过程结束;墙体加速度a按式(4)计算;
式中:a:模拟压板移动加速度,m/s2;n:运算步数,step;L:模拟压板振幅,m;t:加载时间,s。
③一次卸载过程的模拟:
在加载过程结束后,利用左右两面墙体保持模拟试件围压稳定,令底部墙体静止,以恒定加速度a(见式(4))竖直向上推动压板模拟卸载过程,并在达到运算步数n时使压板运动至初始位置,同时令压板运动速度归零,至此,一次卸载过程结束。
④稳压过程的模拟:
在卸载过程结束后,利用上、下、左、右四面墙体保持模拟试件围压稳定,直至运算步数达到N为止,同时令四面墙体与试件颗粒静止,至此,稳压过程结束。运算步数N按式(5)计算。
式中:N:运算步数,step;T:稳压时间,s;dt:计算时步,s/step;
⑤重复加载模拟:
按②至③至④的顺序对模拟试件重复进行加载、卸载、稳压,并记录每个计算时步内模拟压板的位移和接触力。
⑥结果整理:
绘制加载、卸载和稳压过程中的轴向应变~轴向应力关系曲线、轴向应变~荷载作用次数的关系曲线。
本发明具有以下优点:
(1)可准确、便捷地再现动三轴试验中级配碎石轴向应变~荷载作用次数曲线,揭示级配碎石变形规律,有利于深入研究级配碎石破坏机理;
(2)回避了室内动三轴试验中仪器造价高且操作不便的问题,提高了试验效率,节约了研究成本。
附图说明
图1是级配碎石动三轴数值试验模拟试模的示意图;
图2是级配碎石动三轴数值试验物理模型的示意图;
图3是级配碎石动三轴数值试验模拟结果与室内实测结果的对比(A级配);
图4是级配碎石动三轴数值试验的一次加载-卸载-稳压轴向应力~轴向应变曲线(A级配)
图5是级配碎石动三轴数值试验的重复加载轴向应力~轴向应变曲线(A级配)
图6是级配碎石动三轴数值试验的轴向应变~荷载作用次数曲线;
以下结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
按照本发明的技术方案,本实例给出一种级配碎石动三轴试验的数值模拟方法,以安康瀛湖石灰岩碎石为例,碎石密度测试结果见表1,微力学参数见表2。
表1碎石密度
集料粒径(mm) | 20~40 | 10~20 | 5~10 | 2~5 |
表观密度(g/cm3) | 2.712 | 2.709 | 2.692 | 2.681 |
表2微力学参数
泊松比 | 剪切模量(GPa) | 摩擦系数 |
0.2 | 220 | 0.5 |
表3集料级配
以表3中级配A为例说明级配碎石三轴试验数值模拟方法的实施步骤是:
1)物理模型的构建
①利用PFC2D内置命令“wall”生成两片长度为21cm的竖直墙体和一片长度为10cm的水平墙体,其所组成的开口向上的半封闭矩形即为模拟试模,见图1;
②按98%压实度制备试件(Φ10cm×h21cm),则级配碎石矿料颗粒生成过程如下:
计算粒径范围为19~31.5mm集料的二维映射面积: ,利用PFC2D内置命令“ball”持续地生成直径介于19~31.5mm之间的颗粒,当其总面积达到76.6cm2时,停止颗粒生成;计算粒径范围为9.5~19mm集料的二维映射面积: ,利用PFC2D内置命令“ball”持续地生成直径介于9.5~19mm之间的颗粒,当其总面积达到27.4cm2时,停止颗粒生成;计算粒径范围为4.75~9.5mm集料的二维映射面积: ,利用PFC2D内置命令“ball”持续地生成直径介于4.75~9.5mm之间的颗粒,当其总面积达到12.9cm2时,停止颗粒生成;计算粒径范围为2.36~4.75mm集料的二维映射面积: ,利用PFC2D内置命令“ball”持续地生成直径介于2.36~4.75mm之间的颗粒,当其总面积达到22.1cm2时,停止颗粒生成;计算粒径范围为0.6~2.36mm集料的二维映射面积: ,利用PFC2D内置命令“ball”持续地生成直径介于0.6~2.36mm之间的颗粒,当其总面积达到44.3cm2时,停止颗粒生成,从而完成级配碎石的生成;
2)微力学参数的输入
利用PFC2D内置命令“prop”将表2中微力学参数赋予级配碎石物理模型。
3)加载过程的模拟与结果整理
①围压的控制:
②加载-卸载-稳压过程的模拟:
设左、右围压为50KPa,确定压板振幅L为2mm,计算时步dt为0.00001,加载时间t为0.05s,运算步数为: ,压板加速度 ,保持左右两面墙体围压50KPa,保持底部墙体静止,以恒定加速度a竖直向下推动压板,并在达到运算步数n时使压板位移等于L,同时令压板运动速度归零,至此,加载过程结束。
设左、右围压为50KPa,确定压板振幅L为2mm,计算时步dt为0.00001,卸载时间t为0.05s,运算步数为: ,压板加速度 ,利用左右两面墙体保持模拟试件围压稳定,令底部墙体静止,以恒定加速度a竖直向上推动压板模拟卸载过程,并在达到运算步数n时使压板运动至初始位置,同时令压板运动速度归零,至此,卸载过程结束。
按加载、卸载、稳压的顺序对模拟试件施加重复动载,并记录每个计算时步内模拟压板的位移和接触力。
③结果整理:
绘制数值模拟结果与室内实测结果对比曲线,见图3。
绘制一次加载-卸载-稳压过程轴向应力~轴向应变的关系曲线,见图4。
以一百次重复加载过程为周期,绘制轴向应力~轴向应变的关系曲线,见图5。
绘制轴向应变~荷载作用次数的关系曲线,见图6。
Claims (1)
1.一种级配碎石动三轴试验的数值方法,其特征在于,按照以下步骤进行:
1)物理模型的构建
(1)试件的模拟
①基本参数的测试:
测定碎石密度,确定级配碎石最大干密度和最佳含水量;
②试模的模拟:
利用PFC2D内置命令“wall”生成两片长度为H的竖直墙体和两片长度为D的水平墙体组成封闭矩形以模拟试模;
③级配碎石的生成:
根据矿料级配、碎石密度、压实度、试件尺寸和最大干密度按式(1)计算第i种规格集料的二维映射面积Si;
式中:ρmax:最大干密度,g/cm3;d:试件直径,cm;h:试件高度,cm;K:压实度,%;Pi:第i种规格集料的分计筛余百分率,%,i为大于0的自然数;ρi:第i种规格集料的密度,g/cm3,i为大于0的自然数;
利用PFC2D内置命令“ball”在模拟试模中生成颗粒,并使之符合第i种规格集料的粒径要求,当生成颗粒的总面积达到Si时,停止颗粒生成;
按上述方法依次生成各规格集料颗粒;
2)力学模型的构建
①接触模型的选取:
采用Hertz模型和滑动模型描述级配碎石的颗粒性结构特征和非线性力学特性,其中,Hertz模型通过泊松比ν、剪切模量G定义,滑动模型通过摩擦系数μ定义;
②物理模型微力学参数的赋予:
利用PFC2D内置命令“prop”赋予级配碎石物理模型以微力学参数,包括泊松比ν、剪切模量G、摩擦系数μ;
微力学参数通过级配碎石室内动三轴试验结果反算获取;
3)加载过程的模拟与结果整理
①围压的控制:
通过控制墙体速度以保持墙体应力恒定的方法实现围压控制,墙体速度按式(2)计算:
v=δ(σm-σn) (2)
式中:
σn:目标应力,KPa;
σm:当前计算时步内的墙体应力,KPa;
δ:伺服系数;
Δt:累积计算时间,s;
N:当前计算时步内与模拟试模竖直墙体接触的颗粒个数;
H:模拟试模竖直墙体的长度,m;
②一次加载过程的模拟:
利用左右两面墙体保持模拟试件围压稳定,保持底部墙体静止,以恒定加速度a竖直向下推动压板,并在达到运算步数n时使压板位移等于L,同时令压板运动速度归零,至此,一次加载过程结束;墙体加速度a按式(4)计算;
式中:a:模拟压板移动加速度,m/s2;n:运算步数,step;L:模拟压板振幅,m;t:加载时间,s;
③一次卸载过程的模拟:
在加载过程结束后,利用左右两面墙体保持模拟试件围压稳定,令底部墙体静止,以式(4)的加速度a作为恒定加速度竖直向上推动压板模拟卸载过程,并在达到运算步数n时使压板运动至初始位置,同时令压板运动速度归零,至此,一次卸载过程结束;
④稳压过程的模拟:
在卸载过程结束后,利用上、下、左、右四面墙体保持模拟试件围压稳定,直至运算步数达到N为止,同时令四面墙体与试件颗粒静止,至此,稳压过程结束,运算步数N按式(5)计算;
式中:N:运算步数,step;T:稳压时间,s;dt:计算时步,s/step;
⑤重复加载模拟:
按②至③至④的顺序对模拟试件重复进行加载、卸载和稳压,并记录每个计算时步内模拟压板的位移和接触力;
⑥结果整理:
绘制加载、卸载和稳压过程中的轴向应变~轴向应力关系曲线、轴向应变~荷载作用次数的关系曲线。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN2011104572472A CN102564855B (zh) | 2011-12-31 | 2011-12-31 | 一种级配碎石动三轴试验的数值方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN2011104572472A CN102564855B (zh) | 2011-12-31 | 2011-12-31 | 一种级配碎石动三轴试验的数值方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN102564855A CN102564855A (zh) | 2012-07-11 |
CN102564855B true CN102564855B (zh) | 2013-11-20 |
Family
ID=46410860
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN2011104572472A Expired - Fee Related CN102564855B (zh) | 2011-12-31 | 2011-12-31 | 一种级配碎石动三轴试验的数值方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN102564855B (zh) |
Families Citing this family (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103163033A (zh) * | 2013-03-29 | 2013-06-19 | 东南大学 | 级配碎石回弹模量数值测定方法 |
CN103308385A (zh) * | 2013-05-20 | 2013-09-18 | 东南大学 | 级配碎石动态模量数值测定方法 |
CN103323322A (zh) * | 2013-05-20 | 2013-09-25 | 东南大学 | 级配碎石加州承载比数值测定方法 |
CN107796713B (zh) * | 2017-10-11 | 2020-06-30 | 东南大学 | 建立级配碎石抗剪性能数值预估模型的方法 |
CN108319760B (zh) * | 2018-01-04 | 2021-06-08 | 长安大学 | 一种级配碎石基层塑性变形预估模型及预估方法 |
CN108204930B (zh) * | 2018-01-04 | 2020-07-28 | 长安大学 | 一种级配碎石变形性能的二次近似评价试验装置及方法 |
CN108303333B (zh) * | 2018-01-04 | 2021-09-17 | 长安大学 | 一种橡胶压头冲击试验仪及级配碎石变形试验方法 |
CN108732048B (zh) * | 2018-05-31 | 2020-06-05 | 长安大学 | 一种级配碎石重复荷载试验的弹塑性屈服点应力确定方法 |
CN109085321B (zh) * | 2018-07-25 | 2021-06-01 | 石家庄铁道大学 | 岩石细观力学参数的标定方法及终端设备 |
CN109211599B (zh) * | 2018-10-26 | 2019-09-10 | 山东大学 | 一种研究列车行驶过程中对道砟飞溅影响的实验方法 |
CN110243681B (zh) * | 2019-06-21 | 2021-09-17 | 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 | 一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法及应用 |
CN113008674B (zh) * | 2021-03-01 | 2024-04-26 | 浙江科技学院 | 受载荷后砂颗粒集合体破碎的快速检测方法 |
CN113553750B (zh) * | 2021-07-20 | 2022-05-31 | 长沙理工大学 | 基于虚拟三轴试验的级配碎石各向异性参数确定方法 |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101509852A (zh) * | 2009-03-18 | 2009-08-19 | 中国矿业大学 | 一种获取厚壁圆筒试样环形断裂的试验方法 |
CN102128741A (zh) * | 2010-11-23 | 2011-07-20 | 山东大学 | 硬脆性岩石的三轴流变试验工艺与方法 |
CN102222126B (zh) * | 2011-04-08 | 2013-03-20 | 长安大学 | 一种级配碎石三轴试验的数值模拟方法 |
CN102262011B (zh) * | 2011-04-19 | 2012-11-14 | 长安大学 | 一种级配碎石细观力学模型构建及微力学参数标定的方法 |
-
2011
- 2011-12-31 CN CN2011104572472A patent/CN102564855B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN102564855A (zh) | 2012-07-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN102564855B (zh) | 一种级配碎石动三轴试验的数值方法 | |
CN102222126B (zh) | 一种级配碎石三轴试验的数值模拟方法 | |
CN102230870B (zh) | 一种级配碎石cbr数值试验方法 | |
Xu et al. | Discrete element modelling of a soil-rock mixture used in an embankment dam | |
CN102142056B (zh) | 一种级配碎石直剪试验的数值模拟方法 | |
Tamás et al. | Modelling soil–sweep interaction with discrete element method | |
Xiao et al. | Shakedown behaviors of railway ballast under cyclic loading | |
Zhao et al. | Particle mechanics modeling of creep behavior of rockfill materials under dry and wet conditions | |
CN110736821B (zh) | 一种基于重力加载材料的滑坡区域管道安全性的模型试验装置 | |
CN102262011A (zh) | 一种级配碎石细观力学模型构建及微力学参数标定的方法 | |
Hazzar et al. | DEM simulation of drained triaxial tests for glass-beads | |
Liu et al. | Macro-and micro-mechanical characteristics of crushed rock aggregate subjected to direct shearing | |
CN105890946A (zh) | 一种模拟静压桩沉桩过程的粘性土层的制备方法 | |
CN104215506A (zh) | 一种梯度围压加载方法 | |
Zhang et al. | Experimental simulation and a reliable calibration method of rockfill microscopic parameters by considering flexible boundary | |
CN110736820B (zh) | 一种滑坡区域管道安全性的模型试验装置 | |
CN105784446A (zh) | 一种模拟静压桩沉桩过程的粘性土层的制备装置 | |
CN108629089A (zh) | 一种基于三维连续-离散单元耦合的强夯加固地基模拟方法 | |
CN103955597A (zh) | 一种级配碎石抗压强度数值试验方法 | |
Yang et al. | Numerical simulation of undrained triaxial test using 3D discrete element modeling | |
Bobiński et al. | Modelling of concrete behaviour with a non-local continuum damage approach | |
Zhou et al. | The Ball-Surface Normal Contact Experiment Research and Numerical Simulation of Coarse Grained Soil | |
Garzón et al. | Effect of spatial variability on the behaviour of shallow foundations: Centrifuge study | |
Rao et al. | Development of an automated large scale direct shear testing machine for rock | |
Kafle et al. | Cyclic macroelement for shallow footing over unsaturated soil |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131120 |
|
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |