基于PFC3D的海相淤泥水泥固化土微观破损机理分析

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近年来,水泥土及其添加剂在国内外软基处理中的应用越来越广泛。水泥混合固化剂是一种由水泥、专用固化料、生石膏及其他外加剂组成的固化材料。传统的水泥固化土力学性能的研究主要通过无侧限抗压强度试验和电镜扫描试验等,这些方法多从宏观层面研究不同因素对水泥固化土力学性能的影响,不能直观地反应水泥固化土内部各组分的微观结构性质对其力学性能的影响。以离散单元法为基础的细观结构模拟方法,不仅可以避免大量的室内试验,而且能够从细观角度分析水泥固化土的力学性能。因此,本文运用PFC3D数值模拟软件从微观结构演化的角度来解释水泥固化土宏观力学响应行为,实现室内试验和现场试验无法达到的细观力学分析,在前人的基础上提出新的建模方法,为水泥固化土的细观研究提供理论支撑。本文主要研究工作及成果如下:(1)基于无侧限抗压强度试验和电镜扫描试验,得到试样的应力-应变曲线、抗压强度、弹性模量等宏观参数,选取合适的接触模型,通过自编程序,完成了PFC三维离散元单轴压缩试验模型。(2)对水泥固化土试样进行单轴压缩试验模拟,可知不同条件下试样的数值模拟与室内试验的应力-应变曲线呈现较大拟合度,模拟结果充分证明了数值模拟的可靠性。(3)分析了试样内部接触力、孔隙率、配位数和裂隙数的演化规律及位移场的分布。发现法向接触力的分布整体类似于“玫瑰花状”,切向接触力分布图呈现出“椭球状”,水泥与专用固化料的质量比为6:4的试样在养护龄期为28d时法向接触力和切向接触力最大,宏观表现为该试样的抗压强度最大;试验过程中监测的测量圆内试样孔隙率表现为前期减小,后期增大的现象,能直接的反映试样内部颗粒的相对位移情况;数值模拟最终形成的位移场能够反映颗粒在加载过程中运动的方向和速度,颗粒位移方向与加载力的方向相同,数值模拟与室内试验的破坏形式基本一致。
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