砂土直剪试验离散元数值模拟与细观变形机理研究

基于离散元法进行砂土直剪试验模拟与剪切宏细观响应研究。采用试样分条带法研究砂土剪切过程中的变形发育情况;记录应力-位移关系,分析砂土剪切应力、应变特性与剪胀特性。通过分析接触力链、接触组构分布、配位数及滑动接触百分比等细观行为演化研究颗粒细观接触状态演变;基于局部孔隙率变化分析颗粒细观分布状态演变;采用颗粒累积转动量和速度场分析颗粒细观运动状态及剪切带发育的细观机制;对离散元软件PFC^2D进行二次开发,实现主应力的可视化。研究表明应变局部化集中于颗粒转动、接触滑动、体胀明显的剪切带内,剪切带内外颗粒不同的运动状态导致细观参量的变化,剪切带厚度为(10~15)d₅₀;力链网络、接触组构和主应力场本质上是一致的,三者主方向在剪切过程中发生了近似一致的偏转。     

颗粒破碎对岩土体宏观力学性能影响的细观机理分析

采用离散元法建立了岩土颗粒的刚性簇与柔性簇的三轴试验数值模型,分析了两种颗粒模型在加载过程中的宏观力学响应规律,通过对颗粒配位数、孔隙率、颗粒旋转及能量变化的分析,从细观角度对岩土颗粒破碎的机理进行探讨。结果表明,柔性簇颗粒模型在加载破碎后,试样的体积缩小明显,颗粒更容易发生旋转,且颗粒破碎生成的动能、耗散的阻尼能均比颗粒未破碎时大。研究对比发现刚性簇颗粒没有体力能的消耗,这表明颗粒破碎是一个细观变化过程,破碎的颗粒运动更剧烈,产生能量更多,更容易填充试样内部孔隙;相比于刚性簇颗粒,柔性簇颗粒的配位数更低,试样强度较不破碎时更低,说明颗粒破碎会影响岩土的宏观力学性能,增加土体自身受力的不确定性。     

直剪试验下砂土剪切带形成的细观变形机制

剪切带的形成与发展是影响土体变形破坏的关键因素。利用数值模拟试验方法,对砂土直剪试验中剪切带的形成和演化机制进行研究。试验中采用条块法对试样进行标记,以观测其变形及发展过程;并记录剪应力及剪切位移的变化,分析试样的应力应变特征;最后从细观角度对颗粒试样的平均转动量、配位数及孔隙变化率等参数进行统计分析,以揭示试样的细观变形规律。研究表明:砂土剪切带的形成是一个渐进的过程,呈现出累进破坏的特征;且剪切过程中颗粒试样会发生局部变形并形成狭长的剪切带,剪切带的厚度受平均粒径及颗粒摩擦系数的直接影响,当颗粒粒径为1.25倍平均粒径且颗粒摩擦系数为0.5时,剪切带厚度达到最大值;此外,剪切带区域的强力链较为密集,通过对强力链进行光密度及面积占比分析发现峰值时刻最为显著（平均光密度约为1.4,强力链面积占比约为52%）,这表明力链网络的结构变化与剪切带的形成及演化具有同步性;同时发现剪切带内、外颗粒体系的平均转动量、平均配位数及孔隙变化率等细观参数存在显著差异,说明剪切带对外荷载的响应较为强烈。     

颗粒材料定向剪切特性的空心圆柱离散元模拟

基于PFC3D离散元模拟平台构建空心圆柱型数值模型,研究了固定主应力方向条件下颗粒材料数值试样的定向剪切宏细观力学响应,重点分析了大主应力方向角对试样单调剪切特性的影响。数值建模中,采用"分离式簇墙"技术近似模拟室内试验橡皮膜的柔性边界效应,开发了顶部扭矩层颗粒旋转速度的"动态更新法"并较好地实现了剪应力的施加。结果表明,离散元数值模型能够较好地还原室内空心圆柱砂样定向剪切试验的应力路径和应力—应变响应;大主应力方向角α的变化显著影响数值试样的剪切强度,α=60°试样的峰值内摩擦角最低,且数值模拟得到的规律与已有的实际砂土室内试验规律相一致;数值试样剪切带的宏观演化在细观上可由试样内部局部孔隙比和配位数的变化规律来表征。     

黄土剪切损伤演化及其力学特性的CT-三轴试验研究

利用应力控制式CT-三轴仪研究了非饱和Q3原状黄土与扰动黄土三轴剪切变形特性,并利用CT技术对其内部结构变化进行了无损量测,得到内部结构演化的CT图像和相应的CT数据,从细观上解释了结构性黄土三轴剪切破坏细观结构演化规律。结果表明:随围压的增大,黄土三轴剪切偏应力轴应变关系曲线由弱软化型逐渐转变为弱硬化型,原状黄土的体应变无论是剪缩还是剪胀均大于扰动黄土。剪切变形呈应变弱软化型黄土平均CT数与轴向应变关系曲线先经历一个小幅增长后逐渐减小。剪切变形呈应变弱硬化型黄土平均CT数与轴向应变关系曲线在剪切初期快速增长,随后在剪切过程中缓慢增长。扰动黄土剪切破坏过程中试样中部相比全区剪切破损较小,裂纹主要在试样外围衍生;原状黄土胶结区表现为逐渐破损,空洞区由于周围土颗粒的滑移而逐渐被压密。CT技术使土的细观结构研究达到定量阶段,为建立土的结构演化方程和结构性本构模型提供了试验基础。     

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。     

闽东地区含砾花岗岩残积土的细观剪切特性研究

通过数字图像技术细致描述了闽东地区花岗岩残积土中砾石的颗粒形状特征,并通过簇颗粒在ＰＦＣ数值平台上实现了砾石颗粒的二维重构。进而建立含砾花岗岩残积土的离散元数值模型,对现场大型直剪试验全过程展开细致的数值模拟,探讨了含砾花岗岩残积土的细观剪切特性。从细观颗粒的统计结果上看,球颗粒／簇颗粒的平均相对水平位移和平均转动量,均沿试样高程大致呈正态分布;对其进行正态曲线拟合,发现其剪切带中心并不在剪切面位置,而是略向上发生偏移;同时通过定义上下一个标准差精确计算剪切带宽度;上述剪切带中心偏移量和剪切带宽度均随竖向压力的增大而逐渐减小。另一方面,颗粒间接触力链的分析表明,强力链主要集中在砾石颗粒间;而细颗粒则填充试样孔隙,使得各颗粒间咬合更加充分;二者共同作用有利于形成较为稳定的强力链,增强了含砾花岗岩残积土的抗剪强度。     

含水量对滑动带强度影响的细观结构试验

为深入研究含水量的变化对滑动带强度的影响,根据实际滑动带组分特征,配制不同含水量滑动带试样,运用大型多功能材料试验机进行室内试验研究。含水量变化时,对滑动带进行细观结构定性与定量分析,初步建立滑动带宏观变形与细观结构之间的联系。研究表明:随含水量增加,滑动带的强度发挥提前,强度明显降低,颗粒翻滚、旋转、定向排列的特征明显。孔隙率急剧增大,滑动带开始滑动;孔隙率增长速度变缓,说明滑动带内部薄弱部分出现微裂纹;当孔隙率突然减小,说明滑动带内某处微裂纹贯通而形成滑动面,滑动带破坏。初步说明孔隙率可以作为滑动带强度表述的定量指标。     

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。     

滚动机制对颗粒材料剪切带形成的影响

从宏观角度引入颗粒集合体有效应变表述颗粒材料剪切带的形成,从细观上模拟颗粒材料自由滚动、限制滚动、考虑滚动机制三种情况在外荷载下的力学响应。通过分析追踪颗粒材料有效应变的变化,探讨了颗粒材料剪切带的发展和形成过程。结果表明:限制滚动下不能模拟剪切带的发展,考虑颗粒自由滚动及滚动机制能较好的模拟剪切带的发展。而强调滚动机制限制了次要剪切带,同时促进主要剪切带的发展,因而能更有效的描述剪切带的形成过程。更多还原     

废旧轮胎橡胶颗粒与黏土混合土的剪切特性

采用Shear Trac-II型直剪仪,对废旧轮胎橡胶颗粒与黏土混合土的剪切特性进行了研究,探讨了橡胶颗粒掺量、粒径对黏土混合土抗剪强度的影响,建立了抗剪强度指标与橡胶颗粒掺量及粒径之间的关系,并通过轻型压实法分析了混合土的压实指标。结果表明:混合土的最大干密度与最优含水率均随橡胶颗粒掺量增加逐渐减小,当掺量高于15%后,其减小趋势明显减弱。当橡胶颗粒掺量为40%时,混合土的抗剪强度最高,其抗剪强度较黏土提高了20%~40%。橡胶颗粒掺量低于20%时,增大橡胶颗粒粒径可使混合土的抗剪强度显著提高。混合土的黏聚力随掺量增加先增大后减小,内摩擦角则逐渐增大。在剪切过程中,试样表现出先剪缩后剪胀的特性,且在低压力、掺入大粒径橡胶颗粒时,其剪胀特性较明显。     

长期库水作用下星光三组倾倒变形体稳定性研究

基于室内岩土体试验，结合ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟分析，对星光三组变形体稳定性演化趋势进行分析，研究结果表明:砂岩抗剪强度指标随着干湿循环次数ｎ及饱水时间ｄ的增加而降低，循环次数和饱水时间分别大于２５次和４０ｄ后，其抗剪强度逐渐趋于稳定；库水位稳定在５４０ｍ和６００ｍ水位时，岸坡整体处于稳定状态，随着干湿循环次数的增加，稳定性不断降低。循环次数达２５次时，岸坡位移出现突变，循环次数达３０次时，剪应变增量带在极强倾倒区已经完全贯通，初步判断极强倾倒区在干湿循环２５次～３０次间存在失稳破坏的可能。     

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.     

基于环剪试验的滑带土抗剪强度特性研究

以某水电站下游一大型滑坡千枚碎屑岩滑带土为研究对象,在室内模拟滑带土所受的天然状态条件,利用环剪仪研究了滑带土重塑样在不同法向应力与剪切速率下的抗剪强度特性。试验结果表明:滑带土的峰值强度和残余强度均随法向压力的增大而增大且有较强的线性关系,同时法向压力越大,试样达到残余强度所需要的剪切位移也会越小;剪切速率越大,滑带土的峰值强度也会越大,同时达到残余强度所需要的位移也会越大,但剪切速率大小对残余强度几乎没有影响,峰值强度参数与剪切速率之间可用对数关系拟合;剪切速率对滑带土的剪切面形态也有重要影响。     

剪切速率对沼泽草炭土抗剪强度的影响研究

剪切速率对岩土体力学特性有重要影响,为揭示剪切速率对沼泽草炭土抗剪强度的影响规律,进行原状沼泽草炭土的分解度试验、扫描电镜试验以及不同固结围压下 4 种 剪 切 速 率( 0. 006%·min－1、0. 008%·min－1、0. 010%·min－1和 0. 012%·min－1) 的固结排水三轴压缩试验。试验结果表明: 当固结应力较小时,轴向应变较小时( ＜4%) ,剪切速率对应力－应变关系曲线影响较小; 同一固结状态下,随着剪切速率的增加,相同轴向应变( ＞4%) 的主应力差逐渐增大; 轴向应变达到 15%时,0. 012%·min－1的主应力差比 0. 010%·min－1约大 25%,0. 010%·min－1的主应力差比0. 008%·min－1约大 20%; 剪切速率对草炭土三轴固结排水强度影响较大,剪切速率增加,内摩擦角增大,黏聚力变化不大,抗剪强度提高。研究成果为沼泽草炭土地区铁路与公路线路工程的路堤填筑施工提供试验参考。     

基于p-q角度的饱和重塑淤泥质土三轴试验过程中的能量变化规律研究

从p-q角度来看,土体的形变包含体应变和剪应变,其所对应的能量为体变能量和畸变能量。利用GDS动态三轴仪对饱和重塑淤泥质土进行了一系列固结排水三轴压缩试验。以试验结果为基础,对单位体积试样吸收的能量、体变能量和畸变能量进行计算,得出三者在剪切过程中的变化特征。研究结果表明:试样吸收的能量、畸变能量以及它们在某一应力状态下的能量增量恒为正;试样的体变能量及其增量受试样体积变化的影响;从能量角度解释了试样的"剪胀"现象;在剪切初始阶段,欠固结试样体变能量大于畸变能量,试样以体积压缩为主,超固结试样畸变能量基本大于体变能量,试样以剪切为主,正常固结试样的两种能量近似相等。