试验设计法在硬岩PFC~(3D)模型细观参数标定中的应用

利用试验设计法针对硬质岩体颗粒离散元数值研究中的细观参数标定问题进行了研究。首先利用Plackett-Burman试验设计分析了细观参数对宏观响应的敏感性,并建立了宏观力学指标和细观参数之间的线性关系,然后利用响应曲面法考查了显著影响参数之间的相互作用,得到了宏观响应与细观参数之间的非线性关系。最后将问题转化为非线性多目标数学规划问题利用MATLAB软件中FGOALATTAIN函数进行求解。通过和典型硬岩物理试验结果对比发现,利用试验设计法标定参数建立的颗粒离散元模型可以很好地反映单轴和低围压下岩石的破坏过程,但是由于采用了球形颗粒对于高围压下的拟合效果偏弱。利用PB设计、响应曲面法并结合数学规划建立的细观参数标定方法可以反映各细观参数对宏观力学响应的敏感性并给出明确的函数表达式,同时可以通过增加求解过程中的约束条件来体现更多的岩石力学特性。     

非均质岩石材料宏细观力学参数的关系研究

利用基于岩石矿物种类及其含量提出的岩石矿物细胞元随机性参数赋值方法,针对两矿物细胞元混合的非均质岩石模型进行参数赋值,通过数值试验研究了非均质岩石材料矿物细胞元含量及其力学参数对岩石宏观力学参数的影响;根据数值试验结果,探讨了岩石材料矿物细胞元弹性模量与宏观模量之间的函数关系。研究结果表明,岩石宏观弹性模量与矿物细胞元弹性模量、矿物细胞元含量都具有十分显著的线性相关关系,即基于岩石矿物种类及其含量的矿物细胞元随机性参数赋值方法建立的岩石有限元模型宏细观力学参数之间呈显著的线性关系;宏观力学参数可用细观力学参数的数学期望值即加权平均值来表示。     

平直节理黏结颗粒材料宏细观参数关系及细观参数的标定

为了分析平直节理黏结颗粒材料宏细观参数关系以及进行细观参数的标定,以单轴压缩、直接拉伸和双轴压缩数值试验作为宏观参数测试方法,对平直节理接触模型细观参数进行正交设计,采用多因素方差分析和回归分析研究宏细观参数之间的关系,在此基础上,建立了细观参数的标定方法。以灰岩的室内试验为基础,对其细观参数进行标定,模拟结果与试验结果相接近,验证了方法的有效性。     

岩石单轴压缩PFC2D模型细观参数标定研究

为了研究单轴压缩PFC^2D模型宏细观参数之间的关系及对其细观参数进行标定,以平直节理接触模型作为颗粒接触本构模型,对PFC^2D模型细观参数进行正交设计,以多因素方差分析、量纲分析研究宏细观参数之间的关系,在此基础上,提出了试错法标定细观参数的具体流程,将其用于灰岩单轴压缩PFC^2D模型细观参数的标定中,数值模拟所得宏观参数、应力-应变曲线和破坏特征与室内试验结果相近,验证了本文方法的可行性。分析结果显示,如果要建立双轴压缩PFC^2D模型,还需进一步标定细观参数tanφ_b和μ_b。研究成果可为岩石力学试验的颗粒流模拟提供一定参考。     

基于晶粒织构模型的花岗岩矿物晶粒形状及朝向对其力学特性影响研究

花岗岩及其他粒状结晶质岩石由于其组成的矿物形状、矿物朝向和矿物成分等细观结构的影响,表现出不连续、非均匀及各向异性等非均质特性。但现有的数值方法还不能够定量研究矿物晶粒形状及朝向的影响,为了探究矿物晶粒的形状及朝向等非均质性对岩石力学性质的影响,基于颗粒离散元法提出晶粒织构模型(GTM),其通过生成代表真实矿物晶粒的随机不规则椭圆形柔性晶粒簇(Cluster),能够定量分析矿物晶粒形状及朝向的影响并再现岩石矿物晶粒内部和晶界损伤演变的动态过程。通过与室内试验结果进行对比,经过细观参数标定后的GTM模型能够很好地模拟出LdB花岗岩在不同力学条件下的宏观力学特性及破坏特征。通过构建不同晶粒纵横比及旋转角度的GTM模型研究矿物晶粒形状及朝向的影响,发现晶粒的形状及朝向的改变会导致晶内及晶界接触比例及接触整体朝向的变化,进而影响到岩石的宏观力学特性及破坏特征。GTM模型能够更加全面真实地从岩石的细观结构角度探究岩石的力学特性与破坏机制,对于揭示岩石细观非均质性对宏观力学特性及晶内、晶界裂纹扩展的影响提供了有效的方法和手段。     

离散元平行黏结模型的细观参数标定

针对二维规则排列颗粒组成的宏观介质,建立一种离散元平行黏结模型细观参数和宏观力学参数的定量关系。将平行黏结的结构视为弹性胶,采用力学理论分析,建立无侧限压缩和抗拉情况时,弹性胶的法向刚度和法向黏结强度的精确表达式;采用离散元数值模拟,对所建立的宏细观关系式进行了验证。研究结果表明:宏观弹性模量是关于黏结刚度、颗粒刚度和颗粒行列数的函数;宏观抗拉强度是关于细观法向黏结强度、颗粒列数和颗粒半径的函数。研究成果对快速、合理地确定离散元模型的细观参数具有重要意义。     

正交–等值线法在堆石料细观参数标定中的应用

针对堆石料离散元模型细观参数标定过程中计算量大的现状,以堆石料室内三轴排水剪切试验为对象,采用正交试验与等值线法相结合的方法,在优化细观参数取值范围和分析宏观响应对细观参数敏感性基础上快速确定了堆石料细观参数。结果表明,多次正交试验可以较快的缩小细观参数取值范围;综合利用正交试验和等值线法的优势能快速标定堆石料离散元模型的细观参数。该方法也为其它材料离散元模型标定细观参数提供了新的手段和思路。     

三维离散颗粒单元模拟无黏性土的工程力学性质

基于三维离散单元颗粒流理论,引入了在极限剪力状态下颗粒间可以发生滑动的接触本构模型,建立颗粒体试样,并赋予颗粒相应的细观结构参数进行无黏结摩擦材料的三维应力应变数值模拟。通过大量的颗粒流数值试验,从细观力学角度对砂土的工程力学特性进行了初步的模拟研究。对砂土的室内常规三轴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三维颗粒体试样与室内三轴的应力应变关系曲线,基本再现了试样的加载曲线。通过进一步分析颗粒细观结构参数变化对组成材料的宏观力学的影响及其剪切位移场的形成和发展规律,结果表明颗粒介质之间的摩擦系数、颗粒组成材料的孔隙率对材料的宏观力学行为有比较明显的影响。研究的意义在于理想的颗粒流数值模拟试验能够突破常规的室内土工试验能力及其局限性,对于砂土的细观结构的影响研究成为可能,并且揭示了微观的一些规律,对今后的岩土工程的颗粒模拟提供了有价值的参考。     

基于微观图像处理技术的土体三轴试验颗粒流模型

以扫描电子显微镜拍摄获取的粉土图片为研究对象,把数字图像处理技术引入土体的细观结构观察和定量分析中,求解土颗粒孔隙度、颗粒粒径及颗粒形状等微观颗粒组成参数,为建立颗粒流离散元细观模型提供物理参数。在此基础上,对土样的三轴试验进行模拟,并研究细观力学参数(包括:摩擦系数、平行连接强度及刚度比)对宏观性质的影响。研究表明:通过颗粒簇模型和颗粒排斥法可以实现土体微观颗粒形状和粒径组成模拟。所建立的颗粒流模型能够很好地拟合土体的应力-应变关系和模拟试验中的剪缩-剪胀现象;摩擦系数、平行连接强度和刚度比对土体的初始模量和残余强度的影响规律有所不同;通过监测孔隙率的变化,可以反映土体剪切带发展的过程。     

基于细观组分实际分布的花岗岩宏细观参数关系

岩石通常由不同细观组分组成,细观组分的类型与相互作用决定了岩石的宏观力学性质。以北山花岗岩为例,使用室内试验视频和阈值分割技术确定细观组分的类别与位置,将细观组分颗粒和胶结物分别用圆盘和平行黏结来表征,细观力学性质使用颗粒力学性质参数(弹性模量、刚度比、摩擦因数)和平行黏结力学性质参数(弹性模量、刚度比、法向强度均值、切向强度均值)7个指标来表征,宏观力学性质使用弹性模量、泊松比、峰值应力3个指标来表征,使用颗粒流代码、像素和颗粒循环技术,建立考虑细观组分实际分布的颗粒流模型,进行7因素、4水平的32次正交数值模拟试验,研究宏细观力学性质关系和细观力学性质参数的调整方法。结果表明,数字图像处理技术可以有效用于建立基于细观组分实际分布的颗粒流模型;宏观弹性模量–细观弹性模量、宏观泊松比–细观刚度比、宏观峰值应力–细观强度具有很好的对应关系;宏细观弹性模量、泊松比、刚度比有较好的相关关系。由于细观组分的实际分布与力学特点控制了岩石的变形破坏过程,研究成果对估计岩石细观力学参数、预测宏观力学性状具有一定的参考价值。     

岩体尺寸效应及其特征参数计算

 岩体的尺寸效应包括完整岩块的尺寸效应与节理岩体的尺寸效应,但两者之间还缺乏有机联系。基于物理力学试验与细观参数统计分布理论,建立试样尺度的随机概率模型。通过统计宏观节理分布,建立包含随机分布节理的岩体尺度模型。将实验室获得的岩块强度应用于岩体的计算中,提出一种从细观层次、宏观层次的多尺度岩体工程计算方法,建立2种尺度效应的联系。最后,就非均匀性、围压与节理密度对岩石尺寸效应的影响问题展开探讨。随着均值度的增加,试样的特征尺度逐渐减小。随着围压的增大,岩体特征强度逐渐增大,而岩体力学参数的特征尺寸增大不明显。随着节理密度的增大,特征尺寸和相应的特征强度都是减小的。本方法试图建立细观与宏观力学参数之间的桥梁,获得岩体计算的力学参数,为解决工程岩体参数取值与计算提供一条思路。     

岩体表征单元体与岩体力学参数

在岩体多场耦合分析中,许多采用岩体表征单元体(REV)讨论岩体的渗透特性。事实上,岩体REV是岩石力学的一个基本科学问题,它是选取岩体力学模型以及确定岩体力学参数的基础。从REV的基本概念出发,阐述岩体REV的力学意义;根据岩石及岩体的结构和地质特征,定义了岩石力学中常见的6个尺度,并分析了REV与其它尺度的关系;归纳总结并提出了岩体REV的3种确定方法:能量叠加法,地质统计法,数值模拟法;讨论了岩体REV与岩体力学模型及岩体力学参数取值之间的关系;提出了岩体力学参数的"5S"相关性和岩体力学参数场的概念和分析方法。     

非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型

非贯通节理岩体是同时含有节理、裂隙等宏观缺陷及微裂隙、微孔洞等细观缺陷的复合损伤地质材料,基于此提出了在非贯通节理岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏、细观缺陷的观点。首先对基于细观动态断裂机理的经典动态损伤本构模型——TCK模型进行了阐述,其次针对目前节理岩体损伤变量定义中仅考虑节理几何参数而未考虑其强度参数的不足,基于能量原理和断裂力学理论推导得出了同时考虑节理几何及强度参数的宏观损伤变量(张量)的计算公式;第三,基于Lemaitre等效应变假设推导了综合考虑宏、细观缺陷的复合损伤变量(张量);第四,借鉴前人基于复合材料力学的观点,考虑了节理法向及切向刚度等变形参数对岩体动态力学特性的影响,进而建立了基于TCK模型的非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型。并利用该模型讨论了载荷应变率、节理内摩擦角、节理厚度、节理法向及切向刚度和节理倾角等对岩体动态力学特性的影响规律。计算结果与目前的理论及试验研究结果比较吻合,从而说明了该模型的合理性。     

基于细观结构表征的岩石破裂热–力耦合模型及应用

 岩石热破裂的研究只有考虑各种矿物组分造成的岩石的非均匀性,才能更客观地反映岩石热破裂的本质。利用数字图像处理技术数字化表征岩石内部矿物颗粒的几何形态,充分考虑岩石真实的细观结构,结合细观损伤力学和热弹性理论,建立能更客观的分析岩石热–力耦合作用下破裂过程的数值模型。以花岗岩为例,运用数值模型研究花岗岩在温度和压缩荷载共同作用下的力学行为和破裂过程。研究结果表明,温度对岩石的力学性质和破裂演化过程影响显著,热破裂裂纹多发生在矿物颗粒边界处,并沿颗粒边界扩展,局部会形成闭合多边形,其热破裂演化过程与试验结果基本相符,从而验证了数值模型的合理性和有效性,该数值模型为细观尺度定量研究岩石热破裂提供一种新的方法。     

深埋隧道锚岩体力学参数综合取值研究

深埋岩石工程勘察设计阶段中岩体原位试验工作困难,针对深埋复杂岩体力学参数选取问题,提出在岩体地质分析基础上,综合原位试验和Hoek-Brown准则的岩体力学参数取值方法.该方法首先依据勘探成果分析岩体地质特征,对工程区岩体进行分类,应用Hoek-Brown 准则确定各类岩体力学参数并采用经验参数核对校正,确定设计阶段岩...     

物化型软岩微结构单元特征及其胀缩性研究

在对物化型软岩的物质组成、矿物结构及其失水-吸水过程的物理力学机制研究的基础上，提出物化型软岩由硬质砂粒-黏土矿物叠层构成的四面体微结构单元的胀缩几何模型，建立相应的胀缩几何方程。所建立的胀缩方程为定量进行软岩胀缩性能的研究提供理论基础，但这个胀缩方程的具体应用还有待于对各类软岩的成分组成、各类黏土矿物的结构特征以及胀缩性能参数等进行进一步的定量研究。     

Effects of fracture distribution and length scale on the equivalent continuum elastic compliance of fractured rock masses

fracture systems have strong influence on the overall mechanical behavior of fractured rock masses due to their relatively lower stiffness and shear strength than those of the rock matrix.Understanding the effects of fracture geometrical distribution,such as length,spacing,persistence and orientation,is important for quantifying the mechanical behavior of fractured rock masses.The relation between fracture geometry and the mechanical characteristics of the fractured rock mass is complicated due to the fact that the fracture geometry and mechanical behaviors of fractured rock mass are strongly dependent on the length scale.In this paper,a comprehensive study was conducted to determine the effects of fracture distribution on the equivalent continuum elastic compliance of fractured rock masses over a wide range of fracture lengths.To account for the stochastic nature of fracture distributions,three different simulation techniques involving Oda's elastic compliance tensor,Monte Carlo simulation(MCS),and suitable probability density functions(PDFs) were employed to represent the elastic compliance of fractured rock masses.To yield geologically realistic results,parameters for defining fracture distributions were obtained from different geological fields.The influence of the key fracture parameters and their relations to the overall elastic behavior of the fractured rock mass were studied and discussed.A detailed study was also carried out to investigate the validity of the use of a representative element volume(REV) in the equivalent continuum representation of fractured rock masses.A criterion was also proposed to determine the appropriate REV given the fracture distribution of the rock mass.     

三向应力状态下冻融岩石损伤本构模型

充分考虑岩石材料缺陷随机性的特点,基于连续损伤力学理论,建立了考虑围压影响的冻融荷载作用损伤模型;根据红砂岩变形破坏曲线的几何条件,采用全微分方法确定了仅含岩石基本特征参量的模型参数表达式;通过红砂岩冻融循环力学特性试验,验证了模型的合理性。研究表明:红砂岩以裂纹为主导的细观力学响应与宏观变形破坏特性相一致;随着冻融循环次数的增加,岩石损伤程度加剧,宏观上表现为材料力学性能的劣化。但在变形中后期,相同损伤程度时岩石应变增加,塑性特性增强;围压可改善岩石受力状态,因而随着围压的增加,岩石损伤程度减小,宏观上表现出材料抵抗破坏能力的增强和塑性变形的增加。     

非贯通裂隙岩体三维复合损伤本构模型

针对非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,提出受荷细观损伤与裂隙宏观损伤的概念。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,综合考虑裂隙宏观缺陷的存在,微裂纹细观缺陷在受荷下的损伤扩展,以及宏细观缺陷在受荷过程中的耦合,基于Lemaitre应变等效假设,推导考虑宏细观缺陷耦合的复合损伤变量(张量)。给出宏观损伤变量(张量)的计算公式,建立基于宏细观缺陷耦合的非贯通裂隙岩体在荷载作用下的三维复合损伤本构模型,利用试验数据对模型合理性进行验证,讨论不同围压下宏细观缺陷对裂隙岩体力学特性的影响规律。研究结果表明:1工程结构中的受荷岩体,其力学性能由宏观缺陷、细观缺陷以及所处应力状态所决定。单轴应力状态下,岩石力学性质具有明显的脆性,受裂隙几何分布影响较大,具有明显的各向异性。围压状态下,岩石力学性质具有明显延性特征。随围压增加,裂隙岩样的各向异性得到弱化,并趋于各向同性。2裂隙岩样常规三轴压缩试验时,若考虑岩石的压密过程,初始轴向应变在高围压时不能忽略。