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。     

粉土填料细观剪切特性的颗粒离散元数值模拟研究

以厦蓉高速改扩建工程为背景,按现场技术标准配置４组粉土填料试样,开展室内直剪试验,同时在ＰＦＣ2Ｄ离散元平台上模拟试样的直剪试验全过程,探讨粉土填料的细观剪切特性。结果表明:随着剪应变增加,接触黏结破坏区域由剪切面附近点逐渐扩大为具有一定厚度的贯通条状带,使得粉土填料的抗剪强度下降,表现出应变软化特性。从统计结果上看,球颗粒的平均转动量和平均相对位移,均沿试样高度方向大致呈正态分布;对其进行正态曲线拟合,发现剪切带中心并不在设定剪切面位置,而是略微向上发生偏移;同时通过上下一个标准差的定义,可精确计算剪切带宽度。对比不同竖向压力下数值模拟的统计结果,发现剪切带宽度随竖向压力的增大略有减小,但剪切带中心偏移基本不变。     

堆石料的临界状态探讨

高应力水平时堆石料的颗粒破碎对其强度和变形机理有重要影响。基于临界状态的土力学理论对重塑土的应力-应变关系的描述较为成功，但是目前颗粒破碎对堆石料临界状态的影响及其数学描述鲜有研究。为此，对堆石料进行了固结应力从400kPa到4MPa的18组固结排水和固结不排水常规三轴压缩试验，及6组等向压缩试验。结果表明：（1）围压低时颗粒破碎轻微，固结排水时试样剪胀，固结不排水时孔压先增加后稍有降低；围压高时颗粒破碎严重，固结排水时试样剪缩，固结不排水时孔压也是先增加后降低；等向压缩时随着平均有效应力增加颗粒逐渐破碎，但不明显；（2）不同的固结应力时，在排水条件和不排水条件下试样都趋于临界状态；（3）堆石料的临界状态在q-p′平面和e-lgp′平面均为非线性变化。最后提出了堆石料的临界状态的数学描述并较好地验证了试验结果。     

堆石料的临界状态探讨

高应力水平时堆石料的颗粒破碎对其强度和变形机理有重要影响。为此,本文对堆石料进行了固结应力从400kPa到4MPa的18组固结排水和固结不排水常规三轴压缩试验,及6组等向压缩试验。结果表明:(1)围压低时颗粒破碎轻微,固结排水时试样剪胀,固结不排水时孔压先增加后稍有降低;围压高时颗粒破碎严重,固结排水时试样剪缩,固结不排水时孔压也是先增加后降低;等向压缩时随着平均有效应力增加颗粒逐渐破碎,但不明显;(2)不同的固结应力时,在排水条件和不排水条件下试样都趋于临界状态;(3)堆石料的临界状态在q-p′平面和e-lgp′平面均为非线性变化。最后提出了堆石料的临界状态的数学描述并较好地验证了试验结果。     

基于离散元法研究颗粒球度对粗粒土抗剪强度的影响

粗粒土颗粒形状是决定其宏观力学性质的主要影响因素之一。为探究粗粒土颗粒形状对其抗剪强度特性的影响规律,以不同颗粒形状的3种粗颗粒土为研究对象,利用离散元数值分析手段,以球度指标为量化参数,研究了颗粒形状对粗粒土直剪试验过程中应力、位移变化及宏观抗剪强度的影响,并分析了抗剪强度参数的变化规律。同时通过室内直剪试验双向验证所揭示规律的可靠性。研究结果表明:法向荷载相同时,随着球度的减小剪应力越过峰值应力后的应变软化现象越明显,同时其峰值应力、位移及残余强度均逐渐增加;球度相同时,随着法向荷载的增大其峰值应力、位移和残余强度均呈规律性递增。黏聚力和内摩擦角随着球度的减小而增加,球形颗粒的黏聚力明显小于其它两种球度的颗粒。     

粒间滚动阻力对砂土压缩特性影响的离散元模拟研究

目前对砂土压缩特性的研究多集中于室内实验,现有的数值模拟研究通过圆形颗粒引入粒间 滚动阻力的方法不能准确反映不规则颗粒形状的效应,因此需要进一步研究粒间滚动阻力对砂土压缩 特性的影响。以离散元颗粒流软件 ＰＦＣ2Ｄ为平台,分析粒间滚动阻力在双轴压缩过程中,对松砂、密砂 偏应力、体应变、颗粒转动、土体力链等因素的影响,可以得出粒间滚动摩擦的存在使密砂和松砂的偏应 力峰值强度和残余强度都有所提高,且滚动摩擦系数越大,偏应力峰值就越大。滚动摩擦系数对松砂、 密砂的影响规律不同,密砂呈现先剪缩后剪胀特性,且滚动摩擦系数越大,密砂剪胀和剪缩程度越大。 松砂不考虑粒间滚动时为剪缩状态,考虑滚动摩擦系数后,松砂呈现出先剪缩后剪胀的趋势。粒间滚动 阻力对土颗粒转动数量和分布均有影响,且考虑粒间滚动阻力后,土体力链粗细分布越明显。     

离散元颗粒集合的应力路径相关性研究

天然岩土在受荷过程中会经历不同的应力路径,应力路径相关性是岩土材料的一项基本特性。目前尚无明确研究证实离散元颗粒集合也同样具备应力路径相关性,在一定程度上影响了用离散元方法模拟天然岩土的可靠性。针对这一问题,采用PFC2D离散元软件搭建具有粒间胶结效应的颗粒集合,通过自定义Fish语言开发出能模拟不同应力路径的双轴压缩程序,对离散元颗粒集合进行了多组双轴压缩试验模拟。试验结果表明:离散元颗粒集合同样具有应力路径相关性。在相同颗粒黏结强度及不同初始围压的条件下,围压变小的应力路径比围压不变的应力路径使离散元颗粒集合达到的峰值强度更小。在不同应力路径影响下,离散元颗粒集合在强度特性、破坏特性上都表现出一定的差异性,其结果与真实岩土材料的室内试验结果相似,说明离散元颗粒集合同样具备应力路径相关性,可用来模拟天然岩土材料。     

考虑缩尺效应对颗粒破碎影响的堆石料临界状态研究

堆石料缩尺后的替代料与原级配料的强度变形特性存在差异,揭示这种差异对堆石料工程运用具有重要的科学价值.采用相似级配法和混合法对弱风化灰岩料进行缩尺,缩尺后堆石料最大粒径分别为60、40、20、10 mm,通过三轴固结排水剪切试验进行缩尺后替代料的应力变形特性研究,分析了缩尺方法和试样最大粒径对堆石料临界状态及临界状态方...     

胶结砂土力学特性的三维离散元简化分析

离散单元法(DEM)是一种基于非连续介质力学的数值模拟方法,能够有效地分析胶结颗粒材料的宏微观力学响应。本文通过三维离散元商业软件PFC3D,采用其自带微观胶结接触模型BPM,对不同胶结含量和不同围压下的胶结砂土进行常规三轴压缩试验模拟,以分析理想胶结砂土的宏微观力学特性。简化模拟结果表明:与同一初始孔隙比的无胶结试样相比,胶结试样具有更高的剪切强度,试验得到的应力应变曲线表现出明显的应变软化,体变曲线表现为剪胀性;随着胶结含量的增大,胶结砂土试样的峰值强度增大且软化、剪胀程度提高;而随着围压的增大,胶结砂土试样峰值强度增大、剪胀程度减小但软化程度不变。此外,试样的内摩擦角和黏聚力也受到胶结含量和围压的影响。     

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。     

基于颗粒流模型的颗粒材料宏-细观力学研究

基于颗粒流模型对各向同性和落雨法两种不同初始状态的颗粒材料细观参数和应力进行研究,建立了细观组构、接触力、主应力比之间的表达式。通过数值离散元程序模拟了上述两种不同初始状态钢珠的室内三轴试验。结果表明:两者应力应变曲线基本一致;各向同性试样组构初始为均匀分布的球体,落雨法试样初始组构略呈椭球体,随着加载两种试样内颗粒配位数先增加后减小,水平面内和竖直面内组构减少且面内主轴发生偏转,试样破坏后的组构张量表现为花生状椭球体;法向接触力张量表现出与组构变化相似的规律,宏观上接触力的影响数值上大于组构张量,试样破坏后法向接触力张量空间分布呈现出更明显的两端和水平面内凹陷的花生状椭球体,且面内主轴有偏转。由莫尔库仑准则得出颗粒材料内摩擦角与组构、接触力细观参数表达式,并进行了验证,因此,可通过细观参数得出颗粒材料宏观内摩擦角。     

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。     

基于颗粒堆积算法的堆石料压实密度预测研究

堆石料的压实密度是反映其工程力学特性的重要指标。提出了一种基于降维映射的颗粒堆积算法,仅有一个模型参数即可在给定堆石料级配的情况下实时预测当前级配下的最大干密度。与试验结果对比发现,该算法能够较好预测给定的连续、间断级配堆石料最大干密度,为堆石料级配的高效优化设计提供了新思路。采用该算法模拟了堆石料细料截断和缩尺对堆石料压实密度的影响,结果表明：本算法可以较好地根据缩尺后的结果预测原型级配的堆石料压实密度,但堆石料压实密度的缩尺效应预测存在细料截断误差,误差与细料含量呈正相关;堆石料缩尺后粗料部分骨架的孔隙尺寸降低,有降低压实密度的趋势,而缩尺时增加的细料含量对密度的影响并无统一的规律,而是与粗料和细料的具体粒径分布相关。     

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。     

三轴试验中基于外衬塑布裂缝的偏应力计算

在常规三轴固结排水剪（CD）试验中,按照规范整理得到了(σ1~σ3)~εa曲线和εv~εa曲线，但发现由这两条曲线确定的临界状态点不一致，不符合经典临界状态的定义。通过试验过程中试样外衬塑布的裂缝分布情况确定了试样的剪切破坏面，得出试样破坏面与试样中心轴的交点位置随围压的变化规律，对计算截面面积A_b的公式进行了推导，提出了偏应力计算取值的新方法。按照新方法计算了εv~εa和(σ′1－σ3)~εa 曲线，且由该曲线确定的临界状态点趋于一致， 符合土体达到临界状态时的宏观力学现象。     

基于ABAQUS对D-P准则 剪胀角的讨论

为了更好地描述岩土材料的强度特性,在M-C准则的基础上出现了D-P准则,在有限元软件ABAQUS中得到了广泛应用。但是D-P准则的参数选取不当,有可能导致计算结果误差较大,为此本文分析了D-P准则的基本特性,给出了平面应变条件下基于非关联流动法则的D-P屈服准则与M-C准则的匹配公式,从而可以得到剪胀角在0~之间的数值,继而研究剪胀角对坝体—地基体系的影响。     

三维应力下密度对粗粒料力学特性的影响

通过4种不同初始干密度的粗粒料大型真三轴等小主应力、等比例加载固结排水剪切试验,研究了密度对三维应力状态下粗粒料力学特性的影响.试验结果表明:小主应力一定时,随着初始干密度的增大,应力曲线逐渐升高变陡,软化性增强,体缩变形减小,剪胀性增强.体变增量与大主应力方向应变增量之比即体变增量比随初始干密度的增大而减小,体变增量...     

考虑物理状态变化的砂土本构模型

本文基于临界状态理论，在已有模型的基础上，通过将状态参数引入剪胀方程和塑性硬化模量表达式，建立了一个新的砂土本构模型。该模型可以描述加载过程中相对密度和有效围压变化引起的物理状态变化对材料强度和变形特性的影响，模型形式较简单，仅有8个材料参数，适用于排水及不排水的情况。数值模拟的结果与三轴试验结果吻合较好。