岩石单轴压缩PFC2D模型细观参数标定研究

为了研究单轴压缩PFC^2D模型宏细观参数之间的关系及对其细观参数进行标定,以平直节理接触模型作为颗粒接触本构模型,对PFC^2D模型细观参数进行正交设计,以多因素方差分析、量纲分析研究宏细观参数之间的关系,在此基础上,提出了试错法标定细观参数的具体流程,将其用于灰岩单轴压缩PFC^2D模型细观参数的标定中,数值模拟所得宏观参数、应力-应变曲线和破坏特征与室内试验结果相近,验证了本文方法的可行性。分析结果显示,如果要建立双轴压缩PFC^2D模型,还需进一步标定细观参数tanφ_b和μ_b。研究成果可为岩石力学试验的颗粒流模拟提供一定参考。     

废轮胎颗粒-砂混合物双轴压缩力学特性细观机理研究

轮胎颗粒-砂混合物(简称橡胶砂)是一种典型的二元散体混合材料,关于其细观变形机制的研究还很少。基于颗粒流理论和PFC^2D程序,建立橡胶砂的双轴压缩试验数值模型。通过与室内橡胶砂三轴CD剪切试验的对照,标定橡胶颗粒和砂颗粒细观参数。以砂的体积百分比为配比参数,分析不同配比橡胶砂的偏应力-轴向应变曲线,基于对混合物试样颗粒旋转、力链结构和能量耗散规律的讨论,研究橡胶砂的细观变形机理。结果表明:1)橡胶砂的细观变形机制可归结为具有良好变形能力的橡胶颗粒对砂颗粒的粒间相对错动、翻滚等位移的延缓和抑制作用;2)当橡胶颗粒体积含量在30%~40%之间时,橡胶砂的强力链随着应变的增大而持续增大,其受荷-变形能力关系最为稳定,是橡胶砂的最佳配比。同时,本文对橡胶砂力学特性的参数敏感性研究表明,砂细观泊松比、细观剪切模量、颗粒摩擦系数对橡胶砂应力-应变特性的影响程度大小依次增大,但随着橡胶颗粒含量的增加,三个参数的影响程度均降低。     

饱和砂土相变状态边界面本构模型

为了很好地描述砂土的应力应变特征,通常利用以临界状态孔隙比为基础的状态参数建立弹塑性本构关系,但是对于密砂排水试验,临界状态参数很难测到。相变状态作为一特征状态,相关参数较容易测得。基于相变状态定义状态参量,并考虑应力诱发的各向异性,建立饱和砂土的边界面本构模型。最后,利用提出的模型参数得到的模拟结果与试验结果相吻合,较好地反映了密砂的应变强化和软化力学特征。     

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。     

基于PFC2D的砂土原生各向异性微观机理数值试验

采用颗粒流PFC数值模拟方法,生成符合标准砂室内单元试验结果的离散元数值试验试样。运用重力沉积法建立不规则砂土颗粒单元的平面双轴试验模型,给定不同沉积步数对试样不同初始原生状态进行模拟,然后分别从水平和竖直方向上施加荷载增量,得到不同沉积条件下不同加载方向上砂土试样宏观应力应变曲线和力学参数。数值试验结果显示,重力沉积步数对颗粒微观长轴定向排列、平均配位数有显著影响;初步建立了砂土微观结构变化和宏观应力应变曲线及力学参数的联系;分析了砂土试样表现出的宏观原生各向异性力学特性与内部颗粒结构的关系。     

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。     

具有统计损伤的岩石弹塑性本构模型研究

利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法建立了岩石的弹塑性损伤统计本构模型，在该模型中采用了总体应变与各组成相间应变关系与总体应力与各组成相间应力关系不一样的假设，并用最优化方法确定该模型参数。建立的模型能够反映岩石破坏前应力．应变关系和轴向应变．横向应变关系，与试验结果比较表明该模型是合理的。     

混凝土在多维应力状态下的损伤本构模型

已有的混凝土平面应力有限元分析均是利用单轴应力-应变本构关系,其中经验系数的选取带有相当的主观色彩,因此十分有必要建立混凝土在多轴应力特别是二维应力状态下的本构关系并直接应用于非线性分析.基于连续损伤力学的理论框架,作者建立了理论上较为完备、应用较为简单的确定性混凝土拉剪弹塑性损伤本构模型.模型数值模拟和已有试验结果的对比表明,本文建议模型能够很好的描述双轴应力条件下混凝土材料的弹性区域包络线以及强度包络线,同时应力-应变全过程结果和Kupfer (Kupfer et al.1969)的试验结果吻合良好,能够很好的模拟混凝土双轴受压强度的提高和双轴拉压应力状态下的"拉压软化效应",这对混凝土结构的非线性分析是非常重要的.     

短纤维水泥基复合材料的拉伸数值分析

提出软弱区的概念,并定义该软弱区为砂浆试件中包含微裂隙、微裂缝或微缺陷的一个局部区域,采用细观力学的方法,假定砂浆试件是由砂浆基体和许多随机分布于基体中的软弱区所组成,基于蒙特卡罗随机抽样原理,实现软弱区单元在砂浆基体中的随机分布,基体单元和软弱区单元材料的非均匀性由Weibull参数来表征,同时假定基体单元和软弱区单元均符合低拉伸材料开裂准则,建立砂浆拉伸数值模型,考虑软弱区分布、Weibull分布参数、细观单元力学参数等对数值试验的影响,全面分析砂浆拉伸开裂的力学行为。在砂浆数值模型的基础上,系统研究短纤维增强砂浆的拉伸开裂及纤维细观力学参数、分布特征等对数值拉伸结果的影响。最后,将数值结果与试验结果进行对比,结果表明,数值模型能较好地模拟砂浆的拉伸开裂和短纤维对砂浆的增强效果,同时由数值模拟得到的砂浆单向拉伸应力–应变全过程曲线与试验结果较为吻合。     

基于平节理模型的花岗岩固有微裂纹对裂纹演化影响分析

模拟脆性岩石破坏时,现有的平节理模型没有考虑固有微裂纹导致的应力-应变曲线非线性特征,也没有将起裂强度作为细观参数的标定基准。以花岗岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、应力-应变曲线特征、起裂强度、巴西劈裂抗拉强度、库仑摩擦角以及黏聚力作为基准,标定平节理模型细观参数,并分析宏细观参数间的趋势关系。以标定后的参数建立精确平节理模型试样,与不考虑固有微裂纹的常规平节理模型试样一起进行30°单裂纹岩石压缩数值试验,以室内试验数字图像相关方法得到的应变场为基础,对拉剪微裂纹萌生规律、数量以及分布特征进行分析,验证了提出的平节理模型参数标定方法,并表明固有微裂纹在宏观层面上改变了单轴压缩应力-应变曲线特征,而在细观层面上对预制裂隙尖端初始裂纹的起裂模式、拉剪微裂纹的扩展分布规律均有较大影响。     

颗粒流模拟土的工程特性(英文)

本文基于颗粒流理论,引入不同的颗粒接触连接本构模型,分别建立了砂土和粘性土的颗粒流模型。通过颗粒流数值模型试验,从细观力学角度对土的工程力学特性作了初步的研究。对砂土和粘性土的室内平面应变试验及其剪切带形成和发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压下颗粒流试样与室内试验的应力应变关系曲线,基本再现了砂土和粘性土试样应力-应变关系。通过分析围压-时步曲线、体变曲线和不同阶段的颗粒位移场的变化规律,研究了剪切带的形成与发展规律。     

三维离散颗粒单元模拟无黏性土的工程力学性质

基于三维离散单元颗粒流理论,引入了在极限剪力状态下颗粒间可以发生滑动的接触本构模型,建立颗粒体试样,并赋予颗粒相应的细观结构参数进行无黏结摩擦材料的三维应力应变数值模拟。通过大量的颗粒流数值试验,从细观力学角度对砂土的工程力学特性进行了初步的模拟研究。对砂土的室内常规三轴试验及其剪切带形成和发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压下三维颗粒体试样与室内三轴的应力应变关系曲线,基本再现了试样的加载曲线。通过进一步分析颗粒细观结构参数变化对组成材料的宏观力学的影响及其剪切位移场的形成和发展规律,结果表明颗粒介质之间的摩擦系数、颗粒组成材料的孔隙率对材料的宏观力学行为有比较明显的影响。研究的意义在于理想的颗粒流数值模拟试验能够突破常规的室内土工试验能力及其局限性,对于砂土的细观结构的影响研究成为可能,并且揭示了微观的一些规律,对今后的岩土工程的颗粒模拟提供了有价值的参考。     

土石混合体宏细观力学特性和变形破坏机制的三维离散元精细模拟

为了更加精细的模拟土石混合体宏细观力学特性和变形破坏机制,针对已有三轴试验侧向柔性薄膜边界模拟方法进行改进,提出三维组合墙法实现了柔性薄膜边界的三维离散元模拟。结合已开发的不规则块石和土石混合体三维离散元建模方法建立土石混合体大型三轴数值试样,开展数值试验标定土石混合体数值模型的细观力学参数并与室内试验结果进行了对比验证。深入分析不同含石量下土石混合体的宏细观力学特性和变形破坏机制。结果表明:三维组合墙法原理简单、参数较少、易于实现且应用效果较好;大型三轴试验数值模拟能够较好地再现土石混合体宏观的应力–应变特征、强度特性和破坏模式;随含石量增加,土石混合体的骨架结构效应越来越显著;剪切带内土颗粒旋转量较大而块石颗粒旋转量较小,表明剪切面绕过了较大的块石颗粒。     

基于混合高阶非连续变形分析的刚性伺服数值试验方法

相对于传统的力学试验而言,数值试验具有成本低和灵活方便的优点,且不受试验机性能和岩石试样自身离散性等因素的影响;通过对岩石细观结构及其参数的敏感性分析可以方便地实现对其变形破坏细观机制的研究。作为宏观力学试验的有益补充,细观数值试验方法近年来逐渐发展成为研究岩石力学特性的重要手段。基于非连续变形分析方法,建立能够同时实现刚性试验机的理想刚性和电液伺服试验机的伺服控制机制的细观数值试验方法。在混合高阶非连续变形分析框架下,组成岩石试样部分的块体单元根据需要可采用常应变单元或高阶多项式位移模式,模拟加载框架部分的块体单元则采用刚体位移模式,从而实现加载系统的理想刚性。通过对加载速率及其量值的实时反馈控制实现了对电液伺服试验机闭路循环控制机制的数值模拟;"加载步回撤"和"二分法搜索"等计算策略的应用使得数值试验中的加载速率及其量值能够始终与岩石试样自身的承载能力相适应,从而能够得到更为接近真实的的峰后曲线。采用两块体简化模型对伺服数值模拟程序的有效性进行验证;之后,利用研发的程序开展了单轴压缩数值试验,获得应力–应变全过程曲线。基于混合高阶DDA的伺服数值试验方法为岩石基本力学特性的细观数值...     

混凝土受拉随机损伤本构关系及其应用

利用扩展的弹簧模型 ,从细观层次上分析了混凝土试件在单调拉力作用下的宏观性能 ,解释了混凝土单轴受拉应力 -应变关系中的应变软化和应力跌落现象 ;基于静力平衡和变形协调条件 ,建立受拉本构关系 ;利用单轴受拉试验 ,确定细观损伤单元的极限破坏应变随机场分布参数 ;与已有试验结果相比较 ,结果吻合较好     

含水合物沉积物等效弹性模量混合律模型

水合物开采安全性评价亟需合理的含水合物沉积物本构关系模型,而等效弹性模量的准确预测是建立合理本构关系模型的重要前提条件。本文基于复合材料经典的应力串联和应变并联模型提出了含水合物沉积物等效弹性模量的细观力学混合律模型,与三轴压缩试验结果对比验证了该模型的适用性。研究结果表明:等效弹性模量细观力学混合律模型的模型参数少,且物理意义明确,其预测结果与试验数据符合良好;含水合物沉积物的割线模量随水合物饱和度与有效围压的增加而变大。     

基于细观组分实际分布的花岗岩宏细观参数关系

岩石通常由不同细观组分组成,细观组分的类型与相互作用决定了岩石的宏观力学性质。以北山花岗岩为例,使用室内试验视频和阈值分割技术确定细观组分的类别与位置,将细观组分颗粒和胶结物分别用圆盘和平行黏结来表征,细观力学性质使用颗粒力学性质参数(弹性模量、刚度比、摩擦因数)和平行黏结力学性质参数(弹性模量、刚度比、法向强度均值、切向强度均值)7个指标来表征,宏观力学性质使用弹性模量、泊松比、峰值应力3个指标来表征,使用颗粒流代码、像素和颗粒循环技术,建立考虑细观组分实际分布的颗粒流模型,进行7因素、4水平的32次正交数值模拟试验,研究宏细观力学性质关系和细观力学性质参数的调整方法。结果表明,数字图像处理技术可以有效用于建立基于细观组分实际分布的颗粒流模型;宏观弹性模量–细观弹性模量、宏观泊松比–细观刚度比、宏观峰值应力–细观强度具有很好的对应关系;宏细观弹性模量、泊松比、刚度比有较好的相关关系。由于细观组分的实际分布与力学特点控制了岩石的变形破坏过程,研究成果对估计岩石细观力学参数、预测宏观力学性状具有一定的参考价值。     

锦屏一级地下厂房大理岩变形破裂细观演化规律

脆性大理岩的变形破裂与其内部微裂纹的扩展贯通密切相关,其宏观力学响应取决于细观结构构造;因岩石内部的封闭性,难以掌握其内部微裂纹的发育演化机制。基于三维颗粒流理论,通过引入 BPM 模型和超级单元clump技术,并依据锦屏一级地下厂房大理岩的SEM矿物成份检测结果,建立基于矿物形状的大理岩细观结构模型,在对细观力学参数敏感性分析的基础上,根据室内单轴和三轴压缩试验结果确定大理岩的细观力学参数,构建大理岩的细观力学数值模型,对不同应力状态和应力路径下大理岩的变形破裂演化及扩容孕育过程进行数值模拟分析。研究结果表明：大理岩细观力学数值模型所描述的宏观力学响应与室内试验结果具有很好的一致性;单轴或低围压时微裂纹呈缓慢-急增的指数型增长趋势,高围压时微裂纹呈缓慢-急增-缓慢的近似S型增长趋势;随着围压的增加,张拉裂纹所占比例逐渐减少,剪切裂纹所占比例逐渐增加;与相同初始围压时的加载应力路径相比,卸载应力路径下岩石峰值应力对应的轴向应变小,张拉裂纹所占比例高,且随卸载过程逐渐起主控作用,最终形成张性宏观破裂面,体现了大理岩卸荷扩容效应更为显著且脆性更强。在不同应力状态和应力路径下,张性裂纹扩展控制机制和剪切裂纹摩擦控制机制相互作用,此减彼增逐步过渡。研究结果从细观尺度上揭示锦屏一级大理岩扩容孕育机制,为正确认识和把握锦屏一级地下厂房洞室群施工期围岩大变形形成机制以及岩体卸荷破裂规律提供基础。     

普通混凝土和轻骨料混凝土双轴加载试验研究

为研究混凝土双轴力学特性,采用岩石真三轴仪对普通混凝土(OPC)与轻骨料混凝土(LWAC)进行双轴压-压与双轴拉-压试验,得到2种混凝土在不同侧向应力作用下的破坏形态、应力-应变曲线以及应力-应变曲线特征值,对比分析其主应力变化趋势及破坏机理.结果表明:OPC双轴受力破坏主要是界面过渡区破坏,LWAC则是页岩陶粒骨料破坏;双轴压-压工况条件下,受侧向压应力影响的LWAC主压应力提高幅度低于OPC;双轴拉-压工况条件下,受侧向拉应力影响的OPC主拉应力降低幅度高于LWAC.最后,基于Kupfer双轴压-压与双轴拉-压破坏准则建立了定侧向加载下OPC与LWAC的双轴压-压、双轴拉-压破坏准则方程.     

基于微观图像处理技术的土体三轴试验颗粒流模型

以扫描电子显微镜拍摄获取的粉土图片为研究对象,把数字图像处理技术引入土体的细观结构观察和定量分析中,求解土颗粒孔隙度、颗粒粒径及颗粒形状等微观颗粒组成参数,为建立颗粒流离散元细观模型提供物理参数。在此基础上,对土样的三轴试验进行模拟,并研究细观力学参数(包括:摩擦系数、平行连接强度及刚度比)对宏观性质的影响。研究表明:通过颗粒簇模型和颗粒排斥法可以实现土体微观颗粒形状和粒径组成模拟。所建立的颗粒流模型能够很好地拟合土体的应力-应变关系和模拟试验中的剪缩-剪胀现象;摩擦系数、平行连接强度和刚度比对土体的初始模量和残余强度的影响规律有所不同;通过监测孔隙率的变化,可以反映土体剪切带发展的过程。