基于柔性边界的非饱和接触模型参数标定方法研究

离散元法(DEM)是研究非饱和土力学性质的重要方法，其模拟的可靠性取决于非饱和接触模型细观参数的准确标定。目前，对非饱和接触模型细观参数的标定方法缺乏系统研究。本文提出了一种基于柔性边界的标定DEM中非饱和接触模型细观参数的方法，对非饱和接触模型细观参数进行了系统标定，并通过参数敏感性分析揭示了非饱和接触模型中细观参数与宏观力学性质的相关性。首先，通过正交试验设计对细观参数的取值范围进行优化，分析细观参数对宏观响应的敏感性，敏感性分析结果表明：非饱和土的割线模量E50主要受摩擦系数μ、吸力?、杨氏模量E影响，影响程度大小为μ>? > E；非饱和土的峰值强度Sp主要受吸力?、摩擦系数μ影响，其影响程度大小为??>μ>E。其次，根据敏感性分析结果确定相关宏观响应的显著影响参数，利用基于中心复合试验设计(CCD)的响应面分析方法建立非饱和土宏观力学参数与显著影响参数之间的回归方程。再次，根据回归方程建立非饱和土细观参数的最优化模型，使用MATLAB中的FMINCON函数对其进行求解，获得细观参数的最优解。最后，利用获得的最优参数，模拟不同围压下非饱和土的三轴试验并与试验结果进行对比，验证所标定参数的有效性。该方法可为进一步分析非饱和土的细观力学性质提供基础。     

土石混合体细观力学参数对宏观力学特性影响研究

为了系统地研究土石混合体细观力学参数对其宏观力学特性的影响,首先在不规则块石体三维离散元模型的基础上,建立了符合宏观统计规律的含石量为50%的土石混合体三维离散元模型;然后进行了不同石-土颗粒法向刚度的比值、不同石-土颗粒法切向刚度比的比值、不同石-土颗粒摩擦系数的比值和不同石-土颗粒间黏结强度与土-土颗粒间黏结强度的比值等情形下的土石混合体大三轴试验三维颗粒流数值模拟,分析了各种情形下土石混合体的宏观力学响应;最后从微裂纹演化、摩擦功、块石颗粒转动特征等多个角度对各细观力学参数影响的细观机理进行了揭示.结果表明:随着石-土颗粒法向刚度比值的增大,试样初始模量增大,破坏应变和峰值强度均减小;石-土颗粒法切向刚度比的比值和石-土颗粒间黏结强度与土-土颗粒间黏结强度的比值对土石混合体的宏观力学行为影响不显著;石-土颗粒摩擦系数的比值越大,峰值强度和残余强度越大.     

定量确定PFC3D细观参数

细观参数的标定对于应用PFC研究岩石材料的力学特性和破坏机理具有重要意义.本文首次采用均匀设计的方法来确定三维离散元颗粒流程序中平行粘结模型的细观参数.通过分析细观参数对宏观参数(弹性模量E、泊松比ν、单轴抗压强度σc、起裂应力与单轴抗压强度比σci/σc)的影响规律,得到细观参数的变化范围,从而建立了细观参数均匀设计...     

基于线性接触模型的小麦三轴试验细观模拟

利用PFC3D离散元技术,采用线性接触模型,建立小麦三轴试验细观模型,模拟了小麦三轴试验.通过对比三轴室内试验获得的应力-应变曲线,对小麦的细观参数进行标定,并反算宏观参数.结果表明,PFC3D数值方法可很好地模拟小麦的三轴试验.小麦的宏观参数弹性模量、泊松比、内摩擦角、剪胀角与细观参数颗粒刚度、颗粒间摩擦系数等具有良好的相关性.     

基于DEM–CFD耦合方法的煤系土边坡失稳机理宏细观分析

边坡的宏观力学特性是由组成土体颗粒的细观参数及其运动决定的,基于连续介质模型的有限元方法虽然能够在宏观层面上基本等效地得到边坡土体的应力变形特性,但难以反映边坡体在微细观尺度上的变形失稳机理,存在明显的局限性。将离散元方法(discrete element method,DEM)与计算流体动力学方法(computational fluid dynamic,CFD)进行耦合,建立了煤系土边坡3维DEM–CFD流固耦合细观作用计算模型,对降雨作用下煤系土边坡失稳破坏的细观机理进行分析。结果表明,采用DEM–CFD流固耦合方法模拟的煤系土边坡破坏形式主要是雨水冲刷,边坡滑动面预测为近似的直线段,这与室外模型试验边坡雨水冲刷的范围非常接近,验证了该数值方法的适应性。边坡土体颗粒的力链、配位数以及孔隙率等细观参数,在降雨过程中都会随之发生变化,如坡顶颗粒的孔隙率由初始状态的0.35变化至失稳状态的0.80,这些细观参数的变化与边坡土体的宏观力学表现直接关联。文中通过对颗粒细观参数变化分析,从细观角度解释了雨水作用下煤系土边坡的破坏演变规律。研究成果为该区域煤系土边坡的防护设计与施工提供理论依据,并从微细观角度更好地分析离散介质岩土工程的宏观力学规律提供了一种思路。     

利用迭代思想标定砂土三轴试验宏-细观参数

为提高离散元中三轴试验宏-细观参数标定工作效率,提出一种新的方法——迭代标定法.利用fish语言编写程序在PFC~(3D)中实现了三轴试验的数值模拟.基于接触黏结模型对砂土三轴试验进行模拟,验证了迭代标定法的有效性.结果表明:颗粒刚度大小和颗粒刚度比都会影响偏应力的大小;颗粒法向刚度会影响初始杨氏模量;细观摩擦系数对偏应力的影响程度取决于模型围压的大小;黏结强度对接触黏结模型的应力应变曲线形态影响较小,但对平行黏结模型的应力应变曲线形态有较大影响.迭代标定法可以有效标定宏-细观参数,减少"试参数"过程.     

砂土介质中土压力盒的力学响应特性

砂土介质是典型的颗粒物质,介质的有效应力和变形都与骨架上的颗粒特性直接相关,而颗粒性状的改变进而影响着测试过程中土压力盒的力学响应。但宏观力学理论和连续介质方法无法准确解释介质颗粒间的力学行为,为了对实际工程进行更准确的测试,基于细观分析方法研究了荷载作用下的砂土颗粒接触形成的力链网络,模拟了力传递过程,并分析了加卸载时的力-应变曲线和土压力盒力学响应与理想曲线的关系,验证了文章提出的砂土介质土压力盒力学响应数值模型。同时,基于建立的颗粒流数值模型研究加载模式、颗粒排列、颗粒间摩擦系数以及压力盒刚度等对压力盒测试的影响,其结果显示压力盒力学响应曲线具有明显的迟滞性和应变不可逆性,其监测值对上述因素很敏感。因此,研究力链结构及其演变规律为认识砂土介质的细观结构提供了科学的理论依据和新的研究手段,各因素对压力盒力学特性的影响研究对压力盒标定和获得更准确的土压力值具有重要的实践价值。     

基于DEM-CFD耦合方法的煤系土边坡失稳机理宏细观分析

边坡的宏观力学特性是由组成土体颗粒的细观参数及其运动决定的,基于连续介质模型的有限元方法虽然能够在宏观层面上基本等效地得到边坡土体的应力变形特性,但难以反映边坡体在微细观尺度上的变形失稳机理,存在明显的局限性。采用将离散元方法（DEM）与计算流体动力学方法（CFD）进行耦合,建立了煤系土边坡三维DEM-CFD流固耦合细观作用计算模型,对降雨作用下煤系土边坡失稳破坏的细观机理进行了分析。结果表明,采用DEM-CFD流固耦合方法模拟的煤系土边坡破坏形式主要是雨水冲刷,边坡滑动面预测为近似的直线段,这与室外模型试验边坡雨水冲刷的范围非常接近,验证了该数值方法的适应性。边坡土体颗粒的力链、配位数以及孔隙率等细观参数,在降雨过程中都会随之发生变化,如坡顶颗粒的孔隙率由初始状态的0.35变化至失稳状态的0.8,这些细观参数的变化与边坡土体的宏观力学表现直接关联,文中通过对颗粒细观参数变化分析,从细观角度深刻解释了雨水作用下煤系土边坡的破坏演变规律。论文研究成果不仅可为该区域煤系土边坡的防护设计与施工提供理论依据,而且为从微细观角度更好地分析离散介质岩土工程的宏观力学规律提供了一种新思路。     

椭球颗粒体系宏、细观特性的3维离散元分析

颗粒材料由大量不同形状的离散颗粒组成,其力学特性与构成颗粒体系的颗粒形状密切相关。目前,关于颗粒形状对颗粒材料剪切强度的影响已有大量的物理试验或数值模拟试验研究,而非球形颗粒材料在复杂应力路径下的宏、细观力学特性认识还不够充分。本文采用离散单元法(DEM)对按一定级配生成的不同伸长率的椭球颗粒体系进行等σ₃(第3主应力)及等b(中主应力比)的真三轴加载数值模拟试验,研究椭球颗粒体系的3维宏、细观力学特性,并验证常用3维强度准则对椭球颗粒体系的适用性。结果表明：在3维加载路径下,不同于圆球颗粒体系宏、细观演化规律的一致性,椭球颗粒体系的宏观应力面与细观组构面演化规律不一致,宏观应力比与强接触网络组构偏值/均值比线性不为1,这是因为椭球颗粒体系弱接触网络对宏观应力的贡献;椭球颗粒体系宏观体应变、细观法向接触力分布、接触数目及配位数分布等宏、细观指标与加载路径无关;随着椭球伸长率L_AR增大,Mohr–Coulomb准则、Lade–Duncan准则、Mastsuoka–Nakai准则及施维成3维强度准则对φ_max(峰值内摩擦角)...     

基于直剪试验的堆积碎石类材料细观参数标定方法及模拟验证

颗粒材料三维离散元数值模拟的可靠性取决于细观参数的合理标定,目前对细观模拟参数的标定方法还缺少系统性的研究。本文通过室内直剪试验和数模试验对比分析,揭示碎石颗粒材料宏观力学参数与颗粒间细观参数的相关性,提出碎石颗粒材料数值模拟细观参数的标定方法,并验证标定方法的合理性。研究结果表明：在线性模型中,碎石颗粒试样的宏观弹性常数与碎石的粒间法向接触刚度呈正相关,而对粒间切向接触刚度的变化不敏感,基于此提出的粒间接触刚度（法向、切向）标定方法;直剪数值试验的剪应力-剪位移曲线计算结果与室内试验值吻合度较高,结果验证了标定方法的可靠性及合理性;在直接剪切过程中,碎石颗粒内部力链网络随着剪位移的增加逐渐由垂直方向向剪切盒对角线方向偏转,随着颗粒的整体速度场变化而出现剪缩和剪胀现象;采用本文提出的细观参数标定方法对室内滑坡运动试验开展数值模拟,数值模拟滑坡碎石堆积形态与室内试验基本一致,验证了该方法在堆积碎石滑坡模拟分析中的适用性。     

加筋土拉拔界面作用的离散元细观模拟

为研究加筋土界面作用的力学响应,对离散元程序(PFC3D)进行二次开发,建立了土工格栅拉拔试验仿真模型。与室内模型试验结果进行对比,探讨了拉拔界面细观参数的演变及荷载传递机理,揭示了细观参数的演化规律及其与宏观力学性质之间的关系。研究结果表明:筋土界面区域成为主要的位移集中区,上界面影响厚度略大于下界面影响厚度;在筋土界面区域形成了高度的X向应力集中,沿格栅长度方向出现若干个Z向应力集中区,表明格栅横肋挤压土体,其所提供的被动承载力较为显著;在筋土界面区域,局部孔隙率随拉拔位移增大而增大,接触数减少,滑动比随拉拔位移的增加发生了激烈的跌宕起伏,界面局部位置发生剪胀,宏观上对应拉拔阻力增大,而后孔隙率慢慢减小,拉拔阻力回落。     

制粉中的小麦力学参数和接触参数试验标定

研究辊式磨粉机IB磨制粉时的工作特性,对制粉过程进行仿真分析,需标定小麦籽粒与磨辊的力学参数和接触参数。使用质构仪对润麦后小麦籽粒进行力学参数的标定,得到了制粉时小麦籽粒的泊松比、弹性模量和剪切模量。采用润麦后小麦籽粒和磨辊材料平板标定小麦与磨辊的静摩擦系数和碰撞恢复系数。对于不易测量的参数,使用EDEM进行虚拟标定获得,以休止角为响应值,进行Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验和Box-Behnken试验,得到影响小麦休止角的回归方程。以实际休止角为响应面目标,根据回归方程和响应曲面求解最优参数。研究表明：最优参数为小麦-小麦静摩擦系数0.3,小麦-小麦滚动摩擦系数0.04,小麦-磨辊静摩擦系数0.554,最优参数仿真得到的休止角与实际值相对误差率为1.12%。研究结果证明了参数标定的可靠性,可用于小麦IB磨制粉过程中仿真参数的设定。     

非饱和粘土路基平衡湿度空间分布特征及预估

通过室内外试验探讨了非饱和粘土路基平衡湿度沿道路横断面的空间分布特征,并基于非饱和土力学基本理论,采用滤纸法测定了不同含水量土样的基质吸力,标定了反映含水量与基质吸力单值函数关系的土水特征曲线模型,建立了大气降水/蒸发影响区以外非饱和粘土路基平衡湿度的预估方法.研究结果表明,近中央分隔带和路肩处的上部路基土的平衡湿度受大气降水/蒸发的影响显著;大气降水/蒸发影响区以外的路基土平衡湿度主要受控于地下水位的影响;Fredlund＆Xing模型可较好地表征非饱和粘性路基土湿度和基质吸力的相关关系,模型参数拟合结果具有较高的可靠性;地下水位控制区粘土路基平衡湿度预估结果与试验测试值之间具有较高的一致性,预估方法合理可靠.     

推土板切土角对干土壤动态行为影响的离散元模拟

根据液桥对土壤微观力学结构的影响,在传统离散单元法理论的基础上,建立了土壤颗粒接触非线性力学模型,并对不同切土角推土板前端干土壤的动态行为进行了离散元模拟。准确再现了实验室实验中切土角对板面前端干土壤动态行为影响的定性和定量结果,并通过离散元细观分析从土壤内部土壤颗粒运动合理解释了干土壤宏观形态的变化规律和影响因素。     

常吸力下非饱和土柱孔扩张弹塑性解及饱和度响应

为研究非饱和土中常吸力条件下圆孔扩张的应力-应变特性及饱和度响应,基于非饱和土临界状态模型(UCSM)和考虑水力滞回的土水特征曲线(SWCC),引入常吸力下饱和度随孔隙比非线性变化模型,推导非饱和土中柱孔扩张问题的排水半解析解。根据柱孔周围土单元平衡微分方程,考虑边界条件,引入辅助坐标将问题转化为以3个主应力分量、孔隙比和饱和度为基本未知量的一阶微分方程组进行求解。本解答充分考虑基质吸力和超固结比对柱孔扩张响应的影响,探究扩张过程中柱孔周围土体的应力分布和体积变化,以及扩张过程中饱和度的演化规律。结果表明：非饱和土常吸力柱孔扩张过程中,呈现吸力硬化特性,且吸力硬化特性随着吸力增大而趋于稳定;孔壁及周围土体饱和度在扩张过程中变化显著,且受吸力大小的影响较大;当吸力较低时,饱和度主要受含水量变化的影响;当吸力较高时,饱和度主要受孔隙比变化的影响。本文的解答可以很好地捕捉非饱和土体不同应力历史和水力状态下的饱和度响应,可为非饱和土中静力触探试验等原位试验的解释提供指导。     

桩承式路堤土拱效应颗粒流分析

土拱效应是桩承式路堤中荷载传递机制中的关键因素。参照前人室内模型试验,采用颗粒流软件PFC2D建立离散元（DEM ）数值模型,对桩承式路堤中的接触力分布、主应力偏转、竖向位移和侧向位移等进行深入分析。模拟中,路堤填料和桩间土采用Disk单元模拟,桩和模型箱采用Wall单元模拟,路堤DEM 模型采用分层压实法生成;路堤填料细观参数通过建立数值双轴试验进行标定,桩间土细观参数通过建立数值压缩试验进行标定。模拟结果表明：桩承式路堤中土拱由多个不同圆心的半球形拱共同组成,拱的高度约为5（ s－ a）／6;在该高度内路堤中的主应力发生明显偏转,竖向位移量和侧向位移量较大。     

粗粒土三轴试验的细观模拟

对排土场粗粒土进行室内三轴固结排水试验,以此试验结果为基础,基于三维离散元颗粒流理论,从细观角度出发,以PFC3D为工具,通过自编程序并引入接触黏结模型,得到按级配生成的粗粒土三轴试验三维颗粒流模型.对比了不同围压下颗粒流模型与三轴试验的应力应变关系.分析了颗粒细观参数对粗粒土强度的影响.结果表明:按级配曲线得到的PFC数值模型的应力应变曲线的变化趋势与试验值一致,但强度值略低于试验值.粗粒土强度随颗粒间摩擦系数、接触处黏结强度的增大而提高;颗粒形状对材料的抗剪强度影响显著.研究意义在于从细观角度揭示影响粗粒土强度的因素,突破了常规三轴试验的局限性.     

平直节理黏结颗粒材料宏细观参数关系及细观参数的标定

为了分析平直节理黏结颗粒材料宏细观参数关系以及进行细观参数的标定,以单轴压缩、直接拉伸和双轴压缩数值试验作为宏观参数测试方法,对平直节理接触模型细观参数进行正交设计,采用多因素方差分析和回归分析研究宏细观参数之间的关系,在此基础上,建立了细观参数的标定方法。以灰岩的室内试验为基础,对其细观参数进行标定,模拟结果与试验结果相接近,验证了方法的有效性。     

非饱和土强度统一解及地基承载力的拓展研究

为改善现有非饱和土抗剪强度统一解与地基极限承载力的应用灵活性,分别对二者进行了拓展研究.研究包括非饱和土抗剪强度统一解的适用范围,非饱和土地基极限承载力的模型试验结果验证、线性吸力和高吸力对地基极限承载力的影响.结果表明:拓展后的非饱和土通用抗剪强度统一解可适用于双应力状态变量理论、有效应力理论及其他理论方法;扩展后的地基极限承载力公式得到模型试验结果的验证,且统一强度理论参数为0或1都不能反映试验地基土的真实承载特性;高吸力具有双重影响,线性吸力分布下的地基极限承载力明显小于均布吸力下的地基极限承载力.应实测地基土中基质吸力的大小及其分布,并慎重选择高吸力双曲线模型的截距.     

胶凝砂砾石材料宏细观参数及破坏模式研究

采用颗粒离散元方法对胶凝砂砾石材料开展了大量压缩试验,探讨了胶凝砂砾石材料的细观参数和宏观力学参数间的相关性。研究结果表明:材料的弹性模量E与平行黏结法向刚度■和切向刚度■、接触黏结法向刚度k_n、平行黏结黏聚力■呈线性相关,与摩擦系数f呈非线性相关;应力峰值σ_d与接触黏结切向刚度k_s呈线性关系,应力峰值σ_d与平行黏结抗拉强度■、■、f呈非线性关系;结合室内试验,得出了适合胶凝砂砾石材料的细观参数。在此基础上,进一步从细观角度揭示了材料的破坏演化过程。从细观试验来看,试件内部每一次裂纹的产生均伴随着应力降,试件的破坏是一个由内向外发展的过程;第一条主裂缝的贯通出现在峰值应力后,伴随着应力降,裂缝宽度逐渐增大,由于试件受力部位的转移导致第二条主裂缝的贯通,试件最终呈共轭型破坏。