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。     

非饱和结构性黄土侧限压缩和湿陷试验三维离散元分析

为了研究非饱和结构性黄土在侧限状态下受竖向荷载和增湿作用的宏微观力学性质,对非饱和重塑和结构性黄土侧限压缩和湿陷试验开展了三维离散元模拟分析。首先通过引入颗粒吸引力考虑黄土颗粒间范德华力和毛细力作用,引入胶结考虑结构性黄土颗粒间化学胶结作用,建立结构性黄土三维接触模型;然后采用分层欠压法并考虑颗粒间范德华力制成松散均匀的黄土离散元试样,在试样中施加毛细力模拟黄土的非饱和性,施加胶结模拟黄土的结构性;最后选择合适的接触模型参数,对试样施加分级竖向荷载并在多级荷载下进行了增湿试验分析。结果表明:离散元模拟能够再现黄土室内侧限压缩和湿陷试验的主要力学性质,如重塑黄土的屈服应力和结构性土的结构屈服应力随含水率的减小而增加,重塑黄土和结构性黄土单线法增湿变形结果基本与双线法结果相同。胶结破坏分析表明,结构性黄土离散元试样的胶结破坏存在阈值平均应力;增湿后达到的胶结破坏数与相同竖向压力下的饱和土胶结破坏数相差不大(单双线法相同);湿陷体应变与胶结破坏数量密切相关。     

粗骨料颗粒尺寸对混凝土力学性能的影响试验

混凝土骨料颗粒尺寸是近几十年来一个十分重要的研究方向。建立水泥砂浆、骨料及两者间的粘结带构成的三相非均匀细观复合材料模型,通过保持相同的骨料百分比及颗粒级配,研究最大粗骨料粒径对混凝土材料力学性能及其细观破坏机制的影响,发现最大粗骨料尺寸对混凝土试件强度的影响具有一定优势范围,当粗骨料最大粒径为20～40mm时极限应力基本不变,当粗骨料最大粒径大于40 mm时,极限应力快速下降;此外,最大粒径的尺寸对混凝土的破坏机制有明显影响,随着粗骨料粒径的增加,材料从渐进累积型破坏逐渐向脆性突然型破坏转变。研究结论可为进一步从细观角度研究混凝土材料提供参考。     

多种应力路径下结构性土胶结破损演化规律离散元分析

结构性土体通常指粒间含有胶结的土体,可看成一种特殊的胶结颗粒材料,探明结构性土体的胶结破损演化规律是加深结构性土体宏微观力学性质认识及建立结构性土本构模型的关键。由于试验手段难以定量获取胶结破损信息,通过离散单元法分析了结构性土体的胶结破损演化规律。首先采用相对完备的胶结接触模型建立了结构性土体离散元试样,接触模型考虑了颗粒及胶结物质的抗转动和抗扭转作用以及胶结尺寸对刚度和强度的影响;然后开展了结构性土侧限压缩、等向压缩、等应力比压缩以及常规三轴和真三轴试验的离散元数值分析,再现了结构性土的主要宏观力学特征;在此基础上的胶结破损演化分析表明胶结破损参量B0演化具有明显的应力路径相关性,而新提出的破损参量Bσ应力路径相关性低,通过Bσ与等效塑性应变的指数函数关系,可以描述结构性土体的胶结破损演化情况。     

用于离散元分析的胶结材料三维微观接触模型

岩石、结构性土、含水合物深海沉积土(能源土)等岩土材料均可视为由颗粒骨架和粒间胶结物共同构成的胶结型材料。简单实用的微观粒间接触模型是采用离散元数值方法分析胶结体系宏微观力学特性的基础。针对有一定厚度的粒间胶结形式,将胶结物简化为存在于颗粒之间有一定厚度的短圆柱。通过对胶结物内部应力分布进行适当简化推导了三维粒间接触模型,包括法向、切向、弯曲和扭转四个方向的相互作用规律。最终所得模型结合了理论推导和既有室内胶结接触力学试验成果,考虑粒间胶结物的法向压碎过程,能描述切向、弯曲和扭转单独作用的破坏过程以及剪弯扭共同作用下的破坏准则。模型形式简单,易于引入离散元程序。     

胶结砂土强度特性的真三轴试验离散元分析

采用三维离散元法从宏微观尺度研究胶结砂土在真三轴试验条件下的强度特性。首先,将一个已有的三维胶结接触模型引入到离散元程序中,对胶结砂土数值试样进行真三轴试验离散元模拟(平均应力p保持不变,包括结构屈服前p=100 kPa和屈服后p=800 kPa);然后,对比分析离散元模拟结果和室内试验结果,并验证已有的胶结材料破坏准则;最后,从微观尺度对强度特征给予机制性分析。结果表明:当p小于结构屈服应力py时,应力–应变关系表现为显著的应变软化,当ppy时,应力–应变关系则呈现为应变硬化现象,且均受中主应力系数b的影响。归一化的峰值强度q_(peak)随b增加而逐渐减小,该变化规律与已有室内试验结果符合较好。Modified Lade-Duncan准则可以较好地预测p=100,800 kPa时的峰值强度,Extended SMP准则能较好地预测p=100 kPa时的峰值强度,但高估了p=800 kPa时的峰值强度。在微观尺度上,胶结试样的宏观力学特性主要受强接触点控制;随b增加,颗粒间法向接触力分布逐渐不均匀,导致胶结材料强度降低。     

非饱和重塑与结构性黄土等向压缩试验离散元分析

为了研究非饱和重塑与结构性黄土在等向压缩条件下宏微观力学性质,进行了等向压缩室内试验的离散元数值分析。运用本团队提出的非饱和结构性黄土三维胶结接触模型,根据室内真三轴试验标定三维接触模型参数,进行了非饱和重塑与结构性黄土的等向压缩离散元模拟,并与室内试验结果进行了对比,在此基础上分析了其宏微观力学机理。结果表明:离散元模拟结果能较好的定性反映黄土的力学特征,非饱和黄土的孔隙比随平均应力先缓慢下降,后在屈服压力附近开始过渡到快速下降;胶结接触在达到某阈值平均应力时开始发生破坏;胶结开始发生大量破坏的阈值与压缩曲线上的结构屈服应力有很好的对应关系。     

圆形隧道开挖卸荷效应的动静态解析方法及结果分析

针对地下圆形隧道的开挖卸荷效应,基于岩石动力学和弹塑性理论,在求解其动、静态显式解析解方面进行新的尝试。首先,探讨非均匀应力场中圆形隧洞开挖卸荷的力学模型,研究初始应力的分布规律以及卸荷过程的处理方法。基于Laplace变换和留数定理,给出一种计算隧道开挖时围岩响应规律动态解析解的方法,得到线性卸荷条件下围岩应力和位移的解析表达式。其次,考虑岩体的非线性硬化和软化特性,运用弹塑性解析法,推导出围岩应力和位移的静态解析表达式。对比分析动静态解析结果的差异,结果表明：(1) 卸载阶段,惯性力的存在能减少开挖卸荷对围岩的破坏,保持围岩的完整性,故而在动态解析结果中,围岩的扰动范围小,位移小,应力集中系数低,但应力梯度较高。(2) 动态解中,径向应力一直处于压缩状态,而切向应力先拉后压,有利于径向拉裂纹及层板结构的形成。(3) 卸荷速率存在临界值,当卸荷速率达到临界值时,质点的振幅及频率都达到最大值。     

考虑流固耦合效应的储层砂岩力学响应分析

用柱坐标系下的三维颗粒流数值方法研究储层砂岩的力学响应。通过实际颗粒级配的数值模拟与室内三轴试验对比,确定砂岩颗粒的细观力学参数,建立基于流固耦合效应的射孔试验模型。结果表明:砂岩的宏观应力反映了油藏流速对砂岩应力的增幅,但均未超过储层砂岩的峰值强度,最大塑性区约为12.9 mm,显示局部化的砂岩破坏过程;胶结应力的变化表明流速大于3 m/s时,增幅明显的剪应力加速了砂岩的剪切破坏,且颗粒平动和转动加剧,说明砂岩的胶结破坏严重,离散颗粒数呈量级增大,塑性区扩大明显。考虑流固耦合效应的三维数值方法能有效反映油井出砂的力学特性,当油藏流动对砂岩起控制作用时,出砂几率显著提高。     

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。     

远场剪切波作用下深埋矩形隧洞地震响应解析解

 既有理论针对土体与结构相互作用的地震响应研究一直集中在圆形隧洞截面,而就矩形隧洞的分析往往会增加动力计算的复杂性。基于拟静力法,采用复变函数理论和保角变换方法,推导获得远场剪切波作用下深埋矩形隧洞的地震响应解析解。该复变函数解答考虑了土体与隧洞间相互作用的剪应力和法向正应力,并针对保角转化函数引入修正系数,提高了在复平面转化时矩形隧洞截面表示函数的计算精度。结合数值模型验证解析方法的正确性,并对矩形隧洞归一化位移比和土体应力场变化进行参数分析。研究表明,通过引入修正系数,使得解析解精度得到一定提高,与数值模拟解答更为接近。矩形隧洞归一化位移比值随着隧洞衬砌与土体的相对刚度比值增大而减小,而随着截面尺寸比率的增大而增大。在矩形隧洞截面尺寸的比率和相对刚度比值一定的情况下,矩形隧洞的归一化位移比随着土体泊松比的减小而增大。当截面尺寸比率为1时(正方形隧洞),土体泊松比的变化对于隧洞归一化位移比值影响较小。矩形隧洞周围土体应力随着土体泊松比的增大而增大,随着土体弹性模量的增大而减小,而随着衬砌剪切模量的增大而减小。     

Rational permeability coefficient of a permeable lining for composite tunnel lining structures

 Various factors influence the tunneling are simplified considering the axial symmetry of the composite lining structure. The analytical expressions for the seepage field,stress,and displacement in the surrounding rock and those for the grouting circle,permeable lining,and ordinary lining are obtained according to the principle of effective stress. The seepage discharge,plastic zone,stress,and displacement around a tunnel affected by the different permeability coefficient ratios between the permeable lining and surrounding rock are studied. The reasonable value of permeability coefficient for the permeable lining are discussed. The results show that the grouting circle controls the tunnel seepage discharge well and has a reasonable permeability coefficient and an optimal radius. The grouting circle controls the plastic zone development in the surrounding rock,i.e.,the thicker the grouting circle,the smaller the plastic zone in the surrounding rock. The tunnel seepage discharge and the effective stress in the grouting circle and lining increase gradually with the increasing of permeability coefficient ratio and tend to be stable after the ratio reaches 0.1. Comprehensive analysis on the factors such as the stability of tunnel seepage discharge,the plastic zone of the surrounding rock and the stress around the tunnel indicates that it is relatively reasonable for the permeability coefficient ratio to be greater than or equal to 0.1.     

平面三向应力场中隧洞位移解及变化规律研究

为了揭示复杂应力场中隧洞围岩位移变化规律,基于平面三向应力场中圆形隧洞析解理论,推导了平面三向应力场中隧洞围岩位移解析解,并通过Matlab软件编程,研究了围岩位移随应力场环境的变化规律.结果表明:平面三向应力场中各因素对塑性区半径的影响规律与双向应力场中相似;平面三向应力场中当应力场比例系数λ1=1.0,λ2从1.0...     

An analytical solution for geotextile-wrapped soil based on insights from DEM analysis

This paper presents a novel analytical solution for geotextile-wrapped soil based on a comprehensive numerical analysis conducted using the discrete element method (DEM). By examining the soil–geotextile interface friction, principal stress distribution, and stress–strain relations of the constituent soil and geotextile in the DEM analysis, a complete picture of the mechanical characterization of geotextile-wrapped soil under uniaxial compression is first provided. With these new insights, key assumptions are verified and developed for the proposed analytical solution. In the DEM analysis, a near-failure state line that predicts stress ratios relative to the maximums at failure with respect to deviatoric strain is uniquely identified; dilation rates are found to be related to stress ratios via a single linear correlation regardless of the tensile stiffness of the geotextile. From these new findings, the assumptions on the stress-state evolution and the stress–dilatancy relation are developed accordingly, and the wrapped granular soil can therefore be modeled as a Mohr–Coulomb elastoplastic solid with evolving stress ratio and dilation rate. The development of the proposed analytical model also demonstrates an innovative approach to take advantage of multiscale insights for the analytical modeling of complex geomaterials. The analytical model is validated with the DEM simulation results of geotextile-wrapped soil under uniaxial compression, considering a wide range of geotextile tensile stiffnesses. To further examine the predictive capacity of the analytical model, the stress–strain response under triaxial compression conditions is solved analytically, taking both different confining pressures and geotextile tensile stiffnesses into account. Good agreement is obtained between the analytical and DEM solutions, which suggests that the key assumptions developed in the uniaxial compression conditions also remain valid for triaxial compression conditions.     

特大型岩溶地段隧道爆破数值模拟研究

为研究特大型岩溶地段爆破施工对隧道及溶洞结构稳定性产生的影响,提高隧道爆破施工的安全性,结合那丘隧道特大型溶洞地段工程,运用MIDAS软件对爆破动荷载作用下隧道的稳定性进行数值模拟研究。从应力、位移、速度三个方面分析得出:(1)在爆破荷作用下,隧道拱顶、拱脚及溶洞顶壁发生应力集中现象;(2)隧道拱顶竖向峰值位移为7.51 mm,溶洞顶壁峰值位移为2.46 mm;(3)隧道围岩质点峰值速度出现在拱顶为17.45 cm/s,溶洞围岩质点速度从顶壁峰值9.81 cm/s向左逐步衰减,左侧岩壁影响很小;(4)依据以上特征提出重点支护区域,同时将现场监测与岩石动力学理论研究相结合,提出那丘隧道爆破施工安全振速标准。     

节理剪切过程中锚杆的变形分析

当锚杆与砂浆的粘结未破坏时，以指数曲线来描述锚杆的侧剪应力分布；而对于锚杆与砂浆的粘结遭到破坏的区段，采用抛物线来拟合。给出了粘结破坏和未破坏两种情况下锚杆的轴应力-轴位移关系，提出利用锚杆拉拔实验数据来反演确定计算中所用到的参数。并在缺少实验数据的情况下，给出了一些参数的估计方法。根据岩石是否遭到挤压破坏，分别给出了锚杆的横向剪应力与横向位移的关系式，分析了剪切过程中锚杆加固节理的剪应力-剪位移关系，讨论了对锚固节理剪切变形刚度有重要影响的一些参数。分析表明．高的岩石单轴抗乐强度、较大的锚固面积比有助于提高锚固节理的剪切刚度。分析还表明，倾斜锚杆加固的节理比垂直锚杆的剪切刚度更大，倾斜锚杆以较小的剪切位移调动了更大的剪切阻力；倾斜锚杆加固的节理抗剪强度比垂直锚杆大，提高锚固面积比能显著提高节理抗剪强度。     

隧道透水性衬砌环渗透系数合理取值与工程措施探讨

应用地下深埋隧道渗流场和考虑渗透体积力的弹塑性解,结合某工程实例分析衬砌与围岩渗透系数不同比值对隧道渗流场、渗漏流量、塑性区、位移和衬砌围岩压力等影响规律,探讨透水性衬砌的可行性和合理渗透系数取值。实例分析表明,当衬砌为不透水材料时,洞周围岩中孔隙水压、塑性区、塑性区边缘的位移和衬砌承受的围岩压力均最大;若稍增加衬砌渗透性,则孔隙水压、塑性区、塑性区边缘的位移和衬砌承受的围岩压力迅速减小;随衬砌渗透系数与围岩渗透系数比值的逐渐增大,趋于稳定值。分析结果进一步表明,采用透水性衬砌是可行的,且当衬砌渗透系数与围岩渗透系数比值等于或大于1.0时较为合理。最后,针对洞周环境要求的渗流量以及钢筋混凝土衬砌的耐久性问题提出衬砌环的设计思想,并探讨具体工程措施,以便工程设计参考。     

双向地震作用下浅埋砂土电力隧道动力响应分析

为了研究浅埋砂土地下电力隧道结构在双向地震作用下的行为反应,采用大型岩土软件FLAC3D对浅埋砂土地下电力隧道进行数值模拟。建立了双向地震作用下砂土电力电缆隧道的三维计算模型,地下水位为1m。计算了在水平和竖直地震荷载作用下,埋地电力隧道的动力响应,并对典型截面的典型点的加速度、位移、应力进行监测。计算结果表明,在上海人工地震波作用下,电力隧道结构水平残余位移10．9mm,竖向残余位移4．3mm,隧道结构产生的永久变形为11．7mm,隧道结构顶部和底部之间的水平相对位移3．6mm,竖向相对位移为4．3mm。地表水平残余变形几乎为0,竖向残余变形0．18mm。结构自振频率45Hz。隧道结构剪应力、主应力大小随着动荷载的输入应力幅变化很小,在1％左右;第一主应力和第三主应力的最大值在隧道侧壁C点。数值分析结果表明,在砂土地基下隧道产生剪切、拉伸破坏以及发生共振的可能性较小,侧壁是竖向抗震的薄弱环节。     

流变岩体中任意形状隧道分部开挖响应的理论解

针对流变岩体中任意断面形状隧道的任意复杂分部开挖问题,根据复变函数理论结合Laplace变换建立黏弹性位移、应力与复位势之间的关系,给出了各施工阶段力学响应(位移与应力)理论解的一般求解方法和解答。从解答可以看出,各步增量位移是新开挖边界处释放面力作用下的流变位移与之前所有各施工步边界释放面力在本步时段中的增量流变位移的和,与施工路径相关。以圆形断面隧道分两阶段(从半圆形到圆形)任意分部开挖为例,导出了各步开挖过程围岩位移与应力的解析解。为验证解答的正确性,针对圆形断面上下开挖方式,将理论结果与有限元结果进行了对比,两者一致。利用解答对上下开挖、右左开挖两种方案下圆形隧道的位移、应力分布特点进行了分析。根据本文方法,可以得到任意黏弹性模型岩体中,复杂孔型任意分部开挖过程的解答。依据解答可建立快速预测系统,给出更方便、快捷地进行相似工程条件下初步设计的可选方法。