落石冲击破碎特征的加载率相关性研究

落石在与地面碰撞的过程中易发生破碎,形成较多能量大、形状各异的岩石块体,从而增加了落石的危害性。长期以来,由于对落石破碎后的运动轨迹、能量演化、块体尺寸分布等的量化存在较大的困难,落石的破碎解体还没有被考虑到落石的运动学分析中。因此,研究落石的冲击破碎机理,判断落石是否破碎和预测破碎块体的大小将促进落石运动分析的进一步发展。本研究运用离散单元方法建立落石与地面的数值模型。落石由紧密粘接的球形颗粒组成,刚性地面由一层固定颗粒代替。研究落石在不同的速度撞击下的破碎特征,分析落石破碎特征与冲击加载率的关系。研究结果表明：落石在撞击地面后,内部瞬间产生大量的裂纹,这些裂纹相互贯通,便将落石破裂成为不同大小的块体。随着冲击加载率的增大,落石内部产生的裂纹急剧增加,致使落石破碎的块体数目增多,块体尺寸减小。落石的破碎程度与加载率呈线性正相关关系,破碎块体数量和最大块体尺寸与加载率呈幂函数关系,且破碎块体的尺寸分布特征符合三参数极值分布。     

堆石料力学性能的数值模拟分析

摘 要：利用离散单元法研究了堆石料的力学和变形性能,以及数值模拟过程中相关参数对其力学性能的影响。根据离散元基本模型和相关的几何理论生成两种不同的堆石料颗粒模型,即球形单颗粒模型和不规则形状的颗粒簇模型,研究材料的颗粒形状对堆石料强度的影响。基于颗粒簇模型,运用控制变量法,研究摩擦角和杨氏模量对堆石料的剪切强度和变形特性的影响。通过数值模拟,得出不同试验条件下相应的应力-应变曲线,分析其峰值应力、残余强度、最大应变、弹性模量以及剪缩剪胀趋势等,从而研究试样的不同力学响应。结果显示：在相同的应变率加载条件下,随着围压从300 kPa增加到500 kPa和更高的1000 kPa,球形颗粒模型对应的峰值剪切应力从相应的500 kPa增加到1700 kPa;而不规则形状颗粒簇模型对应的峰值剪切应力则从1400 kPa增加到3500 kPa,明显高于相应围压条件下的球形颗粒模型所对应的峰值剪切应力。当试样摩擦角从10°增加到50°时,相应的峰值应力则从不到1000 kPa增加到3250 kPa,相应的最大体积应变从6.5%增加到20%。杨氏模量E从107 Pa变化到109 Pa时,峰值剪切应力随之从相应的1350 kPa增加到2575 kPa。在此过程中,试样整体应变则从剪缩过渡到剪胀。