基于三维柔性薄膜边界的土石混合体大型三轴试验颗粒离散元模拟

为了有效模拟土石混合体室内大型三轴试验侧向柔性乳胶膜的力学行为,提出了一种可行的三轴试验侧向柔性薄膜边界的三维离散元模拟方法,即三维组合墙法。结合已开发的不规则块石及土石混合体三维离散元建模方法,建立了可考虑柔性薄膜边界的土石混合体大型三轴试样三维离散元模型。引入平行黏结模型以更好地模拟胶结土石混合体中颗粒间的胶结作用,通过开展大型三轴数值试验逐一全面地标定了无胶结土石混合体和胶结土石混合体数值模型的细观力学参数。分析了无胶结土石混合体和胶结土石混合体数值试样的变形破坏过程及特征,并与室内试验结果进行了对比。结果表明:所提出的三维柔性薄膜边界建模方法原理简单,参数较少,易于实现,且能节省计算资源;基于三维柔性薄膜边界的土石混合体大型三轴试验颗粒离散元模拟能较好地再现土石混合体的应力–应变特征、无胶结土石混合体的鼓肚变形破坏特征、胶结土石混合体变形局部化的过程及其剪切带的细观结构特征。     

基于不规则颗粒离散元的土石混合体大三轴数值模拟

在基于CT扫描的不规则颗粒三维离散元精细建模技术的基础上,提出了一种不规则块石三维离散元模型随机生成技术,并建立了符合宏观统计规律的土石混合体三维离散元模型。进行了含石量为0,10%,30%,50%,70%,90%的土石混合体大三轴试验数值模拟研究,对各种含石量下土石混合体的力学特性和变形破坏机理进行了深入地分析探讨。结果表明:随着含石量的增加,试样峰值强度、残余强度、弹性模量和破坏应变逐渐增大,剪缩性减小,剪胀性增强;加载初期,微裂纹主要在块石颗粒与土颗粒之间形成,发展速度很快,而后则主要在土颗粒间形成和扩展,含石量越大,块石周围微裂纹比例越高,局部剪切带越不规则,分布也越分散;高含石量(70%,90%)的土石混合体在加载初期即有比较明显的相互摩擦,随后块石相互接触、咬合与相对摩擦、滑移交替出现。     

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。     

基于真实块石形态的土石混合体细观力学三维数值直剪试验研究

 块石形态是影响土石混合体细观结构及宏细观力学特性的一个重要因素。提出一种基于真实块石形态的土石混合体细观力学研究方法,首先采用三维扫描技术建立块石三维形态数据库,然后根据粒度组成生成试样内部块石三维空间分布模型,从而构建土石混合体的数字模型。利用所提出的基于多球颗粒均匀接触的复杂块体表征算法,实现任意复杂形态块体的多球颗粒均匀、紧密接触填充。基于上述方法,建立土石混合体离散元数值计算分析模型,并协同现场试验结果开展三维数值直剪试验研究。根据土体的现场试验结果反演得到离散元数值试验中土颗粒的细观接触力学参数,将其应用于土石混合体数值试验得到了较好的效果。通过数值试验研究表明,土石混合体在剪切过程中的块石效应,使剪切带变得更加宽厚和曲折,在宏观上造成了试样的内摩擦角有增高趋势;而由于块石含量增加,使得其黏结作用的土体含量减小,从而在宏观上表现为试样黏聚力呈略有降低趋势。     

基于围压柔性加载的土石混合体大型三轴试验离散元模拟研究

综合运用计算机三维扫描与随机模拟技术,建立了不同块石含量和空间分布的土石混合体三维随机细观结构模型和离散元模型,考虑围压柔性加载,基于柔性黏结颗粒膜方法,采用颗粒流程序对不同土石混合体试样进行了不同围压下的大型离散元三轴试验模拟,研究了块石含量和空间分布对土石混合体力学特性和变形破坏规律的影响。数值模拟结果表明:土石混合体的强度和抵抗变形的能力随含量和围压的增大而增强,且在相同含石量下,受内部块石空间分布的影响,试样的内摩擦角和黏聚力虽会表现出一定的离散性,但总体上,内摩擦角随着含石量增加基本呈线性增加,而黏聚力却随着含石量增加逐渐减小;在围压柔性加载下,土石混合体试样表现为鼓胀变形破坏,破坏后形成的剪切带为一个曲折条带,形态上呈非对称的X形分布,厚度约为试样高度的1/3～1/2倍,且试样的破坏形态及内部剪切带大小和分布形态不仅受块石含量和空间分布影响,而且也取决于围压大小;土石混合体试样在破坏过程中内部剪切带的形成是伴随局部颗粒的转动开始的,在应变到达峰值应变时,局部发生转动的颗粒相互连接贯通,此时剪切带已基本形成,此后随着应变继续增加,受峰后鼓胀变形的影响,试样内部颗粒的转动仍会发生一定的变化,同时伴随着剪切带大小和分布形态也发生相应的变化。     

土石混合体三维细观结构随机重构及其力学特性颗粒流数值模拟研究

土石混合体是一种非连续、非均质、各向异性的土石混合多相介质,其力学性质极为复杂,与内部土石细观结构密切相关。从细观结构层次出发,运用计算机随机模拟技术,建立了一种基于不规则块石的土石混合体三维细观结构重构方法,并基于FORTRAN语言开发了相应的三维细观结构随机模拟系统(RMS3D),在此基础上,考虑块石的不规则形状,建立了土石混合体的离散元模型,并采用颗粒流程序对其开展了不同法向应力下三维直剪试验模拟,探究了块石空间分布对其力学特性的影响。研究结果表明:土石混合体的力学性质受内部块石空间分布影响显著,在相同级配和含石量下,不同块石空间分布的土石混合体试样的剪应力–剪切位移曲线和法向位移–剪切位移曲线均不相同,尤其是在峰后呈现出了明显的差异,且后者开始出现差异时相对于前者滞后;另外,受剪切面上块石阻碍的影响,由于试样内部块石空间石分布的不同,导致不同试样剪切破坏后所形成的剪切带的形态和厚度也存在一定的差异。     

三维离散元土石混合体随机计算模型及单向加载试验数值模拟

针对土石混合体提出了一种随机计算模型。在该模型中,可以模拟土石混合比、块石尺寸、块石形状等。给出了随机模型的实现方法,同时对该随机模型的算法可靠性进行了验证。通过统计分析的方法研究了单轴受压情况下土石混合体内部应力场分布与土石配比、岩石块度大小等因素的关系。并进一步给出了土石混合体的应力-应变特性和强度特性。     

基于格子Boltzmann方法的土石混合体的渗流特性研究

为了探究土石混合体的渗流特性，基于颗粒离散元法和三维离散元模型虚拟切片技术建立了土石混合体的三维随机孔隙结构模型并将其体素化，引入三维格子Boltzmann方法从孔隙尺度对其渗流开展了模拟，并据此分析了块石含量、相对密实度和块石粒径对土石混合体渗透率的影响，最后探讨了不同条件下块石含量对土石混合体渗透率存在不同影响的内在机制。研究结果表明：当相对密实度和块石粒径不变时，随块石含量增加，土石混合体的渗透率总体上是逐渐增大的，且增大的速率越来越大；相对密实度越高，土石混合体的渗透率越低；块石粒径对土石混合体的渗透率存在一定程度的影响，当块石含量小于临界值时，块石粒径越大则渗透率越小，而当块石含量高于临界值时，块石粒径越大则渗透率越大；当土石混合体中土体的密度保持不变时，其渗透率随块石含量增加先减小后增大。     

基于颗粒离散元的土石混合体强度影响研究

土石混合体是一种具有复杂结构的非连续介质,其细观结构对强度特性具有重要影响。基于随机生成多边形块体技术,生成土石混合体概念模型,引入形状系数衡量块石凹凸程度。通过东岭信滑坡堆积体室内试验标定颗粒流数值模拟的细观参数,开展双轴试验模拟,研究块石凹凸性、块石分布倾角、边界条件和含石量4种因素对土石混合体强度特性的影响,探讨块石形状的凹凸性对土石混合体强度产生影响的主要原因。结果显示:块石凹凸程度和含石量越大,块石之间容易相互接触咬合,形成稳定的受力骨架,导致强度提高;块石的分布倾角对强度特性亦有较大影响,在不考虑块石破损时,块石长轴与主应力方向平行或垂直时试样强度较大,块石长轴与主应力方向斜交时强度较小;边界效应随着试样尺寸的增大,对模拟结果的影响逐渐减弱。     

基于数字图像的土石混合体力学性质的颗粒流模拟

 介绍数字图像处理的基本过程,根据其技术原理编写程序,实现由实拍数字图像直接生成颗粒流模型,为土石混合体力学行为的颗粒流模拟提供新的建模方法。利用该方法,采用PFC2D程序对土石混合体(SRM)进行双轴压缩试验的数值模拟,并与均质土体的试验结果相比较。结果显示,一定碎石含量的土石混合体试样其应力–应变关系呈现出台阶状分布的特征,第一平台段所对应的主应力差基本反映土颗粒的屈服强度;之后强度的提高则与碎块石存在形成的应变硬化现象相关。数值模拟反映出的规律与现场试验结果一致。通过分析土石混合体试样的破坏形态,发现其破坏过程与形态要比均质土体复杂的多,由于碎块石的存在,破裂面往往不规则,不像均质土体那样呈明显的条带状破坏。     

三维离散元计算参数选取方法研究

简要分析了岩体力学计算中比较重要的几何参数和物理参数的选取问题。通过对几种离散元方法接触关系的比较，讨论了在不同的计算模型中结构面刚度所代表的物理意义。指出在刚性块体模型中，结构面的刚度是包含了岩块和结构面物理特性的等效刚度，而在可变形块体模型中，只有当块体间的接触弹簧刚度取足够大时，才能客观地反映岩体的特性。太大的接触刚度影响计算的可靠性，为此给出了一种简单的处理方法。通过量纲分析的方法给出了岩体结构振动的阻尼表达式，指出可以通过岩体的振动实验确定阻尼比，并进而给出特征时间。量纲分析得到的特征时间为计算时间步长提供了参考值。最后，介绍了离散元法的计算控制及滑动与失稳的判据。     

结构性砂土力学特性三维离散元分析

利用离散元法对结构性砂土的三轴试验进行了三维数值模拟并对其宏观特性进行了分析。首先将考虑胶结尺寸(宽度和厚度)的三维胶结接触模型导入离散元软件PFC3D中,对结构性砂土数值试样进行三轴试验数值模拟;然后对比分析离散元模拟与室内试验结果;最后从宏观力学角度对试验结果进行了分析。离散元模拟结果表明:结构性砂土与无胶结松散砂土表现不同,其在低围压时表现出应变软化和体积剪胀特征,并随胶结含量的增加或围压的减少而愈发显著,在高围压时则呈应变硬化和体积剪缩现象;低平均应力时,随胶结含量的增加,试样峰值内摩擦角、黏聚力以及内摩擦角均增加,其中黏聚力增加较为明显,随着平均应力的增加,峰值强度包线逐渐趋向于无胶结土。     

三维块体接触判断方法的分析与改进

非连续变形分析方法和离散单元法都是可以计算非连续介质大位移问题的数值方法，目前在二维问题的计算中应用较多，但在工程实际问题的计算中还未能得到广泛应用，因为实际的工程问题如岩体结构都是三维问题。而在计算三维问题时存在一个困难，就是难以快速、准确地判断块体之间的接触类型。对已有的3种接触判断方法尤其是其中已用于实际计算的公共面法、侵入边法进行分析，指出各种方法在进行接触判断时存在的问题。同时在综合已有方法优点的基础上，给出建立正确接触判断方法的原则并提出切割体法。2个算例的计算结果表明，该方法的确有效地解决了已有方法存在的问题，能够正确判断三维块体之间的接触关系，从而模拟块体之间的错动滑移过程。     

岩质工程地质体三维球颗粒计算模型可视化建模

针对难以为离散数值方法建立复杂地质体计算模型的问题,以VC⁺⁺基础类库（MFC）为开发平台,编写三维球颗粒数值计算模型建模程序。利用开放图形程序接口OpenGL,在程序中实现建模可视化。开发的地表开挖算法及坑道开挖算法可使模型形成复杂地表和各种坑道空间。建模实例表明程序具有建立大型复杂地质体球颗粒计算模型的能力,可适应各种常见的工程地质体建模,有助于促进DEM、DDA等离散数值方法在大型工程中的推广应用。     

矿物颗粒形状的岩石力学特性效应分析

岩石作为矿物颗粒的集合体,其宏观力学特性主要影响因素为矿物的细观形态特征。基于颗粒流理论,建立了4种代表颗粒形状用于模拟石英砂岩的矿物颗粒,并采用球度指标对矿物颗粒形状进行参数量化。通过石英砂岩的室内三轴试验校准了颗粒流模型的细观参数,在此基础上进行四种矿物颗粒形状试样的岩石三轴力学模拟试验。研究结果表明：颗粒的球度越大,试样的启裂强度、损伤强度和峰值强度均越低。随着颗粒球度的增加,试样的弹模降低,泊松比增大。内摩擦角和黏聚力则随球度的增大而下降。根据岩样数值试验中的变形数据,研究了不同颗粒形状剪胀角随着塑性剪切应变的演化规律。     

含超径颗粒土石混合体的大型三轴剪切试验研究

 为研究土石混合体在含超径颗粒情况下的力学响应,利用大型三轴剪切试验仪,分别对体积含石量为25%,35%的非常规土石混合体试样在3种不同围压条件下进行固结不排水剪切试验。试验结果显示：含超径颗粒土石混合体在不排水剪切条件下仍然存在体积变化;含石量35%的土石混合体在围压较高情况下,体应变表现为加载初期剪缩,随后剪胀,二次剪缩,再次剪胀的特征;含石量25%的土石混合体的应力–应变曲线较为平滑,但含石量在35%的情况下,应力–应变曲线则呈现锯齿状特征,且伴随着间接性的应力跳跃现象,相应的体应变、孔隙水压力也出现跳跃现象,且与试样的应力变化具有很好的对应关系。     

Characterizing block geometry in jointed rockmasses

The intersection of discontinuities in a jointed rockmass creates in situ blocks of variable three-dimensional (3D) geometry. The size and shape of rock blocks in a rockmass assembly have a dominant influence on the engineering properties of a rockmass, and control, for example the failure geometry of a rock face and the optimum associated support and surface restraint strategy. The distribution of block volumes within a rockmass can be effectively analyzed and communicated using a cumulative volume distribution curve. Integrated with this analysis, a methodology has been developed to characterize the shape and volumetric shape distribution of rock blocks in 3D models of jointed rockmasses. The proposed Block Shape Characterization Method takes into account two factors: the first, , describes the shortening of the minor principal axis of the block while β describes the elongation of the major axis. When merged with the block volume distribution, the Block Shape Characterization Method can effectively describe and classify both the size and shape distributions of any jointed rockmass and is not limited to orthogonal blocks or hexahedra. This methodology can classify any polyhedra and has been developed and calibrated based on synthetic joint data and simulated block assemblies. A demonstration is given of its effectiveness in characterizing block geometries in the field using mapped fracture data.