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粗粒土作为一种散体材料在本质上不连续的。虽然众多学者对其不同的工程力学特性进行了许多创造性的研究，并取得了丰硕的研究成果，但粗粒土本质的力学机理仍然未明。这一方面是由于受到试验条件的限制，另一方面缺乏合适的数值研究工具。离散单元法能够考虑散体材料内部颗粒尺度的相互作用，被认为可以从本质上再现材料的离散特性，而被广泛应用到散体材料的研究当中。本文中，将PFC3D引入到粗粒土的力学特性的研究当中，建立了可以再现粗粒土常规三轴试验的虚拟环境，通过参数标定建立了粗粒土宏细观参数之间的联系，最后针对粗粒土极易破碎的特性，对其颗粒破碎特性进行了分析。主要内容如下：
⑴针对粗粒土骨料颗粒非规则的事实，在原有线性接触模型的基础上，加入转动分量，开发了可以考虑形状影响的接触模型-考虑转动阻抗的接触模型。利用该模型建立了数值三轴试验模型，对接触模型的各个参数进行了参数分析，考察了各参数对试样宏观力学特性的影响。并着重考察了转动分量对试样宏细观力学特性的影响，包括剪切强度、剪胀特性、lade参数以及配位数、组构等细观结构参数。
⑵将开发的考虑转动阻抗影响的接触模型应用到粗粒土的模拟当中，建立了常规数值三轴试验模型。为了与实验室内的常规三轴试验具有相同的边界条件，开发了堆栈墙柔性边界系统，模拟薄膜边界。利用建立的数值三轴试验模型进行了一系列的数值三轴排水试验，建立了数值三轴试样细观参数与真实粗粒土试样宏观参数之间的联系，得到了一组能够表征真实粗粒土试样宏观力学行为的细观参数。利用该参数分析了不同边界条件、排水条件和加载路径的对数值试样的影响，与实际的试验结果进行的对比进步验证了数值模拟的可行性。
⑶粗粒土极易发生颗粒破碎，且颗粒破碎对粗粒土的宏观力学特性影响显著。本文针对标准离散元存在颗粒过转动的事实，将颗粒转动作为一个颗粒破碎的判据引入到颗粒破碎的离散元模拟当中，分析了颗粒破碎对粗粒土应力应变，体应变-应变行为的影响，以及粗粒土中颗粒破碎的时空分布。