土石混合体边坡稳定性的三维颗粒离散元分析

为探究土石混合体边坡的稳定性和破坏机理,基于土工离心模型试验基本原理,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边坡细观结构的三维离散元模型.引入颗粒流强度折减法并提出基于能量演化的方法来判别边坡失稳破坏.利用提出的土石混合体边坡三维离散元建模方法和稳定性分析方法,分析不同块石含量、块石形状、空间结构、空间形态等因素对土石混合体边坡稳定性和破坏模式的影响,并揭示这些因素影响的细观机理.结果表明:随含石量增加,土石混合体边坡的安全系数逐渐增大;土石混合体边坡中呈现出多滑动面现象,且滑面较为曲折,具有明显的绕石特征,坡脚部位的部分大块石使得剪出口的位置发生明显的改变;随块石形状由球体、卵石到碎石,土石混合体边坡的安全系数逐渐增大;上覆堆积体相对较厚且坡度不是很大的二元结构边坡或一元结构边坡的破坏模式主要是堆积体内部发生的弧形滑动破坏,上覆堆积体厚度不大且基岩面相对平整的二元结构边坡的破坏模式主要是沿基-覆界面的整体平移滑动破坏;随土石混合体边坡空间形态由条带型、敞口型到锁口型,其安全系数逐渐提高,其中锁口型边坡具有显著的支撑拱效应,且含石量越大这种效应越明显.     

水平转弯颗粒流的离散元模拟

为了研究水平转弯输运物料时颗粒流的动力特性以及物料颗粒对输送带的作用机理,在离散元理论基础上,采用非线性HertzMimdlin接触模型,建立了水平转弯输运的离散元模型。以不同的角速度模拟测试颗粒平均速度,与计算的带中央切向速度相比,获得了一组比较接近的数字。说明所采用的接触模型和材料的物理参数是正确的。研究了两组不同的颗粒单元、4种滚动摩擦系数下的颗粒动力特性,发现颗粒平均速度与颗粒单元、滚动摩擦系数无关。通过输送带加速运行,模拟了料流分布以及料流对输送带外侧压力分布的影响。结果表明,随着带速的增加,带外侧平均压力逐步增加,而最大压力非线性地剧增。     

振动筛面颗粒流三维离散元法模拟

基于软球干接触模型对振动筛面上颗粒流的筛分过程进行了三维离散元法(DEM)模拟研究,分析了煤料颗粒流在筛分过程中的运动状态和筛分效率动态变化规律以及入料颗粒的粒度分布对筛分效率的影响.结果表明:各粒级颗粒具有相似的速度变化规律和相近的平均速度幅值.易筛颗粒的筛分效率较高且变化幅度较小,对整体筛分效率的影响较小;难筛颗粒的筛分效率较低且变化较剧烈,对整体筛分效率具有较大的影响作用;沿筛面长度方向,筛分效率在入料端最低,排料端最高,中间较高且基本相等;随着难筛颗粒和阻碍粒含量的增加,筛分效率逐渐减小,当2种颗粒含量分别为25%和10%时,稳定状态下的筛分效率减幅变缓.     

EPS颗粒整体集合的直剪试验研究

为研究聚苯乙烯泡沫颗粒整体集合的抗剪强度特性,通过直剪试验,针对粒径为1、3及5 mm的泡沫颗粒,测定了不同法向应力条件下剪应力与剪切位移之间的关系,分析了颗粒粒径及压缩性对抗剪强度的作用影响。结果表明:随着粒径的增加,EPS颗粒整体集合的抗剪强度逐渐降低;当EPS颗粒粒径由1 mm增加至5 mm时,其整体的内聚力由8.1 kPa减小至2.75 kPa,内摩擦角也随之减小,其原因在于EPS颗粒整体集合的压缩量随粒径的增加而增大。     

基于直剪试验的堆积碎石类材料细观参数标定方法及模拟验证

颗粒材料三维离散元数值模拟的可靠性取决于细观参数的合理标定,目前对细观模拟参数的标定方法还缺少系统性的研究。本文通过室内直剪试验和数模试验对比分析,揭示碎石颗粒材料宏观力学参数与颗粒间细观参数的相关性,提出碎石颗粒材料数值模拟细观参数的标定方法,并验证标定方法的合理性。研究结果表明：在线性模型中,碎石颗粒试样的宏观弹性常数与碎石的粒间法向接触刚度呈正相关,而对粒间切向接触刚度的变化不敏感,基于此提出的粒间接触刚度（法向、切向）标定方法;直剪数值试验的剪应力-剪位移曲线计算结果与室内试验值吻合度较高,结果验证了标定方法的可靠性及合理性;在直接剪切过程中,碎石颗粒内部力链网络随着剪位移的增加逐渐由垂直方向向剪切盒对角线方向偏转,随着颗粒的整体速度场变化而出现剪缩和剪胀现象;采用本文提出的细观参数标定方法对室内滑坡运动试验开展数值模拟,数值模拟滑坡碎石堆积形态与室内试验基本一致,验证了该方法在堆积碎石滑坡模拟分析中的适用性。     

用颗粒离散元法模拟筛分过程

基于颗粒离散元法的基本原理，采用VC＋＋．NET开发了筛分作业的二维离散元仿真程序SieveDEM，模拟系统由给料漏斗、筛分机和产品隔板等组成，入筛物料的粒度组成、给料量及筛分机的工作参数等均可人为设定，实现了筛分作业全过程的动态模拟．对模型筛分机的筛分试验进行了数值仿真，模拟结果真实地再现了入筛物料3种典型的运动透筛行为，模拟得到的筛分分配曲线同试验结果基本吻合．将筛面上物料的运动速度按矢量分解的方法划分为输送速度和透筛速度两部分，统计分析结果揭示了二者的波动现象，表明离散元法能够反映筛分过程的本质机理．     

初始组构各向异性对类砂土直剪试验影响的非圆颗粒组模拟

针对圆形和单粒组颗粒模拟试验的缺陷,基于PFC2D的clump命令,开发了非圆形颗粒组,采用单向法、各向同法和沉积法生成不同初始组构特征的试验样品,模拟了砂土直接剪切试验过程.探讨了初始组构各向异性对砂土抗剪强度与剪胀性的影响规律,研究了剪切过程中力链的演化形式,分析了颗粒旋转以及剪切带内外颗粒长轴定向的变化特征.数值试验结果表明：颗粒初始组构的差异对抗剪强度的影响较大,对材料的剪胀性以及内摩擦角的影响较小;剪切过程应力主轴发生了偏转,颗粒接触角向主应力方向靠拢;颗粒旋转主要发生在8倍于平均颗粒半径的条带内,颗粒长轴定向也发生了偏转,偏转方向与主应力偏转方向相同,但滞后于主应力的偏转速度;初始组构的不同影响剪切带内颗粒的旋转速度.     

椭球颗粒体系宏、细观特性的3维离散元分析

颗粒材料由大量不同形状的离散颗粒组成,其力学特性与构成颗粒体系的颗粒形状密切相关。目前,关于颗粒形状对颗粒材料剪切强度的影响已有大量的物理试验或数值模拟试验研究,而非球形颗粒材料在复杂应力路径下的宏、细观力学特性认识还不够充分。本文采用离散单元法(DEM)对按一定级配生成的不同伸长率的椭球颗粒体系进行等σ₃(第3主应力)及等b(中主应力比)的真三轴加载数值模拟试验,研究椭球颗粒体系的3维宏、细观力学特性,并验证常用3维强度准则对椭球颗粒体系的适用性。结果表明：在3维加载路径下,不同于圆球颗粒体系宏、细观演化规律的一致性,椭球颗粒体系的宏观应力面与细观组构面演化规律不一致,宏观应力比与强接触网络组构偏值/均值比线性不为1,这是因为椭球颗粒体系弱接触网络对宏观应力的贡献;椭球颗粒体系宏观体应变、细观法向接触力分布、接触数目及配位数分布等宏、细观指标与加载路径无关;随着椭球伸长率L_AR增大,Mohr–Coulomb准则、Lade–Duncan准则、Mastsuoka–Nakai准则及施维成3维强度准则对φ_max(峰值内摩擦角)...     

非饱和土剪切试验颗粒流模拟

实验研究基质吸力对非饱和土的变形及强度特性影响耗时耗力,为减少实验所带来的问题,采用颗粒流理论,以颗粒黏结强度为桥梁,建立非饱和土的PFC3D直剪数值模型,模拟不同固结应力及基质吸力作用下非饱和红土的力学特性,得到其剪切应力与剪切位移的关系。基于摩尔-库伦准则,通过拟合计算得出与基质吸力相关的黏聚力c、内摩擦角φ并与实验值对比;通过黏聚力与基质吸力的关系得到φb角,数值模拟与实验值非常接近,结论验证了模拟的合理性。研究成果为非饱和土性质验证提供了新的思路。     

组合Clump颗粒加筋砂土三轴剪切试验离散元模拟分析

针对常规离散元数值模拟中采用的球形颗粒难以再现颗粒间嵌锁作用的问题,基于不同形状的Clump颗粒,利用离散元软件PFC3D开展了多组三轴剪切数值模拟试验.通过改变球形度和加筋层数研究了颗粒形状和加筋层数对砂土剪切特性的影响,并初步探讨了筋土界面作用机理.结果表明:随着颗粒球形度的增加,试样峰值抗剪强度与残余强度逐渐减小...     

直剪试验的面积校正方法及误差分析

为定量估计不同尺寸试样直剪仪因试样面积减小对剪应力和强度指标的影响,对传统直剪仪和国内近年研发的几种大型直剪仪进行了剪应力面积校正和误差分析.用解析公式研究了不同尺寸试样不考虑面积减小的剪应力近似计算产生的误差随水平位移的变化趋势.结果表明：当位移不超过试样直径7.725%,标准直剪仪（Φ61.8 mm）和大型非标直剪仪的剪应力近似计算相对误差都不会超过10%,试样面积减小对剪应力-位移变化规律影响远大于对强度指标的影响,对后者的影响基本可忽略.     

裂隙岩体水力劈裂的颗粒离散元数值模拟

利用颗粒离散元软件PFC2D从细观角度初步模拟裂隙岩体水力劈裂的发展过程,并分析影响水力劈裂的部分因素。研究结果表明,以初始裂缝尖端处的接触黏结破坏作为水力劈裂发生的标志,可以较真实地模拟裂隙岩体水力劈裂时裂缝的产生和扩展过程。数值模拟结果表明,初始裂缝的相对长度、岩体的渗透性以及水压力的加载速率等因素均对水力劈裂的起裂压力有较大影响。起裂压力随着岩体初始裂缝长度的增加、水压加载速率的加快而降低,随着岩体渗透性的增加而有较明显提高。这些规律与现有的理论和研究结果是一致的,从而验证了采用颗粒离散元模拟裂隙岩体水力劈裂的可行性。     

鼓泡流化床流动特性的直接颗粒模拟

为了考察流化床中颗粒和气泡运动的基本规律，对两维鼓泡流化床进行了数值模拟.在假设气相为无黏不可压的条件下，求解了体积平均后的欧拉方程，并利用离散单元法（DEM）模拟了颗粒间的碰撞及颗粒与壁面间的碰撞过程.模拟中跟踪了约90 000个颗粒，统计了不同床高截面上颗粒及气体纵向平均速度的分布，并对不同表观空气风速和床高下床内压降以及压力波动进行了研究.结果表明，DEM方法能很好地模拟鼓泡床内的流动特性.在床内较低截面上，颗粒及气体的平均速度沿水平方向呈现两个峰，而在较高截面上合并为一个峰.且表观风速越大，气泡运动速度越高.     

砂砾石混合物抗剪强度特性试验研究

为分析砾石含量及砾石形状对砂砾石混合物抗剪强度的影响,对砂砾石混合物进行了不同应力（σ=50、100、150、200kPa）条件下的大型直剪试验。试验中砂砾石混合物为相同砂与圆砾石及角砾石2种不同形状砾石的混合物,砾石含量分别为20％、40％、60％及80％。结果表明砂砾石混合物的剪胀量和抗剪强度随砾石含量以及砾石形状不规则程度的增加而增加,砾石含量对砂砾石混合物抗剪强度的影响大于砾石形状的影响。砂砾石混合物的最小孔隙比可以作为衡量砾石含量和砾石形状与其抗剪强度关系的特征参数。     

管涌的砂槽试验研究及颗粒流模拟

为了揭示管涌发展的细观机理,分析了土体内部细颗粒运移引起管涌破坏的动态过程,进行了管涌砂槽模型试验和颗粒流数值模拟,根据数值模拟结果,分析了管涌发展过程中试样细观变化规律及流体的变化规律,并与砂槽模型试验结果进行了比较.结果表明在不同的颗粒组成、孔隙率大小和渗径长度下数值模拟获得的临界水力梯度与室内试验结果均比较接近,从而证明了采用颗粒流程序研究管涌问题是合理的,为从细观尺度上解释和分析管涌现象提供了一条新的途径.     

基于神经网络模型的预拌流态土剪切特性研究

为充分利用工程弃土，将其与固化剂和水充分拌和，制备一种回填后无需压实且工程性质良好的新型填筑材料。依托南京某基坑肥槽回填工程，对不同配比的预拌流态土进行直剪试验，研究预拌流态土的剪切特性，基于神经网络模型开展了预拌流态土剪应力-剪切位移预测研究。结果表明：预拌流态土剪应力-剪切位移曲线类型受水泥配合比、养护龄期和垂直压力影响；预拌流态土的抗剪强度和粘聚力受水灰比、垂直压力、养护龄期、水泥配合比影响；预拌流态土剪应力-剪切位移神经网络预测模型对抗剪强度的预测具有较高的精度。     

PFC2D中平行粘结参数对直剪强度参数的影响研究

为了解PFC2D模拟室内直剪试验时平行粘结参数和直剪强度参数间的关系,以引江济淮试验工程中泥岩崩解后的颗粒级配建立模型,通过控制变量法对PFC2D中平行粘结参数对泥岩直剪强度参数的影响进行研究。结果表明:平行粘结参数对直剪强度参数的影响不具有单调性,应划分为不同的区间进行讨论;平行粘结参数对粘聚力和内摩擦角的敏感程度不同。