基于离散元法的砂土注浆扩散机理研究

采用离散元法研究注浆过程中浆液与砂土颗粒之间的宏观和微观相互作用机理。通过压实粒径大小不同的颗粒来制备砂土试样。分析了在不同的灌浆速度下,浆液的扩散方式,扩散范围和土壤强度的变化,以及注浆压力突增的原因。数值结果表明,随着泥浆颗粒的不断注入,扩散速度逐渐减慢,土壤强度不断提高。随着灌浆速度的降低,泥浆的扩散范围增加。灌浆压力激增的时刻与注入边界与砂粒的接触时间完全吻合,这解释了灌浆压力突然升高的原因。此外,揭示了实际工程中由于砂粒倒灌入注浆管而引起的注浆管堵塞的机理。     

三维离散元法中地下水及锚杆的模拟

基于采用动态松弛法求解的三维离散单元法,提出了地下水、锚杆的三维分析方法,给出了相应的算法和公式,并通过算例进行了验证。     

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。     

基于离散元的沥青混合料细观力学研究进展

介绍了离散元在沥青混合料细观力学研究方面的最新进展,具体阐述了沥青混合料离散元建模方法,并根据目前研究的不足之处,预测了基于离散元的混合料细观力学的发展方向,以期促进基于离散元的混合料细观力学研究。     

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。     

节理岩质边坡地下水渗流的离散元分析

从岩体裂隙网络渗流的特点出发,以节理开度变化为纽带,对裂隙岩体渗流场与应力场耦合的离散裂隙网络模型进行分析,采用离散单元法对节理岩质边坡不同库水位条件下的渗流场与应力场进行了耦合分析,比较真实地模拟了库水位上升对节理岩质边坡渗流场与应力场的改造,研究了库水位上升对边坡变形和稳定性的影响规律.结果表明:水库蓄水后,随着水位的抬升,坡体内的最大位移、最大孔压、最大流量均有不同程度的增大,而边坡的稳定性逐渐降低.     

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。     

基于细观颗粒离散元的花岗岩劈拉破损行为研究

由于试件制备简单、试验便于操作,巴西劈裂试验被广泛用于测量岩石的抗拉强度,但试验结果易受细观结构、平台中心角、端部摩擦等因素影响。针对上述问题,本文对花岗岩进行矿物成分鉴定,采用数字图像技术表征试件的真实结构,建立了颗粒离散元的岩石细观力学模型,利用该模型对花岗岩的劈拉试验进行了数值仿真,并通过开展相应的试验论证了模型的可靠性。同时,基于数值模型研究了平台中心角以及加载端部边界效应对花岗岩劈拉破坏的影响。研究表明,随着平台中心角的增大,花岗岩试件中心的拉应力降低,压、拉应力比增大,中心角取20°~30°为宜;此外,端部摩擦效应随着平台中心角的增大而增大,当中心角小于30°时,端部摩擦影响较小,可忽略不计。     

沥青混合料三维离散元几何模型重构研究

离散元数值模拟在沥青混合料试验中得到了越来越多的应用,随着科学设备的发展及学者对数值模拟与真实情况相吻合程度的要求越来越高,将CT扫描技术与三维离散元数值模拟相结合受到了很多学者的关注。文中依托PFC3D基于CT技术,建立沥青混合料三维离散元几何模型。     

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。     

松散软岩巷道破坏的颗粒离散元模拟分析

松散软岩巷道的开挖与支护问题一直是理论与工程难题,围岩破坏机理则是围岩变形控制的关键。结合具体工程,针对一种典型的松散软岩,根据其地质条件和物理力学特性,采用颗粒离散元软件对软岩中巷道的开挖过程进行了数值模拟。文章还再现了软岩从开挖到破坏的整个力学演变过程,以及围岩在一定范围内从裂隙产生到贯通的整个渐进式破坏过程,详细分析了围岩各个关键部位的应力特征,得到巷道围岩应力分布特征图。在等围压的情况下,岩体还表现出较好的成拱效应,能够较好地自稳,得到巷道围岩成拱示意图。分析结果与巷道弹塑解能很好地吻合。以上结果表明,颗粒离散元对类似的岩土工程力学过程和机制的分析有很好的运用前景。     

基于离散单元法的混凝土细观力学模型研究进展

介绍了离散单元法用于混凝土细观结构数值模拟的优越性及其基本原理;总结了目前基于离散单元法的刚体-弹簧元模型、扩展的离散单元法、颗粒-界面元模型、梁-颗粒模型等常用模型的原理、研究现状、成果,以及各自的优缺点;对数值模型建立中应考虑的关键问题,如破坏准则、本构关系以及材料参数的确定方法等作了归纳分析.指出目前离散单元法用于混凝土数值模拟的研究主要以二维模型、简单受力状态、定性分析为主,而在复杂受力状态、定量分析、随机性分析以及相应实用软件的开发等方面仍有待进一步研究.     

基于离散元方法的PDC钻头破岩仿真研究

针对前人对PDC(聚晶金刚石复合片)钻头破岩仿真研究多采用有限元法,忽略了岩体的各向异性、不均匀性以及不连续性等问题。提出了采用离散元法来研究PDC钻头的破岩仿真过程,利用离散元软件PFC3D建立了虚拟单轴压缩实验和虚拟巴西劈裂法实验,推导出了岩石的三维离散元模型的细观参数,确定了岩石的本构模型。在此基础上建立了PDC单齿切削岩石的离散元模型,讨论了侧倾角对切削力的影响关系,并与单齿切削岩石的有限元模型进行了对比。结果表明:离散元模型与有限元模型结果比较接近,离散元数值模拟的求解时间为有限元数值模拟的1/3,离散元方法具有潜在的高效率。在单齿切削岩石的离散元模型的基础上建立了全钻头破岩离散元模型,研究了PDC钻头动态破岩过程中各切削齿所受扭矩和钻压的分布规律。并通过全钻头破岩室内台架实验对模型的准确性进行了验证。     

基于离散元法的多孔沥青混合料空隙衰变研究

为了研究加载后多孔沥青混合料的空隙衰变规律,使用离散元软件PFC2D生成了多孔沥青混合料的二维车辙板虚拟试件并模拟了车辙试验.在虚拟试件生成过程中采用了新的空隙生成算法,即按照空隙级配来模拟不规则多边形,将其投放在沥青砂浆内并删除后形成空隙.通过室内静态蠕变试验获取多孔沥青混合料的微观参数值,以此来设计虚拟车辙试验的加载方式、空隙信息提取算法,并将虚拟车辙试验结果与室内车辙试验结果进行对比,验证了虚拟车辙试验的可行性.虚拟试验结果表明:荷载越大,试件空隙衰变越明显;随着荷载作用时间的增长,试件空隙率持续衰减,但速率变缓,在混合料结构破坏之前存在趋于稳定的状态;环境温度对试件空隙率影响明显,随环境温度升高,空隙率的衰减呈现3阶段变化;试件初始空隙率为20%(体积分数)时,加载后其空隙率衰变值最小.     

岩体断续节理受压剪荷载的弹塑性分析

运用弹塑性断裂力学的裂纹线场分析方法，将描述岩体材料破坏特性的摩尔－库仑准则，列入求解岩体内节理断裂问题的基本方程中，对节理裂隙在压剪荷载下进行求解，利出了节理线附近的弹塑性区应务场。通过弹塑性场在其边界上的匹配条件，得出了节理线上塑性区长度与压剪荷载的关系，以及节理扩展破坏准则。     

沥青混合料三轴剪切试验的离散元模拟研究

为了更好地评价和预估沥青混合料抗车辙能力,基于离散元方法,应用PFC2D软件对沥青混合料的三轴剪切试验进行离散元数值模拟,并将模拟结果与实验室试验结果进行了对比分析.结果表明,离散元模拟结果与实验室试验结果具有较好的相关性,且规律一致,验证了模型的正确性;可基于此模型建立评价和预估沥青混合料抗车辙能力的虚拟试验方法.     

基于区间有限元的渗流分析

对于渗流问题,特别是地下岩体中的渗流,由于条件复杂随机性,具有不确定性。结合区间分析基本理论,给出了裂隙网络渗流区间控制方程。并结合算例利用Monte-Carlo区间分析方法对层状裂隙隙宽为区间变量的流场进行了渗流分析。     

砂性土层大直径浅埋隧道掘进试验及离散元模拟

隧道断面的增大致使盾构施工的风险增大,尤其是高水压砂性土层,大直径浅埋隧道盾构对周边岩土体的扰动以及土层变形的影响是目前需要研究的新课题。本文以武汉地铁7号线大直径越江隧道段为工程背景,建立了大直径浅埋隧道盾构掘进室内缩尺试验模型,采用螺旋出土盾构设备(包含螺旋杆、螺旋出土器及套筒),以恒定的推进速率进行了隧道掘进,并且对地表沉降进行了监控。同时,本文建立了同尺寸的浅埋隧道盾构掘进离散元模型,对盾构掘进过程中地表沉降、开挖面前方土层中颗粒配位数以及黏结破裂区域进行了分析研究,并与室内试验结果进行了对比分析。结果表明:地表竖向位移与室内试验结果吻合度较高,盾构掘进地表各点处的沉降均随着掘进距离的增大而增大;盾构掘进影响区域主要分布在隧道顶部至地表、一定范围内的周边土体以及开挖面前方一定范围内的盾构区域;颗粒接触点处的黏结破裂区域主要分布在盾构区域和隧道顶部区域。     

裂隙岩体中力学-渗流-传输耦合离散元模拟

深部地下工程包括增强型地热系统、核废料的地下处置、CO₂地下封存、煤炭地下气化等,都涉及到复杂的水-力-化多场耦合过程。全面理解力学过程影响下的溶质(如放射性核素)传输过程是以上各类工程成功建设和安全运行的重要理论基础。本文基于离散裂隙网络模型的思想,采用离散元方法来模拟应力-渗流耦合过程,而溶质传输过程则用粒子追踪法(Particle tracking algorithm)来进行模拟。溶质传输机理主要考虑了单岩石裂隙中的平流(Advection)、弥散(Hydrodynamic dispersion)以及原岩-裂隙之间的扩散(Matrix diffusion)。结果显示,力学过程对溶质传输过程有着显著影响,会明显改变溶质在裂隙网络中的停滞时间、传输路径和位置分布等。当水力梯度较小时,原岩-裂隙之间的扩散过程将是溶质在裂隙网络中停滞时间的决定性因素。     

各向异性砂土宏微观特性三维离散元分析

各向异性对砂土强度和变形特性有显著的影响,为了研究各向异性砂土的宏微观特性,基于三维离散元法,对7个不同沉积角的试样进行了一系列的三轴模拟试验。利用"Clump"命令生成近似椭球形状颗粒,并且采用三维抗转动模型来模拟颗粒间的抗转动能力。离散元模拟结果与已知室内试验结果吻合很好。结果表明:随着沉积角的增大,偏应力和轴向应变的关系逐渐由应变软化向应变硬化发展。沉积角较小的试样剪胀性更强并且容易到达临界状态,颗粒组构–应力联合不变量(表征颗粒长轴组构张量和应力张量的相对角度)的值接近于-1,且颗粒长轴组构各向异性先增大后减小;然而对于沉积角较大的试样,在轴向应变50%处,仍不能达到临界状态,并且联合不变量的值大于-1,颗粒长轴组构各向异性先减小后不断增大。对于法向接触组构,组构主轴方向迅速向应力主轴方向偏转,组构各向异性的演化规律与偏应力随轴向应变的演化规律相似。