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各向異性二元混合料的宏微觀力學性質：基于離散元法的沉積角、顆粒含量與形態耦合效應研究

《Computers and Geotechnics》：Macro- and micro-scale mechanical properties of anisotropic binary mixtures: A DEM study

【字體：大中小】 時間：2026年03月02日 來源：Computers and Geotechnics 6.2

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　　本文采用離散元法（DEM），系統研究了沉積角、粗粒含量和顆粒形態耦合作用下固有各向異性二元混合料的宏微觀力學行為。重點聚焦于應力-力-結構關系，并提出了量化強接觸定向承載效率的新描述符Pseff，發現其與幾何各向異性acsn及宏觀應力比σd/σm存在一致的同調線性關系，共同揭示了剪切優化力鏈網絡的演化，為建立本構模型提供了理論基礎。

Highlight

DEM建模

本研究采用應用廣泛的DEM軟件PFC^3D進行數值建模，以模擬不同條件下二元顆粒混合料的復雜行為。系統性地制備了試樣，以研究初始各向異性、粗粒含量和顆粒形態對宏微觀力學響應的耦合效應。模擬試樣由粗顆粒和細顆粒組成。所有細顆粒均為球形（AR = 1.0），而粗顆粒的縱橫比（Aspect Ratio， AR）則作為變量參數。

宏觀變量定義

根據常規三軸試驗，立方體試樣通過頂板以恒定慢速向下移動進行軸向壓縮，同時伺服控制的側向墻體保持恒定的圍壓σ₃= 200 kPa，如圖4(b)所示。該加載方案模擬了標準排水三軸條件，其中所有試樣均通過無摩擦初始化達到相同的初始孔隙率，而不論其沉積角α、粗粒含量W和顆粒形狀如何變化。

微觀行為

如第3章所述，各向異性二元混合料的宏觀力學響應源于其微觀結構的演化。本章旨在深入探究其微觀機制。值得注意的是，鑒于W = 85%的試樣表現出顯著的各向異性響應，如圖10所示，后續的微觀結構分析將選用這一特定的粗粒含量（W = 85%）。

結論

本研究采用離散元法（DEM），系統地研究了沉積角α、粗粒含量W和顆粒形態AR對經歷排水三軸剪切的二元混合料宏微觀力學行為的耦合影響。主要結論如下：

1.
二元混合料的應力-應變關系、體積行為和剪切強度顯著受沉積角、粗粒含量和顆粒形態的影響。

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