一种基于离散元的模拟颗粒破碎方法

为模拟颗粒破碎对散体材料应力–应变特性产生的显著影响,提出了一种改进的基于离散元的模拟颗粒破碎的方法。首先将颗粒复杂的受力状态简化成颗粒球心附近的最大拉应力并假定颗粒破碎服从最大拉应力准则。当颗粒满足破碎条件时,将破碎颗粒的直径缩小。当由缩小颗粒直径导致的质量损失达到某一规定值时,向样本内的孔隙插入新颗粒。为模拟破碎产生碎片的颗粒级配,新生成的颗粒尺寸服从分形分布,同时,为考虑颗粒强度的变异性和尺寸效应,未破碎颗粒、已破碎颗粒和破碎产生的碎片的抗拉强度均服从Weibull分布。该方法满足质量守恒条件,且适用于能在超级计算机上并行运行的开源离散元软件。采用本文方法模拟了一维压缩和直剪试验并与室内试验结果进行对比,结果表明本文方法模拟颗粒破碎是可行的。     

离散元中破碎自组织对颗粒破碎影响研究

从数学领域的阿波罗填充法入手,建立了4种破碎自组织,并借助线性膨胀法保证破碎前后质量守恒。在此基础上,开展了不同破碎自组织的数值试验,研究了破碎自组织对级配演化以及材料的宏细观力学特性等的影响。结果表明:颗粒级配曲线的分形维数和颗粒间的平均应力随破碎自组织中颗粒数目增多而下降,而相对破碎率B_r和材料的压缩性随自组织中颗粒数目增多而增大。加载过程中的法向接触和接触力玫瑰图表明,自组织中颗粒数目愈多,材料的各向异性程度愈低,颗粒法向接触数目愈多,而法向接触力愈小。另外,配位数及接触力的概率密度也与破碎自组织存在密切联系。     

基于离散单元法岩石单颗粒压缩破碎研究

基于离散单元法软件PFC~(2D),将粒径为0.075~0.1245mm的基本粒子捆绑成不同粒径的岩石颗粒,模拟岩石单颗粒压缩破碎试验的应力-应变关系,观察颗粒破碎演化过程,统计单颗粒破碎强度。建立了单颗粒破碎强度的分形模型,推出单颗粒破碎强度公式,并与离散单元数值试验结果进行对比,两者吻合程度很高。模拟不同孔隙率的岩石颗粒压缩破碎试验,结果表明,岩石单颗粒破碎分布的分维随着孔隙率的减小而增大。     

基于离散元法的滑坡模拟研究

介绍了秭归县白家包滑坡的工程概况,利用PFC2D软件,模拟了该滑坡的变形破坏过程,并通过倾斜加载和强度折减法,分析了滑坡破坏时的速度场,总结了滑坡的成因与形成机制,从而为滑坡的治理工程提供依据。     

隧道开挖中破碎带支护的颗粒离散元模拟研究

在破碎带这种复杂的地质条件下开挖隧道往往涉及到很多方面的因素,文章首先用详细的地质资料对某隧道进行了描述,包括岩性、产状等实际工作中可以得到的参数,然后使用颗粒离散元对隧道破碎带开挖引起的围岩稳定性进行模拟,通过大量的测试试验准确地掌握了颗粒离散元中参数与实际实验室参数间的对应关系,以此建立了无衬砌支护和有衬砌支护2种模型,比较围岩位移和隧道断面附近区域拉应力变化的不同,评价了支护结构的效果,对类似地带的地下工程具有一定的参考价值.     

颗粒离散元方法中黄土强度参数研究

颗粒离散元方法是离散元方法的一种,其研究对象的强度参数确定过程是非常繁琐的,常规方法必须进行数值计算和室内试验的标定。本文基于PFC软件,编写直接剪切试验程序,通过室内直剪试验和模拟试验对比分析,研究颗粒离散元方法中大孔隙,疏松的黄土强度参数。分析得到重力条件、颗粒密度、刚度和模型尺寸效应对强度曲线的影响,其中尺寸效应影响明显,通过多次计算提出了不同尺寸模型的参数换算公式。研究土体抗剪强度粘聚力c和离散元中接触黏结强度bond之间的线性关系,拟合得到二者的计算公式,通过公式可以快速标定得到颗粒离散元方法中黄土的强度参数,这为黄土地区地质灾害的离散元数值分析提供参数基础。     

基于离散元法的搅拌车进料装置模拟分析

为研究搅拌车进料装置的进料性能以及其内表面的磨损性能,采用离散元计算方法并结合EDEM软件,模拟计算不同物料下滑角对进料装置进料性能及磨损性能的影响.通过引入Archard模型,计算得到进料装置内部的磨损量及规律.研究结果表明:随着物料下滑角的增大,进料装置的进料性能呈现先下降后上升趋势,但物料下滑角并非越大越好;物料...     

基于离散元法的黄土颗粒间强度离散研究

为深入探究黄土三轴试验中黄土试样的力学特性,使模拟更接近真实情况。本文基于离散元单元法,开展了黄土试样在黏结强度服从高斯分布时的三轴剪切试验模拟,分析了分布方差对黄土试样力学特性的影响。研究结果表明：试样轴向应变初期未出现差异性,当达到一定应变时,黏结强度不同分布方差的影响开始显现。相同围压条件下,在剪缩全过程和剪胀前期,黏结强度的分布方差对体应变几乎没有影响。当轴向应变达到一定值时,不同分布方差的体应变曲线开始出现差异性;试样内部法向接触力分布主要集中于竖直方向,切向接触力分布主要呈现“X”形,不同离散程度的试样接触力分布也不一样。     

颗粒体材料力学性质的离散元模拟

基于离散单元法颗粒流理论,对颗粒材料室内三轴试验进行PFC3D模拟,通过对比具有不同组构颗粒半径及不同颗粒胶结强度的散体颗粒试样的试验结果,定性分析探索了颗粒半径及胶结作用对于颗粒体材料力学性能的影响,发现减小组构颗粒半径以及提高颗粒间胶结强度对于颗粒力学性能都存在提升作用。     

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。     

考虑颗粒破碎影响的吸力贯入式平板锚安装过程研究

吸力贯入式平板锚是一种适用于深海结构的锚泊基础,基于离散单元法对吸力贯入式平板锚在颗粒可破碎地基中的安装过程进行了模拟,探究土颗粒破碎对锚体运动特征、埋深减少等的影响。研究结果表明,土颗粒破碎导致锚板安装受荷旋转过程中发生斜向上的贯穿运动,影响锚的埋深减少。贯穿运动的产生与吸力贯入式平板锚的几何尺寸偏心比大小有关,偏心比很小时,不发生贯穿运动,随偏心比的增大,贯穿运动的程度先提高后下降;与未考虑土颗粒破碎情况比较,土颗粒破碎导致锚体在安装过程中产生的埋深减少远大于在土颗粒不破碎时的埋深减少。同时在土颗粒可破碎地基中,受贯穿运动的影响,吸力贯入式平板锚偏心比达到0.3后,埋深减少不再随锚链拉力倾角增大而线性增加,锚链拉力倾角超过45°后,埋深减少随着锚链拉力倾角增大而增加的速度变快。     

考虑不同成桩方式单桩特性的颗粒流数值模拟

采用基于离散单元法的颗粒流数值技术对砂土中(无黏聚力)设置就位后单桩在使用阶段的承载特性进行了数值模拟。对应工程中的挤土桩与非挤土桩,按照桩设置的不同方式研究并对比了静压沉桩方式与预埋式两种不同单桩在就位后的工作特性,对两种成桩方式下桩–土–筏板的共同作用特性也略作了比较。分析中,克服传统的连续介质力学模型的宏观连续性假设,研究加载过程中桩体力学行为表现与桩周土体的细观结构参数反应的联系,增进了对桩基工程承载特性与土体渐进破坏演变过程的深入理解。此外,将模型试验与数值模拟结果作了对比分析,桩端荷载–位移曲线特征有较好的一致性。     

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.     

考虑粒间法向接触力作用的粗粒土颗粒破碎试验研究

利用岩石双轴流变试验机,采用砂岩、石灰岩和板岩3种材料模拟粗粒土进行了球-球法向接触的颗粒破碎力学试验,对粗粒土颗粒破碎的过程、破碎形态、弹性核和力-位移曲线进行了研究,分析了不同粗粒土材料和颗粒尺寸对法向接触力学特性及颗粒破碎规律的影响。通过试验研究,发现粗粒土颗粒在法向接触力作用下,先在颗粒接触点处开始产生局部破碎,形成弹性核,继而产生贯通裂缝,最后颗粒发生整体破碎。通过拟合,分别建立了球形颗粒破碎准则和弹性核尺寸的经验公式。本文从粗粒土颗粒接触角度研究颗粒破碎的力学机理,开辟了研究粗粒土颗粒破碎的新途径,也可为离散元数值模拟直接提供接触力学参数。     

基于分形级配方程的堆石料颗粒破碎SBG模型

准确预测堆石料在受剪过程中颗粒的破碎率以及相应的级配变化,是揭示堆石料在复杂应力状态下强度、渗透、变形等特性的基础。基于分形级配方程,建立了一个实现"应力应变—破碎指标—级配分布(SBG)"转换的模型。引入Einav破碎指标BE作为衡量颗粒破碎率的指标,对分形级配方程进行变形和积分,推导了颗粒破碎率B_E和分形维数D的数学转换,即"破碎指标—级配分布"的转换。对已有的三轴剪切试验数据进行分析,提出一个可以定量表示颗粒破碎率随剪应变和平均正应力变化的数学模型,模型共有3个参数a,b,c,参数b与土体的临界状态有关,根据临界剪应变可以直接确定。对两组不同的试验数据进行拟合,发现模型预测值与试验值具有较高的吻合度,实现"应力应变—破碎指标"的转换。将以上两种转变联立,成功预测了不同剪应变及平均正应力下堆石料的级配变化。     

岩土材料破损特性的颗粒流研究

基于颗粒流理论,利用颗粒接触胶结本构模型,建立结构性岩土材料的颗粒流模型。通过颗粒流数值模拟试验,对结构性岩土材料破损的细观机理作了初步的研究。试验中采用胶结在一起的小圆盘去代替一个可破碎颗粒,再在可破碎颗粒之间施加适当的胶结,形成结构性岩土材料试样。在试验过程中通过记录胶结破损的数目和空间位置,就可以直观反映结构性岩土材料破损特性。试验表明试样在低围压下压缩试验中应力应变曲线表现为软化型,伴随剪切带的形成,有必要区分体积破损率和面积破损率。试样在高围压下压缩试验应力应变曲线表现为硬化型,没有明显的剪切带形成,表现为体积破损。分析表明颗粒流方法是研究岩土材料破损特性的一个有力工具。