三维空心扭剪试验的颗粒流模拟关键技术研究

空心圆柱扭剪仪是一种研究土在复杂条件下应力–应变关系的十分有力的工具。基于三维离散单元颗粒流理论,引入叠式刚性墙体模拟技术,模拟空心圆柱砂土试样在定向剪切条件下的三维应力–应变关系及微观参数的变化;并且对叠式刚性墙的优势进行探讨,表明叠式刚性墙能较好的捕捉到砂土试样的局部化效应。结合室内空心圆柱扭剪试验,对比三维颗粒体试样与室内试验的应力–应变关系曲线,再现试样的加载曲线,对剪切带的宏观和微观特性进行探讨。通过不同测试圆的参数变化,再现空心圆柱加载过程中局部效应,包括不同部位的应力、应变、孔隙率和接触数的变化,并对室内空心圆柱仪的适用性进行评价。最后给出由孔隙比和剪应变速率表征的剪切带在不同应变条件下的形成和发展的过程。通过三维颗粒流数值模拟空心圆柱扭剪试验,突破室内试验测试技术的局限性,使对砂土在复杂应力状态下宏细观参数的研究成为可能,为今后岩土工程的颗粒流模拟提供参考。     

颗粒形状对类砂土力学性质影响的颗粒流模拟

 通过颗粒流软件PFC2D中的clump命令,生成4种不同外轮廓特征的颗粒组,并结合颗粒材料变形机制,定义构建基于颗粒圆度与凹凸度的形状系数。用形状系数与粒间摩擦因数分别反映颗粒的外轮廓特征和表面粗糙度。用PFC2D模拟颗粒堆积试验、双轴试验和直剪试验,探讨颗粒形状对类砂土材料宏观力学特性的影响。试验结果表明：在颗粒堆积试验中,颗粒外轮廓的不规则以及颗粒间摩擦因数的增大会导致自然休止角和天然孔隙率增大;在双轴试验中,材料的峰值强度与形状系数的变化规律可用线性函数很好地进行拟合,内摩擦角随形状系数的减小而增大;在直剪试验中,材料的抗剪强度有随形状系数的减小而增大的趋势,颗粒形状的不规则还导致强力传递链数目的减少和速度场分布的不均匀。     

陕南地区无黏性土边坡稳定数值模拟

为直观的分析滑坡的细观机理,对陕南地区无黏性土边坡进行了离散元模拟[1],并利用颗粒流模拟方法,对土体应力应变关系和剪切带形成机理进行了微观数值模拟,将土体微观结构与对应的宏观力学特性结合起来,分析了土体剪切带的形成与发展过程,得出了一些有价值的结论。     

颗粒破碎对砂土剪切性质影响的离散单元研究

采用离散单元方法,建立了圆形颗粒、不破碎非圆形颗粒和破碎非圆形颗粒的数值试验模型,进行了砂土的双轴剪切试验,研究了颗粒破碎现象对砂土物理力学性质的影响,分析了颗粒破碎和颗粒形状对试样强度的影响以及围压对颗粒破碎性质的影响。研究结果表明：颗粒破碎现象严重影响砂土的峰值强度以及体积应变性质,并且低围压下颗粒形状对强度影响大于颗粒破碎,随着围压增大,颗粒破碎的影响逐渐增强;围压影响颗粒破碎发生的速率和最终的破碎率;由对颗粒破碎的位置和试样内位移场的追踪可得到颗粒破碎的细观演化规律及破碎带的分布范围,破碎带分布范围与围压有关。     

砂土的细观参数对宏观特性的影响研究

基于颗粒流理论,对砂土的室内双轴试验进行了数值模拟,在前人的基础上对颗粒形状和边界条件做了一些改进,采用不规则颗粒代替纯圆形颗粒,用柔性的颗粒边界代替刚性的墙边界.研究了颗粒形状、摩擦系数、孔隙率等细观参数变化对宏观特性的影响.并对计算模型中颗粒单元的性质进行了多组试样的参数比较研究,建立了宏观参数和细观参数的定量对应关系.对研究土体的本构模型具有一定的应用价值.     

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。     

黏性土的颗粒数量对PFC2D数值模拟影响的研究

利用PFC2D模拟了黏性土的单轴压缩试验,该试验中模型尺寸为100 mm×50 mm,通过改变模型颗粒半径而改变颗粒数量,经过试算,当颗粒数量大于约3 000时,其对数值模拟结果影响不大,此时颗粒半径为0. 5 mm～0. 8 mm。     

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。     

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。     

砂土中群桩室内模型试验及颗粒流模拟研究

对不同密实度砂土中的群桩进行室内模型试验,分析了桩土的一些宏观特性,并为进一步进行颗粒流细观模拟提供了必要的参数和宏观依据。在群桩室内模型试验的基础上,建立群桩的颗粒流分析模型,验证了群桩室内模型试验的一些宏观现象,然后进一步从细观角度分析了桩间距以及承台刚度等因素的改变对群桩工作性状的影响,此外还分析了不同位置基桩荷载分布。颗粒流模拟得到的一些结论可以为按沉降控制桩基设计及其工程应用提供理论依据。     

基于非线性接触本构的颗粒材料离散元数值模拟

在考虑颗粒间细观非线性接触关系的基础上,基于空隙胞元法,采用颗粒离散元法对二维颗粒体试样进行了平面应变数值模拟。颗粒间接触用广义弹簧单元表示,相邻颗粒接触点的塑性变形用非线性弹簧表示。在准静态、小变形条件下,研究了试样的微观织构变化和宏观力学行为。单个空隙胞元的变形通过周围颗粒的相对运动来计算,将离散系统中的变形与连续体中的相应变形联系起来,应用于颗粒离散元方法中平均应力的计算。文中给出了细观尺度上局部织构(通过空隙数,接触价键,配位数来表征)的变化过程,对比了不同情况下的应力–应变关系曲线,再现了试样的加卸载曲线。结果表明了颗粒介质之间的咬合作用对材料的宏观力学行为有比较明显的影响。     

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。     

基于颗粒流原理的岩石类材料细观参数的试验研究

材料的宏观力学特征与细观参数密切相关,基于颗粒流原理探究两者间的定量相关性,结合大理岩室内加、卸荷试验确定适用于岩石类材料(如大理岩)的细观参数,为细观分析岩石类材料卸荷破坏机理提供依据。结果表明:1平行黏结弹性模量是宏观弹性模量的主要控制因素,两者之间呈线性关系;泊松比与黏结弹性模量间呈多项式关系。材料弹性模量与泊松比的调试应以颗粒黏结弹性模量与平行黏结弹性模量作为主要对象。2平行黏结切向强度均值与平行黏结法向强度均值共同作用改变材料的应力–应变曲线,平行黏结法向强度均值与峰值应力间呈多项式关系;平行黏结切向强度均值与峰值应力间呈对数关系。3颗粒法向强度与切向强度之间的相对关系是裂纹分布多样化的本质原因:平行黏结法向(切向)强度均值与其标准差的比值在1附近时,岩样共轭破坏,比值增大或减小均会引起模型破坏面向剪切转变,同时平行黏结切向强度均值或其标准差增大会改变贯通性主破坏面的方向。4摩擦因数增加,岩样次生破坏面减少,但不会改变破坏面的方向。5大理岩室内试验的宏观力学特征表明通过正交设计试验可以得到基本合理的细观参数。     

静力触探试验的离散元数值模拟研究

由于静力触探试验的可重复性及可靠性,它在现场试验中被广泛应用。对静力触探试验进行颗粒流模拟,有助于从细观上了解静力触探试验机理,使之更好地服务于工程实际。颗粒流方法在模拟土体大变形方面具有一定的优势,本文利用颗粒流理论及其程序,首先在双轴试验的基础上确定了土样细观参数,然后建立静力触探的数值模型,模拟研究了贯入过程及锥尖土体的细观力学特征,重点分析了静力触探过程中砂土的位移运动规律,砂土的水平和垂直应力场及主应力的偏转。通过施加不同的应力边界条件,分析了模型不同的应力条件及超固结比(OCR)对锥尖贯入阻力的影响。同时,分析了锥尖尺寸效应对锥尖贯入阻力的影响规律。数值模拟结果与已有的试验规律具有较好的一致性,从而验证了颗粒流方法模拟静力触探试验的可行性,所得结论具有一定的理论价值和工程意义。     

颗粒形状对颗粒流模拟双轴压缩试验的影响研究

采用二维离散单元法,建立了4种不同形状的颗粒,研究了颗粒形状对模拟双轴试验的影响以及4种不同颗粒试样宏观特性随颗粒细观参数的变化关系。研究结果表明:在其它细观参数相同的情况下,颗粒形状对颗粒试样的宏观特性有较大的影响,其中3种异形颗粒由于颗粒形状的特殊性,显著地提高了颗粒试样的剪切强度。同时通过模拟双轴试验分析表明,4种颗粒试样宏观特性与细观参数的变化规律均比较一致。     

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。     

盾构隧道垂直土压力松动效应的颗粒流模拟

通过对比室内三轴试验和颗粒流程序双轴数值试验结果,确定了颗粒流模拟砂土的细观参数;通过对室内挡板下落试验的颗粒流数值模拟,验证了颗粒流模拟土拱效应的可行性。在此基础上对盾构隧道垂直土压力的松动效应进行了颗粒流模拟,分析了不同盾尾空隙、不同埋深、不同直径和不同围岩时作用在管片上的土压力、土体位移和土体颗粒接触力的变化情况。结果表明,土拱效应主要发生在隧道上部1～2倍隧道直径的范围内,隧道顶部土体通过土拱效应可大幅度减少作用在隧道上的土压力。