岩石节理直剪试验颗粒流宏细观分析

 基于颗粒流理论和PFC程序,在解决建模过程中悬浮颗粒的消除、恒定法向荷载伺服机制的施加、拟静力加载状态的选取等问题后,较为完善地实现岩石节理PFC数值直剪试验,并分别从宏观和细观角度深入探讨节理在直剪试验过程中的力学演化特征和破坏机制。结合已有的节理直剪试验成果,进行室内试验和计算结果的对比分析,验证计算方法的可靠性。研究成果如下：(1) 随恒定法向荷载的增大,剪切应力及其峰值时刻的剪切位移增大,节理面上黏结破坏颗粒增多,而剪切阻抗和节理剪胀效应却降低;(2) 随剪切位移的增加,节理面上粒间法向接触数不断减少,接触矢量方向逐渐向剪切荷载施加方向偏转,而粒间接触压力不断增大,裂纹不断沿节理面附近产生,破裂频数在剪切应力达到峰值时最为强烈;(3) 数值试验得到的剪切阻抗值普遍高于试验值,但减小模型颗粒半径可有效降低计算剪切阻抗值。室内试验和计算结果对比分析表明,新提出的颗粒流计算方法非常适用于岩石节理直剪试验的数值模拟,可为室内节理直剪试验和PFC节理模型细观力学参数选取的深入研究提供有益的参考。     

用于离散元分析的胶结材料三维微观接触模型

岩石、结构性土、含水合物深海沉积土(能源土)等岩土材料均可视为由颗粒骨架和粒间胶结物共同构成的胶结型材料。简单实用的微观粒间接触模型是采用离散元数值方法分析胶结体系宏微观力学特性的基础。针对有一定厚度的粒间胶结形式,将胶结物简化为存在于颗粒之间有一定厚度的短圆柱。通过对胶结物内部应力分布进行适当简化推导了三维粒间接触模型,包括法向、切向、弯曲和扭转四个方向的相互作用规律。最终所得模型结合了理论推导和既有室内胶结接触力学试验成果,考虑粒间胶结物的法向压碎过程,能描述切向、弯曲和扭转单独作用的破坏过程以及剪弯扭共同作用下的破坏准则。模型形式简单,易于引入离散元程序。     

土工合成材料大型直剪界面作用宏细观研究

利用大型直剪模型试验设备，在不同竖向压力下进行一系列的土工合成材料直剪试验，应用数码可视化跟踪技术，结合土体变形无标点量测技术来研究双向土工格栅与砂土直剪界面作用的宏细观特性，同时分析界面附近土压力分布规律，并研究界面颗粒运动变化规律和细观组构演化特征与宏观特性的关联。分析结果表明，直剪筋土界面附近竖向压力分布从前端依次向后端减少；直剪界面位移达25 mm时，形成了稳定的剪应变集中带；在筋土界面（6～8）D₅₀粒径厚度范围内，界面颗粒以旋转和平动方式同时位移，该范围外颗粒以平动方式沿剪切方向位移，且位移较小；在剪切过程中，界面颗粒发生旋转，土体发生剪胀，孔隙率增大，平均接触数减小，颗粒重新被压密，孔隙率减小，平均接触数增多，颗粒长轴排列趋于水平方向，各细观组构处于相对稳定状态。     

基于大型直剪试验的粗粒料颗粒破碎对比研究

采用大型直剪仪对钦寸水库洞渣料与盂溪水库卵砾石料这两种粗粒料进行颗粒破碎试验,将裂离参量引入直剪试验结果的处理分析中,从粒组与粗粒料整体2个层面对比研究了2种土料的颗粒破碎发展规律。结果表明:对于2种粗粒料,在所研究的法向应力变化范围内,不同粒组颗粒的裂离比随法向应力的变化均呈现出线性化的递变规律,且2种粗粒料颗粒破碎水平的差异主要体现于较大粒径的粒组颗粒中。随着粒组粒径的减小,2种粗粒料的颗粒破碎水平趋于接近。对于粗粒料整体,当法向应力为0~300 k Pa时,2种粗粒料的颗粒破碎水平较接近,当法向应力为300~1 200 k Pa时,钦寸水库洞渣料的颗粒破碎水平比盂溪水库卵砾石料显著,且2种粗粒料的颗粒破碎水平均有随法向应力增大而继续提高的明显趋势。     

粗粒土大型直剪试验的二维离散元模拟

通过一组强风化玄武岩粗粒土的室内大型直剪试验,获取其强度、变形等宏观参数。并基于颗粒离散元软件PFC2D,采用圆盘模拟土颗粒建立了考虑级配的二维直剪模型,结果表明：黏结半径因子为0．39时,剪应力一剪位移模拟值与试验值相符较好,垂直位移一剪位移模拟值与试验值之间存在一定的偏差;通过参数校正发现圆盘间摩擦系数随着垂直压力增加而增大,其值介于0．15—0．60;剪切过程造成了接触压力的偏转和集中,剪切缝附近圆盘呈不规则的涡状细观运动。     

均匀颗粒间接触冲刷的颗粒流数值模拟

成层土在渗流作用下容易发生接触冲刷,细土层中的颗粒从粗土层孔隙中被水流带走,接触冲刷的持续发展会对水工建筑物产生严重的后果。为了从细观角度研究接触冲刷的发生机理,对五组由均匀颗粒组成的土层间的接触冲刷现象进行了颗粒流数值模拟。数值模拟结果表明,当细粒层的有效直径与粗粒层的有效孔隙直径之比大于0.50时,两土层间不会发生接触冲刷。当两土层发生接触冲刷时,接触面处的细颗粒会被水流带起从粗颗粒孔隙中冲出,随着细颗粒流失量的增加,上层粗颗粒逐渐下沉,渗透流速逐渐增加。     

考虑颗粒破碎的粗粒土临界状态弹塑性本构模型

研究了颗粒破碎对硬化准则和剪胀性的影响,提出了修正后的硬化准则和剪胀方程,并基于有效塑性功的概念,建立了考虑颗粒破碎的粗粒土临界状态弹塑性本构模型。将所提出的模型与未考虑颗粒破碎的模型用于不同围压下粗粒土室内大三轴试验的数值模拟,对比分析表明:模型计算结果与试验实测结果更为一致,能较好地描述低围压和相对中高围压下的强度和变形特性,得出颗粒破碎导致粗粒土强度降低,压缩变形增大,并利用离散单元法模拟一维压缩颗粒破碎试验对该结论进行了验证。     

考虑粗糙度和粒径影响的钢-砂界面剪切特性试验研究

结构表面粗糙度和土颗粒组成大小对界面的摩擦特性有重要影响,揭示不同介质间界面的力学特性对工程建设具有重要意义。利用改进的直剪仪,对钢板与四组不同粒径组砂粒进行界面剪切试验,研究不同砂粒组、粗糙度和法向应力下的钢-砂界面剪切应力-位移关系、粗糙界面剪切面性状、粗糙界面抗剪强度构成。结果表明:界面峰值剪切应力随法向应力、砂粒组和粗糙度的增大而增加;光面钢板与砂粒在接触表面形成光滑的剪切面,刻纹路部位钢板与砂粒间的剪切面随纹路宽度与粒径的大小而有所不同;粒组粒径不大于刻纹宽度时,在砂-砂间形成剪切面;粒组粒径介于刻纹宽度1~2倍时,可能在砂-砂间形成曲形剪切面,也可能在钢-砂接触部分形成剪切面,粒径远大于刻纹宽度的,形成水平间断剪切面;刻有纹路的抗剪强度由未刻纹路区域与纹路区域提供;界面摩擦角随粒径和粗糙度增大而增加,大致在22°~30°。     

粗粒土三轴试验的细观模拟

对排土场粗粒土进行室内三轴固结排水试验,以此试验结果为基础,基于三维离散元颗粒流理论,从细观角度出发,以PFC3D为工具,通过自编程序并引入接触黏结模型,得到按级配生成的粗粒土三轴试验三维颗粒流模型.对比了不同围压下颗粒流模型与三轴试验的应力应变关系.分析了颗粒细观参数对粗粒土强度的影响.结果表明:按级配曲线得到的PF...     

考虑粒间法向接触力作用的粗粒土颗粒破碎试验研究

利用岩石双轴流变试验机,采用砂岩、石灰岩和板岩3种材料模拟粗粒土进行了球-球法向接触的颗粒破碎力学试验,对粗粒土颗粒破碎的过程、破碎形态、弹性核和力-位移曲线进行了研究,分析了不同粗粒土材料和颗粒尺寸对法向接触力学特性及颗粒破碎规律的影响。通过试验研究,发现粗粒土颗粒在法向接触力作用下,先在颗粒接触点处开始产生局部破碎,形成弹性核,继而产生贯通裂缝,最后颗粒发生整体破碎。通过拟合,分别建立了球形颗粒破碎准则和弹性核尺寸的经验公式。本文从粗粒土颗粒接触角度研究颗粒破碎的力学机理,开辟了研究粗粒土颗粒破碎的新途径,也可为离散元数值模拟直接提供接触力学参数。     

砂卵石土直剪试验颗粒离散元细观力学模拟

砂卵石土作为一种特殊的岩土材料越来越受到研究者的重视。以三维颗粒流程序(PFC3D)为工具,建立砂卵石土直剪试验数值模型,并与试验结果进行对比分析,由于砂卵石土是一种三维不连续介质,并具有任意的形状,数值模拟结果相对于试验数据偏低。为更好地研究其抗剪特性,采用多面体颗粒近似模拟砂卵石土,并将其结果与以传统的球形颗粒模拟砂卵石土的结果进行对比分析。结果表明:多面体颗粒相对于球形颗粒而言,能较好地反映砂卵石土直剪试验的剪切破坏现象,与试验数据更加吻合。细观参数敏感性分析表明:抗剪曲线的峰值段主要受接触刚度和摩擦系数的影响,剪切曲线的上升段主要受接触刚度的影响。     

一个基于细观结构的粗粒料弹塑性本构模型

针对粗粒料的剪胀特性和强度非线性,在经典弹塑性理论框架内,建立了一个基于细观结构的粗粒料弹塑性本构模型。模型采用基于颗粒材料细观结构变化推导得到的屈服函数,在此基础上由非相关联流动法则得到的剪胀方程,结合粗粒料典型的三轴压缩试验结果,引入一种无黏性土的压缩模式,构造了能够统一描述粗粒料剪胀、剪缩特性的硬化参数。阐述了由常规三轴试验和等向压缩试验确定模型全部7个参数的方法。对3种粗粒料三轴压缩试验结果进行了预测,预测结果与试验结果吻合良好,说明模型能够合理地反映粗粒料的应力变形特性。     

锚杆加固散粒体的作用机制研究

采用细观数值模拟的方法研究岩土工程中散粒体锚杆加固的作用机制,基于随机模拟技术建立加锚散粒体的三维随机颗粒模型,采用颗粒形状系数控制颗粒表面的不均匀起伏程度,基于修正的增广Lagrangian算法的非线性接触算法模拟颗粒之间、颗粒与锚固体、颗粒与承托结构的相互接触,颗粒的物理力学性质服从Weibull概率分布,采用细观损伤软化模型描述颗粒的变形和破碎。分别建立散粒体和加锚散粒体的三轴数字试样,采用位移加载来进行不同围压下的常规三轴剪切试验,研究不同加锚密度对散粒体工程力学特性的影响。数值模拟结果表明:锚杆加固的作用机制为锚固体与颗粒紧密接触、相互咬合形成摩擦阻力,承托结构形成对颗粒体的径向助力,锚杆与其附近的颗粒形成锚固区;锚杆加固能显著提高散粒体的抗剪强度和整体性,峰值主应力差提高37.8%～88.8%,初始模量提高37.4%～93.2%,内摩擦角提高13.3%～24.2%。     

颗粒形状及粒间摩擦角对堆石体宏观力学行为的影响

基于三维变形体离散单元法对堆石体进行细观研究,采用随机模拟技术生成堆石体三维数值试样,模拟其常规三轴剪切试验,研究堆石体颗粒形状及粒间摩擦系数对宏观力学性能的影响,揭示其细观组构和细观力学参数与堆石体宏观特性的关联性,建立细观力学参数与宏观力学参数的相关关系。数值模拟结果表明：颗粒形状对堆石体宏观特性影响明显,颗粒的长短径比越大,数值试样的峰值强度和残余强度均明显增大,峰值强度对应的轴向应变也逐渐增大,而数值试样的初始模量有所减小;在细观层面上,颗粒的长短径比越大,颗粒的接触法向向加载方向倾斜越明显,接触法向的各向异性程度越大;粒间摩擦角对堆石体宏观特性的影响显著,随着粒间摩擦角的增大,峰值强度明显增大和初始模量均明显增大,数值试样在剪切时的体积收缩量也有所增大,反映了堆石颗粒间的相互作用对颗粒体骨架的宏观力学行为的影响。     

颗粒流PFC~(3D)数值模拟中标定细观参数的方法——拟合直剪试验法

建立在传统的连续介质力学基础上的有限元法等数值计算方法在关于研究非连续介质的问题上难以直接用于计算和模拟材料具体的破坏形式和破坏的整个过程,而离散元法在这一方面显示出巨大的优势。但是,对于颗粒模型的细观参数——法向刚度与切向刚度等参数的取值问题成为创建精确的颗粒模型的一道障碍。文章利用颗粒流离散元软件PFC~(3D)模拟试验室直剪试验,通过不断调整法向刚度与切向刚度的比值,即刚度比,拟合直剪试验的结果,最终达到标定颗粒流模型细观参数的目的。     

粗粒土渗透变形特性的细观数值试验研究

为深入探究渗透变形对粗粒土渗透特性的影响,基于室内粗粒土渗透变形物理试验成果分析,利用颗粒流软件PFC3D对粗粒土的渗透性演化全过程进行细观数值仿真试验。数值试验研究成果表明:随着试验水头升高,试件中的细小颗粒从渗流"上游区"向"下游区"逐渐迁移、汇聚,形成渗透挤密区;渗透挤密现象的产生导致试件整体渗透系数减小;随着试验水头持续升高,渗透挤密区中的细颗粒在不断增加的渗透力作用下随水流被陆续带出,渗透系数逐渐增大。颗粒迁移导致原有孔隙增大,土骨架结构发生变化,进而导致粗粒土渗透性越来越大,最终形成渗透变形现象。细观数值试验方法可以较好地再现粗粒土的渗透变形过程。     

基于离散元法的煤系土宏细观参数相关性分析

利用离散颗粒流对江西省萍乡地区高速公路沿线分布的煤系膨胀土三轴试验进行了数值模拟,从细观角度对煤系膨胀土的宏观力学特性和剪切位移场的形成和发展规律进行了研究。结果表明,煤系膨胀土颗粒间摩擦系数对试件宏观应力应变影响较大,试件偏应力峰值随着摩擦系数的增大而不断提高,偏应力达到峰值前,土体应力应变关系基本趋于线性变化;土颗粒间接触刚度与试件偏应力峰值呈双曲线变化,接触刚度比kn/ks增加,试件偏应力峰值逐渐减小,但对试件的残余强度影响不明显;围压对试件偏应力峰值和残余强度影响显著,当试验围压从0.2 MPa增大到1.2 MPa时,试件偏应力峰值和残余强度分别增加了2.14倍和5.11倍。     

土与结构界面细观研究进展及可视化剪切试验初探

对土与结构界面细观试验研究现状进行归纳总结,并利用新研制的大型可视化界面剪切仪,进行干砂-钢板接触面的直剪试验,试验过程中结合数字图像相关测量技术(DIC)从细观角度测量紧邻接触面及其上部砂土颗粒的剪应变和位移变化.由试验可知:剪切过程中砂颗粒在结构面的带动下产生平移、挤压、错动和转动,剪切带最终稳定厚度约为(2~5)D_(50);颗粒的细观运动影响颗粒接触,也是宏观剪胀的因素之一.     

土工合成材料与土界面的细观研究

利用颗粒流程序（PFC2D）对土工合成材料的拉拔试验进行模拟,着重从细观角度来分析土工合成材料与土的接触界面。通过室内拟合试验,选取和校准离散元的细观参数,土工合成材料用平行黏结模拟,土颗粒采用由3个圆形颗粒组成一个椭圆形团进行数值模拟。数值模拟结果表明,接触界面的厚度为6～7倍平均土颗粒直径,接触界面中的颗粒发生较大相对位移,孔隙率增大,接触数减小。PFC2D为从细观角度研究土工合成材料与土的接触界面特性的理想工具。     

土工合成材料与土界面的细观研究

 利用颗粒流程序(PFC2D)对土工合成材料的拉拔试验进行模拟，着重从细观角度来分析土工合成材料与土的接触界面。通过室内拟合试验，选取和校准离散元的细观参数，土工合成材料用平行黏结模拟，土颗粒采用由3个圆形颗粒组成一个椭圆形团进行数值模拟。数值模拟结果表明，接触界面的厚度为6～7倍平均土颗粒直径，接触界面中的颗粒发生较大相对位移，孔隙率增大，接触数减小。PFC2D为从细观角度研究土工合成材料与土的接触界面特性的理想工具。