粗粒料力学特性的DDA数值模

采用非连续变形分析方法（DDA）研究粗粒料的力学特性。研究了二维粗粒料颗粒的随机生成方法,按照粗粒料级配曲线随机生成松散分布的颗粒,应用DDA模拟重力作用下颗粒在承模筒内的下落过程并形成相互接触的堆积体,以此建立粗粒料数值模拟试验模型。参照粗粒料室内三轴试验的加载过程,应用DDA进行粗粒料力学特性的数值模拟试验,所得应力应变曲线与三轴试验曲线基本吻合,说明DDA数值模拟应用于粗粒料力学特性的研究是可行的。文中还给出了反映颗粒相互作用的若干组构要素的分布情况。     

考虑颗粒破碎的粗粒料力学特性研究综述

粗粒料在荷载及自身重力作用下易发生颗粒破碎,且颗粒破碎具有随机性和不确定性,严重影响了粗粒料的力学特性。基于此,从考虑颗粒破碎的物理试验出发,介绍了粗粒料的本构模型、影响颗粒破碎的因素、颗粒破碎对粗粒料力学特性的影响,以及颗粒破碎物理模型研究的局限性;系统总结了考虑颗粒破碎的粗粒料力学特性的数值模拟研究方法(如DEM,PFC,DDA等)及其存在的缺陷,并为突破数值模拟方法不能考虑颗粒破碎的限制提出了2种解决方法。最后,对今后的研究方向提出了展望——需从细观机理方面建立粗粒料各组构要素的关系。     

粗粒料工程力学性质的细观模拟

以三维离散元颗粒流理论为基础,PFC3D_EV为工具,改进内置程序代码,对比粗粒料室内三轴固结排水试验结果,生成颗粒接触点数均匀、各向同性应力相同的三轴试验数值模型。引入clump颗粒提高了数值试样内部颗粒形状的复杂度,对比了不同围压下数值试验应力-应变曲线、变形曲线与室内试验的差异,并探讨了剪切带发展规律及颗粒形状对粗粒料强度、变形特性的影响。结果表明:颗粒形状是影响粗粒料工程力学特性的主要因素,提高试样内部颗粒形状的复杂性可获得与物理试验拟合较好的应力-应变曲线;数值模型暂无法实现颗粒破碎状态,造成大应变时剪胀偏大;位移场发展变化过程显示应变软化加速了剪切带的形成;高围压下剪切带明显,且围压越高厚度越薄。     

不同试验方法对混凝土面板堆石坝筑坝粗粒料力学特性的影响分析

结合某混凝土面板堆石坝工程,对筑坝材料各区进行现场大型压缩试验,通过反演计算得到堆石料的邓肯-张E-B模型参数,同时还进行室内三轴压缩试验得到堆石料力学参数。基于上述两种试验方法得到的粗粒料力学参数,采用三维非线性有限元法分别对大坝进行数值模拟计算,结果可知,现场大型压缩试验的试样料颗粒组成与分形特性更接近筑坝粗粒料原级配及分形特性,其加载应力路径也更接近大坝实际填筑及蓄水过程中的应力路径情况。     

基于不规则颗粒离散元的土石混合体三维随机模型及其数值试验

为了更加真实地模拟土石混合体的物理力学特性,提出了一种基于不规则块石球度和凹凸度的随机几何模型生成技术,并建立了相应的块石三维离散元模型。然后采用无底圆筒堆积试验对球度和凹凸度这2个块石几何模型控制参数进行了数值验证。最后建立了符合宏观统计规律的土石混合体三维离散元随机模型,对土石混合体大三轴试验进行颗粒流模拟,并与室内试验结果进行对比分析。结果表明:所提出的不规则块石几何模型随机生成方法简单实用,几何模型控制参数合理有效;通过选取合适的颗粒细观参数,建立基于随机不规则块石体的土石混合体数值模型,能很好地模拟土石混合体的物理力学性质,包括颗粒之间的细观接触特征、土石混合体的应力-应变关系特征等,为进一步研究土石混合体的变形破坏机理提供了一条有效的途径。     

塔城水电站筑坝材料的分形维数及其统计特征

粗粒料的颗粒组份大小、形状及其接触方式决定了粗粒料的物理与力学性质,而分形几何在描述上述问题时具有独特优势。以塔城水电站筑坝材料为研究对象,通过建立分形模型,研究粗粒料的分形特性和细料含量对其分形维数的影响,在此基础上建立粗粒土分形维数的统计模型。利用试验成果对该模型进行了参数估计,通过拟合优度检验验证了模型的合理性。分析结果表明,塔城水电站筑坝材料的粒径分布具有较好的分形特性,分形维数介于1.181 9~2.632 3,且服从Weibull概率分布模型。粗粒土中分形维数与细料的含量呈显著正相关,两者的关系可用对数函数描述。上述分析表明,可以用分形维数代替级配曲线来表示堆石料的粒径分布特征,从而使问题得以简化。     

缩尺方法对粗粒料密度和渗透性影响的试验研究

依据规范推荐的粗粒料超径处理方法,对最大颗粒粒径为200 mm的宽级配料进行缩尺,控制最大颗粒粒径分别为60,20 mm,获取多条模拟级配,对原始级配、模拟级配粗粒料进行最大干密度试验和渗透试验,以研究不同缩尺方法、不同最大颗粒粒径条件下,粗粒料密度和渗透性的变化规律。结果表明:对于最大干密度试验,采用同种缩尺方法获取的最大干密度随最大颗粒粒径的减小而减小,表明粗颗粒的骨架作用显著。因缩尺后的P5含量使细颗粒处于较好的填充状态,可获得较高的最大干密度,其模拟级配试验值更接近原始级配,在此原则下相似级配法和混合法优于剔除法和等量替代法。对于渗透性试验,采用同种缩尺方法处理的最大颗粒粒径较小的试样,其渗透性也较小。细粒料土(尤其是粒径小于5 mm)的含量对渗透系数起到控制作用,缩尺处理应以尽量不改变较细粒料土的含量为原则。此原则下等量替代法最适用。     

粗粒料二维与三维孔隙率的对应关系研究

为了使粗粒料二维数值试验更精确完善,针对数值模型的二维孔隙率与实际三维孔隙率等价性问题,设计能够囊括工程级配范围的一系列级配曲线,分别用二维、三维颗粒流程序模拟极值孔隙率试验,得出二维与三维极值孔隙率。研究结果表明,二维极值孔隙率与三维孔隙率具有较好的线性相关性。     

上拔荷载作用下扩展基础的颗粒流数值模拟

对砂土地基上承受上拔荷载作用的扩展基础进行颗粒流数值模拟，并与物理模型试验结果进行了对比。应用PFC2D程序，用细观力学的方法研究上拔荷载作用下砂土的颗粒结构分布、颗粒速度的变化。通过对剪切带颗粒速度的考察，分析颗粒间的咬合摩擦和滑动摩擦，判定出土中滑裂破坏面的位置。数值模拟分析了上拔荷载-基础位移曲线。通过实验室模型试验和现场原型试验，测得土中滑裂破坏体为曲面锥台与圆柱的组合体，其破裂面与颗粒流数值模拟的结果符合良好，并分析了荷载-位移关系。细观力学数值模拟的土中滑裂破坏面和荷载-位移关系能反映物理实物试验的宏观力学特性。     

上覆粗粒土层对堤基管涌破坏的细观机制研究

为了系统研究上覆粗粒土层对堤基管涌破坏的微观机制,采用PFC3D并结合"休止角标定法"对模型进行标定,快速、准确地建立了材料宏观参数与颗粒细观参数间联系,有效地模拟了粗粒土渗透变形的发展过程,获得了渗透变形的微观参数和运移规律。结果表明:上覆粗粒土层中细料含量为10%、20%时,在水压力作用下细颗粒在骨架颗粒间运动并发生流失,表现为管涌型破坏,且上覆粗粒土层中细料含量越少,细砂层越易破坏;当细料含量为30%时,管涌口附近土体发生流土型破坏,而后上覆粗粒土骨架颗粒与细砂层颗粒同步流失并逐步向上游发展,表现为管涌型破坏,整体颗粒流失呈现为过渡性渗透破坏;上覆粗粒土层为管涌型土时,上覆粗粒土骨架颗粒在水头压力作用下会发生快速沉降,上覆粗粒土层为过渡性土时,上覆粗粒土层初始没有发生下沉,在上覆土层发生流土破坏后,才逐渐开始下沉,且上覆粗粒土的沉降量随着上覆粗粒土骨架颗粒中细料含量的减少而增加。本研究在方法上可为三维颗粒流数值模拟中细观参数的标定提供一定参考,并揭示了上覆土层细颗粒含量对渗透变形的影响及颗粒微观运移规律。     

围压和密度对粗粒料临界状态力学特性的影响

粗粒料的力学特性不仅取决于有效围压,还与密实程度密切相关。通过4组不同初始干密度粗粒料的大型三轴固结排水剪切试验,研究了围压和密度对粗粒料临界状态力学特性的影响。试验结果表明:软化型应力应变曲线破坏状态偏应力大于相变状态偏应力,而相变状态偏应力与临界状态偏应力较为接近;不同围压、不同密度的试验,随着剪切的进行,偏应力与平均正应力的应力比逐渐趋向于临界应力比,软化型试验应力比曲线呈单驼峰型形态,硬化型试验应力比曲线呈爬升型形态;临界孔隙比随临界平均正应力的增大而减小,随初始孔隙比的增大基本呈线性增大。研究成果可为特征状态参数研究和临界状态本构模型的建立提供依据。     

钢珠和玻璃珠模拟粗粒土的三轴试验研究

采用钢珠和玻璃珠等颗粒材料模拟研究粗粒土力学性质具有较强可行性。对颗粒材料开展了常规三轴试验,探讨了围压、粒径、孔隙比等因素对粗粒土强度和变形特性的影响。研究表明:通过橡皮膜校正,颗粒材料的莫尔-库仑强度包线为过原点的直线;颗粒材料峰值强度随围压增大线性增加,轴向应变与围压存在二次函数关系;随颗粒粒径增加,峰值强度和内摩擦角均表现出增加趋势;分析稳态下的孔隙比与稳态强度的关系可得出相应的稳态内摩擦角。相关研究结论为进一步运用不同形状颗粒材料研究粗粒土奠定了基础。     

不同粒径对粗粒土力学参数影响的研究

粗颗粒土作为良好的填筑材料广泛应用于高填方工程。然而,由于粗颗粒土粒径范围较广,其力学性质的影响因素复杂,不同的研究人员因为研究对象的特殊性可能得出不同的结论。针对4组不同粒径和尺寸,但每一组均由相同粒径的颗粒生成的试样,用离散元软件开展了三轴试验模拟。模拟结果验证了一般性的室内三轴试验结果,并且从细观上解释了剪胀与剪缩试验现象,讨论了不同粒径对粗粒土宏观力学参数的影响。指出离散元模拟时细观参数取值与颗粒粒径呈正比例相关,并通过室内三轴压缩实验验证了该结论。     

粗粒料三维应力状态强度准则研究

中主应力对粗粒料强度有重要影响,而强度研究中常用的大型三轴试验不能考虑中主应力对粗粒料强度的影响。通过大型真三轴各向等压固结等比例加载试验,研究了三维应力状态下粗粒料的强度特性。试验结果表明:随着中主应力系数b的增大,粗粒料大小主应力之差的峰值也逐渐增大,特别是中主应力系数从0增大到0.25时,大小主应力之差的峰值的增大幅度较大,增加了近50%。Lade-Duncan准则较好地描述了粗粒料内摩擦角的变化趋势,不过高估了内摩擦角;SMP准则较好地反映了中主应力系数从0增大到0.25时的内摩擦角的数值大小,但中主应力系数>0.25之后,SMP准则计算的内摩擦角基本随着b的增大而减小,低估了粗粒料的内摩擦角。提出采用的Lade-Duncan准则与SMP准则相结合的单参数复合强度准则,较好地反映了粗粒料强度的数值大小和变化趋势。提出的强度准则在三维主应力空间呈三角锥曲面族形状,轴对称应力状态下的内摩擦角越小,强度越小,三角锥曲面越小,锥角越浑圆,越接近于圆形,而内摩擦角越大,强度越大,三角锥曲面越大,锥角越尖锐,越接近于正三角形。     

粗颗粒对黏性土干缩开裂影响的试验研究

在极端干旱条件下,黏性土失水将会产生裂隙,并会对土的工程性状产生显著影响。自然界中的土通常还含有一些粗颗粒。目前关于粗颗粒对黏性土失水开裂影响的研究很少,特别是有关粗颗粒对黏性土开裂影响的定量描述鲜见报道。为了研究粗颗粒含量对黏性土失水开裂的影响,在黏性土中掺入石英砂颗粒制作含粗颗粒的黏性土样,在自制的可自动实时摄像的恒温恒湿箱中开展失水开裂试验,采用计算机图像处理技术,定量描述了蒸发过程中含粗颗粒黏性土的开裂特征和表面裂隙的几何分维特征,定量分析和讨论了粗颗粒对黏性土开裂的影响机理。结果表明:①在蒸发过程中,黏性土中的粗颗粒会增加水分从下至上的运移距离,并且减小了过水面积,使得土样表面孔隙失水后得不到足够的补充,空气进入土样表面孔隙,提高了土样进气值含水率;②土样开裂含水率只与是否含有粗颗粒有关,与粗颗粒含量关系较小,并且土中粗颗粒能明显提高土的开裂含水率;③土中粗颗粒对裂隙宽度的发展具有阻碍作用,对裂隙长度的发展有促进作用,裂隙面积随粗颗粒含量增加先增加后减小;④土样表面裂隙的分形维数和裂隙率正相关。     

粗粒土的非共轴性及其离散元数值模拟

以粗粒土为原材料的土石坝在蓄水期或者水位突降的情况下,粗粒土的主应力轴将产生旋转,从而出现土体单元主应力方向和主应变率方向的非共轴现象,而传统的弹塑性本构模型基本上是建立在大三轴试验结果的基础上,并不能考虑粗粒土的非共轴性。本文将传统的弹塑性本构模型三维化,引入三维非共轴塑性流动理论,建立了粗粒土的非共轴本构模型,该模型对粗粒土的单剪试验进行了数值模拟,预测了在单剪过程中主应力方向和主应变率方向的变化规律。最后,运用离散单元法(二维颗粒流程序PFC2D)对粗粒土的非共轴性进行验证并进行了细观分析。研究结果表明,本文模型的计算结果和试验结果较为一致,并能较好地描述粗粒土的非共轴现象。     

粗粒土的非共轴性及其离散元数值模拟

以粗粒土为原材料的土石坝在蓄水期或者水位突降的情况下，粗粒土的主应力轴将产生旋转，从而导致土体单元主应力方向和主应变率方向的非共轴现象，而传统的弹塑性本构模型基本上是建立在大三轴试验结果的基础上，并不能考虑粗粒土的非共轴性。本文将传统的弹塑性本构模型三维化，引入三维非共轴塑性流动理论，建立了粗粒土的非共轴本构模型，该模型对粗粒土的单剪试验进行了数值模拟，预测了在单剪过程中主应力方向和主应变率方向的变化规律。最后，运用离散单元法（二维颗粒流程序PFC2D）对粗粒土的非共轴性进行验证并进行了细观分析。研究结果表明，本文模型的计算结果和试验结果较为一致，并能较好地描述粗粒土的非共轴现象。     

分形理论在堆石料流变中的应用

流变过程中堆石颗粒不断破碎,分形维数在流变过程中随时间发生变化。基于流变过程基本规律,将分形理论应用于堆石料流变过程,构造了两类随时间变化的流变过程分形维数,并建立了颗粒破碎率与分形维数的关系。通过分析过程流变试验颗粒破碎率的变化规律,验证了流变过程中双曲线型分形维数假定的合理性。在此基础上,考虑流变过程中的能量关系并结合颗粒破碎耗能的相关研究,进一步推导了堆石料流变过程中体变随时间的变化规律,从而建立堆石料特定荷载情况下的流变本构模型。与试验结果对比表明:该模型可以从分形的角度反映堆石料流变规律。