砂土直剪力学性状的非圆颗粒模拟与宏细观机理研究

基于PFC2D非圆颗粒单元的二次开发,对砂土直剪力学过程进行了非圆颗粒仿真模拟,分析了数值试样的应力–剪胀关系并与实际砂土进行对比,探讨了颗粒位移与颗粒旋转特征及其与剪切带演化的内在关联,研究了主应力与主应变增量的非共轴效应,揭示了细观组构各向异性的演化规律及其与宏观剪切强度之间的宏细观关联。研究结果表明,数值试验能够较好的模拟实际砂土的应力–剪胀关系和剪切过程主应力与主应变增量的非共轴效应;剪切带的演化与颗粒位移和颗粒旋转密切相关,颗粒形状影响剪切带的厚度;试样宏观的剪切强度主要受控于粒间法向接触力的分布及其各向异性演化;整个加荷过程中,剪切带内大主应力的偏转方向与法向接触力各向异性的主方向保持了良好的一致性。     

循环荷载下砂土变形的细观数值模拟Ⅱ:密砂试验结果

采用颗粒流理论模拟了不同排水条件下密砂的双轴试验,通过开发的细观组构统计程序记录加载不同时刻试样的细观组构演化,研究了循环荷载作用下密砂变形过程中细观配位数、接触方向、粒间接触力等的演化规律及其与试样宏观力学响应之间的内在联系。探讨了密砂在循环荷载作用下诱发各向异性、剪胀软化、循环活动性等产生的微细观机理。与松砂相比,密砂在循环荷载作用下,组构各向异性与应力各向异性彼此相协调,没有产生配位数的连续累积损失。     

循环荷载下砂土变形的细观数值模拟I:松砂试验结果

采用颗粒流方法模拟不同排水条件下砂土的双轴试验,研究了循环荷载作用下松砂渐进破坏过程中配位数、接触方向、粒间接触力的演化规律,应用表征上述量的组构参数研究了砂土的诱发各向异性,探讨了饱和砂土液化、状态转换面产生的微细观机理。研究表明:宏观的液化对应于细观组构上配位数的连续累积丧失和粒间接触力的不断减小,其根本原因在于循环荷载往返过程中,组构各向异性与应力各向异性发展的不匹配。研究成果对于揭示砂土变形的细观机理以及建立砂土的细观力学模型都具有意义。     

基于随机散粒体模型的堆石体真三轴数值试验研究

基于三维变形体离散单元法,模拟堆石体的真三轴试验,研究堆石体在三向不等应力状态下的强度和变形特性。真三轴数值试验装置采用六刚性板加荷方式,等中主应力比路径加载。数值试验结果表明：真三轴数值试验能较好反映堆石体在三向不等应力状态下的应力和变形规律,数值模拟得到宏观应力变形特性与试验规律相似;等中主应力比参数的大小对堆石在三向应力状态下应力和强度特性有显著的影响,堆石体在 3 个加载方向的变形也随该参数的变化而变化,应力比参数从 0 到 1 变化过程中中主应变方向先压缩后膨胀,小主应变方向一直处于压缩状态;堆石体的内摩擦角随着值的增加而增大,基本符合 Lade-Duncan 破坏准则;在细观层面上,围压越高,值越大,颗粒配位数越大; 加载过程中,颗粒接触法向和法向接触力各向异性程度加强,各向异性主方向角由水平向转向大主应变方向,试样各向异性系数的演化规律和试样的宏观应力变形曲线相对应,试样的宏观力学特性与细观组构存在内在的关联。     

循环荷载下砂土变形的细观数值模拟Ⅰ：松砂试验结果

采用颗粒流方法模拟不同排水条件下砂土的双轴试验，研究了循环荷载作用下松砂渐进破坏过程中配位数、接触方向、粒间接触力的演化规律，应用表征上述量的组构参数研究了砂土的诱发各向异性，探讨了饱和砂土液化、状态转换面产生的微细观机理。研究表明：宏观的液化对应于细观组构上配位数的连续累积丧失和粒间接触力的不断减小，其根本原因在于循环荷载往返过程中，组构各向异性与应力各向异性发展的不匹配。研究成果对于揭示砂土变形的细观机理以及建立砂土的细观力学模型都具有意义。     

颗粒介质剪胀、软化特性的直剪试验研究

颗粒介质的宏观力学行为特征与其微观组构演化密切相关,涉及孔隙比、颗粒形态、颗粒破碎以及各向异性等因素的交叠影响。采用DRS-I型超高压直剪试验系统对3种不同粒径的钢球进行0.4～12 MPa法向压力下的直剪试验,避免颗粒形态、颗粒破碎及各向异性的交叠影响,进而单独分析峰值强度、残余强度与孔隙比演化的关联性,以期为揭示颗粒介质的细观力学机制提供参考。结果表明:1)落雨法制得的圆球颗粒介质普遍呈现剪切软化特性,剪切过程中存在明显的峰值应力和残余应力;2)峰值强度随围压增大呈现出一定程度的减小趋势,与孔隙比变化斜率的极值相对应;3)残余强度基本不受颗粒粒径、围压的影响,对应着孔隙比的稳定值即临界状态;4)采用Rowe剪胀方程能够较好地描述颗粒介质的强度特性与体变特性的关联性。     

颗粒形状及粒间摩擦角对堆石体宏观力学行为的影响

基于三维变形体离散单元法对堆石体进行细观研究,采用随机模拟技术生成堆石体三维数值试样,模拟其常规三轴剪切试验,研究堆石体颗粒形状及粒间摩擦系数对宏观力学性能的影响,揭示其细观组构和细观力学参数与堆石体宏观特性的关联性,建立细观力学参数与宏观力学参数的相关关系。数值模拟结果表明：颗粒形状对堆石体宏观特性影响明显,颗粒的长短径比越大,数值试样的峰值强度和残余强度均明显增大,峰值强度对应的轴向应变也逐渐增大,而数值试样的初始模量有所减小;在细观层面上,颗粒的长短径比越大,颗粒的接触法向向加载方向倾斜越明显,接触法向的各向异性程度越大;粒间摩擦角对堆石体宏观特性的影响显著,随着粒间摩擦角的增大,峰值强度明显增大和初始模量均明显增大,数值试样在剪切时的体积收缩量也有所增大,反映了堆石颗粒间的相互作用对颗粒体骨架的宏观力学行为的影响。     

基于细观统计的各向异性砂土摩擦特性与破坏机制研究

应用细观统计的方法,从细观颗粒层面对砂土各向异性产生的机制进行研究,分析沉积倾角对砂土宏观摩擦特性与抗剪强度的影响,在此基础上对影响各向异性砂土摩擦特性和峰值强度的2个细观因素——抗剪承载系数和颗粒整体稳定性进行研究,并借助于"塑性铰–楔块"模型对这2个因素的具体作用机制进行分析,得到基于细观统计方法的各向异性砂土峰值内摩擦角的计算方法。最后利用改进的直剪实验对结果进行验证,研究结果表明:(1)土体内部颗粒定向排列是引起各向异性的主要因素,原生各向异性与次生各向异性产生的细观机制基本相同;(2)沉积倾角对剪切面上颗粒方向角的分布规律具有较大影响,并对土体宏观力学特性产生影响;(3)砂土承载力主要受颗粒方向角分布规律、颗粒整体稳定性和颗粒表面摩擦特性3个因素的影响,三者作用结果的叠加为最终土体强度,可进行量化计算。     

砂土单调剪切特性的非圆颗粒模拟

针对纯圆颗粒模拟的缺陷,利用颗粒流"团颗粒"方法开发了形状近似椭圆的"椭圆团颗粒",研究了颗粒形状变化对数值试样宏观剪切特性的影响及其细观机理;分析了加荷过程中平均接触数的变化规律以及颗粒形状对临界接触数的影响;对比了纯圆颗粒和椭圆团颗粒的不同颗粒旋转特性,并初步探讨其机理;分析了剪切过程中椭圆团颗粒试样的组构各向异性演化规律。结果表明,颗粒形状对试样的强度和变形特性具有重要影响,其在细观机理上与平均接触数有关;剪切荷载作用下椭圆团颗粒试样呈现明显的组构各向异性,颗粒长轴逐渐趋于水平定向,接触法向逐渐偏于加荷的大主应力方向。     

基于离散-连续耦合的尾矿坝边坡破坏机理分析

在连续介质力学有限差分数值模拟的基础上,选取有代表性的局部区域进行基于有限差分与离散元的离散-连续耦合分析。采用上述方法模拟了某尾矿坝边坡在尾矿冲填前后潜在滑移带附近的宏细观力学特征。模拟结果显示,对于耦合和非耦合模型中的连续域两种方法的计算结果基本一致,但离散域的存在可以对滑移带形成过程的细观力学特征,如力链分布、土体细观组构发展等进行分析,研究边坡破坏的细观机理。研究表明,在滑移带形成过程中,滑移带内外土体各向异性的发展明显不同：随着荷载的施加,潜在滑移带内土体颗粒发生了较明显的位移,应力主方向发生了明显转动。颗粒的转动改变了带内组构的分布,并逐渐形成剪切滑移带,造成边坡失稳。滑带外土体虽然应力主方向发生了一定的偏转,但剪应力变化不大。采用的离散-耦合分析方法可以分析边坡在渐进破坏过程中滑移带形成的细观力学机理。     

土工合成材料大型直剪界面作用宏细观研究

利用大型直剪模型试验设备，在不同竖向压力下进行一系列的土工合成材料直剪试验，应用数码可视化跟踪技术，结合土体变形无标点量测技术来研究双向土工格栅与砂土直剪界面作用的宏细观特性，同时分析界面附近土压力分布规律，并研究界面颗粒运动变化规律和细观组构演化特征与宏观特性的关联。分析结果表明，直剪筋土界面附近竖向压力分布从前端依次向后端减少；直剪界面位移达25 mm时，形成了稳定的剪应变集中带；在筋土界面（6～8）D₅₀粒径厚度范围内，界面颗粒以旋转和平动方式同时位移，该范围外颗粒以平动方式沿剪切方向位移，且位移较小；在剪切过程中，界面颗粒发生旋转，土体发生剪胀，孔隙率增大，平均接触数减小，颗粒重新被压密，孔隙率减小，平均接触数增多，颗粒长轴排列趋于水平方向，各细观组构处于相对稳定状态。     

基于非线性接触本构的颗粒材料离散元数值模拟

在考虑颗粒间细观非线性接触关系的基础上,基于空隙胞元法,采用颗粒离散元法对二维颗粒体试样进行了平面应变数值模拟。颗粒间接触用广义弹簧单元表示,相邻颗粒接触点的塑性变形用非线性弹簧表示。在准静态、小变形条件下,研究了试样的微观织构变化和宏观力学行为。单个空隙胞元的变形通过周围颗粒的相对运动来计算,将离散系统中的变形与连续体中的相应变形联系起来,应用于颗粒离散元方法中平均应力的计算。文中给出了细观尺度上局部织构(通过空隙数,接触价键,配位数来表征)的变化过程,对比了不同情况下的应力–应变关系曲线,再现了试样的加卸载曲线。结果表明了颗粒介质之间的咬合作用对材料的宏观力学行为有比较明显的影响。     

Direct shear behavior of gravel-rubber mixtures: Discrete element modeling and microscopic investigations

In this paper, a newly developed 3-dimentional discrete element model (DEM) for gravel-rubber mixtures (GRMs), namely DEM4GRM, that is capable of accurately describing the macro-scale shear response (from small to large deformation) of GRMs in a direct shear box apparatus is presented. Rigid gravel grains are modelled as simple multi-shape clumps, while soft rubber particles are modeled by using deformable 35-ball body-centered-cubic clusters. Mixtures are prepared with different volumetric rubber content (VRC) at 0, 10, 25, 40 and 100%, statically compressed under 30, 60 and 100 kPa vertical stress and then sheared, by closely simulating a reference laboratory test procedure. The variation of micro-scale factors such as fabric, normal and tangential force anisotropy is carefully examined throughout the shearing process and described by means of novel micro-mechanical relationships valid for GRMs. Moreover, strong-force chains are scrutinized to identify the transition from rigid to soft granular skeleton and gain insights on the load transfer and deformation mechanisms of GRMs. It is shown that the development of the fabric and force anisotropy during shearing is closely related to the macro-scale shear strength of GRMs, and strongly depends on the VRC. Besides, strong-force chains appear to be primarily formed by gravel-gravel contacts (resulting in a rigid-like mechanical behavior) up to VRC = 30%, and by rubber-rubber contacts (causing a soft-like mechanical response) beyond VRC = 60%. Alternatively, at 30% < VRC < 60%, gravel-rubber contacts are predominant in the strong-force network and an intermediate mechanical behavior is observed. This is consistent with the behavioral trends observed in the macro- and micro-mechanical responses.     

规则齿型结构面剪切特性的模型试验研究

 通过规则齿型结构面在不同法向应力下的剪切试验,对其力学特性进行基础性研究,阐述规则齿型结构面在剪切条件下力学特性的主要特征,以及其强度、变形等力学特性的主要规律。通过对试验数据的分析,对结构面在剪切应力作用下的剪切变形曲线以及不同粗糙度结构面的剪切变形特性进行深入研究,在此基础上提出结构面剪切变形特性的经验本构关系,同时对结构面综合抗剪强度参数在剪切条件下的变化规律进行研究,建立评价结构面剪切强度的经验公式。最后还对结构面在剪切条件下的扩容特性进行分析,并对现象做出解释。     

压剪应力条件下砂岩双面剪切细观开裂扩展演化特性试验研究

 利用自主研发的煤岩双面剪切细观开裂演化过程试验装置,通过开展不同法向应力条件下的剪切试验,借助声发射技术及图像处理技术,对细观开裂扩展过程、细观开裂扩展空间分布进行深入探究。研究结果表明：对于压剪应力条件下的双面剪切试验,加载过程中的大部分阶段,试件表面损伤不明显,表面裂纹出现在峰值剪应力之前;当剪应力达到峰值前,Hit率有一个急剧增加的过程,说明砂岩内部已有裂纹产生,而试件表面并无明显变化,一段时间后才在表面观测到细小裂纹,推测裂纹由内向外扩展;试件发生宏观破坏后,左右两侧裂纹呈八字形或梯形分布,由于竖向剪切力引起的岩体内部剪切破坏占主导作用且砂岩内部晶粒间存在一定的几何物理性质差异,主裂纹基本沿预定剪切面扩展的同时表现出开裂扩展的不规则性;裂纹多在石英、长石等矿物颗粒的边缘即砂岩中相对薄弱的环节产生,随着应力水平的增加,裂纹也会穿过矿物颗粒形成穿晶破裂,这种现象多在石英颗粒中出现,这与其特有的微结构特征有关。     

锚杆加固散粒体的作用机制研究

采用细观数值模拟的方法研究岩土工程中散粒体锚杆加固的作用机制,基于随机模拟技术建立加锚散粒体的三维随机颗粒模型,采用颗粒形状系数控制颗粒表面的不均匀起伏程度,基于修正的增广Lagrangian算法的非线性接触算法模拟颗粒之间、颗粒与锚固体、颗粒与承托结构的相互接触,颗粒的物理力学性质服从Weibull概率分布,采用细观损伤软化模型描述颗粒的变形和破碎。分别建立散粒体和加锚散粒体的三轴数字试样,采用位移加载来进行不同围压下的常规三轴剪切试验,研究不同加锚密度对散粒体工程力学特性的影响。数值模拟结果表明:锚杆加固的作用机制为锚固体与颗粒紧密接触、相互咬合形成摩擦阻力,承托结构形成对颗粒体的径向助力,锚杆与其附近的颗粒形成锚固区;锚杆加固能显著提高散粒体的抗剪强度和整体性,峰值主应力差提高37.8%～88.8%,初始模量提高37.4%～93.2%,内摩擦角提高13.3%～24.2%。     

粉土界面恒刚度循环剪切试验研究

竖向循环荷载作用下桩土界面的作用机理是研究桩土摩擦疲劳的关键。针对循环荷载作用下桩-粉土界面的剪切性能,使用改进的剪切试验装置在恒刚度条件下进行循环剪切试验,研究循环次数、累积位移和法向刚度对其摩擦疲劳性能、循环后单调剪切性能的影响。试验结果表明,粉土在循环剪切过程中,法向应力和剪应力在初始10个循环内随循环数增加快速衰减,随着循环进行,逐渐趋于稳定;单次循环内在剪切位移方向变化时,土体呈现表现出剪缩-剪胀-剪缩交替现象,总体变形呈现剪缩的趋势;循环荷载作用下,粉土界面的法向应力和剪应力随法向刚度增大衰减速率增大,达到稳定的累积循环位移越小;粉土循环后的单调剪切、法向应力恢复的单调剪切的剪应力比小于首次单调剪切试验值,且法向应力恢复的循环后剪切试验的剪胀程度较小,表明循环剪切过程中界面处粉土颗粒棱角破碎,颗粒变得光滑。在对试验数据分析的基础上,提出了与累积位移、法向刚度和初始应力相关的无量纲累积位移,建立了法向应力和界面摩擦角随累积位移的衰减方程。     

土石混合体的剪切面分形特征及强度产生机制

 基于考虑含石量、含水率、块石岩性、初始孔隙比、法向压力5个影响因素的土石混合体室内大型直剪试验,利用剪切面在分形几何学上的统计规律和颗粒流数值模拟方法得到的直剪试验中颗粒的相互作用规律,对土石混合体的抗剪强度产生机制进行研究。结果表明：(1) 土石混合体的剪切面呈不规则的起伏形态与块石的存在关系密切,且具有较好的分形特征,分形维数随着含石量和块石强度的增大、含水率和法向压力的减小均呈增大趋势;(2) 含石量高于40%时,黏聚力小于30 kPa;(3) 内摩擦角随着含石量的增大、块石强度的增大、含水率的降低、初始孔隙比的降低、法向压力的降低均呈增大规律,且与分形维数满足正相关函数关系;(4) 块石附近应力集中较明显,剪切过程中,颗粒间的接触力主要通过迎着剪切方向的接触面传递,而背着剪切方向的颗粒接触面基本不传递力;(5) 内摩擦角 等于剪切面上与颗粒本身接触性质有关的接触面内摩擦角 和与剪切面分形维数有关的接触面倾角 之和,利用此机制可解释直剪试验中强度参数的变化规律。     

宏细观结合的砂土各向异性破坏准则

采用宏细观结合的方法,建立一个砂土的各向异性破坏准则。该方法将细观定义的组构张量和加载应力张量结合形成一个组合张量,用组合张量的2个不变量定义一个新的各向异性状态变量,将该状态变量引入到宏观方程中可建立各向异性破坏准则。考虑组构和应力状态的关系,建立的各向异性强度准则可以描述主应力轴旋转和固定时,细观各向异性参量对砂土破坏强度的影响,而且该准则的参数有清晰的物理意义。采用多组试验数据进行验证,结果表明,在整个三维条件下,该准则能较好地反映细观参量对砂土的各向异性强度和峰值内摩擦角的影响,初步验证该方法描述各向异性的合理性和有效性。     

节理岩体中锚杆剪切力学模型研究及试验验证

依据最小余能原理,在考虑节理岩体中锚杆剪切变形的基础上,分析了节理面水平剪切位移与锚杆轴向及切向变形之间的关系。结合锚杆受力特点拟定了锚杆屈服模式的判定流程。建立了考虑"等效剪切面积"的加锚节理面抗剪强度理论计算模型,并通过室内物理试验验证了理论计算模型的准确性。讨论了锚杆倾角、围岩抗压强度、锚杆直径、法向应力等因素对加锚节理面抗剪强度的影响规律。结果表明:所建立的锚杆剪切力学模型能够较好的反映锚杆轴向力及剪切力对节理面抗剪强度的贡献;考虑"等效剪切面积"的加锚节理面抗剪强度计算结果与试验结果较为吻合;锚杆倾角及围岩抗压强度越大,锚杆轴向力越小,剪切力越大;锚杆直径增大,锚杆轴向力及剪切力都会增大;节理面法向应力会显著影响剪胀效应,法向应力越大,节理面抗剪强度越高。