专利名称：一种级配碎石直剪试验的数值方法
技术领域：
本发明属于交通土建工程领域，涉及一种级配碎石直剪试验的数值方法。本发明 基于PFC2d软件平台，可准确、便捷地再现级配碎石力学性状变化的全过程，并揭示级配碎 石抗剪强度规律。
背景技术：
级配碎石属典型道路基层材料，在车辆荷载反复作用下，主要表现为剪切破坏，因 此，研究直剪作用下级配碎石应力 应变规律和破坏机理，对于优化材料设计、提高级配碎 石性能具有理论意义。室内直剪试验方法的基本原理及步骤如下(1)按最大干密度和最 佳含水量在剪切盒内制备试样；(2)安装应力 应变监测系统；(3)对试样进行剪切试验； (4)整理试验结果得到级配碎石应力 应变曲线和抗剪强度。申请人:分析上述级配碎石室内直剪试验方法，存在如下缺陷(1)试样制备过程 繁琐、仪器设备操作不便，导致级配碎石研究周期冗长；(2)试验结果离散度大，难以准确 掌握级配碎石抗剪强度规律；C3)无法深入研究级配碎石的细观力学特征。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种级配碎石直剪试验的数 值方法，该方法可准确、便捷地预测级配碎石直剪作用下的力学行为。为实现上述任务，本发明采取以下技术方案得以实现一种级配碎石直剪试验的数值方法，按照以下步骤进行1)物理模型的构建(1)试样的模拟①基本参数的测试测定碎石密度，确定矿料级配及其最大干密度和最佳含水量；②剪切盒的模拟剪切盒由上剪切盒、下剪切盒和挡板组成。⑴上剪切盒的模拟利用PFC2d内置命令“wall”生成两片长度为D的竖直墙体 和一片长度为L的水平墙体组成开口向下的半封闭矩形以模拟上剪切盒；(ii)下剪切盒的 模拟下剪切盒构造与上剪切盒相同，但开口向上。上、下模拟剪切盒构成一个封闭的矩形 区域以供颗粒生成；(iii)挡板的模拟利用PFC2d内置命令“wall”在上、下模拟剪切盒相 接触的位置左右对称的生成两片一定长度的水平墙体以模拟挡板；③级配碎石的生成根据碎石密度、压实度、试样尺寸、矿料级配和最大干密度计算第i种规格集料的 二维映射面积Si,见式(1)。利用PFCai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；
式中P max 最大干密度，g/cm3 ；d:试样长度，cm;h:试样高度，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；P i 第i种规格集料的密度，g/cm3, i为大于0的自然数；按上述方法依次生成各规格集料颗粒；④模拟试样的生成同时以速度V竖直推动上、下模拟剪切盒的水平墙体以压实级配碎石，直至运算 步数达到η为止。η按式(2)计算。η =----(2)
Vdt式中n 运算步数，step ；V 墙体移动速度，cm/s ；dt 时间步长，s/st印；D 上(下)剪切盒高度，cm;h:试样高度，cm。2)力学模型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微力学参数的输入利用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V、 剪切模量G、摩擦系数μ。微力学参数可通过级配碎石室内直剪试验结果反算获取。3)直剪试验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。墙体速度计算见式 ⑶；ν = δ ( σ m- σ η)(3)式中ση 目标应力，KPa ;σ m 当前计算时步内的墙体应力，KPa ；δ 伺服系数，按式(4)计算s=T^t ⑷
η式中当前计算时步内上(下)模拟剪切盒水平墙体的颗粒平均接触强度，
5KPa ；At:累积计算时间，S;N 当前计算时步内与上(下)模拟剪切盒水平墙体接触的颗粒个数；L 上(下)模拟剪切盒水平墙体长度，m。②直剪试验加载过程的模拟控制围压，以恒定的速度水平推动上(下)模拟剪切盒，并记录每个计算时步内上 (下)模拟剪切盒竖直墙体的位移和接触力；③结果整理绘制剪应力 剪切位移的关系曲线，其峰值即为级配碎石抗剪强度。本发明具有以下优点(1)可准确、便捷地再现直剪试验过程中级配碎石应力 应变曲线并预测抗剪切 强度规律，有利于深入研究级配碎石剪切性状和破坏机理；(2)避免了室内试样制备、仪器设备操作等繁琐过程，提高了试验效率，节约了研 究成本。
图1是级配碎石直剪试验模拟剪切盒的示意图；图2是级配碎石直剪试验集料生成的示意图；图3是级配碎石直剪试验模拟压实过程的示意图，从左至右依次是Ost印、 5000st印、IOOOOst印、15000st印；图4是级配碎石直剪试验模拟剪切过程的示意图；图5是级配碎石直剪试验的剪应力 剪切位移曲线(A级配)；图6是级配碎石直剪试验的剪应力 剪切位移曲线(B级配)；图7是级配碎石直剪试验的剪应力 剪切位移曲线(C级配)；图8是级配碎石直剪试验数值模拟结果与室内实测结果的对比；以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式按照本发明的技术方案，本实施例给出一种级配碎石直剪试验的数值方法，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，集料级配见表3。表1 碎石密度
权利要求
1. 一种级配碎石直剪试验的数值方法，其特征在于，按照以下步骤进行 1)物理模型的构建 (1)试样的模拟①基本参数的测试测定碎石密度，确定矿料级配及其最大干密度和最佳含水量；②剪切盒的模拟剪切盒由上剪切盒、下剪切盒和挡板组成，上、下模拟剪切盒构成一个封闭的矩形区域 以供颗粒生成；(i)上剪切盒的模拟利用PFC2d内置命令“wall”生成两片长度为々的竖直墙体和一片长度为Z的水平墙体 组成开口向下的半封闭矩形以模拟上剪切盒；(ii )下剪切盒的模拟下剪切盒构造与上剪切盒相同，但开口向上； (iii)挡板的模拟利用PFC2d内置命令“wall”在上、下模拟剪切盒相接触的位置左右 对称的生成两片一定长度的水平墙体以模拟挡板；③级配碎石的生成根据碎石密度、压实度、试样尺寸、矿料级配和最大干密度，以式(1)计算第i种规格集 料的二维映射面积&；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&时，停止颗粒生成；式中最大干密度，g/cm3 ； d 试样长度，cm ； h 试样高度，cm ； f 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； P i 第i种规格集料的密度，g/cm3, 为大于0的自然数； 按上述方法依次生成各规格集料颗粒； ④模拟试样的生成同时以速度Z竖直推动上、下模拟剪切盒的水平墙体以压实集料颗粒，直至运算步数 达到为止，按下式(2)计算；式中·Μ 运算步数，step ； K:墙体移动速度，cm/s ； dt 时间步长，s/step ； 々上、下剪切盒高度，cm; h 试样高度，cm ；2)力学模型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h剪切模量G定义，滑动模型通过摩擦系数//定义；②微力学参数的输入利用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κ、剪 切模量仏摩擦系数
全文摘要
本发明公开了一种级配碎石直剪试验的数值方法，通过建立物理模型和力学模型，进行级配碎石直剪试验的模拟，包括基本参数的测试，剪切盒的模拟，级配碎石模拟试样的生成；其次，赋予物理模型微力学参数，构建力学模型；然后，对级配碎石模拟试样进行加载模拟，得到级配碎石应力应变曲线，其峰值即为级配碎石抗剪强度。该方法可准确、便捷地再现直剪试验过程中级配碎石应力～应变曲线并预测抗剪切强度，有利于深入研究级配碎石剪切性状和破坏机理。
文档编号G06F17/50GK102142056SQ20111008839
公开日2011年8月3日 申请日期2011年4月8日 优先权日2011年4月8日
发明者任皎龙, 刘延金, 徐寅善, 李思超, 李頔, 蒋应军, 马庆伟 申请人:长安大学