堆石料力学性能的数值模拟分析

摘 要：利用离散单元法研究了堆石料的力学和变形性能,以及数值模拟过程中相关参数对其力学性能的影响。根据离散元基本模型和相关的几何理论生成两种不同的堆石料颗粒模型,即球形单颗粒模型和不规则形状的颗粒簇模型,研究材料的颗粒形状对堆石料强度的影响。基于颗粒簇模型,运用控制变量法,研究摩擦角和杨氏模量对堆石料的剪切强度和变形特性的影响。通过数值模拟,得出不同试验条件下相应的应力-应变曲线,分析其峰值应力、残余强度、最大应变、弹性模量以及剪缩剪胀趋势等,从而研究试样的不同力学响应。结果显示：在相同的应变率加载条件下,随着围压从300 kPa增加到500 kPa和更高的1000 kPa,球形颗粒模型对应的峰值剪切应力从相应的500 kPa增加到1700 kPa;而不规则形状颗粒簇模型对应的峰值剪切应力则从1400 kPa增加到3500 kPa,明显高于相应围压条件下的球形颗粒模型所对应的峰值剪切应力。当试样摩擦角从10°增加到50°时,相应的峰值应力则从不到1000 kPa增加到3250 kPa,相应的最大体积应变从6.5%增加到20%。杨氏模量E从107 Pa变化到109 Pa时,峰值剪切应力随之从相应的1350 kPa增加到2575 kPa。在此过程中,试样整体应变则从剪缩过渡到剪胀。     

缩尺效应对砂砾石料力学特性及其本构模型的影响

针对三轴仪受颗粒尺寸的限制而存在缩尺效应的问题,以新疆阿尔塔什筑坝料为研究对象,通过大型三轴数值模拟试验,从宏细观角度开展缩尺效应对砂砾石料力学特性及其非线性本构模型影响的研究.结果表明,随着围压的增加,试样偏应力极值增大,剪缩程度显著而剪胀特性被抑制;随着试样尺寸的增大,其峰值强度提高,试样由剪缩向剪胀过渡.随着试样尺寸的增大,邓肯模型的内摩擦角分量、弹性模量参数、体积模量参数均明显增大,其他参数的影响可忽略不计.砂砾石料的内摩擦角分量与颗粒粒径呈对数型函数关系,弹性模量参数、体积模量参数与颗粒粒径均呈线性函数关系.随着试样尺寸的增大,变形集中区的范围更广泛,其形式逐渐由“X”型变为“X+x”或“X+x+x”型变形集中区.初始阶段配位数随着试样尺寸的增大而增加;加载过程中配位数增加,试样以剪缩为主,随着试样尺寸的增大其配位数逐渐呈减小趋势,剪缩性被抑制.     

轴向循环加载条件下人工制备结构性土力学特性

为探讨结构性土的力学特性和变形机理,对人工制备的弱胶结结构性土样进行了轴向加载—卸载—再加载的三轴压缩试验,分别在围压为25和100 kPa时进行了固结排水和固结不排水压缩试验.结果表明:随着荷载的逐渐增加,结构性土样的结构逐渐弱化,其特性逐渐趋向重塑土的特性;在固结排水条件下,在整个轴向加载—卸载—再加载过程中,结构性土样总体上体积收缩.但在轴向应变较小,颗粒间的胶结保持较完好时,在卸载时会出现局部剪胀或体积收缩不明显,区别与重塑黏土的特性;在固结不排水条件下,产生正的孔压,轴向卸载时,在应变较小的情况下,孔隙压力减小,在应变较大的情况下,孔隙压力增大,且围压大时孔隙压力增加的量值大.     

剪胀对岩样全部变形特征的影响

采用FLAC内嵌语言FISH编制了计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数，研究了剪切扩容对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响。在峰值强度之前及之后，岩石的本构模型分别取为线弹性及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。分析表明，增加剪胀角使岩样由单一向共轭剪切破坏转变，并使接近Arthur倾角的剪切带倾角增加。剪切带宽度随剪胀角增加，可由基于梯度塑性理论且考虑剪胀后的剪切带宽度公式进行解释。剪胀角增加导致峰值强度及对应的轴向、侧向及体积应变增加。在峰后，由于剪胀引起剪切带条数及宽度增加，因而，轴向应力-轴向及侧向应变曲线软化段都变平缓。剪胀角较高时，岩样可获得更大的侧向变形量及泊松比，甚至是负的体积应变；岩样失稳破坏的前兆更加明显。     

超固结土的蛋形弹塑性本构模型

为了描述超固结软土在不同应力条件下的强度变形特征,以蛋形函数为基本框架,建立并发展适用于超固结土体的弹塑性本构模型. 通过对一系列超固结土应力路径三轴压缩试验结果的分析,探讨土体在超固结状态下塑性应变的发展规律(剪胀/剪缩). 在先前提出的旋转塑性势面流动法则基础上对其进行发展与改进,引入峰值应力比,构建剪胀状态下归一化塑性势面旋转角与应力状态参数之间的近似线性关系,以满足超固结土的塑性变形特性. 结合基于等效硬化参量的广义塑性功硬化原理构建超固结软土的蛋形弹塑性本构模型. 将三轴压缩试验数据与数值预测结果进行对比以验证模型有效性,结果表明该模型可以有效反映超固结软土在不同加载条件下的应力应变特性,比如软化与剪胀.     

砂土颗粒DEM模拟中颗粒集合体的组装与标定

颗粒DEM数值模拟中,首先需要进行数值颗粒集合体的组装,颗粒形状与孔隙率是重要的组装参数。采用PFC2D对不同形状颗粒的摩擦系数与孔隙率之间的对应关系进行了探讨,形成了一种获取指定孔隙率数值颗粒集合体的方法。鉴于圆形颗粒集合体表观强度较低的情况,对3种非圆形颗粒的强度和剪胀性曲线进行了对比。将80%的条形颗粒与20%的三角形颗粒混合,获得了指定相对密度85%的集合体,并标定得到了颗粒细观参数。不改变颗粒混合体形状与比例,组装得到相对密度为50%的试样,对颗粒接触力学参数进行微调后也可以获得与实际试验曲线较为对应的结果。采用组装与标定结果,模拟砂填料桩承式路堤模型试验,获得的路堤填料变形演化过程与模型试验吻合,验证了颗粒组装与标定方法的可靠性。     

混凝土双轴压-压细观统计损伤本构模型

细观损伤机制对混凝土材料宏观力学性能产生重要的影响。基于细观统计损伤理论及宏观试验现象,建立了混凝土双轴压-压细观统计损伤本构模型。考虑断裂、屈服两种细观损伤因素,损伤演化过程由主方向的压应变驱动;引入等效传递拉损伤应变的概念,受压方向的压损伤由侧向拉损伤应变控制。采用本文模型对双轴压-压应变比例加载路径下应力-应变曲线形成的包络面进行了预测,提取出双轴压-压强度包络线;从双轴强度、变形特性、包络面形状等角度对材料的双轴压缩损伤机制进行探讨。结果表明：该模型能够有效模拟双轴压-压加载情况下混凝土材料宏观力学行为,能够揭示细观损伤演化机制;细观屈服损伤模式在材料变形破坏过程中起到决定性作用,将整个变形过程分为统计均匀损伤及局部破坏两个阶段;区分峰值应力状态和局部破坏的临界状态,建议后者作为本构模型的最终破坏点。     

填料级配对筋土界面特性的影响

不同填料级配对筋土界面特性的影响直接关系到工程的稳定性.通过室内大型直剪试验,研究了颗粒级配、密实度、筋材种类等对于界面强度的影响,深入了解筋土界面抗剪强度以及界面剪胀特性.试验结果表明,粗颗粒和细颗粒土分别与筋材的界面强度要明显大于级配较好的标准砂与筋材的界面强度.密实砂土界面强度具有类似混凝土材料强度高韧性低脆性破坏的特性.对于土工格栅,粗颗粒砂粒由于粒径较大达到峰值强度需要较大的剪切位移.     

非饱和云南红黏土的不排气不排水变形特性研究

非饱和土中吸力的测量比较困难,选择饱和度作为参数在非饱和土研究中具有重要的实用价值.在改进的常规三仪上对不同干密度、不同饱和度的云南红黏土试样进行不排气不排水三轴试验,试验过程中试样出现了明显的剪胀现象.当试样干密度较大时,即使饱和度较大也出现了剪胀;而当试验干密度较小时,在饱和度较大时剪胀消失.通过微观机理可以很好地解释这种剪胀现象,剪胀主要由于试验过程中孔隙气压力所造成颗粒间力矩不平衡引起的,而当干密度较小、饱和度较大时,孔隙气在围压作用下会溶于水,这种颗粒间的不平衡力矩消失,剪胀现象也随之消失了.     

砂土弹塑性-损伤本构关系的数值建模

认为岩土介质变形中出现的剪胀现象实质上是一个损伤过程.通过中密砂的三轴压缩试验,发现其在剪胀后,弹性模量和剪切模量大幅度下降,这进一步证实了剪胀的确是个损伤演化过程.引进了一个损伤变量描述这个过程,结果表明,损伤程度相对塑性体积应变的变化速率与初始固结压力相关,且随压力增大而减小.同时利用数值建模方法建立了砂土的弹塑性-损伤模型,考虑了弹塑性变形与损伤的耦合效应,获得了相应的应力应变关系及它的三维曲面.     

考虑颗粒破碎的钙质砂双屈服面模型

珊瑚岛礁主要由颗粒形状不规则、多孔隙、高压缩性、易破碎的钙质砂组成。在进行珊瑚岛礁生态开发建设时,由于其地基土钙质砂具有特殊性,有必要针对颗粒易破碎的钙质砂进行本构模型研究,为设计施工提供参考。首先进行不同围压的钙质砂三轴试验并筛分颗粒,得到应力-应变关系曲线及级配变化曲线。试验结果表明：对于同一级配、同一密实度的钙质砂在不同围压下存在不同程度的应变软化和剪胀性,尤其在较低围压下更为明显;存在应变软化和剪胀性的围压范围内,随着围压的增大,其偏应力峰值点和临胀点所对应的轴向应变越大;不同围压下钙质砂颗粒均出现了不同程度的颗粒破碎,且围压越大其颗粒破碎程度越大,细粒含量相对越多。同时,为了准确描述考虑颗粒破碎的钙质砂应力-应变关系,基于分形理论和莫尔-库仑理论建立颗粒破碎指标对峰值内摩擦角进行修正,并结合试验数据对“南水”模型中的切线变形模量和切线体积比进行修正,明确了各材料常数的意义,最终建立了考虑颗粒破碎的钙质砂本构模型。采用Fortran语言将修正的本构模型汇编程序进行模拟,并与试验结果进行对比,两者较为吻合。除此之外,结合引用文献中相关试验数据对所建立考虑颗粒破碎的钙质砂本构模型进行推广验证,结果表明该模型依然能够较为准确的反映钙质砂在不同围压下存在的应变软化和剪胀性。     

基于立方体试件的沥青混合料双轴压缩试验研究

为研究第二主应力对沥青混合料强度的影响,考虑轴数、温度与加载速度3个因素,采用设计的双轴压缩试验仪器对立方体试件进行沥青混合料双轴压缩试验。结果表明：影响沥青混合料强度的显著顺序由大到小为轴数、加载速率;温度以5℃为间隔,从15℃变化到25℃时对沥青混合料强度影响不显著。应变分别小于0.020,0.010,0.008时,应力-应变曲线基本重合。应变增加时,应力-应变曲线非线性增大;油石比大于5%时,立方体试件双轴压缩强度增长趋势缓后有降,且随空隙率增大逐渐降低。     

砂-结构接触面直接剪切的物理试验与数值模拟

利用DRS-1型超高压直残剪试验系统以及颗粒流软件PFC2D,对砂与地下结构的接触面分别进行了直接剪切物理试验与数值模拟,获得了砂与地下结构接触面力学特性的宏观表象及内在机理.结果表明:砂与地下结构接触面的剪切应力-剪切位移曲线随法向应力的增加,其应变软化特性逐渐减弱而硬化特性逐渐增强.在一定法向应力条件下,随着结构面粗糙程度的增加,应变软化特性增强,且达到峰值剪应力所需要的剪切位移逐渐减小;随着法向应力的增加,结构面粗糙度对接触面力学特性的影响程度降低.在一定的法向应力条件下,对同一结构面,接触面的剪切强度符合摩尔-库伦强度准则;不考虑颗粒破碎时,颗粒的"剪胀"是引起砂-结构接触面剪切强度变化的主要原因之一;当相对粗糙度R较小时,结构面的存在所引起的剪胀量较小,接触面的峰值剪应力较小;随着R增大,颗粒受结构面的约束,引起的剪胀量变大,峰值剪应力增加;当R增大到一定程度时,结构面对颗粒运动的约束作用所引起的试样剪胀量变小,峰值剪应力亦随之降低.     

橡胶砂力学性能的三维离散元数值模拟

为揭示橡胶砂混合料强度特性、偏应力-轴向应变曲线及体应变-轴向应变曲线的变化规律,利用颗粒流软件,对三轴压缩状态下橡胶砂混合料的力学特性进行了三维离散元数值模拟,从宏观、微观两方面分析质量配比、粒径比和围压对橡胶砂力学及变形特性等方面的影响。分析结果表明：当ω(橡胶)<10%时,橡胶砂表现出类砂力学特性,即先剪缩后剪胀,应力-应变曲线呈软化型,当ω(橡胶)≥20%时,橡胶砂表现出类橡胶力学特性,试样单调剪缩,应力-应变曲线呈硬化型。随着橡胶含量的增加,橡胶砂应力-应变曲线峰值降低。胶砂粒径比对橡胶砂应力-应变关系存在一定的影响,主要表现为随着平均粒径比的增大,体应变增大,应力-应变曲线降低,抗剪强度减小。随着围压的增加,低橡胶含量的橡胶砂剪胀和应变软化特性得到抑制,而高橡胶含量橡胶砂剪缩和应变硬化特性增强。混合料抗剪强度的降低主要归因于软橡胶颗粒的加入所引起的橡胶砂试样刚度损失,而其膨胀反应受到抑制的原因是橡胶颗粒容易被挤压而产生体积收缩。     

不同颗粒强度人工模拟粗粒土三轴试验研究

通过制备不同强度水泥球形颗粒,并以一定级配制成人工模拟粗粒土,以此进行三轴固结排水剪试验,研究了颗粒强度对粗粒土强度及变形特性的影响。试验结果表明:颗粒强度对粗粒土强度和变形特性均有明显影响,颗粒强度的提高引起抗剪强度的增大以及体积变形的减小。低围压下,高颗粒强度的粗粒土表现为应变软化,低颗粒强度的粗粒土则表现为应变硬化,体积变形均为剪胀;高围压下各种颗粒强度的土均表现为应变硬化,体变表现为剪缩。线性强度指标c、φ和邓肯E-B模型参数K、K_b与模拟料颗粒强度的关系均可用直线表示,非线性指标φ₀、φ与颗粒强度关系则近似用二次曲线表示。峰值摩擦角φ_f与粗粒土颗粒强度也呈线性关系,颗粒强度每增大1 MPa,峰值摩擦角φ_f增大0.066 5°。     

冲击载荷作用下红砂岩土能耗规律试验

选取寻乌南桥-龙川上坪公路路基红砂岩土为试验材料,利用动静组合加载试验装置,研究了红砂岩土峰值应力、吸收能、体积吸收能等与冲击次数和干密度之间的关系.结果表明:随着冲击次数增加,峰值应力呈"缓慢增长-急剧增长-平稳发展"3个发展阶段,拟合关系为logistic函数;随着冲击次数增加,红砂岩土试样的吸收能逐渐增加,且达到一定冲击量时,吸收能有减小趋势,吸收能与冲击次数存在二次函数关系,且相同冲击次数,干密度越大,试样吸收能越大;体积吸收能变化曲线呈S递增型,材料吸收能挤压土体颗粒间孔隙,主要表现为土体颗粒滑移,使土颗粒重新排列,增强了红砂岩土体抵抗外界冲击力;干密度对红砂岩土体积吸收能影响较大.     

含层状节理岩体力学性质数值模拟研究

采用GDEM软件分析不同角度下平行层状节理岩体力学性质,探讨节理角度与加载方向夹角的变化对试件破坏模式的影响,采用工程常见的不同层间岩体材料建立平行层状节理模型,通过静载单轴压缩、双轴压缩和纯剪切3种加载方式,分析此类岩体模型在不同倾斜角度情况下破坏形式、加载过程应力应变关系和峰值载荷变化趋势。分析结果表明平行层次节理岩体的力学性质和峰值强度与节理倾角有直接关系,并通过模拟发现在3种加载情况下平行层次节理岩体表现出明显的弹脆性力学的特点。     

土工格栅加筋拉拔试验界面特性细观分析

筋材与填土界面摩擦特性直接影响加筋效果,其技术指标在工程设计中占重要地位.采用离散元法软件PFC2D,通过双轴试验和格栅拉伸试验确定土颗粒和格栅参数,建立了不同界面的加筋土拉拔试验模型,从细观角度对土工格栅与不同填土界面特性进行分析.试验结果表明:格栅上侧水平位移量比格栅下侧大;拉拔过程中格栅两侧的剪切带宽度不相等,格栅下侧剪切带宽度较大;不同形状颗粒间咬合嵌锁程度不同,咬合嵌锁程度越大,其水平位移量越小,剪切带宽度越大.     

混凝土双轴压缩强度尺寸效应机理

为了研究混凝土双轴强度尺寸效应产生的机理,考虑混凝土尺寸效应及其宏观力学非线性源于其材料组成的非均质性,结合混凝土细观结构形式,从细观角度将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质和界面过渡区组成的三相复合材料,建立了尺寸分别为150 mm×150 mm、300 mm×300 mm和600 mm×600 mm的数值混凝土试件.首先通过对150 mm×150 mm方形混凝土试件进行单轴压缩力学特性模拟,采用反演法确定了界面过渡区的力学参数,进而对双轴压缩加载下混凝土的破坏行为及其尺寸效应进行了分析.研究结果表明:1)损伤破坏形式随试件尺寸发生变化,试件最终破坏消耗的断裂能不同是导致混凝土双轴压缩强度产生尺寸效应的主要原因;2)混凝土单、双轴压缩强度均存在明显的尺寸效应行为,并且Bazant尺寸效应律能够较好地描述混凝土在单、双轴压缩加载下的强度尺寸效应.     

双轴受压状态下混凝土动态抗压特性试验研究

由于多轴试验装置的高技术性,混凝土在复杂应力状态下的动力研究相对偏少。为研究双轴受压状态下混凝土的动态抗压特性,采用真三轴静动综合加载试验系统,进行了5种双轴受压状态下混凝土立方体试件的冲击压缩试验,分别从应力-应变曲线特征、强度特性和变形特性等方面分析双轴受压状态对混凝土动力响应的影响规律。结果表明：双轴受压状态下,混凝土承受冲击荷载时呈现典型的脆性破坏,应力-应变曲线初期无明显压实挤密阶段;主轴压比一定时,随单侧压比的增大,混凝土的动态抗压强度呈现出先升高后降低的趋势,峰值应变和平均应变率皆呈现出先减小后增大的趋势;双轴受压对混凝土有加固约束作用,因而提高了其动态抗压强度和抗变形能力,主轴压比：单侧压比为0.4：0.4时作用效果最佳。