循环荷载作用下粗粒料颗粒破碎数值模拟分析

基于二维颗粒流程序建立颗粒破碎模型,开展粗粒料循环荷载作用下的颗粒破碎数值模拟研究,分析初始应力状态对粗粒料颗粒破碎的影响。数值模拟结果表明,初始应力状态对颗粒破碎影响较大,颗粒破碎率随着围压的增大而增大;相同围压条件下,动应力引起的颗粒破碎率随着固结应力比的增大而减小;竖向总应力相等条件下,颗粒破碎率随着固结应力比的增大而增大;颗粒破碎不仅发生在加载阶段,在卸载阶段也会有少量的颗粒破碎发生;在一个循环荷载加载周期内,随着循环荷载的施加,颗粒破碎率先缓慢增加,再急剧增加,最后趋于平缓;随着循环周次的增大,试样内部的颗粒破碎率先增加,后趋于稳定。     

粗粒料工程力学性质的细观模拟

以三维离散元颗粒流理论为基础,PFC3D_EV为工具,改进内置程序代码,对比粗粒料室内三轴固结排水试验结果,生成颗粒接触点数均匀、各向同性应力相同的三轴试验数值模型。引入clump颗粒提高了数值试样内部颗粒形状的复杂度,对比了不同围压下数值试验应力-应变曲线、变形曲线与室内试验的差异,并探讨了剪切带发展规律及颗粒形状对粗粒料强度、变形特性的影响。结果表明:颗粒形状是影响粗粒料工程力学特性的主要因素,提高试样内部颗粒形状的复杂性可获得与物理试验拟合较好的应力-应变曲线;数值模型暂无法实现颗粒破碎状态,造成大应变时剪胀偏大;位移场发展变化过程显示应变软化加速了剪切带的形成;高围压下剪切带明显,且围压越高厚度越薄。     

人工模拟堆石料颗粒破碎的分形特性

人工制备等粒径、不同强度的水泥球颗粒模拟堆石料,进行室内三轴加载试验。依据试验前后颗粒破碎后的粒径分布,采用Tyler等建立的分形模型,研究堆石料颗粒破碎的分形特性,并与Hardin相对颗粒破碎率进行对比分析,探究分形维数表征颗粒破碎程度的可行性。结果表明:排水和不排水条件下得到的结果相似,试验采用的4种水泥含量的试样颗粒在颗粒破碎后的分布特征具有良好的分形特性。同一水泥含量下,随着围压的升高,堆石料分形维数逐渐增大;高围压下,颗粒破碎严重,中间粒径和细粒含量较多,级配更均匀,分形模拟结果与试验结果较低围压下具有更好的线性关系。相同围压下,随着颗粒强度的增大,颗粒破碎程度减小,分形维数随之逐渐减小。通过与Hardin相对颗粒破碎率进行对比可知,分形维数可以很好地表征试样的级配情况,其值越大,级配越良好,粒径分布情况越均匀,颗粒破碎越严重。     

含石量对砂卵石土的颗粒破碎及强度与变形的影响研究

为探究含石量对不同围压下砂卵石土的颗粒破碎及抗剪强度与变形特性的影响,利用室内大型三轴试验仪开展了固结排水剪切试验。试验设计了0~100%之间5级含石量,在0.5 MPa、1.5 MPa、2.5 MPa三种不同围压条件下进行固结排水三轴剪切试验。基于试验结果,分析了含石量及围压对砂卵石土抗剪强度和剪胀、剪缩特性的影响,并分析了相应的颗粒破碎情况。试验结果表明,在相同含石量下,砂卵石土抗剪强度随着围压的升高不断增加,体变初期表现为明显剪缩,之后剪胀性随围压升高而降低,颗粒破碎率随围压升高而增加;在相同围压下,含石量在50%~75%时,颗粒破碎率最大,并出现最大抗剪强度,而围压越高,试样剪胀越不明显。     

堆石料流变试验的颗粒破碎研究

已有的研究成果表明堆石流变与颗粒破碎有关,但流变引起的净破碎率和流变之间的关系尚不明确。通过室内大型流变试验,分析了流变引起的颗粒破碎,发现破碎率与最终流变量之间存在线性函数关系,破碎率与轴压之间存在幂函数关系;轴向流变变形与时间之间的关系可以用对数函数表示,相应的流变参数与轴压之间呈良好的线性关系。     

粗粒土颗粒多点接触下的破碎准则研究

室内多采用2点加载的单颗粒破碎试验获取岩石颗粒的破碎强度，而在实际工程中颗粒大多处于多点接触受力状态，单颗粒破碎试验获得的颗粒强度是否适应多点接触破碎判别需要深入研究。以凝灰岩室内试验的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和巴西劈裂抗拉强度作为基准标定平节理模型的细观力学参数，用标定后的参数建立岩石颗粒的平节理模型试样。首先进行单颗粒破碎试验的数值模拟，分析颗粒在2点加载下的破坏过程；随后随机挑选100个加载构型，模拟颗粒受到不同接触力数量作用下的颗粒破碎，分析多点接触下最大主应力准则、平均主应力准则、八面体剪应力准则和最大接触力准则的适用性。结果表明:岩石颗粒在单颗粒破碎试验中的破坏过程有弹性阶段、裂纹稳定扩展阶段、劈裂破碎阶段；当颗粒处于多点接触受力状态，最大接触力准则判断颗粒破碎仍然适用。     

级配对堆石料颗粒破碎及力学特性的影响

级配是影响堆石料颗粒破碎和力学特性的重要因素。为研究级配对堆石料强度和变形特性的影响,开展了3种堆石料的大型三轴排水剪切试验;同时为分析不同级配堆石料的颗粒破碎特性,对试验前后试样进行了颗分试验。试验结果表明,颗粒破碎率随应力的增大而增大,在同一围压情况下,相比于细颗粒含量高的堆石料,细颗粒含量少的产生的颗粒破碎率要大。随细颗粒含量的增加,强度指标变大,抵御变形能力增强,剪切过程中产生的体积变形小,剪胀更为明显。     

高围压作用下堆石体剪切带形成及相关细观结构演变

为了研究高围压作用下堆石体中剪切带形成及相关细观结构演变,采用自编程序构造3种不同形状的可破碎颗粒簇,随机生成二维颗粒流试样,进行双轴压缩试验.结果表明,轴向应变为6％时,试样由体缩向体胀过渡;轴向应变达到10％以后,试样内部发生了结构性变化.试样中颗粒簇的旋转、移动、破碎以及孔隙率等细观结构演变能清晰反映试样中剪切带...     

压-剪复合应力下非球形颗粒材料空心圆柱剪切试验的离散元模拟

采用离散元模拟平台PFC3D构建空心圆柱型数值试样,分析了压-剪复合应力条件下非球形颗粒材料数值试样的宏细观力学响应,重点探讨了颗粒形状和围压对数值试样初始变形模量、抗剪强度、剪切带倾角和组构各向异性演化的影响。结果表明:在保持大主应力方向角α=30°不变的单调剪切条件下,数值试样的初始变形模量能够反映实际砂土的压硬性规律,也即初始变形模量随着围压的增大而增大。数值试样的峰值内摩擦角随着颗粒长短轴比Se的增大而增大,且随着围压的增大而减小。数值试样的剪切带倾角在16°～25°范围内,且随着Se的增大,剪切带倾角越大。无论接触法向初始各向异性分布如何,随着剪切荷载的施加,接触法向各向异性的主方向均逐渐接近大主应力方向,也即试样发现明显的应力诱发各向异性,且在低围压下这一规律更为显著。     

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。     

粗粒土三轴制样过程中的颗粒破碎特性

粗粒土在制样和加载的过程中常常会发生破碎,目前大多数室内试验研究均集中在对粗粒土加载过程中破碎特性的描述,而忽视了其制样过程中颗粒破碎的影响。为此,采用2种不同级配的粗粒土分层击实制样,分析其在不同相对密度条件下的制样破碎特性。研究发现:粗粒土在制样过程中存在一定程度的颗粒破碎现象,较大颗粒破碎较为显著;但无论初始级配如何,粗粒土制样过程中的颗粒破碎率都随着制样相对密度的增大而增大。     

红层坝基层间剪切带破坏特征及颗粒流模拟

小南海红层坝基以洪泛平原细粒沉积为主,粉砂岩-黏土岩不等厚互层的岩性组合、构造作用产生岩层屈曲及一定的地下水环境为层间剪切带的形成提供了条件。基于颗粒流理论,采用离散单元法软件PFC2D建立了软弱相间岩层层间剪切带试样的颗粒流模型,对剪切带试样的破坏发展过程进行了数值模拟,分析了剪切带内孔隙比变化、剪切裂隙发展的位置、宽度、角度及间距,模拟结果与A.W.Skempton提出的黏土实验室滑动面发展破坏过程一致。对比了8组不同厚度及延伸长度的剪切带试样的PFC数值模拟试验,结果表明:剪切带厚度及上下所夹硬岩尺寸一定时,试样长度越长,裂隙与层面夹角越小、裂隙间距越大,微裂隙越容易集中在剪切带左右两端;试样长度和上下所夹硬岩厚度相同时,剪切带厚度越大,裂隙间距越大,但裂隙与层面的夹角相近。     

围压对岩石裂纹扩展影响的颗粒流模拟研究

采用颗粒流数值软件PFC模拟预设单裂隙岩石在双向压缩状态下裂纹的扩展过程和特征。首先利用黏聚颗粒模型建立岩石试样,并在岩石试样中预置非贯通单裂隙;为研究围压对岩石裂纹扩展的影响,分别在5种围压作用下对预设裂隙岩石进行双轴压缩试验。结果表明在围压为0(单轴压缩)时,翼裂纹扩展方向与预设裂隙基本垂直,随着加载进行沿着主压力方向扩展,而当围压增加时,翼裂纹扩展方向与预设裂隙的交角增大,且长度变短直至围压到达一定值后不再发育;次生裂纹的扩展方向不仅与材料的性质有关,同时受到围压值的影响;围压增大对张性裂纹扩展产生限制,并促进剪性裂纹的扩展和合并,且最终剪切破坏面的宽度随着围压的增大而增大;次生裂纹可以由拉应力产生,但其进一步发育和扩展受到剪应力的控制。     

上拔荷载作用下扩展基础的颗粒流数值模拟

对砂土地基上承受上拔荷载作用的扩展基础进行颗粒流数值模拟，并与物理模型试验结果进行了对比。应用PFC2D程序，用细观力学的方法研究上拔荷载作用下砂土的颗粒结构分布、颗粒速度的变化。通过对剪切带颗粒速度的考察，分析颗粒间的咬合摩擦和滑动摩擦，判定出土中滑裂破坏面的位置。数值模拟分析了上拔荷载-基础位移曲线。通过实验室模型试验和现场原型试验，测得土中滑裂破坏体为曲面锥台与圆柱的组合体，其破裂面与颗粒流数值模拟的结果符合良好，并分析了荷载-位移关系。细观力学数值模拟的土中滑裂破坏面和荷载-位移关系能反映物理实物试验的宏观力学特性。     

不同应力路径下粗粒料的颗粒破碎试验研究

采用大型三轴试验机,对粗粒料进行了常规三轴、等p和等应力比等不同应力路径的试验,研究了粗粒料在不同应力路径下的颗粒破碎情况,分析了应力路径对颗粒破碎和强度特性的影响,并对颗粒破碎与塑性功之间的关系进行了探讨。试验结果表明,应力路径对粗粒料的强度特性影响并不显著;颗粒破碎主要与加载过程中输入的塑性功有关,颗粒相对破碎率随着输入塑性功的增大而增大,与塑性功呈较好的双曲线关系;颗粒破碎的增加将导致峰值内摩擦角的减小,峰值内摩擦角与颗粒相对破碎率之间呈线性关系。     

粘性土室内平面应变试验的颗粒流模拟

作为颗粒流理论实际应用的前期可行性研究，针对具有凝聚力的内摩擦材料粘性土进行了室内平面应变试验结果的颗粒流仿真。对三维颗粒流数值仿真技术(PFC2D)的4组数值仿真结果和粘土试样室内平面应变试验的实测曲线进行了对比，研究表明利用颗流理论所建立起来的PFC2D数值仿真试验模型是能够通过改变计算模型中颗粒单元的性质，以及颗粒集合体的级配特征等给出与真实材料土工试验类似的本构行为的，这种可行性最根本的意义在于基于颗粒流理论的数值仿真试验能够突破常规土工试验在仪器设备能力、试验条件上的局限性，对实际土样的本构行为做出理论方面的预测。此外针对颗粒流仿真试样的细观力学特征与物理试样宏观力学响应之间的关系进行了参数研究，并揭示了一些规律。     

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。     

高土石坝堆石料缩尺效应研究

通过堆石料室内大型三轴试验、数值模拟及现场原级配料载荷试验,分析缩尺效应对堆石料工程特性的影响。结果表明:室内试验颗粒最大粒径小于原级配颗粒最大粒径,忽略了颗粒破碎对筑坝料变形的影响,导致室内试验得到的参数大于堆石料实际变形参数;数值模拟试样级配变化较大,堆石料较为均匀,制样孔隙比大,试样干密度也远小于施工控制的干密度,试验时加载过程中颗粒的压缩和压密加剧了筑坝料的变形,导致模拟得到的变形参数偏小。堆石料缩尺效应主要受母岩强度、颗粒形状、级配特征、制样方法、控制标准等的影响;随堆石料最大粒径的增大,初始摩擦角稍有增加,摩擦角衰减值明显增加,体变模量明显减小,模量系数变化相对较小。     

不同应力路径下粗粒料的颗粒破碎试验研究

采用大型三轴试验机，对粗粒料进行了常规三轴、等p和等应力比等不同应力路径的试验，研究了粗粒料在不同应力路径下的颗粒破碎情况，分析了应力路径对颗粒破碎和强度特性的影响，并对颗粒破碎与塑性功之间的关系进行了探讨。试验结果表明，应力路径对粗粒料的强度特性影响并不显著；颗粒破碎主要与加载过程中输入的塑性功有关，颗粒相对破碎率随着输入塑性功的增大而增大，与塑性功呈较好的双曲线关系；颗粒破碎的增加将导致峰值内摩擦角的减小，峰值内摩擦角与颗粒相对破碎率之间呈线性关系。     

粉土填料细观剪切特性的颗粒离散元数值模拟研究

以厦蓉高速改扩建工程为背景,按现场技术标准配置４组粉土填料试样,开展室内直剪试验,同时在ＰＦＣ2Ｄ离散元平台上模拟试样的直剪试验全过程,探讨粉土填料的细观剪切特性。结果表明:随着剪应变增加,接触黏结破坏区域由剪切面附近点逐渐扩大为具有一定厚度的贯通条状带,使得粉土填料的抗剪强度下降,表现出应变软化特性。从统计结果上看,球颗粒的平均转动量和平均相对位移,均沿试样高度方向大致呈正态分布;对其进行正态曲线拟合,发现剪切带中心并不在设定剪切面位置,而是略微向上发生偏移;同时通过上下一个标准差的定义,可精确计算剪切带宽度。对比不同竖向压力下数值模拟的统计结果,发现剪切带宽度随竖向压力的增大略有减小,但剪切带中心偏移基本不变。