岩石微观胶结模型及离散元数值仿真方法初探

 基于胶结铝棒接触力学特性的系列室内微观试验,提出用于模拟岩石的微观胶结接触模型,并将该模型引入二维离散元商业软件PFC2D,模拟岩石室内单双轴压缩、直接拉伸和巴西试验,并将数值试验结果与室内试验实测结果进行对比分析,验证该数值方法在反映岩石基本力学特性方面的有效性,研究结果表明,基于水泥微观胶结模型的离散单元法能够合理地描述岩石的主要力学特性;通过胶结破坏数目与轴向应力之间的关系曲线可以识别岩石裂纹扩展的规律及各个阶段,并能够确定裂纹扩展过程中的起裂应力、裂纹损伤应力和峰值应力。     

不同胶结砂土力学特性及胶结破坏的离散元模拟

采用离散元法研究不同胶结砂土的宏观力学特性以及微观胶结破坏,其中一种胶结砂土胶结特性由离散元商业软件PFC2D中的胶结接触模型(Contact bond model)进行控制,另一种则采用蒋明镜等提出的无厚度改进胶结接触模型(改进的蒋氏模型)控制.首先,将改进的蒋氏模型引入PFC2D;其次,使用PFC2D对不同胶结强度和不同围压下的上述两种胶结砂土进行双轴压缩试验模拟,对比分析了两种不同胶结砂土的模拟结果.结果表明蒋氏试样(胶结特性由改进的蒋氏模型控制)应变软化和体积剪胀显著,峰值内摩擦角基本随胶结强度增大而增大;而PFC试样(胶结特性由Contact bond model控制)在高胶结强度时应变软化和体积剪胀性比较显著,低胶结强度时表现为应变硬化和体积剪缩,峰值内摩擦角随胶结强度增加而减小.离散元模拟结果在一定程度上与已有室内实测结果相符,蒋氏试样更能反映胶结砂土的主要力学特性.由胶结破坏微观信息统计可知,蒋氏试样中胶结点受拉破坏率远大于受剪破坏率,而PFC试样中两者相当,且蒋氏试样中的总胶结点破坏速率峰值要大于PFC试样.通过对改进的蒋氏模型参数分析可知,低围压条件下,试样宏观力学特性与胶结破坏形式对切向胶结强度与法向胶结强度的比值较为敏感.     

结构性砂土粒间胶结效应的二维数值分析

将理想胶结颗粒接触力学特性的测试结果引入到离散元胶结接触模型中,对结构性砂土粒间胶结效应进行离散元数值模拟。首先,胶结颗粒被理想化为两铝棒在指定部位形成胶结,通过一系列加载试验（拉伸、压缩、压剪）获得胶结铝棒在不同应力路径下的接触力学响应。随后,将测试结果提炼总结后引入到自行开发的二维离散元程序 NS2D 中,用以模拟不同初始密度和胶结强度的结构性砂土等向压缩试验。最后,通过与人工胶结砂土的试验数据进行比较,对文中的数值模拟结果进行验证。研究表明：离散元数值模拟能够有效的捕捉结构性砂土的主要力学特性,即屈服强度和体积模量均随初始密度和胶结强度的变化而变化,且胶结试样的屈服强度与试样内部颗粒间胶结点破坏率密切相关。     

理想胶结砂土力学特性及剪切带形成的离散元分析

根据近期胶结铝棒接触力学特性的实测结果,提炼出用于模拟胶结砂土粒间胶结作用的胶结接触模型,并将该模型引入二维离散元商业软件PFC^2D。通过对不同胶结强度和不同围压下胶结砂土的平面应变双轴压缩试验的离散元模拟,分析了理想胶结砂土的宏观力学特性及其剪切带的形成规律。结果表明：相比同一孔隙比的无胶结试样,胶结试样具有更高的峰值强度、显著的应变软化和剪胀现象以及明显的剪切带,宏观力学特性与其胶结接触微观力学机理密切相关,模拟结果与已有室内试验结果具有规律上的一致性;由胶结试样内部的微观信息统计可知,胶结试样剪切带的形成一般在其峰值强度之后,且剪切带的形成是试样变形、胶结破坏、孔隙比、平均纯转动率和位移场等微观参量局部化的综合表现。     

水–岩化学作用对砂岩力学特性影响的三维离散元分析

水–岩化学作用下岩石发生力学性质劣化，其重要原因是岩石胶结物在水溶液中发生不同程度的溶解。在合理假设的基础上，提出一种改进的离散元三维胶结接触模型，在胶结尺寸相关的离散元接触模型中引入易溶解胶结比例和与水化程度相关的胶结宽度系数，来考虑水溶液对随机分布的易溶解胶结物的溶解作用。将该模型植入离散元进行砂岩的常规和水化后微观参数的标定，对不同水化程度砂岩的单轴和三轴压缩试验进行数值模拟，得到应力–应变曲线以及微观信息，并从宏微观角度分析水化作用对力学特性的影响。模拟结果表明：水化砂岩压缩试验中，以胶结的拉剪和拉弯破坏为主，且水化作用对拉破坏胶结数影响非常大，对压弯破坏影响很小。随着水化程度的加剧，岩石表面宏观裂纹数量增多，有由一条贯穿裂缝向多条裂缝发展的变化趋势；岩石的储能极限大幅降低，颗粒弹性能与胶结弹性能的储能极限和增速有不同程度的下降，胶结弹性能的储能极限有下降到一定程度后趋于稳定的趋势；随着易溶胶结占比的提高，水化岩石的峰值强度和弹性模量对胶结宽度的敏感性提高，当该占比为50%时岩石强度不到完好岩石的1/3，力学性能大幅下降。     

考虑宽度与厚度的颗粒胶结模型理论分析

在深海能源土、岩石风化等问题离散元模拟中,颗粒间胶结物的增减将对材料宏观力学特性有显著影响,因此需要建立考虑胶结厚度和宽度的胶结模型。针对离散元理论中粒间真实形状胶结物在粒间力作用下的刚度和强度确定问题,基于原始的Dvorkin理论,给出高精度的胶结力学响应理论解。求解中将位移函数对称化,提出一种修正位移试函数的方法,提高了二维颗粒微观胶结模型应力场的对称性和精度,经验证解答在定性和定量上符合有限元模拟结果。根据所得解答对胶结物几何参数进行了分析,讨论了胶结宽度和厚度对胶结刚度的影响,并给出了针对一般常见材料的刚度拟合公式。采用双剪统一强度理论分析了脆性和塑性胶结材料的初始破坏区位置,给出拉/压剪复合受力状态的强度包线。本文解答可方便快捷地获得胶结模型的大量力学响应信息,可作为试验数据的验证和补充,协助建立胶结物在复杂荷载作用下的破坏判据,进而建立完整的离散元胶结模型。     

用于离散元分析的胶结材料三维微观接触模型

岩石、结构性土、含水合物深海沉积土(能源土)等岩土材料均可视为由颗粒骨架和粒间胶结物共同构成的胶结型材料。简单实用的微观粒间接触模型是采用离散元数值方法分析胶结体系宏微观力学特性的基础。针对有一定厚度的粒间胶结形式,将胶结物简化为存在于颗粒之间有一定厚度的短圆柱。通过对胶结物内部应力分布进行适当简化推导了三维粒间接触模型,包括法向、切向、弯曲和扭转四个方向的相互作用规律。最终所得模型结合了理论推导和既有室内胶结接触力学试验成果,考虑粒间胶结物的法向压碎过程,能描述切向、弯曲和扭转单独作用的破坏过程以及剪弯扭共同作用下的破坏准则。模型形式简单,易于引入离散元程序。     

变胶结厚度下胶结颗粒微观模型的初步研究

粒间胶结厚度对胶结作用有一定的影响,在已有研究基础上针对不同胶结厚度,设计加工了适用于设定胶结厚度的胶样成型装置及复杂应力辅助加载装置,制备了胶结厚度为1.5mm的铝棒60对,经一定时间的养护后,对其进行了一系列拉伸压缩剪切等力学加载试验,并将试验结果与蒋明镜等人^[8]的无胶结厚度及胶结厚度为0.6mm的相应试验结果进行对比分析,得出不同胶结厚度对铝棒间胶结物力学特性的影响。结果表明:随着胶结厚度的增加,抗拉强度增大,抗压强度减小,抗剪强度也减小。     

结构性砂土胶结厚度分布特性试验研究

颗粒间胶结物厚度对胶结颗粒接触力学特性有显著影响,进而影响结构性砂土离散元模拟结果。为更好地模拟天然砂土的结构性,需要明晰结构性砂土中颗粒间胶结厚度分布特性,并且能在离散元模拟中反映该分布特性。本文采用人工制备结构性砂土,开展电镜扫描试验,对结构性砂土中颗粒间胶结厚度分布特性进行了研究。研究结果表明:在结构性砂土中,随着水泥含量的增加,平均胶结厚度近似线性增加;但是水泥含量对胶结厚度的概率分布规律影响不大,水泥含量不同的结构性砂土,其颗粒间胶结厚度概率分布均为先线性增大,后指数型衰减。在试验研究结果的基础上,提出了离散元模拟结构性砂土胶结厚度的方法,可以较好地反映结构性砂土中颗粒间胶结厚度指数型衰减的分布特性。     

深海能源土宏观力学性质离散元数值模拟分析

首先,引入笔者等^[16-17]所提出的微观胶结模型用以反映能源土颗粒之间水合物微观胶结接触力学特性;其次,采用C++语言将模型程序化,建立同商业软件PFC^2D的程序接口,将模型引入离散单元法中;然后,通过简化计算方法确定胶结宽度随水合物浓度的变化规律,进而确定水合物微观胶结参数;最后,根据所确定的胶结参数,针对不同水合物浓度试样进行能源土宏观力学特性离散元双轴试验模拟,并从应力应变、体积应变、水合物对能源土弹性模量的影响等方面与Masui等^[4]所进行的能源土室内三轴试验进行对比分析。结果表明：所选择胶结模型及微观胶结参数能有效反映深海能源土宏观力学规律;能源土峰值强度、弹性模量均随水合物浓度增加而增加,体积膨胀随水合物浓度的增加越来越显著。     

基于微观矿物含量的灰岩细观参数标定研究

随着对岩体力学研究的深入,宏微观岩体力学的研究方法发展迅速。但岩体微观性质改变对引起岩体宏观力学各向异性行为的影响研究却较为缺乏,而在离散元分析方法中,岩体宏观力学行为的准确表征不仅需要合理的细观强度参数,也需要考虑岩体中微观矿物的成分和含量。以灰岩为研究对象,制作灰岩薄片标本,用偏光显微镜观察灰岩样本以确定矿物成分及含量,并以此为依据生成基于矿物含量的离散元模型,以接触软化接触模型模拟矿物间的细观力学行为。分别建立与室内试验对应的单轴压缩模型和巴西劈裂模型,使用试错法不断调整细观强度参数,最终使细观模型表现出的宏观力学性质与实际情况一致。研究结果表明,数值模拟得到的宏观参数与室内试验结果相吻合,说明基于微观矿物含量的岩体离散元模型参数标定方法能够很好地标定出颗粒的细观强度参数,同时细观强度参数又能够很好地表征岩体宏观力学强度,以该参数作为岩体力学响应分析的输入参数,能够更准确认识岩体的力学行为。     

基于VMIB的非均质岩石材料破坏的数值模拟初探

VMIB模型是在VIB基础上提出的一种新型多尺度力学模型,VIB模型认为固体材料在微观上是由随机分布的质量微粒组成,微粒与微粒之间由一虚内键连接;而在VMIB模型中,微粒与微粒之间则由切向键和法向键共同连接或者由具有法向刚度和切向刚度的虚内键连接.材料的宏观本构方程直接由微粒之间的相互作用推导出来.由于VMIB能够再现材料泊松比的多样性,因此可以应用到更广泛的工程材料.非均质材料（岩石）由不同的组分构成,因此,材料中各点的力学属性不同.为有效地模拟这种材料的破坏过程,初步将岩石的非均质特性引入到VMIB模型中,并对裂纹的生成及扩展过程进行模拟.数值模拟结果表明：如果将岩石视为均质材料,则在围压下的裂纹扩展具有很强的规则性,出现单一剪切裂纹,岩石呈剪切破坏;如果将岩石视为非均质材料,则多条裂纹同时在不同点处开始生成、扩展并汇合,破坏模式总体上呈剪切破坏.从数值模拟结果来看,该法能够模拟非均质材料（岩石）的破坏过程,并能初步反映非均质特性对宏观裂纹行为的影响.     

DEM investigation of weathered rocks using a novel bond contact model

The distinct element method(DEM) incorporated with a novel bond contact model was applied in this paper to shed light on the microscopic physical origin of macroscopic behaviors of weathered rock, and to achieve the changing laws of microscopic parameters from observed decaying properties of rocks during weathering. The changing laws of macroscopic mechanical properties of typical rocks were summarized based on the existing research achievements. Parametric simulations were then conducted to analyze the relationships between macroscopic and microscopic parameters, and to derive the changing laws of microscopic parameters for the DEM model. Equipped with the microscopic weathering laws, a series of DEM simulations of basic laboratory tests on weathered rock samples was performed in comparison with analytical solutions. The results reveal that the relationships between macroscopic and microscopic parameters of rocks against the weathering period can be successfully attained by parametric simulations. In addition, weathering has a significant impact on both stressestrain relationship and failure pattern of rocks.     

硬脆岩石的微观颗粒模型及其卸荷岩爆效应研究

 为准确反映硬脆岩石的力学特性并对其卸荷岩爆效应进行合理模拟,从微观层面建立了硬脆岩石的力学模型。首先依据花岗岩岩样的衍射测试确定了模拟岩样的微观结构,其次从能量发展和应力–应变2个角度确定了硬脆特性的评价指标,借助评价指标进行岩样的颗粒效应分析和力学性能调控,进而构建了一种反映岩石硬脆特性的微观颗粒模型“可视构架”(基于现有岩样结构,颗粒与黏结参数需保持的趋势和量值限制)。应用模型并采用颗粒流程序PFC3D对不同围压三轴卸荷下的岩爆效应进行模拟分析,结果表明：岩样的低围压卸荷与高围压卸荷都体现出以张拉性质为主导的黏结断裂,但高围压卸荷比低围压卸荷有更高的张拉断裂比重,体现出更明显的脆性破裂性质,应力跌落曲线表现得更为陡直;低围压卸荷下颗粒动能在破裂过程中均有所发展,岩爆效应体现出“持续型”特点,高围压卸荷下颗粒动能则表现出明显的差异性,岩爆效应体现出“爆发型”特点。     

软弱夹层厚度模拟实用方法及其应用

 围岩中分布的软弱夹层对地下洞室围岩稳定性、支护结构安全性有着重要的影响,以软弱夹层的变形、强度等效为出发点,基于接触面单元和软弱夹层影响带概念,提出一种在固定的有限元网格中模拟不同厚度的软弱夹层的实用化模拟方法,并初步验证该方法的合理性、正确性、实用性;利用提出的模拟方法,以奥地利岩土工程有限元分析软件FINAL为平台,系统分析地下洞室分别位于II,III,IV级3种围岩,软弱夹层分别分布在顶部、拱肩、边墙3种不同部位,软弱夹层厚度分别为0.000D,0.005D,0.010D,0.020D,0.200D 5种厚度等条件下,软弱夹层对洞室围岩位移场、应力场、塑性区以及喷层结构受力的影响,着重讨论不同软弱夹层厚度条件下,围岩位移场、应力场、塑性区及喷层内力随夹层厚度的变化差异;总结当前试验条件下,软弱夹层厚度对地下洞室围岩稳定性与支护结构安全性影响的一般规律;研究成果可望为地下洞室的规划、设计、施工,尤其是遭遇软弱夹层等特殊工程条件下的设计、施工、维护等提供一定的参考与指导作用。     

Investigation into macroscopic and microscopic behaviors of bonded sands using distinct element method

This paper presents an investigation into the inter-particle bonding effects on the mechanical behaviors of structured sands using the distinct element method (DEM) incorporating measured inter-particle mechanical behaviors. The inter-particle mechanical behaviors are first studied by testing on idealized bonded granules under designed loading paths, which demonstrates a linear pre-failure force–displacement relationship and normal force-dependent shear strength of bonded particles. Then a modified contact model is proposed by employing different force–displacement laws for pre-failure and post-failure bonded particles, in which a failure criterion is introduced to describe the inter-particle debonding. The third part deals with the DEM numerical simulation of isotropic and biaxial compression tests to investigate the bonding effects on the mechanical behaviors of bonded sands, where the proposed model has been verified capable of capturing the main mechanical behaviors of bonded sands. In addition, the investigation into the microscopic responses quantitatively figures out the effects of inter-particle cementation on the mechanical behaviors and the loss of soil structure.     

岩体尺寸效应及其特征参数计算

 岩体的尺寸效应包括完整岩块的尺寸效应与节理岩体的尺寸效应,但两者之间还缺乏有机联系。基于物理力学试验与细观参数统计分布理论,建立试样尺度的随机概率模型。通过统计宏观节理分布,建立包含随机分布节理的岩体尺度模型。将实验室获得的岩块强度应用于岩体的计算中,提出一种从细观层次、宏观层次的多尺度岩体工程计算方法,建立2种尺度效应的联系。最后,就非均匀性、围压与节理密度对岩石尺寸效应的影响问题展开探讨。随着均值度的增加,试样的特征尺度逐渐减小。随着围压的增大,岩体特征强度逐渐增大,而岩体力学参数的特征尺寸增大不明显。随着节理密度的增大,特征尺寸和相应的特征强度都是减小的。本方法试图建立细观与宏观力学参数之间的桥梁,获得岩体计算的力学参数,为解决工程岩体参数取值与计算提供一条思路。     

一个非饱和结构性黄土三维胶结接触模型

对非饱和结构性黄土进行离散元模拟需要合理的三维胶结接触模型。在含抗转动和抗扭转模型基础上引入了颗粒间吸引力以考虑范德华力和毛细力作用;提出了考虑胶结尺寸影响的胶结刚度和强度公式,考虑了不可恢复的化学胶结作用;建立了可以全面考虑含水率-孔隙比-吸力耦合作用的黄土接触模型。通过开展常规三轴压缩以及在不同偏应力水平下湿陷试验的三维离散元模拟,表明该三维接触模型可以较好地反映室内试验中非饱和结构性黄土的主要力学特性。     

矿物颗粒形状的岩石力学特性效应分析

岩石作为矿物颗粒的集合体,其宏观力学特性主要影响因素为矿物的细观形态特征。基于颗粒流理论,建立了4种代表颗粒形状用于模拟石英砂岩的矿物颗粒,并采用球度指标对矿物颗粒形状进行参数量化。通过石英砂岩的室内三轴试验校准了颗粒流模型的细观参数,在此基础上进行四种矿物颗粒形状试样的岩石三轴力学模拟试验。研究结果表明：颗粒的球度越大,试样的启裂强度、损伤强度和峰值强度均越低。随着颗粒球度的增加,试样的弹模降低,泊松比增大。内摩擦角和黏聚力则随球度的增大而下降。根据岩样数值试验中的变形数据,研究了不同颗粒形状剪胀角随着塑性剪切应变的演化规律。