黄土沉积过程及微结构模型的非连续变形分析

黄土是一种具有特殊结构的多孔隙、弱胶结的松散沉积物，存在典型的微观架空结构，其力学行为是微观结构变形与破坏的宏观体现。从本质上揭示黄土的力学行为，需从黄土微结构出发，而黄土的物质组成和微结构特征受其特殊的风积成因所控制，基于此本文提出了一种模拟黄土沉积过程并构建其初始结构模型的方法。为了生成黄土沉积后所形成的微结构模型，并对其进行变形模拟，首先在确定黄土颗粒形态的基础上利用Monte Carlo法生成沉积前的黄土颗粒群，然后引入非连续变形分析方法(DDA)模拟颗粒的下落，该方法能够模拟颗粒下落过程中的相互碰撞及摩擦，由此建立与实际比较接近的黄土初始结构模型。从模型中可以识别出大、中、小3类孔隙结构和台阶(staircase)、重叠(stack)、点接触(point contact)、T型4种接触形式。对所生成的黄土结构模型进行不同压力下的压缩试验，选择不同部位的颗粒作出了径向分布函数，从微观角度说明了黄土在压缩过程中大孔隙和架空结构会首先被破坏。设计了与数值模拟相同条件下的物理模型试验，将两者试验结果进行对比，结果表明数值模拟与物理模型试验的e-lgp压缩曲线的趋势大致相同，表明所提出方法是可行的。该方法为进一步开展黄土力学行为的微观分析提供了基础。