岩石微观颗粒接触特性的试验研究

 微观上,岩石是由许多大小不等的颗粒和粒间填充的胶结物构成,不同位置的胶结厚度不同。岩石的这种微观结构特征从根本上决定其宏观力学响应,从微观尺度出发采用离散元数值模拟有利于探索岩石宏观力学特性的微观机制。基于这一思路,通过室内铝棒胶结模型试验,研究不同胶结厚度下胶结颗粒在压剪扭加载作用下的接触力学特性,发现胶结铝棒在不同胶结物质、不同胶结厚度下的力学响应均呈现出一定的相似性。将蒋明镜提出的岩石微观胶结模型与D. O. Potyondy和P. A. Cundall提出的岩石微观接触力学模型进行对比分析发现,蒋明镜模型提出的破坏准则与岩石的实际较为符合,进一步为离散元模拟岩石奠定基础。     

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。     

结构性砂土粒间胶结效应的二维数值分析

将理想胶结颗粒接触力学特性的测试结果引入到离散元胶结接触模型中,对结构性砂土粒间胶结效应进行离散元数值模拟。首先,胶结颗粒被理想化为两铝棒在指定部位形成胶结,通过一系列加载试验（拉伸、压缩、压剪）获得胶结铝棒在不同应力路径下的接触力学响应。随后,将测试结果提炼总结后引入到自行开发的二维离散元程序 NS2D 中,用以模拟不同初始密度和胶结强度的结构性砂土等向压缩试验。最后,通过与人工胶结砂土的试验数据进行比较,对文中的数值模拟结果进行验证。研究表明：离散元数值模拟能够有效的捕捉结构性砂土的主要力学特性,即屈服强度和体积模量均随初始密度和胶结强度的变化而变化,且胶结试样的屈服强度与试样内部颗粒间胶结点破坏率密切相关。     

一个深海能源土的温度-水压-力学二维微观胶结模型

天然气水合物以胶结形式赋存时,对深海能源土的强度和变形特性影响显著,且其影响程度与所处温度、水压与力学环境密切相关。旨在建立可考虑温（温度）-压（水压）-力（力-位移与胶结破坏准则）耦合影响的深海能源土微观胶结模型。首先,依据能源土中水合物胶结可发生于两种接触形式（直接接触与有间距）的土颗粒间,提出适用于两种胶结模式的力-位移准则和胶结破坏准则。其次,提出温压距离参数L（表示在无量纲化处理后的温度-水压坐标平面,土体所处温度与水压点到水合物相平衡线的最小距离）,并依据文献资料分析,建立水合物胶结强度、刚度与参数L间的关系。最后,建立由水合物饱和度确定的粒间水合物胶结尺寸计算方法,并据此进一步建立了胶结强度与刚度同水合物饱和度间的关系。该模型可以方便地植入离散元程序,从而用于深海能源土的宏微观力学分析。     

不同胶结砂土力学特性及胶结破坏的离散元模拟

采用离散元法研究不同胶结砂土的宏观力学特性以及微观胶结破坏,其中一种胶结砂土胶结特性由离散元商业软件PFC2D中的胶结接触模型(Contact bond model)进行控制,另一种则采用蒋明镜等提出的无厚度改进胶结接触模型(改进的蒋氏模型)控制.首先,将改进的蒋氏模型引入PFC2D;其次,使用PFC2D对不同胶结强度和不同围压下的上述两种胶结砂土进行双轴压缩试验模拟,对比分析了两种不同胶结砂土的模拟结果.结果表明蒋氏试样(胶结特性由改进的蒋氏模型控制)应变软化和体积剪胀显著,峰值内摩擦角基本随胶结强度增大而增大;而PFC试样(胶结特性由Contact bond model控制)在高胶结强度时应变软化和体积剪胀性比较显著,低胶结强度时表现为应变硬化和体积剪缩,峰值内摩擦角随胶结强度增加而减小.离散元模拟结果在一定程度上与已有室内实测结果相符,蒋氏试样更能反映胶结砂土的主要力学特性.由胶结破坏微观信息统计可知,蒋氏试样中胶结点受拉破坏率远大于受剪破坏率,而PFC试样中两者相当,且蒋氏试样中的总胶结点破坏速率峰值要大于PFC试样.通过对改进的蒋氏模型参数分析可知,低围压条件下,试样宏观力学特性与胶结破坏形式对切向胶结强度与法向胶结强度的比值较为敏感.     

结构性砂土胶结厚度分布特性试验研究

颗粒间胶结物厚度对胶结颗粒接触力学特性有显著影响,进而影响结构性砂土离散元模拟结果。为更好地模拟天然砂土的结构性,需要明晰结构性砂土中颗粒间胶结厚度分布特性,并且能在离散元模拟中反映该分布特性。本文采用人工制备结构性砂土,开展电镜扫描试验,对结构性砂土中颗粒间胶结厚度分布特性进行了研究。研究结果表明:在结构性砂土中,随着水泥含量的增加,平均胶结厚度近似线性增加;但是水泥含量对胶结厚度的概率分布规律影响不大,水泥含量不同的结构性砂土,其颗粒间胶结厚度概率分布均为先线性增大,后指数型衰减。在试验研究结果的基础上,提出了离散元模拟结构性砂土胶结厚度的方法,可以较好地反映结构性砂土中颗粒间胶结厚度指数型衰减的分布特性。     

粗粒土颗粒接触力学特性及细观接触模型研究

将石灰岩粗粒土颗粒之间的接触形式简化为点–面接触,通过颗粒接触试验研究粗粒土的粒间法向、切向接触力学特性,并归纳出粗颗粒细观接触模型的具体形式。利用该细观模型,对粗粒土大型直剪试验进行离散元(PFC)数值模拟,通过数值计算结果与试验实测数据进行对比,验证粒间接触模型及细观参数的适用性。最后,对粗粒土颗粒接触特性及其接触模型的进一步深入研究进行分析和讨论。研究结果显示,实测的粒间接触力与接触位移关系曲线可以利用指数小于1的幂函数进行拟合;同时,为了对切向接触刚度进行统一的衡量,定义切向位移为5 mm时的切向力为切向接触强度(切向力有峰值时取峰值切向力)。对比大直剪试验的实测与计算结果发现,粒径较大(2~5,1~2 cm)时计算误差非常小;但对于含有更细小颗粒的级配试样,计算误差偏高。在细观尺度内,颗粒粒径在何种范围内会表现出与大颗粒不同的接触性质,有待借助更精细设备进一步探究。     

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。     

考虑土颗粒间胶结面积的粒间吸力计算

粒间吸力的计算是非饱和土有效应力原理研究的重点之一。首先考虑土颗粒间胶结面积,建立了微观状态下土颗粒相互作用的理想简化模型,推导给出了土颗粒接触点处各个力之间的相互关系,并分析了宏观上两种典型的堆积方式,从而总结得到了粒间吸力的统一表达式。而后,讨论了土颗粒间胶结面积对粒间吸力的影响。结果表明,直接使用表面张力分量来计算粒间吸力,可以简化粒间吸力的计算。最后,通过算例分析,阐明了颗粒间胶结面积对粒间吸力大小的影响。并基于多孔介质双重有效应力的假说,引入本研究给出的考虑土颗粒间胶结面积的粒间吸力公式,推导得到了适用于低含水率条件下非饱和土双重有效应力的计算公式。     

粒间胶结尺寸对圆形颗粒法向接触响应的影响

粒间胶结物的存在改变土体颗粒间接触力的传递方式,因此,显著影响天然结构性土体的宏观力学响应和强度。为了研究粒间胶结的几何尺寸对理想圆形颗粒法向接触力学行为的影响,采用有限元方法模拟了圆形胶结颗粒微观抗压试验,分析了粒间胶结厚度和宽度对粒间法向接触应力分布和抗压强度的影响,并将模拟结果与模型试验进行了对比。结果表明,数值试验所得到的峰前荷载-位移曲线与室内试验结果吻合较好。粒间法向接触应力分布不均,中心大,外缘小。塑性区分布与高应力区不重合,塑性区在胶结物中心和外缘之间产生,逐渐向中心和边缘方向扩展。胶结抗压强度随厚宽比增加而降低,相同厚宽比下抗压强度基本一致。     

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。     

不同温压环境下深海能源土力学特性离散元分析

深海能源土宏观力学特性与所处温度与水压环境密切相关,明晰温压对能源土力学特性的影响对水合物的安全开采具有重要意义。首先,介绍深海能源土的温度-水压-力学微观胶结模型,用以描述能源土粒间的水合物胶结接触力学特性;其次,将该模型导入至离散元商业软件PFC2D中,开展不同温度与水压环境下的离散元双轴试验;最后,结合离散元双轴试验结果及同已有室内试验结果的对比分析,探讨温度与水压对深海能源土宏观力学特性的影响规律和微观作用机理。结果表明：引入胶结模型的离散元双轴试验可较好地描述深海能源土强度、变形等力学特性随温度与水压的变化关系;温度与水压影响深海能源土宏观力学特性的微观机理是颗粒间水合物胶结强度与刚度同温度与水压间的相关性;建议采用温压距离参数L（在无量纲化的温度-水压坐标平面内,水合物赋存温度与水压点至其相平衡线的最小距离）评价实际复杂温压场下的深海能源土宏观力学特性。     

理想胶结砂土力学特性及剪切带形成的离散元分析

根据近期胶结铝棒接触力学特性的实测结果,提炼出用于模拟胶结砂土粒间胶结作用的胶结接触模型,并将该模型引入二维离散元商业软件PFC^2D。通过对不同胶结强度和不同围压下胶结砂土的平面应变双轴压缩试验的离散元模拟,分析了理想胶结砂土的宏观力学特性及其剪切带的形成规律。结果表明：相比同一孔隙比的无胶结试样,胶结试样具有更高的峰值强度、显著的应变软化和剪胀现象以及明显的剪切带,宏观力学特性与其胶结接触微观力学机理密切相关,模拟结果与已有室内试验结果具有规律上的一致性;由胶结试样内部的微观信息统计可知,胶结试样剪切带的形成一般在其峰值强度之后,且剪切带的形成是试样变形、胶结破坏、孔隙比、平均纯转动率和位移场等微观参量局部化的综合表现。     

DEM investigation of weathered rocks using a novel bond contact model

The distinct element method(DEM) incorporated with a novel bond contact model was applied in this paper to shed light on the microscopic physical origin of macroscopic behaviors of weathered rock, and to achieve the changing laws of microscopic parameters from observed decaying properties of rocks during weathering. The changing laws of macroscopic mechanical properties of typical rocks were summarized based on the existing research achievements. Parametric simulations were then conducted to analyze the relationships between macroscopic and microscopic parameters, and to derive the changing laws of microscopic parameters for the DEM model. Equipped with the microscopic weathering laws, a series of DEM simulations of basic laboratory tests on weathered rock samples was performed in comparison with analytical solutions. The results reveal that the relationships between macroscopic and microscopic parameters of rocks against the weathering period can be successfully attained by parametric simulations. In addition, weathering has a significant impact on both stressestrain relationship and failure pattern of rocks.     

Insight on bulk shear strength parameters of clay using discrete element approach incorporating physics-based interparticle force model

This paper aims to provide insight on factors affecting the bulk shear strength parameters of clay, i.e., the cohesion and internal friction as well as the effects of memory of preconsolidation pressure. A unique Discrete Element Method (DEM) model is built on platy particles with customized particle interaction force model. The particle interaction force model considers non-contact forces (such as the long-range electrostatic repulsion, short-range van der Waals attraction) as well as the direct contact force. The long-range electrostatic forces are calibrated by measurement with Atomic Force Microscope (AFM). Parameters for direct particle contacts of the regular DEM contact model, such as the contact stiffness and the friction coefficient, are calibrated by use of experimental consolidation and direct shear testing data. Computational simulations are conducted on digital clay specimen subjected to virtual direct shear tests. The predicted experimental responses of the digital specimens are consistent with typically observed in experiments including the shear stress-shear strain relationship, volumetric contraction and dilation, shear band formation, etc. From the stress–strain curves, the soil strength parameters are obtained with common experimental criteria. The DEM simulation results show that higher preconsolidation pressure drives more particles to overcome non-contact force into direct contacts and consequently bonding by van der Waals force. Consequently, the bulk cohesion of clay increases with increasing preconsolidation pressure. The results show that bulk cohesion strength is mainly attributed to the attractive interparticle force as well as the interlocking of platy particle, while the bulk internal friction angle is affected by the particle friction coefficient and particle fabric. Overall, the simulation results indicate the experimentally observed macroscopic shear strength parameters c and φ are linked to the microscope characteristics of soil particles and their mutual interactions. The results offer insight on the microscopic properties of particles on the bulk macroscopic strength behaviors. Besides, this work demonstrates a new strategy for simulation-based prediction of bulk soil strength parameters, by incorporating microscale characterization of the interparticle interactions and particle fabric into the particle-based DEM model.