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。     

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.     

基于线性接触模型的小麦三轴试验细观模拟

利用PFC3D离散元技术,采用线性接触模型,建立小麦三轴试验细观模型,模拟了小麦三轴试验.通过对比三轴室内试验获得的应力-应变曲线,对小麦的细观参数进行标定,并反算宏观参数.结果表明,PFC3D数值方法可很好地模拟小麦的三轴试验.小麦的宏观参数弹性模量、泊松比、内摩擦角、剪胀角与细观参数颗粒刚度、颗粒间摩擦系数等具有良好的相关性.     

粗粒土大型直剪试验宏细观研究与离散元模拟

为研究粗粒土剪切试验过程中宏观力学特性与颗粒细观运动规律,采用可视化大直剪仪对不同级配粗粒土进行剪切试验,利用图像处理技术对宏细观参数变化规律进行分析,再通过离散元数值模拟研究试样内部颗粒运动规律.研究发现,剪应力-累计应变关系曲线属于剪切硬化型,颗粒在剪切过程中的破碎形态以接触点侵蚀破碎为主;对颗粒长轴定向、平面孔隙率和配位数的分析发现,剪切过程中颗粒发生翻滚重排以及细粒填充作用;直剪试验图像分析及离散元数值模拟均发现,剪切带不是严格按照水平主剪切面发展,而是与向上突起的弧形副剪切面共同形成拱形剪切带.     

高频循环剪切下密砂与结构接触面土体性状的颗粒离散元分析

采用颗粒离散元方法,分析了高频循环剪切荷载下密砂与结构接触面的土体性状性,从不同的颗粒因素和剪切条件来分析接触面土体孔隙率、体应变以及典型位置颗粒的变化情况。数值模拟结果表明,密砂颗粒摩擦系数越大、其剪胀性越弱;颗粒刚度越大,其剪胀性越强;密砂的颗粒刚度比对其力学性质影响不大;边界围压越大,密砂的剪胀性越弱;高频循环剪...     

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...     

月壤静力学特性的离散元模拟

以典型月壤的物理力学性质为参照标准,采用颗粒流程序PFC3D对月壤静力学特性进行了离散元模拟研究。通过离散元模拟三轴试验反复调整颗粒细观参数,建立了月壤离散元接触力学模型;描述了月面探测车辆行驶下的月壤承压特性模型与剪切特性模型;从月面探测车辆的行驶观点出发,模拟压板试验,得出了载荷-沉降关系;通过模拟履带板试验得出了剪切应力-位移关系。最后,计算出了月壤的变形模量K为1635kN／m^n＋2、变形指数n为1．22,剪切变形模量k为1．35cm。结果表明,模拟试验值与模型预测趋势一致。     

基于次加载面摩擦模型的接触面剪切特性研究

为了反映土与结构接触面的应变软化特性以及剪切速率对土与结构接触面力学特性的影响,基于ABAQUS软件提供的FRIC子程序,采用显式积分算法,对能够表现接触面上应变软化的次加载面摩擦模型进行二次开发. 利用该模型模拟土与结构接触面的直剪试验,研究直剪试验过程中次加载面摩擦模型接触面上的应力演变过程. 研究结果表明,利用次加载面摩擦本构模型,能够较好地模拟土-结构接触面直剪试验中的应变软化和密实状态的类砂土残余切应力随剪切速率的增大而下降的现象. 在剪切位移的发展过程中,次加载面摩擦模型接触面上的切应力先增加后减小,接触面远离加载端一侧到另一侧的应力发挥水平先后达到最大值. 该研究表明,次加载面摩擦模型可以用于土与结构接触面的应变软化特性和速率相关性的模拟.     

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.     

月壤静力学特性的离散元模拟

以典型月壤的物理力学性质为参照标准,采用颗粒流程序PFC3D对月壤静力学特性进行了离散元模拟研究。通过离散元模拟三轴试验反复调整颗粒细观参数,建立了月壤离散元接触力学模型;描述了月面探测车辆行驶下的月壤承压特性模型与剪切特性模型;从月面探测车辆的行驶观点出发,模拟压板试验,得出了载荷-沉降关系;通过模拟履带板试验得出了剪切应力-位移关系。最后,计算出了月壤的变形模量K为1635 kN/mn+2、变形指数n为1.22,剪切变形模量k为1.35 cm。结果表明,模拟试验值与模型预测趋势一致。     

单剪试验试样应力状态与破坏模式

基于挪威岩土工程研究所(Norwegian Geotechnical Institute,NGI)研发的单剪仪及其试验,建立NGI型单剪试验离散元模型,研究试样的应力状态与破坏模式。结果表明,试样的破坏面既不在水平面也不在垂直面,破坏时最大剪应力在水平面附近;随着试样孔隙比的减小,垂直平面会先于水平平面破坏,且试验结果分析中使用的常数k与其模拟值的偏差减小。本研究提出确定单剪试验破坏面位置的理论计算方法,发现常数k取值方法存在局限性,应结合单剪试验离散元模拟分析单剪试验的应力状态与破坏模式。     

高频循环剪切下结构与松砂接触面的土体特性

应用颗粒离散元分析理论,深入地研究了高频循环剪切荷载下松砂与结构的接触面土体响应特性,对各种颗粒因素和剪切条件对接触面土体孔隙率和体应变的影响进行详细分析。数值仿真分析结果表明,松砂颗粒摩擦系数和颗粒刚度越大,接触面附近土体剪缩性越不明显;松砂的颗粒刚度比对其力学性质影响不大;边界围压越大,松砂的剪缩性越明显;高频循环剪切的剪切振幅和剪切频率越大,松砂的剪缩性越强。     

利用迭代思想标定砂土三轴试验宏-细观参数

为提高离散元中三轴试验宏-细观参数标定工作效率,提出一种新的方法——迭代标定法.利用fish语言编写程序在PFC~(3D)中实现了三轴试验的数值模拟.基于接触黏结模型对砂土三轴试验进行模拟,验证了迭代标定法的有效性.结果表明:颗粒刚度大小和颗粒刚度比都会影响偏应力的大小;颗粒法向刚度会影响初始杨氏模量;细观摩擦系数对偏应力的影响程度取决于模型围压的大小;黏结强度对接触黏结模型的应力应变曲线形态影响较小,但对平行黏结模型的应力应变曲线形态有较大影响.迭代标定法可以有效标定宏-细观参数,减少"试参数"过程.     

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。     

不同粒径砂土的细观离散元模拟

基于离散元理论,建立砂土数值模型,并赋予颗粒微观参数进行三维数值模拟.通过大量的颗粒流数值试验,对颗粒微观参数进行调整,得到与室内三轴实验相一致的应力应变曲线.通过改变颗粒微观结构,结果表明颗粒直径对材料的宏观力学行为有比较明显的影响.实验突破室内常规三轴实验的局限性,揭示了微观规律,对以后的岩土工程的颗粒模拟提供了有价值的参考.     

基于离散单元法的大豆力学特性研究

针对大豆颗粒粒径较大的特点,在室内大豆直剪试验的基础上标定大豆相应细观参数,采用离散单元法建立大型大豆直剪试验数值模型,验证了离散单元法模拟大豆直剪试验的可行性。分别设定试样的剪切速率、仓壁材料以及含水率为3个单一变量,其他参数为不变量,研究3个变量对大豆相关力学特性的影响,结果表明:试样的剪切速率在一定范围内变化时,大豆的抗剪强度峰值与内摩擦角变化不明显,但内部黏聚力由6. 12 k Pa增大至9. 31 kPa;在仓壁材料由光滑面变为混凝土板的过程中,大豆的内摩擦角由26. 9°增大至32. 33°,抗剪强度峰值也出现了一定程度的增长,但其内部的黏聚力保持相对稳定;不同含水率的大豆的抗剪强度不同,在大豆含水率由12%增长至21%时,大豆的内摩擦角由26. 9°增大至32. 5°,内部黏聚力由6. 12 kPa增大至11. 01 kPa。     

粗粒土细观组构分析的影响因素研究

基于离散元方法,采用ＰＦＣ２Ｄ模拟分析了土样在双轴等向压缩和双轴剪切两种不同加载方式 下的细观组构及接触演化规律．通过采取不同的颗粒级配、不同的试样尺寸、不同的制样方法和不 同的加载方式等数值模拟条件,从试样颗粒的接触力网络、平均接触数、组构偏量和应力应变关系 变化等方面研究各种条件变化对粗粒土结构及细观组构演化规律的影响．研究表明：试样的颗粒级 配和制样方法对粗粒土的细观组构和各向异性组构分析有一定的影响;试样的几何尺寸对组构各 向异性分析的影响较小,但是试样尺寸大小对研究土样的应力—应变关系会有影响;加载方式是土 样诱发各向异性和导致土样力学行为差异性的根本原因．     

砂卵石地层盾构施工引发的滞后地面塌陷机理

针对砂卵石地层盾构施工地面突发塌陷频发的情况,结合成都地铁1、2号线地面塌陷实例,研究了盾构施工引发的滞后地面塌陷机理;分析了砂卵石地层地质条件,利用大型三轴剪切试验获得其力学特性;选用颗粒离散元法进行数值计算,通过三轴数值试验标定了土体的细观参数;通过数值计算模拟了开挖面失稳和空洞向地表移动。研究结果表明,当开挖面支护压力较小时,位移大于0.1m的颗粒接触力极低,该区域的土体孔隙率变大、力学性质也降低,该区域是开挖面失稳区,掘进过后将在盾构上方形成空洞;砂卵石层开挖面上方土体成拱作用明显,即使土层内部形成空洞,也不会立刻引起地面塌陷,这是地面滞后塌陷的重要原因。     

边坡稳定性强度折减颗粒离散元法分析的细观参数标定策略

根据岩土体力学指标标定颗粒细观参数是应用颗粒离散元解决岩土工程问题的一项基础工作。用颗粒离散元法执行边坡稳定性强度折减法分析时，岩土体抗剪强度随折减系数变化不断调整，使用试算法标定颗粒细观参数则效率严重不足。为解决此问题，采用国产颗粒离散元软件MatDEM，以颗粒细观参数为输入、岩土体抗剪强度指标为输出构建BP神经网络，开发双轴压缩数值模型并行试验技术加速神经网络样本数据的获取过程，重复执行“逆向标定-精度检查-样本修正”实现颗粒细观参数的逆向迭代修正标定。测试试验结果表明，该策略标定的颗粒细观参数与抗剪强度目标高度匹配，数值试验结果与目标值相比误差可控制在不超过1%。采用澳大利亚计算机应用协会（ACADS）的两个边坡稳定性分析经典考题，以模型平均位移突变为极限状态判据执行强度折减法分析，检验该策略的应用效果。结果显示：该策略的标定能力可满足抗剪强度不断调整时颗粒细观参数重新设定的需要，安全系数计算结果与ACADS推荐解具有良好可比性。     

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)...