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研究生： 宋丘言
chiu-yen Sung
論文名稱： 使用離散元素法進行乾砂直剪試驗模擬
Discrete Element Modeling of Granular Material in Direct Shear Test.
指導教授： 黃文昭
Wen-Chao Huang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
畢業學年度： 100
語文別： 中文
論文頁數： 85
中文關鍵詞： 應力路徑 、直接剪力試驗 、離散元素法 、微觀的
外文關鍵詞： direct shear test, stress path, microscopic, discrete element method
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    • 直接剪力試驗為常見的實驗室試驗之一，用來獲得土壤的工程性質，尤其對於乾燥的粒狀土壤；本研究中，用描述顆粒間力與位移關係的微觀參數來對應顆粒堆整體的宏觀工程性質；可以發現顆粒對整體的宏觀摩擦角與微觀參數的接觸勁度、剪切勁度以及顆粒基本摩擦角有關。於離散元素法的模型內也發現到顆粒堆的膨脹，基本上整個試體的膨脹來自於剪動帶顆粒的膨脹。
    此外，觀察延固定破壞面而產生的不均勻應力狀態；隨著正向應力的增加，位於既定剪動面中間的應力狀態會變得比較單純，呈現純壓縮載重狀態；而在較小的正向應力下，應力的狀態呈現壓縮載重以及伸張載重的組合。應力路徑的變化，某種程度上說明了直接剪力試驗結果總會高估材料強度的原因，應力路徑以壓縮載重狀態為主，而壓縮載重試驗下所得到的材料強度本來就會比其他試驗結果強度來的高一些。

    Direct shear test has been among common laboratory tests to obtain the engineering properties of soils, especially for dry granular soils. In this study, the microscopic parameters to describe the force-displacement relationship between particles are compared to the macroscopic engineering properties of the particle assemblies. It was found that the friction angle of the particle assembly is related to the contact normal and shear stiffness and the particle friction from a microscopic point of view. Dilation of the particle assembly is also observed in the discrete element model. Basically the dilation of the overall particle assembly comes from the dilation of the particles in the shear zone. Furthermore, the non-uniformity of stress states along the predetermined failure plane is examined. As the normal stress increases, the stress state in the middle of the predetermined shear plane also becomes less complicated with pure compression loading, while for the smaller normal stress, the stress states are combinations of compression and extension loading. The variations of stress path somehow also explains why a direct shear test can overestimate the strength of a granular material, since a compression loading test can yield the highest strength comparing to other test types.

    目錄 Abstract…………………………………………………….I 摘要……………………………………………………. II 目錄……………………………………………………. III 表目錄……………………………………………………. VI 圖目錄……………………………………………………. VII 第一章 緒論……………………………………………………. 1 1.1研究動機與目的……………………………………………………. 1 1.2論文內容……………………………………………………. 2 第二章 文獻回顧……………………………………………………. 3 2.1 離散元素法……………………………………………………. 3 2.2 PFC2D模型模擬過程……………………………………………. 5 2.2.1二維模擬的限制…………………………………………. 5 2.2.2應力與應變……………………………………………………. 6 2.2.3顆粒堆疊與孔隙………………………………………………. 6 2.2.4質量特性……………………………………………………. 7 2.2.5常用方法……………………………………………………. 7 2.3 數值模擬的建議步驟……………………………………………….7 2.3.1 定義模擬分析的目標 …………………………………….8 2.3.2 建立物理模型的概念圖………………………………………….8 2.3.3 建立並試跑簡化的物理模型…………………………………….8 2.3.4 蒐集特定問題之相關資料………………………………….9 2.3.5 準備一系列之詳細模型分析…………………………………….9 2.3.6 進行模型計算……………………………………….10 2.3.7 解讀模型結果………………………………….10 第三章 研究方法…………………………………….11 3.1 直接剪力試驗…………………………………………….11 3.1.1 試驗目的 …………………………………………………….11 3.1.2 試驗原理……………………………………………………. 11 3.1.3 試驗儀器 …………………………………………………….12 3.1.4 試驗步驟……………………………………………………. 12 3.1.5 試驗結果……………………………………………………. 13 3.2 PFC2D( Particle Flow Code)介紹……………………………….14 3.3 直剪試驗的模擬流程…………………………………….15 3.3.1直剪盒的建置…………………………………………. 16 3.3.2顆粒填塞過程 ………………………………………….17 3.3.3正向力的加載模擬………………………………………….17 3.3.4剪動過程的模擬…………………………………….18 3.4 定義剪力及設置觀測項目……………………………………….18 3.4.1位移與受力紀錄………………………………….19 3.4.2 PFC模擬結果出圖…………………………………….22 3.4.3觀測圓的設置……………………………………………. 24 3.5 模型參數的選定……………………………………………….25 3.5.1顆粒粒徑與數量…………………………………………….25 3.5.2決定模型初步參數……………………………………………….26 3.5.3剪動速度與時階長短的參數選取…………………………….27 3.5.4參數敏感度分析項目…………………………………….29 3.6 資料處理工具………………………………………….31 第四章 直剪試驗模擬結果……………………………………. 32 4.1 直剪試驗基本結果 ……………………………………………….32 4.2 單一參數變動與試驗結果的影響…………………………….34 4.3 兩項參數變動與試驗結果的影響…………………………….41 4.4 三項參數變動與試驗結果的影響……………………………….44 4.5 膨脹角 …………………………………………………….45 第五章 結果討論…………………………………………………….46 5.1 剪動帶的定義…………………………………………………….46 5.2 剪動帶微觀組構觀察………………………………………….52 5.3 局部區域的應力路徑……………………………………….53 5.4 自然霣降…………………………………………………….63 5.4.1 霣降法試體建置……………………………………….63 5.4.2 霣降法試體模擬結果………………………………………….64 第六章 結論與建議…………………………………………….72 6.1 結論…………………………………………………….72 6.2 建議…………………………………………………….73 參考文獻…………………………………………………….74

    1. 李宏輝，「砂岩力學行為之微觀參數-以個別元素法探討」，國立台灣大學土木工程研究所博士論文，台北 (2008)。
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