考虑颗粒破碎的堆石料动力变形特性模拟

颗粒破碎是影响堆石料强度和变形特性的重要因素,但目前针对颗粒破碎的模拟研究多在静力荷载条件下.为研究颗粒破碎对小应变条件下堆石料的动力变形特性的影响,采用多个等粒径小球按最密六方排列随机组合模拟不规则形状的堆石颗粒,通过碎片替换法模拟颗粒破碎,研究了花岗岩堆石料不同围压下的动力响应,探索了孔隙率对动弹性模量的影响,分析...     

基于三维裂隙网络的岩体剪切特性尺寸效应分析

为研究复杂裂隙岩体剪切特性的尺寸效应,以西藏怒江松塔水电站PDC3平硐为例,在现场采集裂隙信息的基础上,基于颗粒流PFC^3D软件通过统计学方法及蒙特卡洛原理生成三维裂隙网络,构建等效岩体,进行大尺度直剪模拟试验得到裂隙岩体的抗剪强度、内摩擦系数及内聚力,分别研究其尺寸效应并确定不同参数下的REV尺寸,继而对相关参数和试样尺寸分别进行非线性回归拟合,探究其函数关系。结果表明：抗剪强度、内聚力及内摩擦系数随着试样尺寸的变化而趋于稳定,且不同参数得到的REV大小不同;综合分析不同参数的REV尺寸,得出研究区裂隙岩体的剪切特性REV尺寸为11 m×11 m×11 m;通过函数关系拟合,抗剪强度、内聚力和内摩擦系数与试样尺寸之间均存在指数函数关系。该成果为研究复杂裂隙岩体的力学REV以及合理确定力学参数提供了依据。     

堆石料力学性能的数值模拟分析

摘 要：利用离散单元法研究了堆石料的力学和变形性能,以及数值模拟过程中相关参数对其力学性能的影响。根据离散元基本模型和相关的几何理论生成两种不同的堆石料颗粒模型,即球形单颗粒模型和不规则形状的颗粒簇模型,研究材料的颗粒形状对堆石料强度的影响。基于颗粒簇模型,运用控制变量法,研究摩擦角和杨氏模量对堆石料的剪切强度和变形特性的影响。通过数值模拟,得出不同试验条件下相应的应力-应变曲线,分析其峰值应力、残余强度、最大应变、弹性模量以及剪缩剪胀趋势等,从而研究试样的不同力学响应。结果显示：在相同的应变率加载条件下,随着围压从300 kPa增加到500 kPa和更高的1000 kPa,球形颗粒模型对应的峰值剪切应力从相应的500 kPa增加到1700 kPa;而不规则形状颗粒簇模型对应的峰值剪切应力则从1400 kPa增加到3500 kPa,明显高于相应围压条件下的球形颗粒模型所对应的峰值剪切应力。当试样摩擦角从10°增加到50°时,相应的峰值应力则从不到1000 kPa增加到3250 kPa,相应的最大体积应变从6.5%增加到20%。杨氏模量E从107 Pa变化到109 Pa时,峰值剪切应力随之从相应的1350 kPa增加到2575 kPa。在此过程中,试样整体应变则从剪缩过渡到剪胀。     

母岩变形特性差异对堆石料力学性质的影响

针对当前研究中很少甚至忽略母岩变形特性对堆石料力学性质的影响,采用大型静力三轴仪及大型渗透仪,分别进行了2种堆石料三轴试验和渗透试验,得到了不同岩性堆石料强度、变形和渗透特性的变化规律,初步分析了母岩变形特性差异对堆石料力学性质的影响机制。试验结果表明:母岩单轴抗压强度相同条件下不同堆石料的强度并不相同,母岩变形特性对堆石料的力学特性同样具有重要影响,主要表现在对于堆石料的强度及变形特性的影响上,而对于堆石料渗透特性的影响则相对较小;影响机制则主要体现在由于母岩变形特性差异导致的堆石料累积体积变形的差异上,堆石料累积体积变形的差异进一步导致母岩弹性模量低的堆石料反而获得较大的峰值强度。建议应从母岩强度和变形特性两个方面研究母岩对堆石料力学特性的影响。     

缩尺效应对砂砾石料力学特性及其本构模型的影响

针对三轴仪受颗粒尺寸的限制而存在缩尺效应的问题,以新疆阿尔塔什筑坝料为研究对象,通过大型三轴数值模拟试验,从宏细观角度开展缩尺效应对砂砾石料力学特性及其非线性本构模型影响的研究.结果表明,随着围压的增加,试样偏应力极值增大,剪缩程度显著而剪胀特性被抑制;随着试样尺寸的增大,其峰值强度提高,试样由剪缩向剪胀过渡.随着试样尺寸的增大,邓肯模型的内摩擦角分量、弹性模量参数、体积模量参数均明显增大,其他参数的影响可忽略不计.砂砾石料的内摩擦角分量与颗粒粒径呈对数型函数关系,弹性模量参数、体积模量参数与颗粒粒径均呈线性函数关系.随着试样尺寸的增大,变形集中区的范围更广泛,其形式逐渐由“X”型变为“X+x”或“X+x+x”型变形集中区.初始阶段配位数随着试样尺寸的增大而增加;加载过程中配位数增加,试样以剪缩为主,随着试样尺寸的增大其配位数逐渐呈减小趋势,剪缩性被抑制.     

考虑颗粒破碎与各向异性的堆石料广义塑型模型（英文）

堆石料以其填筑密度高、压实性能好、透水性强、沉降变形小、承载力高等优点,在堆石坝、铁路、公路路基等工程建设中得到广泛应用。合理的堆石料本构模型对工程计算和分析具有重要意义,且目前仍具有很大的发展空间。基于破碎应力和空间滑动面(SMP)的概念,提出了一个能综合反映颗粒破碎和各向异性的状态参数。利用该状态参数对修正ZienkiewiczⅢ模型(MPZ模型)进行了改进,构造了一个能够描述堆石料应力变形工程特性的广义塑性模型。本文通过一系列不同压实面倾角的常规三轴试验,验证了该模型的有效性。由于所构造的各向异性指标ω的变化趋势能够反映堆石料的变形和强度随大主应力方向角非单调变化的特征,故该模型可以反映堆石料初始各向异性对力学特性造成的明显差异。     

堆石料制样方法对其强度和变形特性影响

进行了堆石料的表面振动器压实法和振动台法制样比较试验,结果表明,表面振动器压实法所得出的试样最大干密度值明显高于振动台法.同时,针对这两种制样方法所得出的试样,开展了大型三轴得出制样方法对堆石料的强度和变形指标具有明显影响,表面振动器法对应试样的强度和变形指标均优于振动台法,其中对变形特性指标的影响更为显著.考虑到表面振动器制样过程与土石坝实际施工碾压过程近乎一致,因此,建议将表面振动器压实法作为堆石料室内最大干密度的测试方法.随着重型碾压设备在土石坝碾压施工中的普遍使用,可通过调整表面振动器底板静压力和延长振动时间来提高振动功率,尽量减小堆石料室内制样密度与现场碾压密度的差异.     

考虑细观接触的堆石料本构关系研究

考虑细观接触的堆石料解析模型不仅可以很好地反映堆石料的应力-应变关系,而且可以揭示土体变形和强度发展的细观机理.通过设置特征粒径并采用随围压增加而减小的峰值内摩擦角,将颗粒材料的本构模型应用于堆石料的三轴试验结果模拟中,并采用粒子群优化算法搜寻细观本构模型参数,与试验应力-应变-体变关系比较可以看出,拟合效果很好.表明文中提出的从细观本构出发,构筑堆石料应力-应变关系的方法切实可行.     

堆石颗粒在复杂约束模式的破碎特性

为了研究三维情况下单个颗粒在不同约束模式下的破碎特性,对颗粒开展了物理试验和基于连续-离散耦合数值分析方法 (FDEM)的数值试验研究.通过改变颗粒周边约束的个数和位置,设定了不同的约束模式,并采用奇异值分解(SVD)对颗粒约束模式进行量化,分析约束模式对颗粒破碎模式、破碎强度和碎片尺寸分布的影响.结果表明,颗粒在不同的约束模式下呈现出3种典型的破碎形式：削切、劈裂和碎裂.统计不同约束个数下的颗粒破碎峰值荷载,其在4～6个约束个数情况下变化并不明显,可以认为在离散元数值(DEM)模拟中采用接触力准则判断颗粒破碎具有一定的适用性.分析碎片尺寸分布,为构建更加合理的碎片替换模式进行离散元颗粒破碎模拟提供了参考和依据.     

细颗粒截断粒径对堆石体力学特性影响的数值模拟

建立考虑颗粒破碎的随机散粒体的SGDD数值模型,进行堆石体细颗粒截断粒径的敏感性分析,对三组不同截断粒径的数值试样进行不同围压的常规三轴试验,分析截断粒径对堆石体力学特性的影响并研究其细观机理.研究结果表明,在保持相对密度一致的条件下,数值试样的强度参数和变形参数随截断粒径的变化而单调变化;在细观层面上,颗粒体的各向异性演化规律与截断粒径密切相关.颗粒的配位数、接触失效率随截断粒径的减小而减小.截断粒径越小的试样含有的无效颗粒数越多,从数值试样的宏观强度、变形结果来考察数值剪切试验的精度,在本文数值试样的加载条件下,截断粒径取15mm时,其对宏观强度和变形的影响是可接受的.     

混凝土双轴压缩强度尺寸效应机理

为了研究混凝土双轴强度尺寸效应产生的机理,考虑混凝土尺寸效应及其宏观力学非线性源于其材料组成的非均质性,结合混凝土细观结构形式,从细观角度将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质和界面过渡区组成的三相复合材料,建立了尺寸分别为150 mm×150 mm、300 mm×300 mm和600 mm×600 mm的数值混凝土试件.首先通过对150 mm×150 mm方形混凝土试件进行单轴压缩力学特性模拟,采用反演法确定了界面过渡区的力学参数,进而对双轴压缩加载下混凝土的破坏行为及其尺寸效应进行了分析.研究结果表明:1)损伤破坏形式随试件尺寸发生变化,试件最终破坏消耗的断裂能不同是导致混凝土双轴压缩强度产生尺寸效应的主要原因;2)混凝土单、双轴压缩强度均存在明显的尺寸效应行为,并且Bazant尺寸效应律能够较好地描述混凝土在单、双轴压缩加载下的强度尺寸效应.     

考虑颗粒破碎特性的机场高填方变形与稳定性分析

近年来,中国西南山区的机场高填方建设进入快速发展阶段,具有良好工程特性的堆石料等粗粒土广泛应用于高填方。机场高填方内部应力较高,粗粒土等填筑材料会产生颗粒破碎,分析颗粒破碎特性对高填方变形和稳定性的影响具有重大工程意义。使用离散元颗粒流法对高填方建立数值模型,采用强度折减法模拟了高填方的变形演化过程,利用Russell和Muir Wood颗粒破碎准则,对颗粒破碎和颗粒不破碎两种情况分别进行了离散元的数值模拟分析,对比研究了考虑颗粒破碎对高填方变形和稳定性的影响。研究结果表明：粗粒土颗粒破碎后产生的小颗粒将滑移充填颗粒间的空隙,使高填方变形量增加,高填方土体的抗剪强度降低,进而使高填方的安全系数降低,严重影响高填方的稳定性。     

大理岩球形颗粒接触破碎过程与机理

为研究大理岩球形颗粒的接触破碎过程与机理,利用岩石双轴流变仪,配合特别定制的球铰支座与位移量测系统,进行了大理岩球形颗粒球-面接触与球-球接触试验,对大理岩球形颗粒接触破碎的过程、破碎形态以及试验力-位移曲线进行研究,分析了大理岩球形颗粒接触破碎的力学特性以及破碎过程的细观机理.同时在离散元方法中引入强度折减参数对接触破碎试验进行数值模拟,直观地显示了破碎发展过程,并将数值模拟结果与试验结果进行对比分析,最后总结了颗粒接触数值参数标定经验.研究表明,大理岩颗粒在法向接触力的作用下,先在颗粒接触点处产生局部破碎并逐渐形成弹性核,其存在改变了法向接触力的传递路径,弹性核被压入使颗粒产生贯通裂缝,最终发生整体破碎.引入强度折减参数的数值模型能较好拟合试验中的破碎形态,其结果是对室内试验很好的补充,能进一步明确大理岩球形颗粒接触破碎过程的细观机理.     

等效节理岩体表征单元体研究

岩体力学参数具有表征单元体(REV).以特大型露天矿内蒙古白云鄂博铁矿东矿为研究背景,根据现场节理测线法调查与室内岩石力学试验,将随机节理三维网络模拟技术与块体离散元分析方法相结合,构建了反映节理真实空间状态的多尺度等效节理岩体模型.通过数值试验得出了各尺度等效岩体单轴压缩应力-应变曲线,研究了岩体的单轴压缩力学性质及力学参数表征单元体.研究表明:随着等效岩体尺度增大,岩体峰值强度、变形模量和残余强度逐渐减小,当尺度增大到15~20m时趋于恒定,进而得到研究对象的岩体表征单元体为15m×15m×15m,该尺度岩体的单轴抗压峰值强度和变形模量分别为0.67 MPa,22.0GPa,为后续岩体工程稳定与安全评价提供了基础数据.     

土石混合体细观力学参数对宏观力学特性影响研究

为了系统地研究土石混合体细观力学参数对其宏观力学特性的影响,首先在不规则块石体三维离散元模型的基础上,建立了符合宏观统计规律的含石量为50%的土石混合体三维离散元模型;然后进行了不同石-土颗粒法向刚度的比值、不同石-土颗粒法切向刚度比的比值、不同石-土颗粒摩擦系数的比值和不同石-土颗粒间黏结强度与土-土颗粒间黏结强度的比值等情形下的土石混合体大三轴试验三维颗粒流数值模拟,分析了各种情形下土石混合体的宏观力学响应;最后从微裂纹演化、摩擦功、块石颗粒转动特征等多个角度对各细观力学参数影响的细观机理进行了揭示.结果表明:随着石-土颗粒法向刚度比值的增大,试样初始模量增大,破坏应变和峰值强度均减小;石-土颗粒法切向刚度比的比值和石-土颗粒间黏结强度与土-土颗粒间黏结强度的比值对土石混合体的宏观力学行为影响不显著;石-土颗粒摩擦系数的比值越大,峰值强度和残余强度越大.     

堆石料的三维应力分数阶本构模型

为合理反映粗粒土的状态依赖非关联应力-应变特性,提出应力分数阶塑性力学模型。已有模型基于三轴试验结果,无法对堆石料真三轴条件下的应力-应变特性进行预测,为解决这一问题,基于特征应力法对已有分数阶塑性力学模型进行完善。进一步选取不同初始状态条件下堆石料的真三轴压缩试验数据对模型进行验证,结果表明,三维化后的分数阶岩土塑性力学模型可以合理地模拟不同初始状态的堆石料在真三轴压缩条件下的应力-应变行为。与传统塑性力学模型相比,提出的分数阶塑性模型在描述堆石料非关联流动时不需要额外引入塑性势函数,仅需对已有屈服面求解分数阶导数。此外,模型在特征应力空间中推导完成再映射到原应力空间,可描述土体的三维强度特性,无需额外采用三维强度准则。     

复杂形状颗粒DEM模拟及其对宏观力学响应影响研究

借助有限元网格划分技术,提出了一种复杂形状颗粒的DEM模拟方法,实现了包括凹多边形在内的复杂形状颗粒的模拟,通过参数控制使得生成的颗粒形状更加真实.生成6组不同形状的颗粒集合体,采用双轴压缩试验研究了颗粒形状对力学响应的影响,并解释了细观影响机理.计算结果表明,在最密实状态下,颗粒间的孔隙填充效率与颗粒边数有关,颗粒边数越少,孔隙率越小;不同形状颗粒集合体在双轴压缩过程中,加载初期的变形模量相近,偏应力和体积变形规律相似,峰值摩擦角与形状系数呈线性关系;颗粒边数越少,加载过程中颗粒转动越剧烈.规则颗粒边数为5~10时,颗粒集合体的峰值强度和体积变形差异较小,这主要是受颗粒旋转的影响:颗粒绕形心转动时,颗粒边数越少,局部剪胀越明显,所需外界功越大;当颗粒绕接触点旋转时,偶数边颗粒所需外界功和导致的体积剪胀比奇数边颗粒试样大.随着颗粒集合体凹凸度的增大,颗粒间的排列更加密实,咬合作用更强,但颗粒形状随机多样性与颗粒间的咬合作用并无单调关系,当λ=0.2时,颗粒集合体的峰值强度和体积应变最大.     

矿石破碎颗粒黏结模型黏结键特征及表征

目的 针对矿石颗粒黏结模型与实际矿石破碎特性存在差异造成的仿真不准确问题,重点对不同粒级矿石颗粒黏结模型中的黏结键特征进行研究。方法 依据矿石强度尺寸效应理论,设计铜矿石颗粒黏结模型中基础颗粒间的黏结键参数,应用离散元方法对30,40,60 mm三种粒级铜矿石矿样进行落重试验和破碎仿真。本文给出黏结键等效临界变形的概念,讨论了矿石落重试验t10和冲击能量的关系,探讨黏结键参数变化规律。结果 结果表明,三种粒级铜矿石颗粒黏结模型破碎仿真与落重试验粒级质量分数的平均误差分别为1.75%,1.66%,1.84%,试验和仿真得到的破碎粒度质量分数具有很好的一致性;法向和切向等效临界变形可以表征黏结键强度,单位冲击能量下落重试验的tn10可以表征矿石强度。结论 利用黏结键等效临界变形和tn10的对应关系确定黏结键参数,提高了矿石颗粒黏结模型的建模效率和仿真精度。     

西南地区坝基深部玄武岩工程地质特性研究

受自身高强度和形成条件影响,西南地区玄武岩深部岩体具有几何尺寸上的不完整性和力学特性上的似完整性,同一位置采用不同指标划分岩体结果不同.鉴于现有测试手段和评价方法,深部玄武岩工程地质特性研究具有相当难度.岩体透水率、纵波波速等指标能较好反映岩体工程特性,其测试方法相对简便,且与岩体力学参数有较好的相关性,故可用于深部玄武岩结构、风化、卸荷划分,利用纵波波速、吕荣值与变形模量的相关性推算深部岩体变形参数,辅以室内试验,最终综合评价深部玄武岩.以西南某水电站坝基玄武岩为例,综合坝址区平硐、钻孔纵波速度、吕荣值、力学参数等指标获得坝基岩体质量分级方案,并进行岩体划分,为该水电站建基面选择提供依据.     

砂土颗粒DEM模拟中颗粒集合体的组装与标定

颗粒DEM数值模拟中,首先需要进行数值颗粒集合体的组装,颗粒形状与孔隙率是重要的组装参数。采用PFC2D对不同形状颗粒的摩擦系数与孔隙率之间的对应关系进行了探讨,形成了一种获取指定孔隙率数值颗粒集合体的方法。鉴于圆形颗粒集合体表观强度较低的情况,对3种非圆形颗粒的强度和剪胀性曲线进行了对比。将80%的条形颗粒与20%的三角形颗粒混合,获得了指定相对密度85%的集合体,并标定得到了颗粒细观参数。不改变颗粒混合体形状与比例,组装得到相对密度为50%的试样,对颗粒接触力学参数进行微调后也可以获得与实际试验曲线较为对应的结果。采用组装与标定结果,模拟砂填料桩承式路堤模型试验,获得的路堤填料变形演化过程与模型试验吻合,验证了颗粒组装与标定方法的可靠性。