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。     

颗粒介质剪胀、软化特性的直剪试验研究

颗粒介质的宏观力学行为特征与其微观组构演化密切相关,涉及孔隙比、颗粒形态、颗粒破碎以及各向异性等因素的交叠影响.采用DRS-I型超高压直剪试验系统对3种不同粒径的钢球进行0.4～12 MPa法向压力下的直剪试验,避免颗粒形态、颗粒破碎及各向异性的交叠影响,进而单独分析峰值强度、残余强度与孔隙比演化的关联性,以期为揭示颗...     

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。     

颗粒离散元方法中黄土强度参数研究

颗粒离散元方法是离散元方法的一种,其研究对象的强度参数确定过程是非常繁琐的,常规方法必须进行数值计算和室内试验的标定。本文基于PFC软件,编写直接剪切试验程序,通过室内直剪试验和模拟试验对比分析,研究颗粒离散元方法中大孔隙,疏松的黄土强度参数。分析得到重力条件、颗粒密度、刚度和模型尺寸效应对强度曲线的影响,其中尺寸效应影响明显,通过多次计算提出了不同尺寸模型的参数换算公式。研究土体抗剪强度粘聚力c和离散元中接触黏结强度bond之间的线性关系,拟合得到二者的计算公式,通过公式可以快速标定得到颗粒离散元方法中黄土的强度参数,这为黄土地区地质灾害的离散元数值分析提供参数基础。     

应力路径和颗粒级配对砂土变形影响的细观机制

利用GDS应力路径三轴试验系统与颗粒流程序PFC2D,对2种不同颗粒粒径与级配的青岛海砂进行不同应力路径下的室内三轴试验与数值模拟试验,探研应力路径和颗粒级配对砂土影响的细观机制。首先,进行青岛粗细砂在不同密实度与3种应力路径下的室内三轴试验,获得青岛粗细海砂的宏观力学响应,并进行初步地机制分析;然后,进行与室内试验匹配和补充的PFC2D数值模拟试验,挖掘室内物理试验中难以得到的细观信息,如颗粒配位数,转动速度,颗粒位移等,定量地解释不同级配的砂土在不同路径下力学响应的细观原因;最后,进行不同颗粒级配砂土在循环加载路径下力学性质的PFC2D数值试验,从细观角度分析砂土在该路径下的变形机制。     

砂土直剪力学性状的非圆颗粒模拟与宏细观机理研究

基于PFC2D非圆颗粒单元的二次开发,对砂土直剪力学过程进行了非圆颗粒仿真模拟,分析了数值试样的应力–剪胀关系并与实际砂土进行对比,探讨了颗粒位移与颗粒旋转特征及其与剪切带演化的内在关联,研究了主应力与主应变增量的非共轴效应,揭示了细观组构各向异性的演化规律及其与宏观剪切强度之间的宏细观关联。研究结果表明,数值试验能够较好的模拟实际砂土的应力–剪胀关系和剪切过程主应力与主应变增量的非共轴效应;剪切带的演化与颗粒位移和颗粒旋转密切相关,颗粒形状影响剪切带的厚度;试样宏观的剪切强度主要受控于粒间法向接触力的分布及其各向异性演化;整个加荷过程中,剪切带内大主应力的偏转方向与法向接触力各向异性的主方向保持了良好的一致性。     

坡面型泥石流治理过程中土体变形机制宏细观研究

 试验利用“锚杆–护坡”模拟“锚杆固定大面积护坡”进行坡面型泥石流治理试验,研究坡面型泥石流“锚杆–护坡”治理过程中土体变形的宏细观机制。试验观测表明在“锚杆–护坡”治理下坡体未发生分层滑动,坡体位移场分析中出现了潜在的圆弧状薄弱面,坡体形成类似于黏土的小位移圆弧滑移趋势。采用可视化细观测试系统从细观尺度研究坡面型泥石流“锚杆–护坡”治理下土体的变形机制。细观分析可知,试验过程中,颗粒下沉并在坡体底部积聚,坡体下层细颗粒含量增加,上层以粗颗粒为主,导致坡体上部面积孔隙率大于底部,坡体结构由不同粒径颗粒均匀分布变为“底部细颗粒沉积密实,上层粗颗粒骨架稳定”的相对稳定结构。试验研究表明：“锚杆–护坡”的滤水固土作用,改变坡体的变形机制和结构,减小坡面型泥石流的发生几率,为坡面型泥石流的工程治理提供参考。     

基于散体介质理论的砂土管涌机制研究

结合小比尺细观模型试验,利用基于散体介质理论的颗粒流方法,考虑流固耦合作用,对砂土管涌的发生发展过程进行模拟.模拟方案跟踪记录管涌发展过程中砂样的孔隙率、流速、颗粒接触数、移动轨迹和流失量等参量的动态变化过程.分析结果表明:管涌发展过程中,随着水头增加,颗粒逐渐流失,砂样孔隙率增大,透水性能发生变化,进而影响系统的流速和水头的反应,揭示管涌发展过程中系统几何特性和水力特性的非线性动态变化过程和相互影响特性;颗粒流失量沿渗流方向呈逐渐减小趋势,管涌发展过程中颗粒移动轨迹随机,渗漏通道形成也具随机性,是复杂水土相互作用的结果.颗粒间接触数的剧烈波动揭示管涌发展过程中细颗粒运动剧烈,与粗骨架颗粒进行不断碰撞、分开,而颗粒的流失基本上不影响整个土体的应力场.模拟结果与有关的模型试验结果较吻合,一定程度上验证了该数值方法应用于大变形和流固耦合问题研究的可行性和合理性,所揭示的结果有益于砂土管涌机制的更深入研究.     

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。     

竖向受荷PCC桩宏细观工作性状研究

 采用可视化模型试验及离散元数值仿真方法,对竖向受荷现浇混凝土大直径薄壁管桩(简称PCC桩)桩土传力特性、位移场发展规律及破坏性状进行深入研究。研究结果表明：PCC桩荷载–沉降曲线呈缓变型,桩外侧摩阻力高于内侧摩阻力,内侧摩阻力发展滞后于外侧摩阻力,桩外侧摩阻力在桩身上段发挥较充分,内侧摩阻力在桩身下段发挥较充分,桩内侧摩阻力及端阻力控制PCC桩后期承载力;桩外侧土体以斜向下的剪切变形为主,其影响范围约为2D;内侧以竖向压缩变形为主,加载初期与桩同步变形,加载后期桩内侧下部土体与桩之间相对位移明显大于桩内侧上部土体;桩端土体可分为圆锥形竖向压缩区及侧向变形区,其在深度方向的影响范围达到4D,桩端土变形模式在平面上呈扇形;接触力链的分布与侧阻力沿桩长分布特征基本保持一致,而桩端土孔隙率的变化则从细观角度反映侧阻先于端阻发挥。研究成果对于进一步明确PCC桩与土相互作用的内在机制具有意义。     

EXPERIMENTAL STUDY OF STRAIN RATES EFFECTS ON STRAIN LOCALIZATION CHARACTERISTICS OF SOFT ROCKS

The effects of strain rates on the strain localization characteristics of soft rocks in plane strain compression tests were studied. Using digital image correlation method based on image analysis technique, digital photographs of the specimen taken by CCD camera mounted in a microscope at different stages of loading were analyzed and displacement and strain fields were obtained. The accuracy of displacement and strain measurements are found to be 2.625 μm and 0.0525% (for 5 mm × 5 mm grid), respectively. By analyzing the strain fields, important information regarding strain localization characteristics at three different strain rates were obtained. The results of the study indicate that strain rate has significant influence on the localization modes. Strain localization was observed before the peak stress. The switching of localization mode from highly concentrated strain accumulation mode for higher strain rate to diffuse and complex strain accumulation mode for lower strain rate were observed. The evolutions of strain fields during creep tests at different loads were also studied.     

粒状体直剪试验的数值模拟与微观考察

 摘要　用离散单元法模拟了粒状体的直剪试验。基于数值模拟结果, 提出了修正剪胀试样与剪切盒内壁间的摩擦对剪切强度影响的方法, 估算了直剪试验试样的整体应变, 并探讨了剪切面上宏观应力2应变量与粒子的微观结构量之间的关系。     

平面应变条件下砂土局部化剪切带的有限元模拟

 根据饱和砂土的排水平面应变压缩试验的应变场,分析研究砂土的应变局部化现象以及剪切带的形成。在平面应变压缩条件下,砂土在峰值应力状态附近出现应变局部化现象,在残余状态最终形成一条V型剪切带。剪切带的形成是一个渐进过程,砂土呈现出渐进性破坏特性。这种由软化特性引起的应变局部化剪切带是砂土材料非常重要的变形和强度特性之一。基于砂土的三要素弹黏塑性本构模型和动态松弛有限元求解技术,对砂土的应变局部化现象和剪切带的形成进行有限元模拟。其中,砂土本构模型中引入应变局部化参数S来表示砂土峰值以后的软化和剪切带效果,剪切带在单元内未考虑其方向性,而是假设剪切带方向与最大剪切应变的方向一致。分析结果表明,动态松弛有限元法及砂土三要素模型能合理地模拟砂土的应变局部化现象,剪切带附近的最大剪应变值也非常接近,从而实现对砂土材料从硬化→峰值→软化→残余的全过程模拟以及对砂土应变局部化剪切带的定量化分析。     

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。     

基于应变局部化的岩样单轴压缩本构模型研究

应变局部化是加载过程岩样内部变形自组织的结果。基于岩样变形局部化的客观存在性,提出以变形局部化带的力学行为描述加载过程,并用参数方程表示岩样单轴压缩本构关系的方法。根据能量守恒原理,建立变形局部化过程的准静态增量平衡方程,推导峰值前后应力–应变曲线的参数方程、变形局部化与峰值应力及应变关系、II类岩石变形行为存在条件以及岩石失稳破坏判据。根据系统失稳临界条件,导出系统应力跌落量的表达式。研究结果表明,若应变局部化带的本构关系软化段曲线存在拐点,则系统发生应力跌落现象,否则发生脆性破坏。基于模型理论,证明II类岩石的破坏是不稳定的或是自持续的,以及常应变率下伺服式加载系统不能得到II类岩石软化段曲线的试验事实。通过对模型中力学参数的对比研究表明,岩石变形破坏不但在软化段具有尺寸效应和II类变形行为,而且硬化段也存在尺寸效应,表现出峰值对应的应变随着试件的增长而变小的规律。     

单轴拉伸条件下细观非均匀性岩石变形局部化分析及其应力-应变全过程研究

岩土工程的开挖卸荷往往产生拉应力，因此研究单轴拉伸条件下细观非均匀性岩石的变形局部化和全过程应力．应变关系具有重要的理论和现实意义。利用损伤力学理论研究了岩石在线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落、应变软化阶段的拉伸应力．应变关系，并分析了产生应力跌落和应变软化的主要原因是损伤和变形局部化，将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往模型的重要区别。通过与实验成果的对比分析，验证了模型的正确性和有效性。     

球形粒状介质与钢板接触面力学特性的试验研究

 理想接触面力学特性的研究对其离散元数值模拟具有佐证材料和推动意义;运用自主研制的80 t大型三维接触面试验机对球形粒状介质与钢板形成的理想接触面三维单调、循环剪切力学特性进行分析和总结。试验结果表明理想接触面与实际粗粒土与结构接触面力学特性有较大不同。理想接触面亦产生明显的剪切体变,循环剪切时可分为可逆性和不可逆性两部分;不可逆性剪切体变主要由颗粒调整、孔隙减小所致;可逆性剪切体变主要由颗粒爬升、翻滚造成,受剪切路径影响明显;理想接触面剪切硬化现象不明显,切向应力–切向位移关系呈现明显非线性,曲线形式亦受剪切路径影响;接触面抗剪强度与法向应力关系符合莫尔–库仑准则,其摩擦角?i 约为20.2°,小于粒状介质本身内摩擦角;剪切路径对主应力比时程曲线形式影响明显,对主应力比峰值影响不大。     

基于应变局部化的双裂纹岩样贯通模式及强度试验研究

含裂隙岩体在外力作用下,内部裂纹会发生扩展,这会显著影响强度以及损伤特性。基于前期验证可靠的DIC系统,对含双裂纹的类岩石材料进行单轴压缩试验,捕获全过程的应变场演化云图以及岩桥区域应变局部化过程,研究发现:岩样呈现出显著的变形局部化渐进破坏特性;试验初期形成的应变局部化带基本确定了加载全程全局应变场的变化范围与变化趋势;基于试验研究,双裂纹岩样的贯通破坏模式可归总为4类:岩桥不贯通模式、裂纹内尖端贯通模式、裂纹内外尖端贯通模式以及裂纹外尖端贯通模式;岩桥角度及其空间排布在细观上影响了应变场局部化带的演化过程,宏观上决定了裂纹的扩展路径及岩样的破坏模式;岩桥贯通时应变局部化带的融合造成了应力–应变曲线的"峰前波动",使得岩样强度降低,并且融合越慢岩样强度越高。     

岩样单轴拉伸应变局部化及全程应力-应变曲线

基于梯度塑性理论，考虑了应变局部化，提出单轴拉伸条件下岩样全程应力一应变曲线解析解。沿试样长度方向的总应变的微分被认为由两部分构成：可恢复的弹性应变的微分和不可恢复的塑性应变的微分。根据虎克定律，弹性应变的微分依赖于应力的微分及弹性模量。塑性应变的微分与应力的微分、试样高度、软化模量及局部化带的厚度有关，局部化带的厚度由梯度塑性理论确定。根据总应变的微分等于弹性及塑性应变的微分之和这一假设，在峰后线性应变软化本构关系的情形下，得到全程应力一应变曲线的解析解。通过与DeBorst及Muhlhaus基于梯度塑性理论得到的数值解对比，分别验证局部化带内部塑性应变分布解析解及内部长度对全程应力-应变曲线的影响。研究有关的本构参数（弹性模量及软化模量）及试样高度对全程应力-应变曲线的影响。     

岩样单轴拉伸应变局部化及全程应力–应变曲线

基于梯度塑性理论,考虑了应变局部化,提出单轴拉伸条件下岩样全程应力–应变曲线解析解。沿试样长度方向的总应变的微分被认为由两部分构成:可恢复的弹性应变的微分和不可恢复的塑性应变的微分。根据虎克定律,弹性应变的微分依赖于应力的微分及弹性模量。塑性应变的微分与应力的微分、试样高度、软化模量及局部化带的厚度有关,局部化带的厚度由梯度塑性理论确定。根据总应变的微分等于弹性及塑性应变的微分之和这一假设,在峰后线性应变软化本构关系的情形下,得到全程应力–应变曲线的解析解。通过与De Borst及Muhlhaus基于梯度塑性理论得到的数值解对比,分别验证局部化带内部塑性应变分布解析解及内部长度对全程应力–应变曲线的影响。研究有关的本构参数(弹性模量及软化模量)及试样高度对全程应力–应变曲线的影响。