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基于MatDEM的砂土侧限压缩试验离散元模拟研究
摘要
本文基于MatDEM软件，进行了砂土侧限压缩试验的离散元模拟研究。利用MatDEM软件对砂土试样的力学性质变化进行了分析，探讨了应力-应变变化规律及力学参数的影响因素。结果表明，砂土试样在侧限压缩过程中出现了显著的应力-应变变化，阻尼比、压缩模量、体积模量等力学参数也发生了明显的变化。本研究为砂土力学性质的研究提供了一定的参考价值。
关键词：离散元模拟，砂土侧限压缩试验，应力-应变，力学参数
Abstract
ThispaperpresentsadiscreteelementmethodsimulationstudyofthelateralcompressiontestofsandusingMatDEMsoftware.ThemechanicalpropertiesofthesandspecimenwereanalyzedusingMatDEMsoftware,andthechangesinstress-strainbehaviorandthefactorsinfluencingthemechanicalparameterswerediscussed.Theresultsshowthattherearesignificantstress-strainchangesinthesandspecimenduringlateralcompression,andthemechanicalparameterssuchasdampingratio,compressionmodulusandbulkmodulusalsoundergosignificantchanges.Thisstudyprovidesareferencevalueforthestudyofthemechanicalpropertiesofsand.
Keywords:discreteelementmethodsimulation,lateralcompressiontestofsand,stress-strainbehavior,mechanicalparameters
1.引言
砂土是一种常见的土质材料，广泛应用于土木工程、建筑工程等领域。在土工工程中，砂土的力学性质是研究的重点之一。砂土的力学性质是研究其应力-应变、体积变形等性质的变化规律，为土木工程和建筑工程提供科学依据。其中，侧限压缩试验是研究砂土力学性质的一种重要方法。侧限压缩试验可以得到材料在侧向受力下的变形和应力状态，可以研究它们之间的关系和发生的变化，同时也可以得到一些力学参数。
离散元模拟是基于粒子间相互作用和运动规律的一种数值模拟方法，可用于研究材料的力学特性变化规律。MatDEM是一种离散元模拟软件，广泛应用于材料力学性质的模拟和分析。本文利用MatDEM软件，对砂土侧限压缩试验进行了离散元模拟研究，探讨了应力-应变变化规律及力学参数的影响因素。
2.试验设计
2.1试验材料
本试验采用的是自然状态下的河砂，根据试验需要进行了筛分，选用干筛目数为0.15~2.5mm之间的河砂。其物理性质如表1所示：
表1河砂物理性质
2.2试验装置
试验装置如图1所示，由压力机、夹具、应变仪等组成。
图1侧限压缩试验装置
2.3试验方法
(1)根据样品的几何尺寸，确定夹具大小。
(2)样品表面需进行微调至平面，然后将其夹于夹具中。
(3)样品加荷时，以每秒1mm的速度进行加载。
(4)测量样品在加载过程中的应变和应力。
(5)统计样品的平均应力和应变值，并绘制应力-应变曲线，分析材料的力学性质。
3.模拟方法
3.1离散元模型
建立砂土试样离散元模型，将试样按照一定密度和分布排列为一个个离散单元，并在模型中定义其形状、大小、质量、位移、速度和应力等物理量。其中，单元之间的相互作用力包括普通接触力、切向接触力和剪切力等。
3.2模型参数
本模拟主要包括下列参数：
阻尼比d：阻尼比是描述材料阻力大小的参数，主要为了描述材料的耗能能力和强度变化率。阻尼比d可以通过材料的初始状态来判定其动态和静态之间的比值。
压缩模量E：压缩模量是描述材料在受力下压缩变形的能力。
体积模量K：体积模量是描述材料在受力下体积变形的能力。
初应力状态：模拟时需要设定一个初应力状态，即使模拟出现不稳定情况时也会受到该初始状态的影响。
3.3模拟过程
(1)将试样设置为固定边界条件，并按加载速度添加顶部载荷；
(2)设定材料的初应力状态，并进行模拟；
(3)模拟过程中记录试样的应力值和相应的应变值，绘制应力-应变曲线。
4.结果分析
经过模拟，得到了砂土侧限压缩试验中的应力-应变曲线，该曲线显示了试样在加载过程中的变形和应力状态，如图2所示。
图2应力-应变曲线
从图2中可以明显地看出，在应