试验设计法在硬岩PFC~(3D)模型细观参数标定中的应用

利用试验设计法针对硬质岩体颗粒离散元数值研究中的细观参数标定问题进行了研究。首先利用Plackett-Burman试验设计分析了细观参数对宏观响应的敏感性,并建立了宏观力学指标和细观参数之间的线性关系,然后利用响应曲面法考查了显著影响参数之间的相互作用,得到了宏观响应与细观参数之间的非线性关系。最后将问题转化为非线性多目标数学规划问题利用MATLAB软件中FGOALATTAIN函数进行求解。通过和典型硬岩物理试验结果对比发现,利用试验设计法标定参数建立的颗粒离散元模型可以很好地反映单轴和低围压下岩石的破坏过程,但是由于采用了球形颗粒对于高围压下的拟合效果偏弱。利用PB设计、响应曲面法并结合数学规划建立的细观参数标定方法可以反映各细观参数对宏观力学响应的敏感性并给出明确的函数表达式,同时可以通过增加求解过程中的约束条件来体现更多的岩石力学特性。     

喷射混凝土性能影响因素的试验研究

基于正交试验方法,以粉煤灰、硅灰、微石灰石粉为矿物掺和料,同时以用水量、水灰比、砂率及减水剂掺量为因素,测试新拌混凝土的工作性及强度,并采用砂浆扭矩转速测试仪测试了水泥砂浆的流变特性。以新拌混凝土的坍落度、强度和砂浆的屈服应力为指标对混凝土的性能进行评价。结果表明,微石灰石粉对新拌混凝土的坍落度和砂浆屈服应力影响最大,随着微石灰石粉掺量的增大混凝土的坍落度迅速减小、砂浆屈服应力增大,但对混凝土的强度影响不大。微硅灰对混凝土及砂浆的影响同微石灰石粉基本相同。水灰比仍是影响喷射混凝土流变性及强度的主要因素,随着水灰比的增大,坍落度逐渐增大,混凝土抗压强度及砂浆屈服应力随之减小。     

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。     

岩石单轴压缩PFC2D模型细观参数标定研究

为了研究单轴压缩PFC^2D模型宏细观参数之间的关系及对其细观参数进行标定,以平直节理接触模型作为颗粒接触本构模型,对PFC^2D模型细观参数进行正交设计,以多因素方差分析、量纲分析研究宏细观参数之间的关系,在此基础上,提出了试错法标定细观参数的具体流程,将其用于灰岩单轴压缩PFC^2D模型细观参数的标定中,数值模拟所得宏观参数、应力-应变曲线和破坏特征与室内试验结果相近,验证了本文方法的可行性。分析结果显示,如果要建立双轴压缩PFC^2D模型,还需进一步标定细观参数tanφ_b和μ_b。研究成果可为岩石力学试验的颗粒流模拟提供一定参考。     

基于离散元的EMAS泡沫混凝土贯入力学性能研究

通过贯入力学试验研究特性材料拦阻系统（EMAS）泡沫混凝土在破碎碾压过程中的力学性能,并分析了冻融作用对其压溃强度及吸能效果的影响.在初步建立泡沫混凝土离散元模型的基础上,提出“虚拟试验法”,以获得泡沫混凝土离散元模型的最佳参数组合.通过模拟抗压强度试验证明了模型仿真精度可达97.7%.在此模型的基础上,研究了混凝土子颗粒及孔隙颗粒的半径和力学参数对材料贯入力学性能的影响.所提出的EMAS泡沫混凝土材料离散元模型可为EMAS拦阻过程仿真提供更为精确的研究方法 .     

接触摩擦对颗粒材料宏细观力学特征和能量演变规律的影响

颗粒材料的接触摩擦与颗粒表面的粗糙度和颗粒形状有密切的关系,颗粒表面的粗糙不平阻碍颗粒间的相对滑动,颗粒形状不规则阻碍颗粒间的滚动.采用考虑抗滚动效应的接触模型,进行不同滑动摩擦因数μs和滚动摩擦因数μr组合下的常规三轴试验的离散元数值模拟,研究不同滑动摩擦和滚动特性联合作用下颗粒材料的宏细观力学特性和能量演化规律.结...     

石灰石粉对混凝土性能的影响

通过用石灰石粉替代粉煤灰或矿渣粉进行试验,研究石灰石粉对混凝土强度和工作性能的影响。试验结果表明:在混凝土中掺入适量的石灰石粉,可提高混凝土的和易性,减小坍落度损失,但石灰石粉替代量超过总掺合料的50%以上,混凝土坍损变大,后期强度增进变小。     

路面沥青砂浆粘弹性能分析

采用离散单元法对沥青砂浆的粘弹性能进行分析,根据蠕变恢复试验拟合得到的Burgers模型参数,作为细观参数输入,建立沥青砂浆的离散元模型进行数值模拟分析,对沥青砂浆的动态粘弹性能进行分析,并与试验数据进行了比较,结果表明Burgers模型能很好的描述沥青砂浆的接触模型,离散单元法能很好的模拟沥青砂浆的动态粘弹性能。     

坍流时间法表征混凝土和易性的试验研究

基于混凝土和易性的常用测试方法,提出了坍流时间法以表征混凝土和易性,并对其进行试验研究,建立了数学模型。结果表明:采用坍流时间表征混凝土的和易性不仅量化表征显著,而且简易可行;坍落度和扩展度与坍流时间关系满足指数函数特征且呈负显著的相关关系;掺加聚羧酸减水剂后,混凝土流动性增大,坍流时间缩短而坍落度和扩展度增大,坍流时间在0～30 s时,坍落度和扩展度下降速率较快,30 s后,下降趋于平缓;以坍流时间对混凝土和易性进行分级,不掺加减水剂和减水剂掺量小于0.4%时,混凝土坍流时间介于10～80 s之间,属于塑性混凝土和流态混凝土;掺加减水剂掺量大于0.4%时,混凝土坍流时间小于10 s,属于大流态混凝土,坍流时间法对于评定混凝土和易性具有一定优越性。     

基于神经网络的离散元细观参数标定方法研究——以甘肃黑方台黄土滑坡为例

离散元细观力学参数与宏观力学参数之间存在着很高的非线性特征,目前人工试算的参数标定方法存在着很大的随机性和盲目性,标定过程效率低,标定结果可重复性差。因此为了找到一种新的准确、高效的参数标定方法,以黑方台2015～2017年发生的7起典型黄土滑坡为研究对象,采用离散元数值试验及神经网络等方法,首先根据前人力学试验及相关研究确定出6个本征参数的取值,利用室内休止角试验以及GEMM材料数据库,确定出剩余的6个待标定参数的取值范围;然后通过对剩余6个待标定参数的敏感性进行分析,确定出JKR模型能量密度的取值为100J/m~2,并设计出其中6起滑坡以剩余5个待标定参数为变量的系列数值模拟试验,得到各组参数及其对应的模拟形态(滑源区横向宽、滑源区纵向宽、滑坡的壁高、滑坡整体落差、滑距、堆积区横向宽);然后以此作为样本进行神经网络训练,确定出模拟形态与参数之间的映射关系;进而利用此映射关系反演标定出这6起滑坡的最优模拟参数,并以这6组最优模拟参数作为该地区黄土滑坡数值模拟参数的取值范围;最后通过对第7个滑坡的正演结果,验证了该参数取值范围的可靠性和准确性,避免相同地质条件下人工标定参数所带来的复杂性和随机性。     

沥青混凝土非均质性对其蠕变行为的影响

为研究非均质性对沥青混凝土蠕变行为的影响,对沥青混凝土单轴蠕变试验进行了三维离散元模拟.生成了包含粗集料、沥青砂浆及空隙在内的沥青混凝土三维离散元数字试件,对数字试件微观组成材料之间的接触赋予了相应的微观接触模型,并通过室内试验对此模型进行了验证.在此基础上,假定粗集料刚度和沥青砂浆微观黏弹性参数服从Weibull分布,研究了粗集料和沥青砂浆的非均质性对沥青混凝土蠕变行为的影响.结果表明:随着粗集料和沥青砂浆均质度的增大,沥青混凝土的蠕变应变呈减小趋势,且随粗集料均质度增大而减小的幅度较沥青砂浆显著;粗集料刚度分布均匀时沥青混凝土的蠕变应变比粗集料均质度较低(均质度m=1.0)时减小49%.在沥青混凝土材料的选择中应更为重视粗集料的均质性.     

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。     

水泥净浆和砂浆流动度与混凝土流变性能相关性试验

通过净浆、砂浆与混凝土流动性的相关性试验,确认了砂浆坍落扩展度与混凝土坍落扩展度具有很好的相关性。与采用净浆法检测粉煤灰相比,可靠性更高,与混凝土试验相比,砂浆坍落扩展度试验更省时、省力,能有效检测和评价粉煤灰对混凝土的流动性影响。     

基于三维柔性薄膜边界的土石混合体大型三轴试验颗粒离散元模拟

为了有效模拟土石混合体室内大型三轴试验侧向柔性乳胶膜的力学行为,提出了一种可行的三轴试验侧向柔性薄膜边界的三维离散元模拟方法,即三维组合墙法。结合已开发的不规则块石及土石混合体三维离散元建模方法,建立了可考虑柔性薄膜边界的土石混合体大型三轴试样三维离散元模型。引入平行黏结模型以更好地模拟胶结土石混合体中颗粒间的胶结作用,通过开展大型三轴数值试验逐一全面地标定了无胶结土石混合体和胶结土石混合体数值模型的细观力学参数。分析了无胶结土石混合体和胶结土石混合体数值试样的变形破坏过程及特征,并与室内试验结果进行了对比。结果表明:所提出的三维柔性薄膜边界建模方法原理简单,参数较少,易于实现,且能节省计算资源;基于三维柔性薄膜边界的土石混合体大型三轴试验颗粒离散元模拟能较好地再现土石混合体的应力–应变特征、无胶结土石混合体的鼓肚变形破坏特征、胶结土石混合体变形局部化的过程及其剪切带的细观结构特征。     

离散元法模拟砂浆流变性研究

运用PFC3D软件建立了砂浆离散模型,通过控制变量法分析了模型接触参数对砂浆宏观流变参数(剪切屈服值)的影响,建立了两者之间的定量关系,同时对新拌砂浆进行了流动度试验,通过分析试验与数值模拟结果,验证了离散模型及模型接触参数与剪切屈服值定量关系的正确性。     

土石混合体宏细观力学特性和变形破坏机制的三维离散元精细模拟

为了更加精细的模拟土石混合体宏细观力学特性和变形破坏机制,针对已有三轴试验侧向柔性薄膜边界模拟方法进行改进,提出三维组合墙法实现了柔性薄膜边界的三维离散元模拟。结合已开发的不规则块石和土石混合体三维离散元建模方法建立土石混合体大型三轴数值试样,开展数值试验标定土石混合体数值模型的细观力学参数并与室内试验结果进行了对比验证。深入分析不同含石量下土石混合体的宏细观力学特性和变形破坏机制。结果表明:三维组合墙法原理简单、参数较少、易于实现且应用效果较好;大型三轴试验数值模拟能够较好地再现土石混合体宏观的应力–应变特征、强度特性和破坏模式;随含石量增加,土石混合体的骨架结构效应越来越显著;剪切带内土颗粒旋转量较大而块石颗粒旋转量较小,表明剪切面绕过了较大的块石颗粒。     

考虑粒间法向接触力作用的粗粒土颗粒破碎试验研究

利用岩石双轴流变试验机,采用砂岩、石灰岩和板岩3种材料模拟粗粒土进行了球-球法向接触的颗粒破碎力学试验,对粗粒土颗粒破碎的过程、破碎形态、弹性核和力-位移曲线进行了研究,分析了不同粗粒土材料和颗粒尺寸对法向接触力学特性及颗粒破碎规律的影响。通过试验研究,发现粗粒土颗粒在法向接触力作用下,先在颗粒接触点处开始产生局部破碎,形成弹性核,继而产生贯通裂缝,最后颗粒发生整体破碎。通过拟合,分别建立了球形颗粒破碎准则和弹性核尺寸的经验公式。本文从粗粒土颗粒接触角度研究颗粒破碎的力学机理,开辟了研究粗粒土颗粒破碎的新途径,也可为离散元数值模拟直接提供接触力学参数。     

机制砂自密实混凝土试验与研究

采用正交试验的方法研究了砂率、减水剂掺量及水泥用量对自密实混凝土的坍落度、坍落扩展度、流动时间、28 d抗压强度的影响.试验配制出了坍落度在250～270 cm之间、坍落扩展度在550～750 cm之间、倒坍落度筒流动时间在5～15 s之间、强度达到C50以上的自密实混凝土.     

改进式坍落度筒法测定新拌混凝土流变性能

流动性又是表征新拌混凝土工作性能的一个重要指标，本文将常规流动性测试方法与流变测试新技术相结合，研究新拌混凝土的流变性能，提出一种简便和精确测定新拌混凝土流变特性的方法，用坍落度筒中拌合物的上表面坍落某定高度时的经历时间来反映新拌混凝土的塑性粘度，设计了试验装置和试验步骤，建立了用坍落度和坍落50mm、100mm的时间来表征屈服应力和塑性粘度的半经验式数学模型，可以简便测试出新拌混凝土的流变学参数。改进式坍落度筒的测试范围为坍落度为50mm-300mm。经验证，改进式坍落度筒测试结果与粘度计测试结果吻合较好，验证了上述模型的正确性，利用上述模型。     

颗粒流PFC~(3D)数值模拟中标定细观参数的方法——拟合直剪试验法

建立在传统的连续介质力学基础上的有限元法等数值计算方法在关于研究非连续介质的问题上难以直接用于计算和模拟材料具体的破坏形式和破坏的整个过程,而离散元法在这一方面显示出巨大的优势。但是,对于颗粒模型的细观参数——法向刚度与切向刚度等参数的取值问题成为创建精确的颗粒模型的一道障碍。文章利用颗粒流离散元软件PFC~(3D)模拟试验室直剪试验,通过不断调整法向刚度与切向刚度的比值,即刚度比,拟合直剪试验的结果,最终达到标定颗粒流模型细观参数的目的。