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。     

堆石体三轴剪切试验的三维细观数值模拟

从细观角度出发,采用随机模拟技术建立堆石体的三维随机颗粒模型,基于修正的增广Lagrangian算法的非线性接触算法模拟颗粒间的相互接触,采用损伤软化模型描述细观单元的应力应变关系,当细观单元的损伤度超过损伤阀值时删除该单元,采用Weibull概率分布描述堆石体材料物理力学性质的非均匀性。以水布垭面板堆石坝茅口组堆石为研究对象,进行其三轴剪切试验的变形体离散元细观数值模拟,采用应变控制加载,再现了堆石体的颗粒变形和运动规律。数值计算结果表明,数值模拟能够较好地反映堆石体三轴试验的变形规律,得到的轴向应变–偏应力曲线和轴向应变–体积应变曲线接近试验曲线。从能量角度分析了颗粒变形、颗粒间的摩擦、颗粒的损伤破碎、颗粒运动在加载过程中对系统的贡献。     

堆石体应力变形细观模拟的随机散粒体不连续变形模型及其应用

 从细观角度建立堆石体的随机散粒体不连续变形(SGDD)模型,该模型采用蒙特卡罗法建立堆石体的随机分布模型,通过基于修正的增广Lagrangian算法的非线性接触算法模拟颗粒间的相互接触作用,可以有效模拟颗粒相互作用及尖端破坏等因素。对堆石体三轴试样进行细观数值模拟和试验验证,再现了堆石体内部的颗粒运动变形规律。数值计算结果表明,SGDD模型能够较好地反映堆石体试验的瞬时变形规律。对室内试验缩尺效应进行探讨,采用试验级配与真实级配的2组三轴堆石体试样,运用SGDD模型进行对比分析。计算结果表明,在没有考虑堆石体流变和湿化的条件下,采用原始级配的SGDD模型在相同的应力水平和围压下表现出较小的变形。     

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。     

堆石体粒径的概率分布特征

堆石体的物理力学性质与堆石体颗粒的几何特性密切相关,如颗粒形状、粒径和堆积方式等,对堆石体物理力学性质的研究建立在对颗粒几何形态研究的基础上,而颗粒的几何特性具有概率统计特征。针对目前对堆石体的研究主要以散体力学、细观力学和数理统计为基础的研究这一特点,分析了堆石体粒径的概率分布特征,给出了粒径的分布密度和分布函数,求出了统计特征值。其分析结果对进一步研究堆石体的物理力学特性及稳定性分析提供了理论基础。     

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。     

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。     

散体颗粒介质变形局部化宏–细观机制研究

散体颗粒是自然界中广泛存在的一类特殊的介质,受内部组构影响,散体颗粒介质在外荷载作用下发生明显的变形局部化效应,这也是岩土力学领域一直研究的热点问题之一。然而目前对于其机制研究方面大都局限于细观统计参数的分析,忽视了宏观现象与细观机制的内在联系。本文以砂土颗粒介质为例,运用离散元法对其在直剪试验过程中的宏–细观力学特性及变形破坏机制进行系统分析,并取得一些有意义的认识。根据数值试验中试样在不同法向应力下剪应力比的发展,从颗粒运动角度探讨试样宏观抗摩擦特性变化趋势的细观机制;发现描述细观组构的各向异性参数及主方向与宏观上剪应力比的发展具有同步性,反映试样宏细观演化的统一性;通过对于颗粒旋转的统计分析,揭示颗粒间摩擦作用是维持细观力学结构相对稳定的重要因素;通过对力链网络的形态演化分析,发现试样大主应力方向与各向异性主方向一致,力链密集程度随剪切过程下降,试样孔隙度随之上升;提出不同法向应力下的2种主要力链结构的力学模型,通过稳定性分析与能量累积释放理论解释宏观力学参数波动情况的原因,揭示散体颗粒介质变形局部化和体应变剪胀的细观机制。     

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。     

考虑颗粒破碎的堆石体三维随机多面体细观数值模拟

 基于随机颗粒不连续变形模型,在颗粒的细观单元之间插入界面单元,采用黏聚力裂缝模型模拟界面单元的起裂、扩展和失效,研究颗粒破碎对堆石体强度和变形的影响。从宏观、细观2个层面分析细观数值模拟结果,结果表明：本文提出的方法能直接模拟三维颗粒破碎现象,颗粒破碎降低堆石体的强度,其机制在于颗粒破碎弱化堆石体的剪胀性能,使得由于剪胀引起的内摩擦角显著降低,颗粒破碎的影响随围压的增加而增大;颗粒破碎时伴随着声发射,高围压下声发射数多于低围压下,表明高围压下颗粒破碎更明显,与试验结果一致;在剪切过程中,颗粒间接触法向逐渐由水平方向向竖直方向倾斜,法向接触力的主方向与加载方向相同,颗粒间平均法向接触力逐渐增大。     

300 m级高土石心墙坝流变特性研究

300 m级高土石心墙坝的流变特性对预判坝体竣工后长期变形及沉降具有重要的意义,对于研究防渗心墙能否适应坝体长期变形并正常工作亦至关重要。依托314 m高的双江口土石心墙坝工程,使用大型高压三轴仪对上、下游堆石料进行了流变特性试验研究,研究表明当最终的应力状态一致时,堆石料的流变按照分级加载和按照单级加载得到的流变曲线随着时间的发展差异性逐渐减小,最后基本趋于一致。在试验基础上,依据流变经验模型,得出了流变分析参数,并采用三维有限元法分析了300 m级土石心墙坝的流变特征。数值分析表明流变速率对坝体工后沉降幅度影响显著,由于试验中的流变速率较之现场坝料的实际流变情况明显偏快,因此流变速率的确定还有必要依据已建工程的反分析进行修正。     

堆石料流变的黏弹塑性本构模型研究

堆石坝流变变形主要是堆石料在环境因素作用下的劣化和高接触应力下的颗粒破碎重排引起的。在等向压缩方程中引入反映堆石料颗粒强度的固相硬度参数,选用双曲线型式的固相硬度衰减模型,以反映堆石料颗粒强度随时间劣化的特性;在分析堆石料流变试验结果的基础上,建立了流变变形的双曲线型流动准则;推导了流变变形的计算公式,并构建了流变模量表达式,从而建立了一个可统一考虑加载与流变过程的堆石料黏弹塑性本构模型。通过模拟两种典型堆石料的流变试验资料验证了模型的有效性。     

堆石料状态相关三维多重机制边界面模型

堆石料的应力应变特性与材料的密度、压力等状态密切相关。针对堆石料的变形与强度非线性,在临界状态和边界面弹塑性理论框架内,建立了一个堆石料状态相关三维多重机制边界面模型。模型将复杂的宏观变形行为分解为一个宏观体应变机制和一系列空间分布的相互独立虚拟微观剪切机制。每个微观剪切机制包含3个方向的微观剪应力–应变关系和微观应力–剪胀关系。引入一个与密度、压力相关的状态参数,用以统一描述不同状态下堆石料的变形和强度特性。模型包含12个参数,多数具有明确的物理意义。对2种堆石料三轴压缩试验结果进行模拟计算,模型模拟值与试验结果吻合良好,说明模型能够较合理地预测堆石料的应力应变特性。     

堆石流变试验及双屈服面流变模型的研究

通过对两类不同岩性的堆石料作室内三轴流变试验,研究了堆石料的流变特性,试验结果表明流变体积应变和广义剪应变随时间均呈双曲线变化。殷宗泽曾以椭圆–抛物双屈服面弹塑性模型为基础,提出了一个综合反映堆石料瞬时变形和流变的双屈服面流变模型的初步框架。结合堆石流变试验规律,将该模型用于模拟试样在不同应力状态下的流变变形的发展,确定了模型参数的计算方法,初步验证该模型的合理性和有效性。该模型能反映复杂加载情况,反映剪胀、剪缩特性和流变特性。     

A nonlinear creep model for surrounding rocks of tunnels based on kinetic energy theorem

The initiating condition for the accelerated creep of rocks has caused difficulty in analyzing the whole creep process. Moreover, the existing Nishihara model has evident shortcomings in describing the accelerated creep characteristics of the viscoplastic stage from the perspective of internal energy to analyze the mechanism of rock creep failure and determine the threshold of accelerated creep initiation. Based on the kinetic energy theorem, Perzyna viscoplastic theory, and the Nishihara model, a unified creep constitutive model that can describe the whole process of decaying creep, stable creep, and accelerated creep is established. Results reveal that the energy consumption and creep damage in the process of creep loading mainly come from the internal energy changes of geotechnical materials. The established creep model can not only describe the viscoelastic–plastic creep characteristics of rock, but also reflect the relationship between rock energy and creep deformation change. In addition, the research results provide a new method for determining the critical point of creep deformation and a new idea for studying the creep model and creep mechanical properties.     

考虑级配和颗粒破碎影响的堆石料临界状态研究

临界状态土力学理论在描述细颗粒土应力变形特性方面较为成功,已经成为建立许多黏土和砂土本构模型的基础。对于堆石料,在应力、密度、级配等因素影响下,其变形特性非常复杂,且高应力条件下颗粒易发生破碎,是否存在"唯一"的临界状态值得探讨。通过对不同级配、不同密度的试样在不同围压条件下的一系列大型三轴剪切试验,研究了堆石料的临界状态及其影响因素。研究发现:不同级配、不同密度、不同初始固结应力条件下,当剪应变较大时试样都趋于临界状态,临界状态的值与初始密度、初始级配、颗粒破碎有关;q–p'平面内,堆石料存在唯一的临界应力比M;在e–(p'/p_a)~ζ平面内,临界状态线基本平行,其截距可以根据初始密度和初始级配直接求得。通过对比分析各试样的临界状态,提出了考虑级配和颗粒破碎影响的堆石料临界状态数学表达式。     

300m级超高面板堆石坝变形规律的研究

采用三维有限元数值分析方法研究了300m级超高混凝土面板堆石坝的变形规律。指出坝体分区、筑坝材料特性特别是流变特性是影响超高面板堆石坝变形性状的主要因素,要重视超高面板堆石坝上游部分坝体变形的鼓肚现象。建议了合理选择筑坝材料,适当提高下游堆石区填筑标准、全断面均衡填筑、上部1/3左右坝体采用变形模量较高的坝料,待坝体变形基本趋于稳定才浇筑面板以及考虑设置面板永久水平缝等工程措施来改善超高面板堆石坝的应力变形性状。     

Hypoplastic constitutive modeling of wetting deformation of weathered rockfill materials

The wetting deformation of weathered rockfill materials has been attracting growing attention from both engineers and scientists. The importance of realistic predictions of wetting deformations for high earth and rockfill dams is a strong motivation to establish a suitable constitutive model. Recently, the hypoplastic constitutive model by Gudehus and Bauer was extended by introducing solid hardness depending on the state of weathering. The extended model takes into account the influence of the current density, the effective stress state, the rate of deformation, and the time dependent process of degradation of the solid hardness. In the present paper, the performance of this model is evaluated by comparing numerical simulations with experiments obtained from a water sensitive rockfill material. In particular, triaxial compression paths and creep deformation under deviatoric stress states are considered. Finally, the constitutive model proposed is used to study the influence of a degradation of the solid hardness on the long term behavior of a hypothetical fill dam.     

Hypoplastic constitutive modeling of wetting deformation of weathered rockfill materials

The wetting deformation of weathered rockfill materials has been attracting growing attention from both engineers and scientists. The importance of realistic predictions of wetting deformations for high earth and rockfill dams is a strong motivation to establish a suitable constitutive model. Recently, the hypoplastic constitutive model by Gudehus and Bauer was extended by introducing solid hardness depending on the state of weathering. The extended model takes into account the influence of the current density, the effective stress state, the rate of deformation, and the time dependent process of degradation of the solid hardness. In the present paper, the performance of this model is evaluated by comparing numerical simulations with experiments obtained from a water sensitive rockfill material. In particular, triaxial compression paths and creep deformation under deviatoric stress states are considered. Finally, the constitutive model proposed is used to study the influence of a degradation of the solid hardness on the long term behavior of a hypothetical fill dam.