地震作用下陡岩崩塌颗粒离散元数值模拟研究

 基于江坪河水电站陡岩边坡,进行块体倾覆分析确定地震影响下潜在的破坏位置,推导地震波在颗粒介质内中传播时的边界条件设置公式,用二维颗粒离散元模拟分析地震作用下陡岩的崩塌灾害。结果表明：基于颗粒离散元的崩塌灾害分析方法可通过颗粒运动轨迹来判断边坡是否稳定,研究边坡破坏扩展过程,并可通过修改边界颗粒的属性来模拟入射地震波及透射边界,可最大限度模拟荷载–岩性–灾害发展的耦合作用;地震作用下顺坡向陡倾角卸荷裂隙发育是影响陡岩边坡稳定的控制性结构面,表层发生局部崩塌、块体失稳的可能性较大,其破坏机制为高烈度地震作用下从表层局部块体崩落开始,继而沿着节理裂隙快速扩展直至上部岩体产生崩塌,破坏规模则主要取决于顺层向裂隙的发育深度。该方法可为崩塌失稳边坡的稳定性研究及灾害预测提供理论依据。     

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。     

高应力软岩巷道围岩变形破坏研究

 以某有色金属矿山巷道为例, 给出了高应力软岩的定义, 论述了高应力软岩的特征、形成条件以及高应力软岩巷道围岩的变形破坏特征和类型, 分析了巷道开挖前后地应力状态的变化及其对围岩变形破坏的影响, 并从岩体和工程岩体围压状态变化和强度变化角度探讨高应力软岩围岩的变形破坏机理。     

稔子坪煤矿软岩巷道破坏形态和控制

软岩巷道支护历来是巷道工程支护的难题。本文以稔子坪煤矿历年来巷道产生的破坏形态和支护控制为例,总结出相应的井巷工程支护对策和措施。     

荣华煤矿软岩巷道破坏机理与支护研究

基于荣华煤矿的地质条件,分析了软岩巷道围岩破坏机理,提出了"预应力全锚索加固+反底拱+注浆加固"联合支护技术方案,并采用FLAC3D软件对该支护方案进行相似模拟研究,结果表明,该联合支护方案有效地控制了巷道围岩破坏变形,提高了矿井的安全生产能力,具有较大的应用价值。     

针对钻进的软岩特性研究及软岩地层相似模拟

针对软岩地层钻进分析了软岩的工程特性及软岩的破碎机理,运用相似原理采用相似材料模拟出泥岩（包括页岩、粉砂质泥岩）地层模型,并分析了各种主材及养护条件对模型性质的影响因素,为软岩地层中大口径钻进参数的研究提供了很好的基础。     

一种基于离散元的模拟颗粒破碎方法

为模拟颗粒破碎对散体材料应力–应变特性产生的显著影响,提出了一种改进的基于离散元的模拟颗粒破碎的方法。首先将颗粒复杂的受力状态简化成颗粒球心附近的最大拉应力并假定颗粒破碎服从最大拉应力准则。当颗粒满足破碎条件时,将破碎颗粒的直径缩小。当由缩小颗粒直径导致的质量损失达到某一规定值时,向样本内的孔隙插入新颗粒。为模拟破碎产生碎片的颗粒级配,新生成的颗粒尺寸服从分形分布,同时,为考虑颗粒强度的变异性和尺寸效应,未破碎颗粒、已破碎颗粒和破碎产生的碎片的抗拉强度均服从Weibull分布。该方法满足质量守恒条件,且适用于能在超级计算机上并行运行的开源离散元软件。采用本文方法模拟了一维压缩和直剪试验并与室内试验结果进行对比,结果表明本文方法模拟颗粒破碎是可行的。     

简单复合岩体中TBM多滚刀破岩机理离散元分析

采用引入考虑胶结尺寸的微观接触模型的PFC^2D离散元软件,对全断面岩石掘进机（TBM）盘形滚刀作用下简单形式的复合岩体破岩机理进行数值模拟研究。进行了单滚刀、双滚刀和三滚刀作用下的复合岩体破碎过程的模拟。模拟结果表明：滚刀破岩过程可以分为三个阶段：加载阶段、卸载阶段和残余跃进阶段。通过双滚刀和三滚刀侵入复合岩体的推力-侵深曲线分析,软岩上的滚刀比硬岩上的滚刀进入各阶段稍慢,略有滞后;不同滚刀间的峰值法向推力相差较大,易造成滚刀磨损。对于花岗岩-绿片岩复合岩体,破岩时接触力链被岩体分界面分割,硬岩区胶结破坏数目较多,双滚刀、三滚刀侵入时易形成贯通裂缝;破岩效率由大到小为双滚刀效率、三滚刀效率、单滚刀效率,而且双滚刀能够将效率提高一倍左右。     

隧道开挖中破碎带支护的颗粒离散元模拟研究

在破碎带这种复杂的地质条件下开挖隧道往往涉及到很多方面的因素,文章首先用详细的地质资料对某隧道进行了描述,包括岩性、产状等实际工作中可以得到的参数,然后使用颗粒离散元对隧道破碎带开挖引起的围岩稳定性进行模拟,通过大量的测试试验准确地掌握了颗粒离散元中参数与实际实验室参数间的对应关系,以此建立了无衬砌支护和有衬砌支护2种模型,比较围岩位移和隧道断面附近区域拉应力变化的不同,评价了支护结构的效果,对类似地带的地下工程具有一定的参考价值.     

软岩巷道支护技术分析

在煤矿生产建设的过程中，软岩巷道的支护与加固一直是一项建筑难题，尤其是在高应力软岩巷道的支护中，控制起来比较困难。对软岩巷道支护技术的相关问题研究，不仅够提高软岩巷道控制水平，对整个软岩工程建设也有重要的现实意义。     

软硬互层岩体力学及变形特性的离散元模拟

采用离散元软件PFC2D模拟软硬互层岩体渐进破裂过程,研究倾角、软硬层厚比和围压对其力学特性及变形特性的影响。研究结果表明：(1)软硬互层岩体抗压强度、黏聚力、内摩擦角和弹性模量随岩层倾角的增加先减小后增大,随围压的增加逐渐增大,随软层厚度的增加逐渐减小;(2)软硬互层岩体强度与其单结构面理论强度分布规律大致相同,但实际强度没有保持不变的倾角范围,且在最不利破坏倾角α=π/4+φ_j/2附近的变化幅度也没有单结构面理论强度明显;(3)硬层中生成贯穿层理面裂隙所需应变随软层厚度增大,增大岩体裂隙数量发展速度随岩体倾角的增加先增加后减小,在45°或60°时达到峰值,围压增大,岩体裂隙发展越充分;(4)软硬互层岩体在岩层倾角0°时为贯穿层理面的张剪破坏,在30°～60°时为沿层理面的剪切滑移破坏,90°时为沿层理面和局部贯穿层理面的复合张剪破坏;(5)围压的增大会诱发岩体发生剪切破坏,而软层厚度的增加可增强岩体破坏时的完整性。     

隧道力学状态离散元模拟中的粒径效应

对于工程尺度的离散元隧道模型,颗粒尺寸是决定模型计算准确性以及效率的重要参数。引入隧道直径与平均粒径之比(特征长度比Ra=D/D₅₀)度量颗粒的相对尺寸,研究不同工况下相对粒径对离散元模型中应力、位移以及胶结破坏的影响。通过离散元结果与解析解对比和胶结破坏率分析,给出可获得高精度模拟结果的特征长度比范围。结果表明:无胶结破坏时,离散元径向应力误差略大于环向应力误差;相比于等压情况,不等压情况下平均位移误差将增大,当R_a>35,离散元应力、位移与解析解误差将收敛至10%以内;发生胶结破坏时,破坏域范围达到稳定;对测量圆大小的分析显示,当圆内颗粒数目大于150左右时可以有效减小相对粒径较大时的应力误差。     

松动爆破处理综掘巷道硬岩研究

针对综掘巷道遇硬岩时,切割速度慢、成本增加的现状,本文在松动爆破机理分析的基础上,提出了先行深孔松动爆破、再采用综掘机切割的施工方案,通过现场的试验取得了很好的效果,证明了方案的可行性,为类似工程提供了借鉴。     

三维离散元法解析砂型泥石流细观运动特征研究

基于散体介质理论的三维离散元数值分析方法,引入粘滞阻尼模型考虑系统耗能效应,求解固体作用力和流体连续性方程,充分考虑流固耦合作用,对中、细标准砂泥石流过程进行仿真分析,得到不同砂型泥石流破坏过程及渗流场、颗粒速度场、孔隙率、颗粒接触数等参数变化规律。分析表明,中砂、细砂分别表现出分层渐进式和流滑型的破坏模式,这与已有物理试验现象吻合,验证该模型的适用性,并从渗流场分布规律深刻解释该现象发生机理。泥石流过程中土颗粒速度矢量变化规律从细观上揭示了隐藏在颗粒内部的相互碰撞、摩擦、滑动等复杂运动特点,从宏观上揭示了中砂土坡脚薄弱位置率先突破,主滑动体形成直至完全失稳的分级渐进式破坏过程。进一步分析了土体孔隙率和平均接触数分布云图变化规律,中砂泥石流过程中随颗粒运动,滑动体孔隙率逐渐增大,颗粒接触数逐渐减小,并且这种发展趋势逐渐往坡后方土体蔓延;进一步揭示了中砂泥石流分级渐进破坏过程与颗粒速度场分析规律一致。分析结果表明了该模型方法在模拟泥石流这种大变形、流固耦合问题上的适用性,这对泥石流复杂机理的更深入探索是有益的。     

强震后软岩隧道变形与破坏机制分析

强震后软岩隧道的变形和破坏特征与一般隧道不同。根据“5.12”强震区唐家山隧道围岩变形与应力监测数据,对震后软岩隧道变形与破坏机制进行了分析。研究表明:(1)震区软岩隧道变形空间分布不对称,水平收敛是拱顶沉降的2~4倍,这是震后软岩的扩容性质和隧道所处的垂直方向高地应力环境所共同决定的;(2)隧道变形的空间效应约束范围为2~3D,在开挖面约束范围内,变形是空间效应和时效应的耦合;(3)隧道不同部位的围岩变形与破坏方式与围压性质密切相关,边墙处围岩在“形变压力”作用下易发生松弛大变形;拱部一定范围内的岩体存在整体下沉现象,拱部围岩易被架空而形成“松散压力”并诱发位移突变和破坏。研究对同类工程具有一定参考价值。     

软岩单线隧道新型支护结构有限元分析

采用有限元法对由聚丙烯纤维网湿喷混凝土、锚杆和钢格栅组成的软弱围岩隧道支护结构的应力、变形等进行了分析研究。对危险截面的强度验算表明,使用该支护结构的铁路隧道硐室稳定、安全度高。     

配锚栓的再生混凝土双向板破坏机理及有限元分析

对配有锚栓的再生混凝土双向板进行了详细研究,给出了配锚栓板的破坏形态及破坏机理。进一步又采用ABAQUS非线性有限元软件模拟配有锚栓的再生混凝土双向板的冲切破坏,通过合理的选择材料性能参数、几何参数、边界条件等进行配有锚栓的再生混凝土双向板的非线性有限元模拟分析,计算结果符合要求。论文结论可以为提高再生混凝土双向板的抗冲切承载力及延性提供依据和借鉴。     

基于离散元方法的PDC钻头破岩仿真研究

针对前人对PDC(聚晶金刚石复合片)钻头破岩仿真研究多采用有限元法,忽略了岩体的各向异性、不均匀性以及不连续性等问题。提出了采用离散元法来研究PDC钻头的破岩仿真过程,利用离散元软件PFC3D建立了虚拟单轴压缩实验和虚拟巴西劈裂法实验,推导出了岩石的三维离散元模型的细观参数,确定了岩石的本构模型。在此基础上建立了PDC单齿切削岩石的离散元模型,讨论了侧倾角对切削力的影响关系,并与单齿切削岩石的有限元模型进行了对比。结果表明:离散元模型与有限元模型结果比较接近,离散元数值模拟的求解时间为有限元数值模拟的1/3,离散元方法具有潜在的高效率。在单齿切削岩石的离散元模型的基础上建立了全钻头破岩离散元模型,研究了PDC钻头动态破岩过程中各切削齿所受扭矩和钻压的分布规律。并通过全钻头破岩室内台架实验对模型的准确性进行了验证。     

基于离散单元法的混凝土细观力学模型研究进展

介绍了离散单元法用于混凝土细观结构数值模拟的优越性及其基本原理;总结了目前基于离散单元法的刚体-弹簧元模型、扩展的离散单元法、颗粒-界面元模型、梁-颗粒模型等常用模型的原理、研究现状、成果,以及各自的优缺点;对数值模型建立中应考虑的关键问题,如破坏准则、本构关系以及材料参数的确定方法等作了归纳分析.指出目前离散单元法用于混凝土数值模拟的研究主要以二维模型、简单受力状态、定性分析为主,而在复杂受力状态、定量分析、随机性分析以及相应实用软件的开发等方面仍有待进一步研究.     

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。