以離散元素法進行具鍵結顆粒材料之直剪試驗模擬

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林郁鈞(Yu-Chun Lin) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

以離散元素法進行具鍵結顆粒材料之直剪試驗模擬
(Numerical simulation in direct shear test using bonded particles)

相關論文

★ 探討逆向坡受重力變形及降雨影響之破壞型態	★ 以離心模型試驗及個別元素法評估正斷層和逆斷層錯動地表及地下變形
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摘要(中)

利用直接剪力試驗來獲得土壤的工程特性是相當常見的方法，但一般直剪試驗盒不透明，不易觀察直剪盒內部在受剪過程的微觀破壞機制，且前人研究發現直剪試驗在剪動面應力分佈不均勻，因此本研究利用離散元素法，使用PFC2D軟體模擬直剪試驗。由於前人研究已探討無鍵結強度顆粒在不同微觀參數下對直剪試驗結果以及微觀力學機制的影響，因此本研究模擬具鍵結強度顆粒材料之直剪試驗，探討顆粒微觀參數對巨觀凝聚力與摩擦角的關係，並從中監測直剪試驗過程試體之應力分佈、孔隙率變化和鍵結斷鍵情形，分析剪動帶上的平均應力變異程度並觀察應力路徑與主應力平面的旋轉角度。
由直剪模擬結果可得知具鍵結顆粒材料之巨觀與微觀力學行為如下: (1) 顆粒粒徑越小則凝聚力越大、摩擦角越小，當鍵結強度越大時凝聚力也越大。(2)直剪模擬剪脹多來自於直剪盒右上及左下區域。(3)破壞時鍵結斷裂與剪應力極值多分佈於剪動帶上，且由整個試體觀察到張力破壞數目大於剪力破壞數目。(4)破壞時最大主應力面旋轉角度會介於50度到60度。(5)剪動帶上平均水平應力與垂直應力之變異係數越接近破壞則越大;剪應力之變異係數則越接近破壞越小越穩定。

摘要(英)

Direct shear testing is among the most common laboratory tests for obtaining the engineering properties of soils. However, the microscopic behavior during direct shear test of this type of material is not always easy to monitor. Previous studies have found that the non-uniformity of the stress can be developed along the failure plane have been brought up by previous study. Therefore, a discrete element method is employed and the PFC2D is used to simulate the direct shear test in this study. Since prior researchers have been observed the influenced of the microscopic parameters and the microscopic behavior of the dry granular material during the direct shear test, I simulate the direct shear test by bonded-particle and investigate the related of the particles microscopic parameters and the macroscopic cohesion and friction angle in this study. I also monitor stress and porosity distribution, and bond break condition during direct shear test as well as analyze the variations of average stress, stress path and major principal plane along the pre-determined failure plane were also observed.
The following summaries are addressed: (1) smaller particles size has stronger cohesion and smaller friction angle, and greater bond forces have stronger cohesion; (2) the dilation of the overall particle assembly comes from the right of the upper shear box and left of the lower shear box; (3) most breaks of the bonds locate on the shear zone, and the number of normal bonds breaks exceeds that of the shear bonds breaks; (4) the directions of major principal plane ranges from 50 and to 60 degrees in the counterclockwise direction until the test specimen reaches failure; (5) the coefficients of variation of the horizontal and vertical stress become larger when near approaching the failure, and the coefficient of variation of the shear stress becomes smaller and more stable.

關鍵字(中)

★ 直接剪力試驗
★ 離散元素法
★ 鍵結強度
★ 主應力平面
★ 微觀
★ 變異係數

關鍵字(英)

論文目次

目錄
摘要 I
Abstract II
誌謝 IV
目錄 V
表目錄 X
圖目錄 XII
第一章緒論 1
1.1 研究動機及目的 1
1.2 研究內容 2
第二章文獻回顧 3
2.1 離散元素法 3
2.1.1 PFC2D模擬概述 5
2.1.2二維模擬的限制 5
2.1.3應力與應變概述 6
2.1.4顆粒之質量計算方式 6
2.2直剪試體內部應力分布情形 7
2.3使用離散元素法進行乾砂直剪試驗模擬 9
2.3.1模擬剪力盒模型 9
2.3.2顆粒填入 15
2.3.4分析結果 17
2.3.乾砂直剪模擬試體內孔隙率分布 19
2.3.7剪動帶之應力路徑 20
2.3.8乾砂直剪模擬結果整理 23
2.4直剪之物理試驗與數值模擬比較 23
2.4.1直剪試驗之模型物理試驗與數值模型結果比較 23
2.4.2分析結果 24
2.5直剪試驗模擬的尺寸效應 28
第三章研究方法 31
3.1 實驗室直接剪力試驗 31
3.1.1 試驗方法 31
3.1.2 試驗結果 32
3.2 模擬之模型 33
3.3 模擬之方法 34
3.3.1輸入參數決定 35
3.3.2正向應力的模擬 39
3.3.3剪動速度選擇 40
3.3.4監測項目 43
3.4 佈設測量圓 45
3.4.1測量圓原理 46
3.4.2測量孔隙率計算 47
3.4.3測量圓應力計算 52
3.4.4測量圓大小選擇 54
3.4.5測量圓監測方法 56
3.6直剪盒內應力路徑 57
3.6.1各種加載條件之下的應力路徑圖 57
3.6.2計算模擬剪動過程的應力路徑 60
第四章直剪模擬試驗結果 61
4.1基本結果 61
4.1.1模擬結果探討 61
4.1.2微觀參數對凝聚力與摩擦角之影響 62
4.1.3尺寸效應的探討 66
4.2直剪過程中孔隙率變化以及應力分布情形 69
4.2.1概述 69
4.3孔隙率 69
4.4直剪試驗之斷鍵行為 72
4.5直剪盒內應力分布情形 77
4.5.1剪動前應力分布情形 77
4.5.2剪動位移達破壞一半時應力分布情形 78
4.5.3破壞時應力分布情形 79
4.6應力路徑與主應力平面旋轉角度 82
4.6.1剪動帶的應力路徑 82
4.6.2最大主應力平面旋轉角度 86
4.7剪動帶之平均應力及其變異性 89
第五章與無鍵結強度材料之直剪模擬結果比較 95
5.1 粒徑大小對摩擦角影響比較 95
5.2孔隙率比較 96
5.3應力分佈情形比較 99
5.3.1水平方向應力分佈情形比較 99
5.3.2垂直方向應力分佈情形比較 101
5.3.3剪應力分佈情形比較 103
5.4應力路徑與主應力平面旋轉角度比較 105
5.4.1剪動帶的應力路徑發展比較 105
5.4.2最大主應力平面旋轉角度 108
5.5剪動帶之平均應力比較 110
5.5.1平均水平應力 110
5.5.2平均垂直應力 112
5.5.3平均剪應力 114
第六章結論與未來展望 116
6.1結論 116
6.2未來展望 119
參考文獻 120

參考文獻

1. 宋丘言，「使用離散元素法進行乾砂直剪試驗模擬」，國立中央大學土木工程研究所碩士論文，中壢 (2012)。
2. 廖泓韻，「以微觀角度探討顆粒狀材料在直剪試驗下之力學行為」，國立中央大學土木工程研究所碩士論文，中壢(2013)。
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指導教授

黃文昭(Wen-Chao Huang)

審核日期

2014-8-18

推文