结构性砂土胶结厚度分布特性试验研究

颗粒间胶结物厚度对胶结颗粒接触力学特性有显著影响,进而影响结构性砂土离散元模拟结果。为更好地模拟天然砂土的结构性,需要明晰结构性砂土中颗粒间胶结厚度分布特性,并且能在离散元模拟中反映该分布特性。本文采用人工制备结构性砂土,开展电镜扫描试验,对结构性砂土中颗粒间胶结厚度分布特性进行了研究。研究结果表明:在结构性砂土中,随着水泥含量的增加,平均胶结厚度近似线性增加;但是水泥含量对胶结厚度的概率分布规律影响不大,水泥含量不同的结构性砂土,其颗粒间胶结厚度概率分布均为先线性增大,后指数型衰减。在试验研究结果的基础上,提出了离散元模拟结构性砂土胶结厚度的方法,可以较好地反映结构性砂土中颗粒间胶结厚度指数型衰减的分布特性。     

结构性砂土粒间胶结效应的二维数值分析

将理想胶结颗粒接触力学特性的测试结果引入到离散元胶结接触模型中,对结构性砂土粒间胶结效应进行离散元数值模拟。首先,胶结颗粒被理想化为两铝棒在指定部位形成胶结,通过一系列加载试验（拉伸、压缩、压剪）获得胶结铝棒在不同应力路径下的接触力学响应。随后,将测试结果提炼总结后引入到自行开发的二维离散元程序 NS2D 中,用以模拟不同初始密度和胶结强度的结构性砂土等向压缩试验。最后,通过与人工胶结砂土的试验数据进行比较,对文中的数值模拟结果进行验证。研究表明：离散元数值模拟能够有效的捕捉结构性砂土的主要力学特性,即屈服强度和体积模量均随初始密度和胶结强度的变化而变化,且胶结试样的屈服强度与试样内部颗粒间胶结点破坏率密切相关。     

理想胶结砂土力学特性及剪切带形成的离散元分析

根据近期胶结铝棒接触力学特性的实测结果,提炼出用于模拟胶结砂土粒间胶结作用的胶结接触模型,并将该模型引入二维离散元商业软件PFC^2D。通过对不同胶结强度和不同围压下胶结砂土的平面应变双轴压缩试验的离散元模拟,分析了理想胶结砂土的宏观力学特性及其剪切带的形成规律。结果表明：相比同一孔隙比的无胶结试样,胶结试样具有更高的峰值强度、显著的应变软化和剪胀现象以及明显的剪切带,宏观力学特性与其胶结接触微观力学机理密切相关,模拟结果与已有室内试验结果具有规律上的一致性;由胶结试样内部的微观信息统计可知,胶结试样剪切带的形成一般在其峰值强度之后,且剪切带的形成是试样变形、胶结破坏、孔隙比、平均纯转动率和位移场等微观参量局部化的综合表现。     

基于微观破损机理的胶结砂土三维本构模型研究

在岩土破损力学和临界状态土力学框架内,遵循宏微观土力学的研究思路,建立了胶结砂土三维本构模型。定义与重塑砂土屈服面几何相似但尺寸扩大的胶结砂土屈服面;采用经三维离散元验证的Lade-Duncan强度准则作为临界状态强度面;基于胶结材料微观力学理论并结合三维离散元模拟结果,获得具有微观力学机制的胶结破损规律;将胶结破损规律引入到重塑砂土的硬化规律和流动法则,得到胶结砂土的硬化规律和流动法则。将该本构模型应用于人工制备胶结砂土室内常规三轴压缩试验和等平均应力真三轴试验的模拟,初步验证了该模型的适用性。     

钢-混凝土组合梁的有限元参数分析

钢–混凝土组合梁比传统的组合梁更有优势。基于推出试验,建立三维非线性有限元模型,用于分析钢–混凝土组合梁的力学性能。通过数值分析结果和试验结果的对比,证实了该模型的有效性。特定参数影响分析包括:黏合剂的弹性模量,黏结层的厚度,混凝土强度,黏结强度及黏结面积。数值结果显示:当黏结层的厚度为3～15mm时,大多数分析的参数对钢-混凝土组合梁的影响非常显著。     

岩石微观颗粒接触特性的试验研究

 微观上,岩石是由许多大小不等的颗粒和粒间填充的胶结物构成,不同位置的胶结厚度不同。岩石的这种微观结构特征从根本上决定其宏观力学响应,从微观尺度出发采用离散元数值模拟有利于探索岩石宏观力学特性的微观机制。基于这一思路,通过室内铝棒胶结模型试验,研究不同胶结厚度下胶结颗粒在压剪扭加载作用下的接触力学特性,发现胶结铝棒在不同胶结物质、不同胶结厚度下的力学响应均呈现出一定的相似性。将蒋明镜提出的岩石微观胶结模型与D. O. Potyondy和P. A. Cundall提出的岩石微观接触力学模型进行对比分析发现,蒋明镜模型提出的破坏准则与岩石的实际较为符合,进一步为离散元模拟岩石奠定基础。     

Insight on bulk shear strength parameters of clay using discrete element approach incorporating physics-based interparticle force model

This paper aims to provide insight on factors affecting the bulk shear strength parameters of clay, i.e., the cohesion and internal friction as well as the effects of memory of preconsolidation pressure. A unique Discrete Element Method (DEM) model is built on platy particles with customized particle interaction force model. The particle interaction force model considers non-contact forces (such as the long-range electrostatic repulsion, short-range van der Waals attraction) as well as the direct contact force. The long-range electrostatic forces are calibrated by measurement with Atomic Force Microscope (AFM). Parameters for direct particle contacts of the regular DEM contact model, such as the contact stiffness and the friction coefficient, are calibrated by use of experimental consolidation and direct shear testing data. Computational simulations are conducted on digital clay specimen subjected to virtual direct shear tests. The predicted experimental responses of the digital specimens are consistent with typically observed in experiments including the shear stress-shear strain relationship, volumetric contraction and dilation, shear band formation, etc. From the stress–strain curves, the soil strength parameters are obtained with common experimental criteria. The DEM simulation results show that higher preconsolidation pressure drives more particles to overcome non-contact force into direct contacts and consequently bonding by van der Waals force. Consequently, the bulk cohesion of clay increases with increasing preconsolidation pressure. The results show that bulk cohesion strength is mainly attributed to the attractive interparticle force as well as the interlocking of platy particle, while the bulk internal friction angle is affected by the particle friction coefficient and particle fabric. Overall, the simulation results indicate the experimentally observed macroscopic shear strength parameters c and φ are linked to the microscope characteristics of soil particles and their mutual interactions. The results offer insight on the microscopic properties of particles on the bulk macroscopic strength behaviors. Besides, this work demonstrates a new strategy for simulation-based prediction of bulk soil strength parameters, by incorporating microscale characterization of the interparticle interactions and particle fabric into the particle-based DEM model.     

一个深海能源土的温度-水压-力学二维微观胶结模型

天然气水合物以胶结形式赋存时,对深海能源土的强度和变形特性影响显著,且其影响程度与所处温度、水压与力学环境密切相关。旨在建立可考虑温（温度）-压（水压）-力（力-位移与胶结破坏准则）耦合影响的深海能源土微观胶结模型。首先,依据能源土中水合物胶结可发生于两种接触形式（直接接触与有间距）的土颗粒间,提出适用于两种胶结模式的力-位移准则和胶结破坏准则。其次,提出温压距离参数L（表示在无量纲化处理后的温度-水压坐标平面,土体所处温度与水压点到水合物相平衡线的最小距离）,并依据文献资料分析,建立水合物胶结强度、刚度与参数L间的关系。最后,建立由水合物饱和度确定的粒间水合物胶结尺寸计算方法,并据此进一步建立了胶结强度与刚度同水合物饱和度间的关系。该模型可以方便地植入离散元程序,从而用于深海能源土的宏微观力学分析。     

一个非饱和结构性黄土三维胶结接触模型

对非饱和结构性黄土进行离散元模拟需要合理的三维胶结接触模型。在含抗转动和抗扭转模型基础上引入了颗粒间吸引力以考虑范德华力和毛细力作用;提出了考虑胶结尺寸影响的胶结刚度和强度公式,考虑了不可恢复的化学胶结作用;建立了可以全面考虑含水率-孔隙比-吸力耦合作用的黄土接触模型。通过开展常规三轴压缩以及在不同偏应力水平下湿陷试验的三维离散元模拟,表明该三维接触模型可以较好地反映室内试验中非饱和结构性黄土的主要力学特性。     

Visualization of load transfer behaviour between geogrid and sand using PFC

Geogrids have been widely used to improve the soil mechanical behaviour in geotechnical engineering. In order to investigate the load transfer behaviour between the geogrid and sand, a numerical compound tensile test (in sand) with one geogrid tensile member has been carried out using PFC^2D. In this study, sand was modelled as unbonded particles using the linear contact stiffness model, while the geogrid was modelled as bonded particles using the piecewise linear model which has been developed based on the parallel bond model. Calibrations have been performed by comparing the numerical simulation results with the experimental data. The load transfer behaviour between the geogrid and sand has been visualized by geogrid force and displacement distributions along the geogrid, contact force changes in the specimen and rotations of the sand particles in the vicinity of the geogrid at different clamp displacements. The DEM simulation results show that PFC^2D can be used as a practical tool to visualize the load transfer behaviour between the geogrid and sand. Furthermore, the visualization results provide researchers more insights into the interface behaviour between the geogrid and sand at a microscopic scale.     

考虑宽度与厚度的颗粒胶结模型理论分析

在深海能源土、岩石风化等问题离散元模拟中,颗粒间胶结物的增减将对材料宏观力学特性有显著影响,因此需要建立考虑胶结厚度和宽度的胶结模型。针对离散元理论中粒间真实形状胶结物在粒间力作用下的刚度和强度确定问题,基于原始的Dvorkin理论,给出高精度的胶结力学响应理论解。求解中将位移函数对称化,提出一种修正位移试函数的方法,提高了二维颗粒微观胶结模型应力场的对称性和精度,经验证解答在定性和定量上符合有限元模拟结果。根据所得解答对胶结物几何参数进行了分析,讨论了胶结宽度和厚度对胶结刚度的影响,并给出了针对一般常见材料的刚度拟合公式。采用双剪统一强度理论分析了脆性和塑性胶结材料的初始破坏区位置,给出拉/压剪复合受力状态的强度包线。本文解答可方便快捷地获得胶结模型的大量力学响应信息,可作为试验数据的验证和补充,协助建立胶结物在复杂荷载作用下的破坏判据,进而建立完整的离散元胶结模型。     

不同胶结砂土力学特性及胶结破坏的离散元模拟

采用离散元法研究不同胶结砂土的宏观力学特性以及微观胶结破坏,其中一种胶结砂土胶结特性由离散元商业软件PFC2D中的胶结接触模型(Contact bond model)进行控制,另一种则采用蒋明镜等提出的无厚度改进胶结接触模型(改进的蒋氏模型)控制.首先,将改进的蒋氏模型引入PFC2D;其次,使用PFC2D对不同胶结强度和不同围压下的上述两种胶结砂土进行双轴压缩试验模拟,对比分析了两种不同胶结砂土的模拟结果.结果表明蒋氏试样(胶结特性由改进的蒋氏模型控制)应变软化和体积剪胀显著,峰值内摩擦角基本随胶结强度增大而增大;而PFC试样(胶结特性由Contact bond model控制)在高胶结强度时应变软化和体积剪胀性比较显著,低胶结强度时表现为应变硬化和体积剪缩,峰值内摩擦角随胶结强度增加而减小.离散元模拟结果在一定程度上与已有室内实测结果相符,蒋氏试样更能反映胶结砂土的主要力学特性.由胶结破坏微观信息统计可知,蒋氏试样中胶结点受拉破坏率远大于受剪破坏率,而PFC试样中两者相当,且蒋氏试样中的总胶结点破坏速率峰值要大于PFC试样.通过对改进的蒋氏模型参数分析可知,低围压条件下,试样宏观力学特性与胶结破坏形式对切向胶结强度与法向胶结强度的比值较为敏感.     

不同温压环境下深海能源土力学特性离散元分析

深海能源土宏观力学特性与所处温度与水压环境密切相关,明晰温压对能源土力学特性的影响对水合物的安全开采具有重要意义。首先,介绍深海能源土的温度-水压-力学微观胶结模型,用以描述能源土粒间的水合物胶结接触力学特性;其次,将该模型导入至离散元商业软件PFC2D中,开展不同温度与水压环境下的离散元双轴试验;最后,结合离散元双轴试验结果及同已有室内试验结果的对比分析,探讨温度与水压对深海能源土宏观力学特性的影响规律和微观作用机理。结果表明：引入胶结模型的离散元双轴试验可较好地描述深海能源土强度、变形等力学特性随温度与水压的变化关系;温度与水压影响深海能源土宏观力学特性的微观机理是颗粒间水合物胶结强度与刚度同温度与水压间的相关性;建议采用温压距离参数L（在无量纲化的温度-水压坐标平面内,水合物赋存温度与水压点至其相平衡线的最小距离）评价实际复杂温压场下的深海能源土宏观力学特性。     

局部加卸载下立方体阵列接触力残留的细观特性

基于光弹试验分析立方体阵列在一个分级加卸载周期下力链和颗粒位移的演化过程,结果表明,接触力和颗粒位移在卸载阶段均存在残留,且接触力和颗粒位移的演化特征一致表明,卸载过程中存在一个临界荷载值。通过建立主力链颗粒的串联接触模型,得出残留接触力取决于力链所受侧向摩阻力,包括颗粒间接触摩擦与咬合力。结合光弹条纹解析所得特征颗粒所受接触力,分析加卸载作用下主力链所受摩阻力的演化特征,得出加卸载过程中主力链所受摩阻力与外荷载呈正相关,表明随着外荷载的增大,颗粒体系的内摩擦作用逐渐发挥以抵抗外力;但相同外荷载下,加载和卸载阶段主力链所受摩阻力并不相等,是立方体阵列产生残留接触力的根源。     

基于杆系离散单元法的单层网壳结构屈曲行为研究

离散单元法因适合处理大位移、非线性和非连续等问题而逐渐被应用于结构工程中,但采用离散单元法进行结构屈曲全过程分析还有待研究。为此,基于杆系离散单元法的基本理论和计算方法,提出离散元力控制法及离散元位移控制法,研究上述方法在结构弹性屈曲全过程分析中的特点及适用性,同时给出离散元位移控制法（力控制法不需要单独处理）对不同荷载工况的处理方法及离散元法在进行结构弹性屈曲分析时的计算流程。采用Fortran语言自编程序,对典型算例进行弹性屈曲全过程分析,与传统方法相比,该方法无需组集刚度矩阵,对几何非线性问题不需特殊处理即可模拟结构的屈曲行为,更具优越性,并通过结果对比,验证了离散单元法在单层网壳结构弹性失稳全过程分析中的有效性。     

单轴压缩下岩石破坏后区的扰动状态概念分析

岩石的应力一应变全过程曲线以峰值应力为界，通常分为破坏前区和破坏后区两个部分。岩石的破坏后区一般处于非稳定状态，其力学响应难以用经典强度理论来描述。由于岩石破坏后区的力学特性对诸多岩石工程，如地下巷道、矿柱和岩爆等具有重要的工程意义，因此，此方面的研究已受到理论界和工程界的重视。基于扰动状态概念理论，通过定义相对完整状态、完全调整状态和扰动函数，建立了能反映岩石材料破坏后区特性的本构模型。采用RMT-150B型岩石力学试验系统，对5种岩石试样(湖北大悟的红花岗岩、四川雅安的大理岩、江西贵溪的红砂岩、河南焦作的砂岩和花岗岩)进行了单轴压缩破坏试验，得到了各种岩石的应力-应变全过程曲线；利用扰动状态概念分析了各岩样变形和破坏的力学机理。在提出的岩石材料扰动状态本构模型的基础上，对上述几种岩石破坏后区的应力-应变关系进行了数值计算，计算结果与试验结果较为一致。因此，建立的本构模型在一定程度上能描述岩石破坏后区的力学特性。     

基于柱坐标系的油井出砂三维数值模型设计与研究

根据实际储层砂岩的物性和射孔试验特征,从岩土力学的角度基于柱坐标系建立三维颗粒流（PFC^3D）数值模型。综合考虑流体压力梯度力和拖曳力产生的流固耦合效应,运用几何学方法研究油井出砂过程中的砂岩模型变化。数值计算与理论分析比较可知流体运动效应不可忽略,两者的应力分布曲线相吻合,验证了数值模型的可行性和适用性。另外,外界条件一定时,砂岩模型的应力分布、黏结颗粒性态、颗粒位移和流体对单颗粒作用力结果显示不同的单元划分对数值计算结果的影响不大,说明该数值模型的收敛性和稳定性。由此可见,提出的三维数值模型能较好地反映砂岩出砂过程中的宏细观力学特性,为准确理解砂岩出砂的力学机理提供了重要的研究思路和研究手段。     

3种胶结岩土材料本构模型中破损规律的离散元验证

采用离散元法（DEM）对胶结岩土材料本构模型中的破损规律进行验证。首先,根据胶结颗粒间胶结特性,建立适用于胶结颗粒的微观理论;其次,基于该微观理论,给出3种经典胶结岩土材料本构模型破损参数的微观解释;最后,对数值试样进行等向压缩、等应力比压缩及双轴压缩试验的离散元数值模拟,并对比验证数值试样破损规律的模拟结果与本构模型的预测结果。结果表明：采用DEM对胶结岩土材料本构模型的破损规律进行验证是可行的。3种加载条件下,扰动状态模型假定的破损规律同模拟结果均较为一致;Nova模型在双轴压缩试验条件下的预测结果同模拟结果存在很大差异;而上负荷面剑桥模型假设的破损参数则不能很好描述上述加载条件下数值试样的破损规律。     

不排水循环荷载条件下胶结砂土宏微观力学性质离散元模拟研究

天然或人工胶结的存在能够提高砂土的抗液化能力,从宏微观尺度对其动力学性质进行研究具有重大意义.将已有的三维完整胶结接触模型引入到三维离散元程序中,对胶结砂土不排水循环三轴剪切试验进行三维离散元模拟,研究颗粒间胶结、循环应力比对离散元试样宏微观力学性质的影响.研究结果表明,胶结的存在能够抑制轴应变和孔压的发展,提高砂土的...     

The inter-particle coefficient of friction at the contacts of Leighton Buzzard sand quartz minerals

A series of micro-mechanical tests was carried out in order to investigate the inter-particle coefficient of friction at the contacts of quartz minerals of Leighton Buzzard sand. For this purpose, a custom-built inter-particle loading apparatus was designed and constructed, the main features of which are described briefly in this paper. This apparatus is capable of performing shearing tests at the contacts of soil minerals of a particle–particle type in the range of very small displacements, from less than 1 μm to about 300 μm, and very small normal loads, between about less than 1 N and 15 N. The laboratory data showed that the effects of the normal force and the sliding velocity on the coefficient of dynamic friction are not significant, while dry and saturated surfaces had similar frictional characteristics. The steady state sliding was mobilized within a range of 0.5–3.0 μm of horizontal displacement, and the coefficient of static friction was very similar to the corresponding coefficient during constant shearing. Repeating the inter-particle shearing tests on the same particles and following the same shearing track indicated a small reduction in the inter-particle coefficient of friction after the first shearing, which is possibly related to plastic deformation and damage to the asperities.