初始组构影响砂土液化势的细观数值模拟

基于PFC2D椭圆颗粒单元的二次开发,通过制备3种不同初始颗粒定向的数值试样,分别为随机定向（R试样）、水平定向（H试样）和竖直定向（V试样）,研究了初始组构对砂土液化势的影响。数值试验采用常体积（面积）循环等应变幅加荷条件,试验过程在对比分析3种不同颗粒定向试样液化宏观力学响应的同时,从颗粒尺度层面探讨了不同颗粒定向试样的初始组构特征,揭示了初始组构影响砂土液化势的细观力学机理。结果表明,颗粒规则定向的试样其抗液化强度要高于随机定向试样,在细观机理上与不同颗粒定向试样的初始平均接触数有关,砂土的液化过程是一个组构各向异性的演化过程。     

考虑转动阻抗作用的砂土模拟直剪试验

基于离散单元法进行一系列砂土直剪数值模拟试验,探究存在转动阻抗作用时颗粒抗转能力与砂土相互作用间宏细观力学的内在联系。通过抗转动线性接触模型模拟砂颗粒间的接触本构关系,得出的宏观应力-应变特性、强度指标和剪切带变形规律与前人研究相类似,验证了砂土直剪数值模拟试验的可行性。细观层面,试样内平均力学配位数及强接触比例均随着抗转动系数的增大而减小。结合玫瑰图、偏组构和第二不变量表征的张量研究各向异性的演化规律发现:在剪切过程中,法向接触力和切向接触力的各向异性均随抗转动系数的增大而增大,其中强接触偏组构均大于整体接触偏组构,法向接触力张量均大于组构张量且与宏观抗剪强度变化规律具有一致性,这表明转动阻抗主要通过增大颗粒间强接触力的数值及其组构的各向异性程度提高抗剪强度,法向接触力各向异性对抗剪强度具有关键作用。     

循环荷载作用下砂土液化特性的非圆颗粒数值模拟

针对纯圆颗粒模拟的缺陷,利用颗粒流计算程序的团颗粒方法开发了形状近似实际角粒砂的角粒团颗粒,研究了颗粒形状变化对数值试样液化特性的影响及其细观机理。利用自行开发的随机数制样方法制备出多种形状颗粒随机混合的仿真试样,分析了振动液化过程中细观组构的演化规律,并与砂土可视化模型试验结果进行了对比。结果表明,颗粒棱角度越大,试样抗液化能力越强,其在细观机理上与初始平均接触数大小有关;随机混合仿真试样可以从定性角度反映实际砂土振动液化过程中的细观组构演化规律,为今后进一步的定量研究奠定了基础。     

砂土直剪试验离散元数值模拟与细观变形机理研究

基于离散元法进行砂土直剪试验模拟与剪切宏细观响应研究。采用试样分条带法研究砂土剪切过程中的变形发育情况;记录应力-位移关系,分析砂土剪切应力、应变特性与剪胀特性。通过分析接触力链、接触组构分布、配位数及滑动接触百分比等细观行为演化研究颗粒细观接触状态演变;基于局部孔隙率变化分析颗粒细观分布状态演变;采用颗粒累积转动量和速度场分析颗粒细观运动状态及剪切带发育的细观机制;对离散元软件PFC^2D进行二次开发,实现主应力的可视化。研究表明应变局部化集中于颗粒转动、接触滑动、体胀明显的剪切带内,剪切带内外颗粒不同的运动状态导致细观参量的变化,剪切带厚度为(10~15)d₅₀;力链网络、接触组构和主应力场本质上是一致的,三者主方向在剪切过程中发生了近似一致的偏转。     

含裂隙类岩试样破坏行为的宏细观数值分析

为了获得单轴荷载下裂隙岩体的裂纹扩展过程及接触力变化的规律,以石膏为相似材料制作含有2种倾角组合的裂隙试样,在刚性试验机上进行单轴条件下的破坏试验,记录裂隙试样的破裂过程。采用离散元软件PFC^2D建立数值分析模型,通过校核试验数据确定细观参数值,从宏观和细观两方面分析裂隙试样在压缩过程中微裂隙增长与轴向应力关系、接触力变化与裂纹的产生和扩展的关系,进行裂纹扩展的数值模拟和室内试验对比。结果表明颗粒间接触力分布随压缩而变得不均匀,主要集中在裂隙的端部,进而产生微裂隙,微裂隙聚集形成宏观裂纹;微裂隙数量在峰值轴向应力之前增加较缓慢,在峰值轴向应力之后迅速增加,微裂隙的增长与应力增长有一定关系;峰值轴向应力之前,观察到轴向应力暂停增加或略微下降,但微裂隙数量持续增加现象,该现象与裂纹扩展有关;用颗粒流程序能较好地分析加载过程试样内细观变化和裂纹的扩展,与试验现象吻合较好。     

粗粒土组构二维模型试验研究

粗粒土的宏观力学性质取决于粗粒土的初始组构及剪切过程中的组构变化。为研究组构对粗粒土应力应变关系的影响,通过制取不同初始组构的试样,进行了粗粒土二维模型平行试验。应用计算机图像测量系统,对颗粒的运动进行量测,从而获得受力变形过程中组构的变化。通过分析组构与应力应变的关系,得到如下认识①平行试验的粗粒土的应力应变曲线有一定差异,说明组构对应力应变起决定作用;②在试样破坏之前,枝向量和颗粒长轴的定向性随着应力的增长逐渐增强;③峰值偏应力随着枝向量初始组构主值比的增大而增大;④平均枝长随体变的增大而略有减小;⑤平均配位数并未随着孔隙比的减小而增大,可能与模型试验中采用多边形颗粒及颗粒偏少偏大有关。     

基于弹塑性颗粒流本构模型的Lac du Bonnet花岗岩破坏细观机理模拟

考虑理想弹塑性弯扭-Mohr-Coulomb-最大拉应力破坏准则,以及拉伸失效、压剪失效、转动屈服和扭转屈服4种失效模式,提出一种新的离散元弹塑性本构模型。该模型植入二次开发的三维颗粒流程序,通过数值试验研究宏细观参数关系,模拟Lac du Bonnet(LDB)花岗岩试样压剪和拉伸强度试验。研究表明:颗粒转动弹塑性弯扭矩对宏观内摩擦角和黏聚力具有显著影响;宏观黏聚力随细观黏聚力和屈服弯扭矩增加而趋于恒定;宏观内摩擦角随屈服弯扭矩和细观摩擦系数增加而增加;岩石宏观单轴抗拉强度随细观极限拉应力的增加而趋于恒定;宏观弹性模量和泊松比主要受细观弹性模量和刚度比影响。弹塑性颗粒流本构模型模拟的LDB花岗岩的强度参数和变形参数,以及压拉强度比和裂缝分布与室内试验结果吻合较好。LDB花岗岩单轴压剪模拟试验在达到峰值应力前,试样内部裂缝以细观拉伸裂缝为主,从试样端部向中部发展成近似X状;在接近或超过峰值应力后,试样内部开始出现压剪裂缝、转动屈服裂缝和扭转屈服裂缝,从试样一端向另一端发展成单斜状,其倾角与宏观破坏倾角接近,发展成宏观压剪破坏面,从而揭示了宏观裂缝形成的细观机理。     

不同应力路径下颗粒材料细观结构分析

用离散单元法对颗粒材料的双轴压缩试验进行了模拟,分析了不同应力状态时颗粒材料细观结构的发展规律。由经典土力学中土体骨架的细观表达出发,延伸出一种表述结构力链的数学统计参数。研究了该参数在不同应力路径下的变化趋势,验证了该参数对于描述颗粒材料细观结构的合理性,并从细观结构的角度解释了破坏滑动面产生的原理。通过定量描述加载过程中土体内部力链结构的变化,建立细观与宏观之间的关系,从细观机理上解释了宏观试验中破坏滑动面一般呈现45° + φ/2左右的事实,为今后从细观结构角度研究土体宏观特性提供了一个新的思路。     

压-剪复合应力下非球形颗粒材料空心圆柱剪切试验的离散元模拟

采用离散元模拟平台PFC3D构建空心圆柱型数值试样,分析了压-剪复合应力条件下非球形颗粒材料数值试样的宏细观力学响应,重点探讨了颗粒形状和围压对数值试样初始变形模量、抗剪强度、剪切带倾角和组构各向异性演化的影响。结果表明:在保持大主应力方向角α=30°不变的单调剪切条件下,数值试样的初始变形模量能够反映实际砂土的压硬性规律,也即初始变形模量随着围压的增大而增大。数值试样的峰值内摩擦角随着颗粒长短轴比Se的增大而增大,且随着围压的增大而减小。数值试样的剪切带倾角在16°～25°范围内,且随着Se的增大,剪切带倾角越大。无论接触法向初始各向异性分布如何,随着剪切荷载的施加,接触法向各向异性的主方向均逐渐接近大主应力方向,也即试样发现明显的应力诱发各向异性,且在低围压下这一规律更为显著。     

不同应力路径下颗粒材料细观结构分析

用离散单元法对颗粒材料的双轴压缩试验进行了模拟，分析了不同应力状态时颗粒材料细观结构的发展规律。由经典土力学中土体骨架的细观表达出发，延伸出一种表述结构力链的数学统计参数。研究了该参数在不同应力路径下的变化趋势，验证了该参数对于描述颗粒材料细观结构的合理性，并从细观结构的角度解释了破坏滑动面产生的原理。通过定量描述加载过程中土体内部力链结构的变化，建立细观与宏观之间的关系，为今后从细观结构角度研究土体宏观特性提供了一个新的思路。     

基于PFC的堆石料宏细观参数相关性分析

通过一系列PFC数值试验,对堆石料颗粒细观参数与材料宏观参数之间相关性进行了分析,建立了颗粒摩擦系数f与材料摩擦角φ之间的关系,材料初始弹性模量E_c、泊松比γ与颗粒接触刚度k_n,k_s之间的关系,以及材料单轴抗压强度P_0与颗粒簇内基本颗粒间粘结强度b_n之间的关系。通过对一系列颗粒细观参数与宏观参数之间关系的分析,选定了采用PFC模拟堆石料试验时细观参数的确定方法,并分析了岩土试验中室内试验结果与PFC模拟结果之间的差别及其原因。     

重力条件下散体颗粒堆积特性研究

为分析散体颗粒堆积过程中颗粒形态、摩擦作用对其堆积特性的定量影响,利用PFC3D离散元软件,对重力作用下散体颗粒体系的变动过程进行三维模拟,研究颗粒细观特征对散体颗粒堆积特性的控制作用,分析颗粒接触度均值距离对相关数据的揭示意义。结果表明:摩擦系数、几何形态对颗粒重力堆积体系的孔隙比、配位数等关键特性影响显著;散粒体骨架颗粒形态对颗粒堆积特性的控制作用更强;颗粒接触度均值距离能够削弱算法误差影响,可有效揭示摩擦系数、颗粒形态对散粒体堆积特性的控制作用。经研究可知,颗粒接触度均值距离对颗粒堆积特性的刻画,比孔隙比更为合理、适当。     

初始组构影响砂土液化势的细观数值模拟研究

本文基于PFC2D椭圆颗粒单元的二次开发，通过制备三种不同初始颗粒定向的数值试样，分别为随机定向（R试样）、水平定向（H试样）和竖直定向（V试样），研究了初始组构对砂土液化势的影响。数值试验采用常体积（面积）循环等应变幅加荷条件，试验过程在对比分析三种不同颗粒定向试样液化宏观力学响应的同时，从颗粒尺度层面探讨了不同颗粒定向试样的初始组构特征，揭示了初始组构影响砂土液化势的细观力学机理。结果表明，颗粒规则定向的试样其抗液化强度要高于随机定向试样，在细观机理上不仅与不同颗粒定向试样的初始平均接触数有关，而且与孔隙形态和孔隙率的分布密切相关；砂土的液化过程是一个组构各向异性的演化过程。     

土工格栅加筋砂土三轴试验离散元细观分析

以室内单层加筋三轴试验结果为基础,建立离散元PFC3D三轴试验数值模型,并与室内三轴试验结果进行验证对比,分析加筋层数变化对抗剪强度指标及细观参数的影响,探讨加筋土接触力的变化规律及筋材加筋作用的宏细观机理。研究结果表明:加筋三轴试样的峰值强度、黏聚力和内摩擦角随着加筋层数的增加而增大,但是其增幅会逐渐减弱,并且三轴试样在低围压条件下的加筋效果比高围压时要显著。三轴试样颗粒滑动比的数值随着轴向应变的增加发生了显著的起伏变化,反映三轴试验过程中发生了明显的接触滑移和旋转现象。由于筋材的摩擦嵌固约束作用,加筋试样中部区域的孔隙率和滑动比数值相对波动较小,对应中部外侧周围的接触力明显小于纯砂三轴试验情况,加筋材料发挥了扩散应力增强约束砂土的加筋作用。     

基于全过程曲线循环加卸载的岩石塑性硬化软化模型研究

基于不同围压下的岩石三轴全过程循环加卸载试验成?撸掷氤隹占渌苄灾饔Ρ洌谇显黾铀苄岳砺壑械哪持炙苄杂不蛉砘睿芯柯鉓ohr-Coulomb屈服准则的强度参数在初始屈服、峰前硬化及峰后软化全过程中随塑性参量的动态演化规律。通过试验数据整理分析,发现岩石破坏过程中在塑性硬化阶段内摩擦角、剪胀角有一个先增加后跌落的过程,而黏聚力在塑性硬化和软化阶段均减小这一规律;并采用非线性函数对该规律进行拟合回归,得到了内摩擦角、剪胀角和黏聚力等强度参数以塑性参量为函数变量的演化模型;将该规律应用于拉格朗日数值分析中,模拟了室内大理岩试件破坏过程中的应力-应变关系曲线特征。研究表明,基于岩石全过程循环加卸载试验的力学模型能较好地描述大理岩的塑性硬化塑性软化的力学行为,具有一定的理论意义和工程应用价值。     

地下水封石油洞库洞轴走向的数值分析

由于深埋地下洞室的高地应力对洞室稳定性有很大影响,对于大断面地下水封石油洞库来说洞室的断面形状、高跨比、埋深和间距确定以后,就应该分析洞室的洞轴走向与最大地应力的最优夹角问题。在数值模拟中采用Hoek-Brown准则将岩石的物理参数转化为岩体的物理参数,同时采用相应公式将地勘报告中的的地应力转为软件坐标系认可的地应力。模拟中采用洞轴与最大主应力方向平行和10°夹角的两种方案,通过比较开挖后的位移和最大主应力来分析得到最合理的洞室洞轴走向与地应力方向之间夹角。