文摘

材料力学参数的校准和变形和破坏机理的土壤一直是文物保护领域的困难问题。如何建立物理和力学性能之间的关系在宏观和微观尺度的土壤是研究的重点。的土壤由许多原子的纳米结构模型建立了分子动力学(MD)方法。不同含水率的应力-应变关系是通过单轴压缩模拟。基于电子显微照片图像(放大×500)和图像重建方法,构造了由粒子组成的微模型、毛孔。此外,采用位移加载方法,我们获得的应力-应变关系的土壤水分含量不同。我们的研究结果表明,左和右边界的位移循环孔隙模型的多边形的1.26倍孔隙模型,和多边形孔模型的位移是1.28倍的圆孔模型。多边形孔的应力-应变曲线模拟模型与实验结果是一致的。数值分析的结果有很好的一致性与宏观测试,这表明研究的思想和方法用于土壤的勘探工作是可行的。我们现在的发现提供了参考恶化文物建筑的研究和安全性评价等的网站。

1。介绍

土壤网站明显受环境的影响,以及土壤的网站都是独一无二的,nonrepeatable [1]。大量的土壤样品不能被现有的网站,这使得安静的站点的土壤力学性能的研究进展缓慢。医学是近年来开发的一种新的微机械方法。其目的是为了获取所需的宏观物理力学量对象的一些粒子通过长期操作(2]。的帮助下理论计算和分子动力学模拟方法,从多个角度研究信息(微观结构、动力学等)和多层(从microatomic级别macrostatistical水平)是获得3)(图1),以节省测试成本和提高测试效率。

理论和实验研究上执行的macromechanical性质的土壤。例如,歌曲等。4)进行了宏观评估土壤力学特性的网站在河南省西北部,中国。此外,曰et al。5)建立了一个理论模型的边坡破坏尖端灾难基于弹性滑动质量。然而,更少的研究已经完成在微尺度的物理和机械性能,和瓦土壤的退化机制尚未阐明。随着计算机技术的迅速发展,数值模拟复杂的力学行为可以有效地消除人类和环境因素的影响在物理测试,更好地模拟微观结构的损伤和破坏过程,并完成学习的目的的土地基的特点。建立材料的本构关系和数值模型的土壤不仅满足工程应用要求的第一步,但影响数值模拟结果的一个重要因素。

许多学者进行了大量的研究工作在土壤的物理和机械性能和结构特征(6,7]。研究趋势表明多尺度集成的特点,多重方法结合,多学科交叉。研究表明,microbehavior扮演非常重要的角色在土壤的力学性能。“宏观和微观相结合的研究方法”已经成为目前土壤力学性能研究的主流,甚至在未来8,9]。沈等人首次引入土壤样本的损伤理论研究本构模型,建立了弹塑性损伤模型(10和非线性损伤力学模型11]。此外,旷et al。12)进行分子动力学(MD)模拟蒙脱石矿物的晶体层之间的水分子结构与不同的含水量,并揭示了高压机械性能的基本机制的粘土从多尺度的水平。杨et al。13)用分子动力学模拟来研究粘土矿物的水化性能和吸附性能,和澄清在水合粘土的结构和动态性能。刘等人。14]应用分子动力学研究影响土壤颗粒的连接特点之间的关系(结构单元)和土的变形和破坏特征,并发现macromechanical属性的土壤土壤微结构的控制。土壤的结构性裂缝表面通过连接表面粒子与粒子之间的聚集,不通过粒子本身,也就是说,最弱的一部分粒子之间的连接被摧毁。此外,唐et al。15)评价膨胀土的微观结构和力学变化多尺度循环载荷作用下,建立了一个统一的表达式的应力-应变特征反映土壤宏观结构和微观结构和考虑microdamage。陈(16]分析了土样的弹塑性本构模型基于数值计算和物理模拟;作者还论述了物理和数值模拟的土壤样本之间的关系。赵et al。17)使用分子动力学方法建立各种分子模型在材料工作室软件分析的影响蒙脱石层间阳离子类型对水分子吸附。

上述研究成果促进了macrosoil力学性能研究的发展,microsoil样品在一定程度上。然而,在土壤样品的复杂性和可变性的视图(18],intraparticle瓦土壤水泥已经在一定程度上简化建立模型;环境对水泥的影响也被忽视了。显然,需要更深层次的知识在微尺度土样的应力变化规律及其组件(19]。在先前的研究中,我们发现瓦土样的应力应变结果使用不同水样时是不同的。我们可以看到在图2土壤样品的抗压强度与纯水高于土壤样本准备坑水的网站。水分含量的减少使这些差异更加明显。

首先,的网站是独一无二的。现场取样可能会影响网站的身体,因此限制了文物保护的要求。因此,这类网站的土壤样本数量不能大,导致测试重复性低,进展缓慢的研究原状土土的力学性能。第二,岩土材料,水泥广泛存在于自然和粒间胶结材料对岩土材料的力学性能产生重要的影响。然而,微机械模型试验成本高,阻碍适当的观察微进化定律胶结失败。因此,基于分子动力学(MD)模拟方法的思想,本文借助材料studio 7.0仿真软件,我们建立了Zhouqiao的奈米结构模型的土壤和灯具应用软件分析Zhouqiao泥土土壤的力学性能;扫描电镜图像的基础上的土壤和少量的机械测试结果,由粒子组成的微模型,建立了水泥,毛孔。此外,我们评估的方法测定的微尺度力学性能intraparticle土壤水泥瓦。

2。建设和分子动力学模型的仿真

2.1。建模的基础上

通过比较电子显微镜图像在不同放大倍数下的土壤样本,土壤样品的微观结构的差异在不同的数量级进行了研究。异构岩土材料,材料转化为一个图像,不同的物质在材料可以反映在图像通过灰色或颜色的变化,和图像繁殖材料的结构特点。利用数字图像技术,扫描电镜的灰度图像被认为是一个三维坐标系统在MATLAB软件。图片的长度和宽度X和Y坐标轴分别视为图像的灰度值Z轴,灰色的价值被认为是Z=f(x,y)。灰度图像的三维简化后的积分值三维与二维图像大小不规则体底部和阈值高的计算。土样图的组织分布图像3转化为一个三维真实显微组织图(图4)。图4显示了土壤样品的三维结构特征。它可以从数据中获得4(一)来4 (e)。与SEM图像的放大倍数的增加,黄色和绿色部分逐渐减少,和阈值在一定范围内,这是反映在逐渐简化的土壤样本中包含的信息,和土壤样品只能决定不均匀材料的宏观状态。当达到一定的观察范围时,可以认为是土样土壤样本和孔隙。nano构建土壤样本模型使用材料工作室软件,和土样的力学性能在不同含水率下研究了蒙特卡罗方法和分子动力学方法。研究结果为后续的微尺度模型提供数据支持。

Zhang et al。20.]研究了孔隙类型、规模和形状的粘土和提议,粘土矿物中包含的孔隙结构可分为三种类型:粒间孔隙形成的矿物颗粒压实和沉积。土粒间孔隙中形成成岩矿物的变换。(层间距)的差距引起的水晶层粘土晶体之间的距离和不同孔如图之间的关系5。李等人。21]发现大多数蒙脱石粘土矿物在片状结构和堆叠成蒙脱石的基本粒子。晶片层的厚度是1纳米,长度和宽度是几十到几百纳米。当晶体层包含水,它可以扩大生产夹层纳米孔与不同厚度约0.2到2海里。上述学者的研究结果提供了一个基础在纳米尺度上建立分子模型。

2.2。建模

基于第一的研究等。22),粉质粘土的主要成分是基于粘土的矿物蒙脱石、和晶体的几何配置如图6。在这部作品中,土样的初始模型是基于蒙脱石,和水分子的随机建模的蒙特卡罗方法是使用材料工作室软件和设置水分子密度为1克/厘米³在非晶电池模块在室温下298 K。蒙脱石分子模型和随机水分子模型使用构建层叠加功能。基于土壤样本的密度与含水率不同,分子模型为10%,12%,14%,和16%含水量分别建立了。模型的原子序数和密度如表所示1。最后,发现设置用于建立使用力场和发现最小化减少它的能量。为了避免周期性边界的影响在单轴压缩过程中,土样的初始模型与含水量由超晶胞放大,这样大小的分子模型达到可视化土样在微尺度23]。最后的模拟区域大小土样的初始模型一个= 104,B= 89,C= 118,α= 90°,β= 90°γ= 90°,如图7。在图6,黄色的球,红球,紫色的球,球和白色代表硅原子、氧原子,铝原子和氢原子。在图7,紫色部分是晶体层和黄色部分是水层。通过单轴压缩模型的仿真,得到分子的应力-应变关系模型,如图8。

3所示。微尺度模拟模型的建设

单轴压缩试验可以模拟材料失效的最不利情况下的三维无约束条件下的结构,和恶化的网站主要是集中在土壤和混凝土材料的外表面(混凝土损伤塑性)[24,25]。用日立s - 2700扫描电子显微镜在这个实验中,由真空电子束发射,和图像生成系统(图9)。本文的分析是基于数值模型建立方法已经提出的我们的团队,和特定的模型构建过程如下1]。

3.1。建模的基础上

类似于普通建筑的物理和机械性能的分析,我们还需要考虑microperspective探索微观结构之间的关系和macromechanical属性。图3在电子显微镜下显示了土壤颗粒的图像,在视野放大了500倍。很明显看到粒子的细节,包括表面的不规则裂缝和粒子的形状和大小。在这个规模,粒子直径在5 - 25μm可以观察到,相应的孔隙分布和无序排列的粘性颗粒是可见的颗粒之间积累材料。进一步放大从1000增加到3000次,粒子的形状是清楚的,但粒子数低;从5000年到10000倍放大,粒子的大小和形状的组织开始扭曲,和失去微尺度的指导意义。因此,土土壤的微观建模是基于电子显微照片的土壤在x500放大的图像。

避免SEM图像的随机性的影响研究成果,SEM图像拍摄时,会议的基础上筛选试验水平的面积1毫米×1毫米拍摄从左向右,从底部到顶部。根据像素大小面积×500放大镜头的拍摄,电子显微镜拍摄的数量了

的决心和选择一个阈值对图像二值化是必要的。由于不同属性的对象和灰色的多样性的变化在不同的图像,传统的二值化方法很难达到理想的处理结果。使处理过的图像与真实的土壤样本的结构一致,Image-Pro + 6.0软件(IPP,媒体控制论,Inc .,银泉,医学博士,美国)被用来处理SEM照片在500×放大(14]。减少误差的随机性造成的计算结果在一个阈值,黑色和白色的颜色的面积比是决定通过调整截平面的水平代表的阈值,基于孔隙度。最佳阈值(26),才能真正反映土的微观结构。

3.2。建模

有限元分析软件被用来构造一个刚性板的长度0.644毫米和0.644毫米×0.431毫米的二维几何模型。压力设备的刚性板模拟测试,和二维固体元素被选中来提供部分属性。飞机的刚性板厚度是0.020毫米模拟单轴压缩试验。

数值模型是由土壤颗粒、收敛毛孔,水泥。土壤颗粒被视为弹性刚体(27]。intraparticle胶结材料的属性决定了混凝土损伤塑性本构模型(CDP)。每个阶段的材料参数的数值模拟模型校准根据特定工作条件(表2)。

在表2Ψ是扩张角;ϵ流可能抵消;f_b0/f_c0是双轴极限抗压强度比单轴极限抗压强度;K是第二压力不变的比率的拉伸子午面压子午面;和μ粘度系数。

在这项研究中,垂直位移为0.006,0.009,和0.012毫米的顶部的位移加载方法(28]。摩擦系数被选中μ= 0.492 (24]。在有限元模型建立之后,X方向,Y方向,旋转角度下边界的模型设置为固定端约束。CPE4R被用作模型细胞类型。的初始值增量步长设置为0.001,最小值是1 e−012。图10是Zhouqiao的电子显微镜图像的土壤,图吗11是土壤样本的单轴压缩试验模型结果与多边形毛孔,和图吗12是土壤样本的单轴压缩仿真模型结果与圆孔。

4所示。仿真验证和单轴压缩试验结果的分析

图13显示了宏观试验和仿真结果。通过比较理论模型的结果与单轴压缩数值模型,发现曲线多边形孔模型的模拟计算获得的是略高于试验应力-应变曲线。主要原因是测试的模拟强度高于因为有微裂隙在现实土壤样本,并没有初始裂缝模型。计算结果是合理的。

通过添加不同间隔10 kPa的室内试验应力-应变曲线,这可以从图中找到13圆曲线模拟的孔隙模型大大偏离了室内试验应力-应变曲线。循环孔隙模型具有光滑边界和土壤样本之间的约束较少。与压缩负荷的增加,位移变化更加连续,这是一个更大的峰值应变的原因和较小的峰值应力。虽然是圆孔的结果之间的偏差模型和室内测试结果,曲线发展的早期阶段的变化规律基本上是一致的,因为土壤样品的弹性模量是一致的。随着土壤含水量的增加,结果曲线重合度也进一步增加。含水率为10%时,峰值应变差异大约是0.5%,峰值应力的区别是大约40 kpa;含水率为16%时,峰值应变差异大约是0.2%,峰值应力差是大约15 kPa。

由于有限的空间和工作的相似性,在本文中,我们只分析了多边形的结果孔隙模型1和圆孔模型5。图14代表模型1的仿真结果。图15代表模型的仿真结果,传说中的“+”是拉应力,轴向应力图“−”是压应力,位移图的传说“+”是坐标轴正方向和“−”是消极的坐标轴的方向。从数据可以看出(14日)和(15日)、定期改变土壤中发生位移;整体位移改变在降序排列。底部位移是最小的,而上层位移较大。作为模型的底部边界固定支持约束,底部的轴向载荷位移为零。在单轴压缩过程中,试样的内部位移分布是不平衡的,和不均匀位移增加随着负载的增加。压缩位移的持续作用下,局部位移突然改变。圆孔模型的孔隙边界光滑,土壤样本之间的约束少,和位移变化相对连续的。相比土壤样本之间的摩擦和不规则的多边形孔隙模型中的粒子,位移变化是不规则的边界,影响和改变是不均匀的。垂直循环孔隙模型的压缩位移达到11.44 e−03 mm,多边形孔模型的位移在垂直压缩14.606 e−2毫米,1.28倍的圆孔模型。通过对数据的分析14 (b)和15 (b),它是发现,左派和右派的位移边界多边形孔模型的3.392 e−2毫米,而左和右边界的位移循环孔隙模型的4.266 e−2毫米,这是1.26倍的左和右边界多边形孔模型。与压缩负荷的增加,多边形孔模型容易应力集中在毛孔由于不规则孔隙边界。模型的最大应力是3.027 e−02 kPa,而最大应力的循环孔隙模型1.867 e−02 kPa。最后,宏观响应图13是圆孔的应力-应变曲线模型小于多边形孔模型。

基于数据分析的结果14 (d)和15 (d),它可以得出试样的损伤开始启动并开始两端底部的标本。此时,土壤的内部凝聚力促进经济复苏的变形标本恢复,还有,没有裂缝表面的标本。与压缩载荷的增加,少量的微裂隙出现在土壤基质,造成不能挽回的变形。损伤微裂隙的进一步扩张和聚合,微裂隙不开发在一个方式,但微裂纹传播损失,他们同时传播在整个部分的土壤颗粒边缘在同一时间。此外,受损的部分之间的循环孔隙模型大多出现毛孔,而受损的多边形孔模型的一部分不仅之间存在毛孔也延伸到内部的土壤样本。

5。结论

站点土壤由许多原子的纳米结构模型建立了分子动力学方法。不同含水率的应力-应变关系是通过单轴压缩模拟。基于500倍放大的电子显微照片图像和图像重建方法,我们构建了一个微模型组成的粒子,水泥,毛孔。土土的应力-应变关系不同的水分含量是通过位移加载方法,并与宏观试验结果进行了比较。的机械microproperties胶结颗粒进行了分析。本研究的目的是建立一个有效的评估方法的安全性和表面恶化的网站,这将为后续研究提供一个基础的恶化的网站。考虑获得的结果,我们可以得出结论,我们的工作需要和目的的科学项目,和一个基金会已经为下一步分析环境的恶化影响的网站和他们的安全评估。已经得出以下主要结论:(1)基于分子动力学模拟方法,Zhouqiao的纳米结构模型的土壤组成的Si, O,艾尔,H,建立原子和李,水和土壤分布在层。Zhouqiao泥土土力学性能的分析,网站颗粒材料的应力-应变关系与不同含水率在纳米级。(2)据的胶结特征的土壤,它分为土壤颗粒组成的三相结构和毛孔。粒子的形状、大小和分布是由SEM图像重建,和micro-finite-element模型反映真正的土壤特性是建立。(3)通过micro-finite-element模型的单轴压缩试验,我们发现左和右边界的位移循环孔隙模型的多边形的1.26倍孔隙模型,和多边形孔的位移模型在垂直压缩比圆形的1.28倍孔隙模型。多边形孔模型的模拟曲线与试验应力-应变曲线相一致,可以更好地反映土壤样本的显微组织的变化在负载。之间存在偏差的结果圆孔模型和室内测试结果,但不同含水量的仿真结果比较,发现结果的重合度曲线进一步增加土壤的含水量的增加样本。(4)相比之下,我们发现的结果数值分析的结果具有很好的一致性,而且macrotest应力-应变曲线,这表明这项工作的研究思路和方法是可行的。我们还建立了一个困难的室内采样的新方法。

数据可用性

所有生成的数据或分析在这项研究中都包含在这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号51978634),河南大学的一流学科培养项目(科技)(批准号2019 YLZDCG05),河南省科学技术发展计划项目(批准号212300410012)。