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。     

考虑颗粒破碎的粗粒土一维压缩试验离散元模拟

离散单元法被广泛地应用于颗粒破碎的问题研究中。利用离散元软件PFC-2D对粗粒土一维压缩试验进行数值模拟,可视化压缩过程中颗粒破碎情况和破碎规律。模拟得到了粗粒土一维压缩的log e-logσ曲线,探究初始粒径尺寸、颗粒间摩擦系数、颗粒破碎情况、颗粒破碎准则对于压缩特性的影响。随着初始粒径的增大,压缩系数增大,而屈服应力明显减小;随着颗粒间摩擦系数的增大,压缩系数增大,屈服应力减小;颗粒破碎情况对压缩曲线特性基本无影响;随着破碎准则中分维D的增大,压缩系数增大,屈服应力略有减小。考虑颗粒破碎的粗粒土一维压缩试验离散元模拟为研究压缩曲线的压缩特性提供了新方法,是对室内一维压缩试验的补充。     

模型维数对岩土离散元试验影响的宏-微观研究

对实验室常规三轴试验分别进行了二维和三维的离散元数值试验,从试样宏观力学响应和剪切带演化的角度比较模拟结果,分析模型维数对岩土力学性质模拟结果的影响。数值试验结果表明,最密实状态的、具有相同参数的二维和三维试样,在剪切过程中均会表现出软化特性,试样峰值应力均随围压的提高而增大,其峰值应力的数值相近,但三维数值试样达到峰值应力所对应的应变约为二维试样的1/4。随着围压的增大,二维和和三维离散元数值试样剪切带均趋于集中;但在相同围压作用下,不同维数数值试样宏观剪切带的形状和厚度均不同,二维试样剪切带的范围和厚度均较大。     

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...     

不同含水率砂卵石围岩宏细观力学特性研究

含水率对具有颗粒物质性质的隧道砂卵石围岩稳定性有较大影响,通过室内大型三轴试验与颗粒离散元数值三轴试验相结合的方法,对中密状态下不同含水率砂卵石围岩在100、200、300 kPa三种围压下的宏细观力学特性展开研究,分析了含水率对隧道砂卵石围岩宏细观力学参数影响规律。研究结果表明:随着含水率的增加,砂卵石围岩的应力峰值、内摩擦角和粘聚力均随之减小;砂卵石围岩变形破坏时轴向应变约为4%,其应力峰值后仍可承受较大的应力特性;确定了中密状态时不同含水率砂卵石围岩的接触模量、摩擦系数、颗粒刚度比、法向接触强度等离散元细观参数。研究成果为砂卵石地层隧道围岩稳定性离散元精细化模拟提供理论依据。     

结构性砂土力学特性三维离散元分析

利用离散元法对结构性砂土的三轴试验进行了三维数值模拟并对其宏观特性进行了分析。首先将考虑胶结尺寸(宽度和厚度)的三维胶结接触模型导入离散元软件PFC3D中,对结构性砂土数值试样进行三轴试验数值模拟;然后对比分析离散元模拟与室内试验结果;最后从宏观力学角度对试验结果进行了分析。离散元模拟结果表明:结构性砂土与无胶结松散砂土表现不同,其在低围压时表现出应变软化和体积剪胀特征,并随胶结含量的增加或围压的减少而愈发显著,在高围压时则呈应变硬化和体积剪缩现象;低平均应力时,随胶结含量的增加,试样峰值内摩擦角、黏聚力以及内摩擦角均增加,其中黏聚力增加较为明显,随着平均应力的增加,峰值强度包线逐渐趋向于无胶结土。     

含孔洞硬岩破坏过程的离散元分析

基于颗粒离散元理论,采用数值试验模拟含孔洞凝灰质砂岩在单轴、双轴和三轴压缩条件下的破坏过程,并从峰值强度、微裂纹数目和能量等角度分析不同加载方式的影响。研究结果表明：无论采用何种加载方式,试样破坏均是从孔洞周边开始的;单轴压缩的孔洞变形与双轴及三轴压缩不同,且在试样侧面中间形成一条明显的贯通拉裂缝;三轴压缩对试样承载能力的提高明显大于双轴压缩,且围压越大,两者对试样承载能力的提高幅度之差越大;双轴压缩条件下试样的起裂应力随着围压的增大而减小,而三轴压缩条件下试样的起裂应力随着围压的增大而增大;应变能的变化过程可以反映试样的破坏过程,其峰值主要受围压影响;耗散能的变化过程可以体现试样破坏过程中细观颗粒的滑移、摩擦程度,其变化规律与加载方式和围压均有关。     

土石混合体宏细观力学特性和变形破坏机制的三维离散元精细模拟

为了更加精细的模拟土石混合体宏细观力学特性和变形破坏机制,针对已有三轴试验侧向柔性薄膜边界模拟方法进行改进,提出三维组合墙法实现了柔性薄膜边界的三维离散元模拟。结合已开发的不规则块石和土石混合体三维离散元建模方法建立土石混合体大型三轴数值试样,开展数值试验标定土石混合体数值模型的细观力学参数并与室内试验结果进行了对比验证。深入分析不同含石量下土石混合体的宏细观力学特性和变形破坏机制。结果表明:三维组合墙法原理简单、参数较少、易于实现且应用效果较好;大型三轴试验数值模拟能够较好地再现土石混合体宏观的应力–应变特征、强度特性和破坏模式;随含石量增加,土石混合体的骨架结构效应越来越显著;剪切带内土颗粒旋转量较大而块石颗粒旋转量较小,表明剪切面绕过了较大的块石颗粒。     

基于 DEM 的颗粒级配对粗颗粒土三轴试验影响分析

通过建立DEM离散元模型,分析不同颗粒组成的土颗粒三轴试验中的应力应变及强度特性。为充分描绘不同颗粒级配对应力应变特性的影响,在采用传统应力应变曲线基础上,对颗粒三轴试验中颗粒位移场的变化进行了分析。结果表明,随着围压的增加,颗粒位移场变得均匀,粗粒土更容易发生体缩变形,向更密实的挤压状态转变,强度增高。曲率系数与不均匀系数对土的强度及变形性能影响较大,在级配曲线连续的条件下,有效粒径与中值粒径或限制粒径相差较大时,粗骨料之间接触形成骨架结构,其内摩擦角增大,强度及抗变形性能提高。     

格宾网加筋红砂岩粗粒土的强度和变形特性

开展了不同加筋层数、不同压实度、不同含水率的格宾网加筋红砂岩粗粒土大三轴试验,分析格宾网层数、试样含水率和压实度对红砂岩粗粒土应力应变关系、强度和变形特性的影响,引入强度比参数评价加筋效果,并与土工格栅加筋方案进行对比。试验结果表明:格宾网加筋能明显提高红砂岩粗粒土的峰值强度和土体延性;格宾网加筋使红砂岩粗粒土的黏聚力大幅提升,但其内摩擦角提高幅度不大;在同一压实度下,加筋和未加筋土体的黏聚力随含水率变化呈现非线性变化关系,且在最佳含水率附近达到峰值;在同一含水率下,黏聚力和内摩擦角随试样压实度的增加而增大;加筋效果与加筋层数、土体含水率和压实度有关,格宾网加筋的作用发挥随围压增大而减小。     

堆积体三轴试验及离散元模拟研究

对典型地区松散堆积体进行大三轴剪切排水试验,基于细观结构离散元理论,在PFC~(3D)平台嵌入自编程序,引入反映颗粒形状的Clump颗粒,形成与堆积体三轴试验相对应的三维颗粒流数值模型。对比了不同围压下数值模型与三轴试验的应力—应变关系。结果表明:随着围压的增大,堆积体试样强度呈现应变硬化型到应变软化型的过渡,并伴随剪胀现象;数值模拟的应力变形曲线规律与实体三轴剪切试验结果基本一致,颗粒流离散元方法可以较好地模拟堆积体三轴试验的力学特性。     

基于离散元法的真三轴应力状态下砂土破碎行为研究

基于可破碎三维离散颗粒模型模拟了一系列常规三轴试验与真三轴试验,研究了砂土在真三轴应力状态下的破碎行为。数值调查主要关注试样的应力应变特性、级配及相对破碎率的演化。随着围压增大,颗粒破碎率增大,试样应变软化特性和剪胀性逐渐减弱,而超过临界高围压后,由于固结中颗粒大量破碎,试样剪胀性反而增强。真三轴试验中,试样偏应力比峰值均随中主应力参数b值增大而减小。由于破碎随b值增加而明显增大,试样剪胀性随b值增大而逐渐减弱。试样内摩擦角φ随围压增大而减小,其演化关系基本满足对数关系;内摩擦角随b值增大先增大后减小,Lade-Duncan准则较为适合描述其变化规律。此外,试样相对破碎率增大的速率随围压和轴向应变增大而逐渐降低,暗示试样最优终极级配的存在,且相对破碎率与试验输入能量之间存在唯一的双曲线关系。     

不同中主应力条件下粗粒土应力变形特性试验研究

采用长江科学院大型真三轴仪,对粗粒土进行了一系列不同中主应力系数条件下的真三轴试验和平面应变试验,研究了中主应力对粗粒土的应力变形的影响规律。试验结果表明,中主应力比b一定时,应力–应变关系曲线的斜率和峰值强度随着固结压力的增大而增加,在低围压条件下,体变关系曲线在加载过程中表现为先剪缩后剪胀的特性,而在高围压下,整个加载过程中表现剪缩的特性;固结压力一定时,随着b值的增大,应力在峰值后的软化现象愈加明显,体变全过程曲线表现出剪胀特征对应的固结压力越来越低,小主应变–大主应变关系曲线的斜率绝对值增大。研究成果可为进一步研究粗粒土的本构模型奠定基础。     

粗粒土三轴试验橡皮膜嵌入量测量方法研究

粗粒土试验的橡皮膜嵌入效应使得试样体积变形测量结果失真,从而影响其强度变形指标测量精度。为此,在同一试验仪器上开展了多组不同直径试样粗粒土的等向固结三轴试验,分析了橡皮膜的嵌入量的变化规律和影响因素,在此基础上提出了一个计算粗粒土橡皮膜嵌入量的经验公式。研究表明,橡皮膜的嵌入量随围压的增大而增大,与其围压大体呈幂函数关系。相同围压下,随着试样直径的增加,橡皮膜的嵌入量占总体变的比例减小;试样直径相同时,围压变化对橡皮膜嵌入量占总体变比例的影响明显小于试样直径变化的影响,且随着试样直径的增大,影响逐渐降低。因此,粗粒土的强度变形试验应尽可能采用较大直径的试样进行,以降低橡皮膜嵌入量对其试验结果的影响。由于粗粒土的母岩性质和级配变化较大,既有橡皮膜嵌入量计算公式将明显低估堆石料试样的橡皮膜嵌入量,建议采用本文提出的方法对粗粒土试样橡皮膜嵌入量进行估算。     

粗粒土颗粒强度和弹性力学参数的试验研究

粗粒土的强度和变形特性直接影响堆石坝的变形规律,为从细观层面研究粗粒土的变形机理,离散元法作为一种有效手段被广泛用于粗粒土力学特性的模拟中。而颗粒强度和弹性力学参数对于离散元模型的构建至关重要,如何获取这些参数的分布规律是当前一项十分必要的工作。对一系列不同尺寸的大连石灰岩颗粒进行了单轴压缩试验,利用荷载—位移曲线的特征,确定了石灰岩颗粒强度和弹性模量的分布规律。统计结果表明:相较于Weibull分布和Logistic分布,Lognormal分布对于颗粒强度和弹性模量的统计效果最好;颗粒强度和弹性模量的均值都随着颗粒尺寸的增大而减小。然后基于参数的尺寸相关性特点建立了适合石灰岩的尺寸效应经验模型。最后对颗粒刚度进行了初步讨论,试验结果表明石灰岩颗粒的刚度具有明显的非线性特点。这些结果为粗粒土离散元数值模拟的细观参数标定提供了规律性方面的参考和支撑。     

粗粒土应力诱发各向异性真三轴试验颗粒流模拟研究

基于颗粒流基本理论和物理试验结果,通过改进PFC3D程序中的内置代码,生成包含clump颗粒的混合试样以克服纯球体颗粒模拟粗粒土抗剪强度不足的缺陷,模拟粗粒土在真三轴状态下各主应力方向上的单向加荷试验,并从宏观和细观角度分析了复杂应力状态下粗粒土的应力诱发各向异性特征。试验结果显示:复杂应力状态对各向异性的诱发作用显著,各向宏、细观参数及应力–应变曲线显示出了显著的各向异性;单向加荷试验中加荷向始终为压缩变形,侧向变形复杂,且受初始中主应力系数B影响显著,且B值对非加载向泊松比的各向异性及加载向应力–应变曲线的影响亦较明显;模拟试验中配位数、孔隙率等细观参数的变化趋势能够反映试样体积变形的类型,两个细观参数的取值大小影响抗剪强度的强弱,并且各主应力方向单向加荷时,对应相同的应力增量配位数、孔隙率等细观参数表现出显著的各向异性;从细观角度看,应力诱发各向异性产生的原因归结于侧向围压差异所引起的细观结构变化。     

粗粒土在三向卸载时的强度特性试验研究

卸载是引起岩土材料破坏的常见工况,为了研究粗粒土在不同中主应力系数b情况下三向卸载时的强度特性,使用真三轴仪对粗粒土进行偏应力q保持300kPa不变,球应力p不断减小的等q、等b三向等量卸载试验,分析三向卸载条件下粗粒土的强度特性,研究常用强度准则对卸载条件粗粒土的适用性。试验结果表明:在三向等量卸载条件下,粗粒土的强度参数与中主应力系数b有关;对于不同的b值,b=0时的内摩擦角φb最小,破坏应力比Mb最大;破坏应力比Mb随着b的增大而减小,且随着b的增大,减小的梯度在逐渐减小;内摩擦角φb在b值较小时随着b的增大而增大,在b值较大时随着b的增大而减小,3个方向剪切的共同影响可以解释这一变化规律;Matsuoka-Nakai强度准则、粗粒土应力不变量强度准则和Lade-Duncan强度准则这3个强度准则都能反映内摩擦角φb与b之间的这一规律,其中,Matsuoka-Nakai强度准则在b值较小时与试验结果较为接近,粗粒土应力不变量强度准则在b值较大时与试验结果较为接近;粗粒土角隅函数强度准则与等q、等b试验结果较为吻合。     

三维柔性边界构建方法及其对砾质土变形发展影响的#br# 离散元数值研究

文章基于离散元平台,开展了砾质土三轴排水试验的模拟,改进了交错式球颗粒柔性边界的构建方法和展卷式恒定水力围压的模拟方法。并针对不同砾石组构的三轴排水试验,采用颗粒流平台(PFC3D)分别建立了传统刚性边界和球颗粒柔性边界的三维离散元模型。从宏观破坏形态和微观力学性能、剪切带演化、边界处力链发展等对比研究边界模拟方法对模拟砾质土变形发展的影响。结果表明：刚性边界和柔性边界条件下,土试样破坏形态显著不同,前者呈现压塌式破坏形态,后者破坏时在试样内部形成一个非对称“X”形的条状剪切带,更接近于实际室内三轴剪切试验结果;柔性边界条件下边界处的力链分布均匀,强度均衡,而刚性边界条件下,边界处力链的演化过程中会出现明显的应力盲区和应力集中现象。结合宏微观分析可知,在离散元模拟中应采用柔性边界。     

含尖端相交裂隙岩石的破裂特征

依据相似理论选取与白砂岩性质相似的模拟材料,制作含尖端相交裂隙试样并进行单轴压缩试验,分析2条相交裂隙夹角α和α角的角平分线与水平方向的夹角β对白砂岩破坏模式、力学特性的影响。采用离散元软件PFC~(3D)对试样进行建模,模拟试样在单轴压缩下裂纹的扩展,得到了单轴压缩作用下试样的裂纹扩展特征和起裂应力变化规律。结果表明:1)随着α角的增大,试样峰值强度逐渐降低,预制裂隙内尖端裂纹发育水平逐渐提高;2)随着β角的增大,试样峰值强度逐渐提高,预制裂隙内尖端的裂纹发育水平逐渐降低;3)物理试验与数值模拟结果吻合较好,α角对起裂应力影响较大,随着α角的增大,起裂应力逐渐减小,起裂应力的大小几乎不受β角影响。     

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。