直剪试验对砂性土细观特性和抗剪强度影响的数值分析成果

很多学者采用离散元对直剪试验进行了数值模拟。Ni等（2000）模拟了一系列直剪试验来研究颗粒材料细观特性对材料抗剪强度的影响。颗粒材料采用粘结的球颗粒，而不是以前很多学者采用的理想圆颗粒或球颗粒。其研究了颗粒形状、颗粒大小、颗粒间摩擦、法向有效应力对抗剪强度和受剪时应力—应变特性的影响。研究结果发现，颗粒形状对颗粒运动的影响很大，颗粒大小对残余摩擦角和体积膨胀的影响非常大，而颗粒间摩擦对抗剪强度和试样膨胀影响很大，且法向有效应力越大，试样摩擦角越小。

Masson和Martinez（2001）采用离散元建了密实和松散的圆柱形试样模型并进行直剪试验模拟，研究颗粒材料的细观力学。数值模拟观察到了理想塑性状态，而且这一状态与试样初始密度无关，并详细分析了接触方向和接触力的方向，绘制了接触方向和接触力的极状分布图。结果显示，在初始状态下，密实试样接触力分布非常均匀且为各向同性分布，而松散试样接触方向多为竖直方向。受荷后，密实试样和松散试样接触力分布图形都类似于花生形，且长轴方向都与最大主应力方向一致。这一现象与其他学者的研究结论一致（Bardet，1994；Sitharam et al.，2002）。研究还发现，尽管初始分布不同，在受荷时，无论是密实试样还是松散试样，接触力分布长轴都与水平轴成45°角。这表明，直剪试验沿45°角方向压缩试样，导致该方向的接触数目和接触力增加。

Liu（2006）采用二维离散元建立了密实和松散的圆柱形试样模型并进行了一系列直剪试验模拟。其研究了上剪切盒内部表面和试样之间的摩擦力对抗剪强度的影响。研究发现，这一摩擦力会导致对密实试样的抗剪强度的高估和对松散试样的抗剪强度的低估。从细观角度分析了内摩擦角及应力与膨胀特性之间的关系。研究发现，颗粒材料的内摩擦角与颗粒间摩擦角没有直接关系，而是与接触方向分布和接触力分布有关。(www.xing528.com)

Cui和O'Sullivan（2006）进行了室内直剪试验，并对室内试验进行了数值模拟，从而对离散单元法数值模拟的正确性进行了验证。通过数值模拟研究了直剪条件下颗粒材料的宏、细观特性。为了保证室内试验和数值模拟的模型一致，室内试验采用等粒径的钢球。通过采用密度比例法和修正法使得数值模拟结果与试验结果的宏观特性相一致。基于修正参数的数值模型试验，详细研究试样细观性质，包括局部应力和应变、接触力、颗粒位移和旋转、细观结构分析（结构张量和配位数），得到的接触力分布图形和最大接触力方向与Masson和Martinez（2001）及Sitharam等（2002）的结果相同。

Zhang和Thornton（2007）利用DEM模拟了二维的直剪试验。研究了颗粒位移和旋转、剪切带内和试样剪切带外的材料特性，分析了临界状态下的应力状态。研究发现，在临界状态下主应力与主应变方向一致，都与水平轴成45°角，这与首次发现这一现象的Hill（1950）的结论相一致。其研究了剪切盒宽高比的影响，发现剪切盒宽高比越小，得到的数据越可靠。Jacobson等（2007）进行了相似的研究，他们采用二维离散元模型，分析了试样大小对测量值精度的影响，以及试样大小对应变局部化的影响。当试样L/d＞58（L为试样最小宽度，d为最大颗粒半径）时，可以认为试样剪切带受试样边界的影响较小。