松散软岩巷道破坏的颗粒离散元模拟分析

松散软岩巷道的开挖与支护问题一直是理论与工程难题,围岩破坏机理则是围岩变形控制的关键。结合具体工程,针对一种典型的松散软岩,根据其地质条件和物理力学特性,采用颗粒离散元软件对软岩中巷道的开挖过程进行了数值模拟。文章还再现了软岩从开挖到破坏的整个力学演变过程,以及围岩在一定范围内从裂隙产生到贯通的整个渐进式破坏过程,详细分析了围岩各个关键部位的应力特征,得到巷道围岩应力分布特征图。在等围压的情况下,岩体还表现出较好的成拱效应,能够较好地自稳,得到巷道围岩成拱示意图。分析结果与巷道弹塑解能很好地吻合。以上结果表明,颗粒离散元对类似的岩土工程力学过程和机制的分析有很好的运用前景。     

水–岩化学作用对砂岩力学特性影响的三维离散元分析

水–岩化学作用下岩石发生力学性质劣化,其重要原因是岩石胶结物在水溶液中发生不同程度的溶解。在合理假设的基础上,提出一种改进的离散元三维胶结接触模型,在胶结尺寸相关的离散元接触模型中引入易溶解胶结比例和与水化程度相关的胶结宽度系数,来考虑水溶液对随机分布的易溶解胶结物的溶解作用。将该模型植入离散元进行砂岩的常规和水化后微观参数的标定,对不同水化程度砂岩的单轴和三轴压缩试验进行数值模拟,得到应力–应变曲线以及微观信息,并从宏微观角度分析水化作用对力学特性的影响。模拟结果表明：水化砂岩压缩试验中,以胶结的拉剪和拉弯破坏为主,且水化作用对拉破坏胶结数影响非常大,对压弯破坏影响很小。随着水化程度的加剧,岩石表面宏观裂纹数量增多,有由一条贯穿裂缝向多条裂缝发展的变化趋势;岩石的储能极限大幅降低,颗粒弹性能与胶结弹性能的储能极限和增速有不同程度的下降,胶结弹性能的储能极限有下降到一定程度后趋于稳定的趋势;随着易溶胶结占比的提高,水化岩石的峰值强度和弹性模量对胶结宽度的敏感性提高,当该占比为50%时岩石强度不到完好岩石的1/3,力学性能大幅下降。     

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。     

桩端型式对嵌岩随钻跟管桩承载性能的影响

随钻跟管桩是一种新型的预钻成孔大直径PHC管桩,桩端可嵌入中微风化岩层形成嵌岩桩。为揭示桩端型式对嵌岩随钻跟管桩承载性能的影响,结合混凝土塑性损伤模型、接触面黏结模型和等效Hoek-Brown准则的Mohr-Coulomb模型,建立ABAQUS有限元数值分析模型,重点分析孔底形状、桩靴尺寸、混凝土封底等因素。结果表明：在无混凝土封底条件下,对于孔底形状为柱形锥尖槽,桩端阻力比可达50%以上,槽深(15～30cm)影响有限,但对孔底形状为梯形锥尖槽,桩端承载力弱化明显,仅为柱形锥尖槽的61%;开口钢桩靴易引起基岩接触面的惭进式破坏,桩靴厚度由24 mm增加到40～130 mm,桩端阻力比由54%提高到60%～76%,但增大桩靴厚度会影响排土,合理的桩靴厚度应通过现场试验确定;对于带桩靴的嵌岩随钻跟管桩,封底混凝土是提高承载性能的有效措施,若封底混凝土下部存在渣土,将弱化PHC管桩的桩端承载性能;最后,提出提高嵌岩随钻跟管桩承载性能的改进措施。     

基于Flat-Joint接触模型的黏弹性动态本构开发及其参数影响分析

基于离散元方法将黏弹性本构关系引入到Flat-Joint模型中,推导出黏弹性的力–位移更新公式以及率相关黏结键断裂准则,使颗粒间接触力响应和黏结强度表现出率相关性,并通过C++语言生成供颗粒流程序(PFC^2D)调用的自定义本构子程序(DLL)。模拟不同应变率条件下的岩石类材料动态压缩过程,得到应力–应变曲线、断裂黏结键数量变化曲线和黏结键断裂时刻分布与应变率之间的关系,分析应变率提高对裂纹生成和分布的影响;同时分析各黏弹性参数对应力–应变曲线和泊松比等宏观参数以及试件变形和破坏特性的影响,可知E₁越大,主剪切裂纹越粗壮,E₂越小,剪切裂纹和弥散裂纹数量分布越多,而h₂参数对主剪切裂纹影响很小,但从主剪切裂纹延伸出的次级裂纹随h₂减小而增多。     

地铁盾构施工对上部建筑物影响的参数敏感性分析

为研究地铁盾构施工对上部建筑物的影响,以某地铁盾构施工项目为工程背景,基于Midas GTS建立盾构地铁-土层-上部建筑物的三维仿真整体分析模型,并在该基础上,选取盾构施工的管片厚度、强度和掘进压力为基本因素,设计正交试验分析了地铁盾构施工影响上部建筑物的参数敏感性。结果表明,上部建筑物变形对盾构施工的掘进压力最为敏感。然后结合计算分析结果,总结了地铁盾构施工过程中引起建筑物变形、沉降的主要原因,并基于此给出了盾构施工中上部建筑物变形控制的合理措施。     

应变速率对大骨料混凝土力学性能及破坏形态影响的细观数值分析

为了研究加载速率对水工大骨料混凝土受压力学性能及破坏形态的影响,运用颗粒流离散元软件PFC^2D建立三级配大骨料混凝土细观数值试件,以应变速率10^-5s^-1为拟静态,根据已有文献中三级配混凝土单轴静态压缩试验数据标定出数值试件中砂浆颗粒间的细观参数、粗骨料颗粒间的细观参数和砂浆与粗骨料接触面的细观参数,并将标定出的细观参数分别运用到应变速率为10^-4、10^-3、10^-2s^-1的动态加载中进行动态力学性能及破坏形态数值模拟及机理分析。结果表明,不同应变速率下的应力应变曲线形状相近,随着应变速率的增加,动态峰值应力较静态增加21%～38%,微裂缝数量及粗骨料破坏的个数较静态有明显增加,这些与试验结果大体相符。此外,随着应变速率的增加,数值试件内部的颗粒接触力的不均匀程度有所降低,这表明动态强度的增长与混凝土内部受力的不均匀程度有关。     

基于月壤成分和月球环境的3D打印混凝土结构可行性分析

3D打印工艺在高辐射低温失重的月球环境下凸显巨大的技术潜力,针对月球基地结构的建造技术参数,结合月壤成分、材料比例和细度分布开展了3D打印混凝土配合比设计分析,归纳了月球混凝土3D打印结构的材料配合比,力学性能,工作参数和结构型式等相关研究进展,探讨了真空和低温失重环境下月球3D打印混凝土结构的技术可行性和未来发展趋势。     

竖向荷载对月球车行驶性能影响的离散元分析

技术的发展使得月球车原材料强度更高、质量更轻,而复杂的探测任务要求月球车携带的探测设备越来越多。为了平衡月球车承受的荷重,防止月球车车轮因承受荷载不当导致在月面打滑、下陷以致不能正常行驶,有必要研究月面环境下竖向荷载对月球车行驶性能的影响。针对真实月壤内摩擦角较大、有粘聚力的特点,采用笔者提出的一种考虑粒间抗转动作用与粒间范德华力两个因素的月壤散粒体力学接触模型,模拟月面环境下三种竖向荷载P作用下月球车刚性驱动轮与月壤的相互作用问题。其中,当竖向荷载为400/6 N时,车轮打滑,因此,文中主要对竖向荷载为1 000/6 N和1 350/6 N两种情况进行对比分析。研究结果表明:月面环境下,滑转率随竖向荷载的增加呈下降趋势,月球车因为轮上荷载过小,导致滑转下陷过大而失去行走能力的风险更高。沉陷量也随竖向荷载的增加而减小,月面环境下荷载过小会使月壤的可通过性变差。月面环境下牵引效率随竖向荷载增大而升高但都保持在较低水平。     

层面参数对顺层岩质边坡地震动力破坏过程影响研究

建立3组含有非完全贯通层面和正交次级节理的顺层岩质边坡数值模型,运用FLAC/PFC2D耦合计算方法进行了地震动力破坏过程模拟试验。试验结果证明：非贯通层面部分在水平地震动力作用下,同时存在张拉和剪切两种破坏模式。非贯通层面部分的强度和层面贯通率对顺层边坡地震动力稳定性的影响十分明显,控制着边坡产生破坏的临界地震动力输入幅值以及产生破坏后边坡的破坏范围大小。贯通层面部分的抗剪强度（即贯通层面的摩擦角）对边坡地震动力稳定性和破坏范围的影响很小,只有在顺层边坡内部所有岩层层面均完全贯通的前提下才能转变为边坡稳定性主控因素。     

黄屯硫铁矿群孔大型抽水试验设计与应用研究

以黄屯硫铁矿水文地质勘探为研究案例,探讨了群孔抽水试验设计的要求与条件,提出了试验成果应用研究的方法及相应推论,认为弥散试验、动水位等深线图及动水位水力坡度可以表征含水层介质的类型、导（阻）水特性,并主要基于群孔抽水试验成果,建立矿区水文地质模型。     

冲击荷载作用下岩石动态力学特性及破裂特征研究

采用分离式霍布金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验系统对灰岩,白云岩和砂岩3类岩石进行动态冲击试验,得到岩石的动强度因子,耗散能密度及破碎尺寸与应变率的变化关系。在此基础上结合晶体离散元方法,采用高分辨率扫描和图像处理技术建立了晶体尺度试样模型,研究岩石材料高应变率力学特性和损伤特征。通过与室内SHPB试验对比,验证数值模拟的准确性。结果表明:岩石材料的动态屈服强度具有明显的率相关性,但弹性模量没有随应变率的增加而显著增加;在高应变率下,材料的动强度因子与应变率更符合Ханукаев公式;随着应变率的增加,岩石的破坏形态出现完整型→劈裂破坏→粉碎性破坏转化,这是由细观裂纹的激活数目以及裂纹间的相互作用关系所决定的。裂纹密度的变化和扩展路径的选择是材料动断裂机制,其宏观表现为材料的率效应和破碎成形。     

裂隙岩体稳定/非稳定渗流数值模拟

 发展裂隙岩体稳定/非稳定的渗流数值模型,一方面,依照裂隙面的密度、产状、位置、大小和开度的统计分布规律,使用蒙特卡罗模拟技术将完整岩石切割为三维不规则块体集合。根据相邻块体单元间产生的裂隙单元,构建三维裂隙网络系统,并附加各裂隙单元的水力特性;另一方面,对裂隙单元进行三角形单元的有限元网格划分,运用变分原理导出裂隙单元的渗流有限元求解方程。采用离散元方法中的动态松驰技术,在无须组装整体渗透矩阵的情况下求解裂隙网格各结点的水头值。最后,通过典型算例验证程序的可靠性及适用性。     

基于非线性动态强度准则的岩石动态变形过程统计损伤模拟方法

 岩石动态应变率对岩石动态变形过程具有极其重要的影响,因此,首先考虑岩石动态应变率对岩石强度的非线性影响特点,通过对现有岩石动态强度准则进行改进,建立反映应变率影响的非线性岩石动态强度准则,为岩石动态变形过程模拟方法研究奠定了坚实的基础;然后,采用本文非线性动态强度准则,在重点探讨考虑应变率影响的岩石微元强度度量方法基础上,引入统计损伤理论建立岩石动态统计损伤本构模型,并提出基于岩石动三轴试验曲线的模型参数确定方法,进而建立岩石动态变形过程模拟方法。它不仅能反映应力状态而且能反映应变率对岩石变形过程的影响;最后,通过与现有同类模型理论曲线以及相应试验曲线的比较分析,表明了提出模型与方法的合理性与优越性。     

考虑岩体开挖卸荷动态变化水电站坝肩高边坡三维稳定性分析

金沙江一双曲拱坝最大坝高277 m,左岸坝肩开挖边坡高约300 m;右岸坝肩开挖边坡高约480 m,由于坝肩槽开挖所形成的边坡属于高陡边坡,其开挖后的稳定状况会极大影响大坝的正常运行。通过对坝址区地质资料的详细分析,建立坝肩边坡三维计算模型,并结合卸荷岩体力学理论,通过弹塑性有限元法研究坝肩边坡在开挖过程中的动态稳定性。研究结果表明：该高边坡在开挖过程中及开挖后,除开挖面附近局部区域不稳定外,整体并无失稳趋向;考虑岩体在开挖过程中的动态卸荷过程后,边坡岩体的位移和塑性区面积比不考虑时有所减小;岩体的破坏区随着开挖的进行不断变化,可根据每步开挖后岩体的破坏情况选择合理的加固措施及加固时间。