粗粒土三轴压缩试验的颗粒流模拟

基于粗粒土室内三轴压缩试验结果和离散元的基本理论,利用颗粒流程序PFC3D建立三轴压缩试验的数值模型。对比不同围压下数值试验与室内三轴试验的应力~应变曲线、变形曲线的差异,并对产生差异的原因进行了分析。结果表明,数值试验的应力~应变曲线、体积应变~轴向应变关系曲线的变化趋势与室内试验基本一致,但是相较于室内试验,数值试验的峰值强度略低,且剪切后期剪胀偏大。产生差异的原因主要是,数值试样未考虑颗粒形状的影响,且在试验过程中颗粒不会发生破碎。     

粗粒料力学特性的DDA数值模

采用非连续变形分析方法（DDA）研究粗粒料的力学特性。研究了二维粗粒料颗粒的随机生成方法,按照粗粒料级配曲线随机生成松散分布的颗粒,应用DDA模拟重力作用下颗粒在承模筒内的下落过程并形成相互接触的堆积体,以此建立粗粒料数值模拟试验模型。参照粗粒料室内三轴试验的加载过程,应用DDA进行粗粒料力学特性的数值模拟试验,所得应力应变曲线与三轴试验曲线基本吻合,说明DDA数值模拟应用于粗粒料力学特性的研究是可行的。文中还给出了反映颗粒相互作用的若干组构要素的分布情况。     

粗粒土体变规律大型三轴试验研究

采用粗粒土大型三轴剪切仪,对饱和粗粒土进行固结排水剪切试验,提出了拟合三轴剪切试验中轴向应变与侧向应变的函数方程,利用此关系式对三轴试验中试样的体积应变进行了预测。预测结果表明：改进模型能合理地描述粗粒土的体积应变规律,尤其是高围压下剪缩、低围压下剪胀的特性。由体积应变方程导出以轴向应变为自变量的切线泊松比表达式,通过与邓肯张模型及由数值方法求得的切线泊松比对比,讨论了该表达式的合理性。     

粗粒料湿化变形三轴试验研究

对小浪底斜心墙堆石坝的砂岩粗粒料采用单线法进行中型三轴湿化变形试验,研究了该种土料的湿化变形特性。通过对试验结果和湿化变形规律的分析,总结了湿化轴向应变、湿化体积应变与湿化应力水平、围压之间的关系。试验结果表明,湿化轴向应变与湿化应力水平呈双曲线关系,湿化轴向应变与围压呈线性关系;湿化体积应变与湿化应力水平和围压均为线性关系。根据对试验结果的分析以及计算湿化变形的单线法,提出了一个适用于计算粗粒料湿化变形的数学模型。该湿化变形模型参数共6个,并给出了通过室内常规试验确定参数的方法。对模型进行了验证,结果表明该湿化模型计算曲线与试验结果吻合较好,表明该模型能较好地反映粗粒料湿化变形的特征。     

密实度对砂卵砾石料强度及变形特性的影响

为研究试样相对密度对砂卵砾石料强度及变形特性的影响,对4组不同相对密度的砂卵砾石料进行不同围压下的中型三轴固结排水剪切试验。试验结果表明:在试验的相对密度范围内,随着围压增大,相对密度小的试样应力应变曲线硬化特征逐渐明显,而相对密度大的试样无论围压大小,应力应变曲线都呈应变软化型;试样在剪切过程中均表现出不同程度的剪胀性;试样抗剪强度指标φ和φ0随着试样相对密度Dr增大而增大,c和Δφ随Dr增大而减小,并建立了试样抗剪强度与相对密度的函数关系式;割线模量、切线体积模量都随Dr增大而增大,可近似用线性关系表示。     

围压和密度对粗粒料临界状态力学特性的影响

粗粒料的力学特性不仅取决于有效围压,还与密实程度密切相关.通过4组不同初始干密度粗粒料的大型三轴固结排水剪切试验,研究了围压和密度对粗粒料临界状态力学特性的影响.试验结果表明:软化型应力应变曲线破坏状态偏应力大于相变状态偏应力,而相变状态偏应力与临界状态偏应力较为接近;不同围压、不同密度的试验,随着剪切的进行,偏应力与...     

密度和围压对粗粒土力学性质的影响

通过4组不同密度的粗粒土大型三轴压缩试验,研究了密度和围压对力学性质的影响。成果表明:对于同一种粗粒土,密度和围压是影响力学性质的重要因素,它们共同决定了粗粒土的应力应变曲线形态。疏松的粗粒土一般表现为应变硬化型和体积压缩,随着围压的增大,应力应变曲线的硬化特征更加明显,体缩变形也增大。密实的粗粒土在低围压下应力应变曲线一般呈软化型,且常常表现出较大的体胀变形;高围压下,则表现出硬化特征和体缩特征。密度相同时,围压越高,粗粒土的抗剪强度也越高;围压一定时,粗粒土的残余强度相同。初始孔隙比小的粗粒土在相同的应力状态下体积变形也较小。密度是决定初始弹性模量的根本因素,而剪切变形过程中弹性模量则是密度和应力状态共同决定的。三轴压缩试验条件下,剪应力引起的体积变形一般是先剪缩后剪胀的,其大小由密度和应力状态决定。     

土工布包裹对粗粒料三轴试验的影响研究

粗粒料三轴试验中,常使用在试样周围包裹土工布的方法防止橡皮膜被刺破。借助中型三轴仪,分别对粗粒料进行包裹土工布与未包裹土工布的常规三轴固结排水剪切试验,研究了土工布对试样强度和变形特性的影响。试验结果表明:对于相同的围压,包裹土工布试样的峰值强度(σ₁-σ₃)_f都比未包裹土工布的要大;低围压下,包裹土工布使试样强度提高很大,但随围压的增加,强度提高的幅值呈幂函数形式减小。对于线性强度指标,包裹土工布试样的黏聚力c是未包裹土工布试样的1.8倍,而内摩擦角φ则减小了1.8°。对于非线性强度指标,包裹土工布试样的φ₀是未包裹土工布试样的1.07倍,Δφ增加了5.5°。在相同围压下,包裹土工布试样的体积应变和侧向应变都比未包裹土工布试样的大;包裹土工布与未包裹土工布试样的体积应变差和侧向应变差受围压变化的影响较小。     

新疆某工程粗粒料颗粒破碎大型三轴试验数值模拟

以新疆某工程为研究背景,依据该工程的相关资料,应用三维颗粒流数值仿真技术对筑坝材料 在一定围压下的破碎情况进行模拟。将数值模拟结果与室内实验结果进行比对分析,发现模拟实验与 室内实验结果数据基本一致,说明应用三维颗粒流仿真技术可以很好的再现粗粒料的破碎特性。结果 表明:在荷载加载初期,轴向应变较小时颗粒破碎量较小,加载后期剪切带形成后,破碎颗粒增多,且由 剪切带处逐渐向两极扩展;破碎率与围压呈线性关系,随着围压的增加,颗粒破碎率有所提高;分析在加 载过程中,簇颗粒内异性黏结键变化得知颗粒破碎以剪切破坏为主。     

颗粒破碎对粗粒料力学特性的影响研究

易破碎是粗粒料显著的特点,颗粒破碎对粗粒料的抗剪强度、内摩擦角、剪胀以及渗透系数均会产生影响。通过室内大型三轴试验,对粗粒料的颗粒破碎以及应力进行了分析,建立了破碎耗能与塑性功之间的关系式,并将其引入土体受力变形过程中的能量方程,采用相关联流动法则推导出了粗粒土的屈服函数,并绘制出在不同围压下经颗粒破碎修正的屈服面。     

水工沥青混凝土三轴试验的三维细观模拟

基于颗粒离散元理论,利用沥青混凝土三轴试验进行三维数值模拟,对水工沥青混凝土的细观性能研究具有重要意义。通过数值模拟发现:根据沥青混凝土的材料组成及特性,选择合适的材料单元间的接触本构模型以及合理的细观力学参数,使用颗粒流PFC3D软件可近似模拟沥青混凝土的室内三轴试验,并可再现试件剪切破坏的发展过程;数值模拟试验所得到的应力-应变曲线及体积应变-轴向应变曲线与室内三轴试验结果基本一致。     

Shear behavior of coarse aggregates for dam construction under varied stress paths

Coarse aggregates are the major infrastructure materials of concrete-faced rock-fill dams and are consolidated to bear upper and lateral loads. With the increase of dam height, high confining pressure and complex stress states complicate the shear behavfor of coarse aggregates, and thus impede the high dam＇s proper construction, operation and maintenance. An experimental program was conducted to study the shear behavior of dam coarse aggregates using a large-scale triaxial shear apparatus. Through triaxial shear tests, the strain-stress behaviors of aggregates were observed under constant confining pressures： 300 kPa, 600 kPa 900 kPa and 1200 kPa. Shear strengths and aggregate breakage characteristics associated with high pressure shear processes are discussed. Stress path tests were conducted to observe and analyze coarse aggregate response under complex stress states. In triaxial shear tests, it was found that peak deviator stresses increase along with confining pressures, whereas the peak principal stress ratios decrease as confining pressures increase With increasing confining pressures, the dilation decreases and the contraction eventually prevails. Initial strength parameters （Poisson＇s ratio and tangent modulus） show a nonlinear relationship with confining pressures when the pressures are relatively low. Shear strength parameters decrease with increasing confining pressures. The failure envelope lines are convex curves, with clear curvature under low confining pressures. Under moderate confining pressures, dilation is offset by particle breakage. Under high confining pressures, dilation disappears.     

钢珠和玻璃珠模拟粗粒土的三轴试验研究

采用钢珠和玻璃珠等颗粒材料模拟研究粗粒土力学性质具有较强可行性。对颗粒材料开展了常规三轴试验,探讨了围压、粒径、孔隙比等因素对粗粒土强度和变形特性的影响。研究表明:通过橡皮膜校正,颗粒材料的莫尔-库仑强度包线为过原点的直线;颗粒材料峰值强度随围压增大线性增加,轴向应变与围压存在二次函数关系;随颗粒粒径增加,峰值强度和内摩擦角均表现出增加趋势;分析稳态下的孔隙比与稳态强度的关系可得出相应的稳态内摩擦角。相关研究结论为进一步运用不同形状颗粒材料研究粗粒土奠定了基础。     

华山花岗岩力学特性及能量演化规律研究

为了研究华山花岗岩的强度、变形特征以及能量耗散规律, 采用MTS815岩石力学试验机开展了单轴压缩和常规三轴压缩试验。结果表明:华山花岗岩表现出明显的脆性特征, 在三轴条件下应力应变曲线的上凹现象相比于单轴变得不明显; 随着围压的增加, 花岗岩的弹性模量和峰值应变不断增大, 但增加的速度逐渐变慢; 花岗岩的扩容阈值与围压近似呈线性关系; 单轴压缩条件下, 岩石内部储存的弹性应变能峰值后几乎瞬间都转化为耗散能, 劈裂破坏特征明显, 而三轴压缩下, 岩样的耗散能占吸收能的比例随围压提高逐渐增大, 表现为整体剪切破坏; 三轴压缩下的吸收能、弹性应变能以及耗散能都远大于单轴压缩下的对应值, 并且随着围压的增大而增大; 岩石破坏时的吸收能、耗散能以及储能极限均与围压存在良好的线性关系。     

基于室内试验与数值模拟的煤岩围压效应研究

为研究不同围压下煤岩的变形破坏特征,对0、8、16、25 MPa 4种不同围压下的煤岩采用MTS 815岩石力学实验和RFPA 2D数值模拟软件展开应力应变特征、强度特征、声发射特征等研究,旨在揭示不同围压作用下煤岩的围压效应。结果表明:围压对煤岩的变形破坏特征影响显著,随着围压的增大,煤岩最大抗压强度线性增大,煤岩逐渐由脆性破坏向延性破坏转变,破坏形态以单轴压缩下的压剪-劈裂破坏和三轴压缩下的剪切破坏为主;煤岩强度特征参数随围压增大而增大,弹性模量随围压增大呈非线性增大,围压越大,则塑性应变越大,残余应变增大;声发射现象在煤岩单轴压缩状态下十分强烈,但随着围压的升高,声发射现象、应变能释放等声发射特征参数均趋于稳定; RFPA可再现煤岩在不同围压下裂纹萌生、扩展至完全破坏的渐进破坏过程,模拟结果与室内试验耦合度较好,验证了数值模拟的可靠性。     

P5含量对砾类土强度与变形特性影响的试验研究

为了研究粗粒含量对砾类土的强度与变形特性的影响,本文对5种不同粗粒含量的强风化灰岩土石混合体开展了室内大型直剪试验与数值模拟研究,并获取相关的强度与变形参数。室内试验结果表明:随粗粒含量增加,抗剪强度参数先增大后减小,粗粒含量70%时试样内摩擦角达到最大,黏聚力变化无明显规律。对实验数据进行统计分析表明,用径径比可以很好地体现试样级配、粒径大小、含量、试样尺寸的关系,最终得到抗剪强度与径径比关系的经验公式,可以初步预测粗粒土的抗剪强度。数值模拟结果表明:使用Clump"聚粒"模型模拟砾石能较好地拟合剪应力与剪位移曲线;剪切过程中剪切带附近颗粒运动表现为上凸的弧线,这个现象持续至剪切结束;力链表现为倾斜的珊瑚状,随剪切进行力链不断发展增强,至剪切完成力链稍有衰减。     

A simple permanent deformation model of rockfill materials

Existing experimental results have shown that using a semi-log linear relationship between the permanent volumetric strain and cyclic number underestimates the volumetric deformation of rockfill materials with a large cyclic number, and that the error increases with the confining pressure. The existing permanent deformation models are not suitable for the seismic safety analysis of high dams during strong earthquakes. In this study, a series of large-scale triaxial cyclic loading tests of rockfill materials were performed, and a new permanent deformation model of rockfill materials was developed and validated with three kinds of rockfill materials. The results show that the proposed model can properly reflect the general features of the permanent deformation of rockfill materials. The main features of the model are as follows: (1) relations between the cyclic number and permanent volumetric/shear strain are described by hyperbolic functions, which can avoid underestimating the volumetric deformation occurring during strong earthquakes; (2) the model can capture the effect of the mean effective stress on the permanent volumetric strain, with greater confining pressure correlating to greater permanent volumetric deformation, and the permanent volumetric strain under low confining pressure near the dam crest can be well represented; and (3) the model can reflect the effect of the consolidation stress ratio on the permanent shear strain.     

基于离散元法研究颗粒球度对粗粒土抗剪强度的影响

粗粒土颗粒形状是决定其宏观力学性质的主要影响因素之一。为探究粗粒土颗粒形状对其抗剪强度特性的影响规律,以不同颗粒形状的3种粗颗粒土为研究对象,利用离散元数值分析手段,以球度指标为量化参数,研究了颗粒形状对粗粒土直剪试验过程中应力、位移变化及宏观抗剪强度的影响,并分析了抗剪强度参数的变化规律。同时通过室内直剪试验双向验证所揭示规律的可靠性。研究结果表明:法向荷载相同时,随着球度的减小剪应力越过峰值应力后的应变软化现象越明显,同时其峰值应力、位移及残余强度均逐渐增加;球度相同时,随着法向荷载的增大其峰值应力、位移和残余强度均呈规律性递增。黏聚力和内摩擦角随着球度的减小而增加,球形颗粒的黏聚力明显小于其它两种球度的颗粒。     

Discrete element simulation of crushable rockfill materials

A discrete element method was used to study the evolution of particle crushing in a rockfill sample subjected to triaxial shear. A simple procedure was developed to generate clusters with arbitrary shapes, which resembled real rockfill particles. A theoretical method was developed to define the failure criterion for an individual particle subjected to an arbitrary set of contact forces. Then, a series of numerical tests of large-scale drained triaxial tests were conducted to simulate the behaviors of the rockfill sample. Finally, we examined the development of micro-characteristics such as particle crushing, contact characteristics, porosity, deformation, movement, and energy dissipation. The simulation results were partially compared with the laboratory experiments, and good agreement was achieved, demonstrating that the particle crushing model proposed can be used to simulate the drained triaxial test of rockfill materials. Based on a comparison of macro behaviors of the rockfill sample and micro structures of the particles, the microscopic mechanism of the rockfill materials subjected to triaxial shear was determined qualitatively. It is shown that the crushing rate, rather than the number of crushed particles, can be used to reflect the relationship between macro- and micro-mechanical characteristics of rockfill materials. These research results further develop our understanding of the deformation mechanism of rockfill materials.