基于3维离散元颗粒流的土石混合体大型直剪试验模拟分析

为能更好的揭示土石混合体的剪切特性与力学行为,以新疆博乐地区某土石坝心墙料为研究对象,选取了3种不同含石量的室内混合料试样,通过导入随机多面体模板建立真实块体颗粒模型,并进行了不同含石量在不同围压下的的三维颗粒流土石混合体室内大型直剪试验模拟,研究了含石量对试样抗剪强度的影响,分析了土石混合体在剪切过程中的体积变化以及不同含石量下土石混合体的力链网络分布。结果表明：模拟结果与室内试验的拟合度较好,二者具有良好的一致性;含石量对土石混合体的剪切特性有显著影响,含石量越高,土石混合体的抗剪强度越大;在相同法向应力下,试样的剪胀量随着含石量的增加而增大,低含石量试样表现出一定的“软化特性”,高含石量试样表现出“硬化特性”;不同含石量的土石混合体力链网络分布表现为各向异性,随着含石量的增加,强力链数目增多,分布更加集中,试样整体较为稳定,土石混合体在宏观上表现出更高的剪切强度。该研究可以更好的理解土石混合体的细观力学机理,可为相关岩土力学模拟提供参考依据。     

土石混合体边坡稳定性的三维颗粒离散元分析

为探究土石混合体边坡的稳定性和破坏机理,基于土工离心模型试验基本原理,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边坡细观结构的三维离散元模型.引入颗粒流强度折减法并提出基于能量演化的方法来判别边坡失稳破坏.利用提出的土石混合体边坡三维离散元建模方法和稳定性分析方法,分析不同块石含量、块石形状、空间结构、空间形态等因素对土石混合体边坡稳定性和破坏模式的影响,并揭示这些因素影响的细观机理.结果表明:随含石量增加,土石混合体边坡的安全系数逐渐增大;土石混合体边坡中呈现出多滑动面现象,且滑面较为曲折,具有明显的绕石特征,坡脚部位的部分大块石使得剪出口的位置发生明显的改变;随块石形状由球体、卵石到碎石,土石混合体边坡的安全系数逐渐增大;上覆堆积体相对较厚且坡度不是很大的二元结构边坡或一元结构边坡的破坏模式主要是堆积体内部发生的弧形滑动破坏,上覆堆积体厚度不大且基岩面相对平整的二元结构边坡的破坏模式主要是沿基-覆界面的整体平移滑动破坏;随土石混合体边坡空间形态由条带型、敞口型到锁口型,其安全系数逐渐提高,其中锁口型边坡具有显著的支撑拱效应,且含石量越大这种效应越明显.     

软岩土石混合体的击实特性与细观机理研究

以富宁换流站地基工程为背景,采用室内大型击实试验与数值模拟相结合的方法,探讨不同块石质量分数及不同块石形状的软岩土石混合体的击实特性及其细观机理.结果表明,软岩土石混合体的击实过程可以分为初始压密阶段、快速压密阶段和稳定阶段,且块石的破碎主要发生在初始压密阶段;随着块石质量分数的增加,软岩土石混合体的最大干密度先增大后减小,当块石质量分数为60%时达到最大值;击实后软岩土石混合体内部接触力分布服从接触力分布概率密度函数,且随着块石质量分数的增加,高于平均值的接触力的概率密度增大.块石的形状因子越大,块石的破碎率越高,击实后软岩土石混合体的最大干密度随块石的形状因子的增大先增大后减小.     

胶凝砂砾石材料宏细观参数及破坏模式研究

采用颗粒离散元方法对胶凝砂砾石材料开展了大量压缩试验,探讨了胶凝砂砾石材料的细观参数和宏观力学参数间的相关性。研究结果表明:材料的弹性模量E与平行黏结法向刚度■和切向刚度■、接触黏结法向刚度k_n、平行黏结黏聚力■呈线性相关,与摩擦系数f呈非线性相关;应力峰值σ_d与接触黏结切向刚度k_s呈线性关系,应力峰值σ_d与平行黏结抗拉强度■、■、f呈非线性关系;结合室内试验,得出了适合胶凝砂砾石材料的细观参数。在此基础上,进一步从细观角度揭示了材料的破坏演化过程。从细观试验来看,试件内部每一次裂纹的产生均伴随着应力降,试件的破坏是一个由内向外发展的过程;第一条主裂缝的贯通出现在峰值应力后,伴随着应力降,裂缝宽度逐渐增大,由于试件受力部位的转移导致第二条主裂缝的贯通,试件最终呈共轭型破坏。     

利用迭代思想标定砂土三轴试验宏-细观参数

为提高离散元中三轴试验宏-细观参数标定工作效率,提出一种新的方法——迭代标定法.利用fish语言编写程序在PFC~(3D)中实现了三轴试验的数值模拟.基于接触黏结模型对砂土三轴试验进行模拟,验证了迭代标定法的有效性.结果表明:颗粒刚度大小和颗粒刚度比都会影响偏应力的大小;颗粒法向刚度会影响初始杨氏模量;细观摩擦系数对偏应力的影响程度取决于模型围压的大小;黏结强度对接触黏结模型的应力应变曲线形态影响较小,但对平行黏结模型的应力应变曲线形态有较大影响.迭代标定法可以有效标定宏-细观参数,减少"试参数"过程.     

粗粒土三轴试验的细观模拟

对排土场粗粒土进行室内三轴固结排水试验,以此试验结果为基础,基于三维离散元颗粒流理论,从细观角度出发,以PFC3D为工具,通过自编程序并引入接触黏结模型,得到按级配生成的粗粒土三轴试验三维颗粒流模型.对比了不同围压下颗粒流模型与三轴试验的应力应变关系.分析了颗粒细观参数对粗粒土强度的影响.结果表明:按级配曲线得到的PFC数值模型的应力应变曲线的变化趋势与试验值一致,但强度值略低于试验值.粗粒土强度随颗粒间摩擦系数、接触处黏结强度的增大而提高;颗粒形状对材料的抗剪强度影响显著.研究意义在于从细观角度揭示影响粗粒土强度的因素,突破了常规三轴试验的局限性.     

不同含石量下土石混合体重型击实试验研究

为研究含石量对于土石混合体击实效果的影响,对不同含石量的土石混合体进行室内重型击实试验.首先根据客运铁路路基碎石土级配,配置35%、45%、55%、65%含石量的土石混合体试样,进行室内击实试验,得出土石混合体含石量与最优含水量或最大干密度的关系曲线.结果表明:不同含石量的土石混合体最优含水量在(5.5±1.0)%之间,最大干密度在(2.40±0.05) g/cm~3范围内,含石量对土石混合体最大干密度影响较小.最大干密度相似的两组土石混合体,其颗粒级配、含石量会相差很大,因此对于土石混合体这类级配多变的岩土复合材料不能单独根据干密度来判断其工程压实效果.研究结果可为土石混合体材料的工程应用提供借鉴和依据.     

细观参数对类砂岩材料宏观参数影响规律的颗粒流分析

为快速、准确地确定颗粒流模型中的细观参数,采用单因素分析法,用平行黏结模型对类砂岩材料各宏观力学参数的影响规律进行模拟分析。结果表明,峰值强度同摩擦系数之间符合幂函数增长关系,而同平行黏结半径乘子之间符合线性增长函数关系,与平行黏结刚度比之间未有明显的函数关系;弹性模量同摩擦系数之间符合幂函数增长关系,与平行黏结半径乘子之间符合线性增长函数关系,与平行黏结刚度比之间符合指数函数衰减关系;泊松比同平行黏结刚度比之间符合幂函数增长关系,泊松比与摩擦系数、平行黏结半径乘子之间均符合指数函数衰减关系;峰值应变同平行黏结刚度比、平行黏结半径乘子之间均符合幂函数增长关系,峰值应变与摩擦系数之间未有明显的函数关系。     

基于直剪试验的堆积碎石类材料细观参数标定方法及模拟验证

颗粒材料三维离散元数值模拟的可靠性取决于细观参数的合理标定,目前对细观模拟参数的标定方法还缺少系统性的研究。本文通过室内直剪试验和数模试验对比分析,揭示碎石颗粒材料宏观力学参数与颗粒间细观参数的相关性,提出碎石颗粒材料数值模拟细观参数的标定方法,并验证标定方法的合理性。研究结果表明：在线性模型中,碎石颗粒试样的宏观弹性常数与碎石的粒间法向接触刚度呈正相关,而对粒间切向接触刚度的变化不敏感,基于此提出的粒间接触刚度（法向、切向）标定方法;直剪数值试验的剪应力-剪位移曲线计算结果与室内试验值吻合度较高,结果验证了标定方法的可靠性及合理性;在直接剪切过程中,碎石颗粒内部力链网络随着剪位移的增加逐渐由垂直方向向剪切盒对角线方向偏转,随着颗粒的整体速度场变化而出现剪缩和剪胀现象;采用本文提出的细观参数标定方法对室内滑坡运动试验开展数值模拟,数值模拟滑坡碎石堆积形态与室内试验基本一致,验证了该方法在堆积碎石滑坡模拟分析中的适用性。     

砂土介质中土压力盒的力学响应特性

砂土介质是典型的颗粒物质,介质的有效应力和变形都与骨架上的颗粒特性直接相关,而颗粒性状的改变进而影响着测试过程中土压力盒的力学响应。但宏观力学理论和连续介质方法无法准确解释介质颗粒间的力学行为,为了对实际工程进行更准确的测试,基于细观分析方法研究了荷载作用下的砂土颗粒接触形成的力链网络,模拟了力传递过程,并分析了加卸载时的力-应变曲线和土压力盒力学响应与理想曲线的关系,验证了文章提出的砂土介质土压力盒力学响应数值模型。同时,基于建立的颗粒流数值模型研究加载模式、颗粒排列、颗粒间摩擦系数以及压力盒刚度等对压力盒测试的影响,其结果显示压力盒力学响应曲线具有明显的迟滞性和应变不可逆性,其监测值对上述因素很敏感。因此,研究力链结构及其演变规律为认识砂土介质的细观结构提供了科学的理论依据和新的研究手段,各因素对压力盒力学特性的影响研究对压力盒标定和获得更准确的土压力值具有重要的实践价值。     

石灰岩粗颗粒湿化接触力学特性

为探究岩土粗颗粒湿化后的粒间接触力学特性,将粗颗粒间接触形式简化为点-面接触,利用改造后的岩石双轴流变仪开展不同湿化程度下的粗颗粒法向和切向接触试验,分析粗颗粒湿化接触力学性质,归纳出粗颗粒湿化接触经验模型．针对不同湿化程度的粗颗粒土体进行大型直剪试验,利用湿化接触模型对直剪试验进行离散元数值模拟,通过数据对比验证湿化接触模型的可靠性．研究结果表明,湿化水平影响粗颗粒点-面接触的破坏形态;表面湿润状态的粗颗粒法向和切向接触刚度略有减小,而浸泡状态的接触刚度减小明显;湿化后的颗粒接触刚度曲线可以利用幂函数拟合为经验模型,利用该模型对大型直剪试验进行数值模拟,计算误差不超过5%．研究结果可为粗粒土工程离散元数值计算提供依据．     

椭球颗粒体系宏细观特性的三维离散元分析

颗粒材料由大量不同形状的离散颗粒组成,其力学特性与构成颗粒体系的颗粒形状密切相关,目前关于颗粒形状对颗粒材料剪切强度的影响已有大量的物理试验或数值模拟试验研究,而非球形颗粒材料在复杂应力路径下的宏、细观力学特性认识还不够充分。本文采用离散单元法(DEM)对按一定级配生成的不同伸长率的椭球颗粒体系进行等σ₃(第三主应力)等b(中主应力比)的真三轴加载数值模拟试验,研究了椭球颗粒体系的三维宏、细观力学特性,并验证了常用三维强度准则对椭球颗粒体系的适用性。研究结果表明在三维加载路径下,不同于圆球颗粒体系宏、细观演化规律的一致性,椭球颗粒体系的宏观应力面与细观组构面演化规律不一致,宏观应力比与强接触网络组构偏值/均值比线性不为1,归因于椭球颗粒体系弱接触网络对宏观应力的贡献;椭球颗粒体系宏观体应变、细观法向接触力分布、接触数目及配位数分布等宏、细观指标与加载路径无关;随着椭球伸长率η增大,Mohr-Coulomb、Lade-Duncan、Mastsuoka-Nakai及施维成三维强度准则对φmax(峰值内摩擦角)~b关系预测准确度逐渐增大,其中Lade-Duncan准则能更好地拟合不同加载路径下椭球颗粒体系的数据点。本文的研究为提高人们对真实应力状态下椭球颗粒材料的宏、细观特性提供了一定的理论基础。     

基于傅里叶近似法的S-RM细观损伤过程研究

为了明确土石混合体（S-RM）的细观损伤演化过程,基于现场水平推剪试验,采用离散元数值模拟方法,开展S-RM水平推剪数值实验研究,分析S-RM的力学特性和细观损伤演化特征. 基于傅里叶近似法,提出微裂纹各向异性定量评价方法. 根据S-RM变形破坏过程中微裂纹各向异性演化特征,划分了S-RM水平推剪细观损伤阶段,通过分析各细观损伤阶段的裂纹扩展特征及发展规律,揭示了S-RM剪切滑动面形成机理. 试验结果表明,微裂纹各向异性程度随着剪切位移的增加而增强,当主裂纹形成后不再有明显变化,微裂纹主要分布在0°~45°与135°~180°;微裂纹的产生主要由于颗粒间的拉应力导致,拉裂纹的各向异性程度明显大于剪切裂纹;土体中微裂纹的贯通导致多条宏观裂纹的形成,由于块石的翻转宏观裂纹逐渐扩展形成一条绕石宏观主裂纹,S-RM沿着主裂纹滑移形成绕石剪切滑动面;滑动面的倾角为34°,与主裂纹倾角和微裂纹在0°~90°的平均角度一致.     

土石分形检测中的数字图像处理方法研究

土木工程人员经常用粗料颗粒分布分维、粗料轮廓分维这些结构指标作为土石混合体定量化研究的依据,用以解释土石混合体的力学特性,并以这些参数作为土石混合体工程分类的依据。目前技术人员以手工筛分实验来计算粒度分维数。展开对土石混合体微结构研究,劳动强度大,操作不便,极大地制约了对土石混合体微结构的研究。提出了利用数字图像处理技术来测量土石混合体分形维数的方法。实验验证结果表明,该方法减轻了工程技术人员手工检测的劳动强度,实用有效。     

不同含石量下泥岩土石混合体剪切特性及细观破坏机制

为探究含石量对泥岩土石混合体剪切特性及细观破坏机制的影响,设计了含石量20%~80%共4组试样,分别在0.2、0.4、0.6、0.8 MPa这4种不同围压下进行室内大型三轴剪切试验,研究不同含石量试样的偏应力、体积应变及抗剪强度参数的变化规律;基于数字图像处理技术生成PFC^2D颗粒流数值模型进行一系列数值分析。结果表明：试样抗剪强度随含石量增大而不断增大。与其他类型的土石混合体不同的是,泥岩土石混合体在低围压下呈先剪缩后剪胀的变化规律,且含石量越高,最终剪胀效果越明显;在高围压下始终表现为剪缩,且含石量越低,剪缩效果越强。内摩擦角随含石量增大呈慢快慢的“S”型增长趋势,且在20%~80%含石量内增长较快;黏聚力随含石量增大不断降低,但下降速率逐渐减小。数值试验表明：土石混合体在剪切过程中存在拉剪混合破坏;随含石量增加,土石混合体骨架结构效应越来越显著,剪切带绕过块石,形成多个形状不规则的小剪切带。     

不同含石率及基覆岩层倾角下土石混合体边坡稳定性分析

为准确地分析土石混合体边坡的稳定性，提出了一种可考虑不同块石含量、块石随机分布及基覆岩层倾角的边坡稳定性分析方法。该方法根据土石混合体边坡中的块石含量、级配以及基覆岩层倾角，随机生成了含石率从10%～60%、基覆岩层倾角从0°～20°的边坡模型，每种含石率及基覆岩层倾角均考虑8个不同的块石分布位置，最后将生成的模型导入到Optum G2中建立土石混合体边坡模型，采用有限元极限分析法对该类型边坡的稳定性进行了分析，并将计算结果与采用Kalender等效强度参数模型所得的结果进行了对比验证。研究结果表明，由于块石空间分布位置的不同，相同含石率及基覆岩层倾角下土石混合体边坡的最大、最小下、上限安全系数变化较大；相同含石率下，随着基覆岩层倾角的增加，边坡的下、上限安全系数的平均值变化相对较小；土石混合体边坡坡体中的剪切带呈现出“绕石”、“分流”以及“包含”这3种典型的扩展模式；通过将本文方法与Kalender等效强度参数模型所得的安全系数进行的对比分析，验证了作者所提方法的可行性。研究结果可为土石混合体边坡的设计及施工提供参考依据。     

基于离散元理论的土石混合料剪切特性研究

为研究土石混合料的剪切特征,采用离散元理论建立土石混合料的双轴模型,对土石混合料在不同含石率、不同荷载条件下的剪切特性进行研究,引入傅里叶级数近似法,探讨混合料内部强力链和弱力链的细观组成的分布规律。结果表明:随着含石量增加,土石混合料的抗剪强度增大,剪胀性增强;混合料内部起主要承载作用的是强力链;同时,确定不同含石量下土石混合料的内摩擦角的宏观对应曲线。     

考虑块石长轴倾角和土石接触面的土石混合体边坡稳定性研究

为准确分析土石混合体边坡稳定性,提出了一种基于原始块石形状库的随机土石混合体边坡模型构建方法,该方法可以很好的考虑块石形状和分布特征。采用该方法和有限元极限分析软件Optum G2,结合土石混合体边坡物理模型试验,研究了块石掺量(0%~50%)、长轴倾角(0°~180°)和土石接触面强度(1.4~0.01)对土石混合体边坡稳定性的影响。结果表明,块石在边坡剪切带存在“绕行”、“分流”、“包含”三种塑性扩展模式,并通过改变边坡剪切带的曲折点、长度和发展方向影响边坡稳定;通过对不同块石掺量下边坡稳定性研究,发现当块石掺量大于20%时,块石分布对边坡稳定性的影响较大;在高块石掺量下,边坡容易出现“局部”或“崩解式”破坏;在相同块石掺量下,块石长轴倾角平行或垂直于边坡剪切带时,边坡分别获得最小或最大安全系数;当块石长轴垂直于边坡剪切带时,边坡容易出现“崩解式”破坏,这主要与块石长轴对于边坡剪切带发展的“诱导”效应有关;在相同块石分布模型下,边坡安全系数随土石接触面系数的减小而降低,甚至会低于均质土边坡;当土石接触面强度低于土体强度时,块石对边坡剪切带存在 “吸引”效应。研究结果可为土石混合体边坡稳定性的评估和治理提供参考。     

基于线性接触模型的小麦三轴试验细观模拟

利用PFC3D离散元技术,采用线性接触模型,建立小麦三轴试验细观模型,模拟了小麦三轴试验.通过对比三轴室内试验获得的应力-应变曲线,对小麦的细观参数进行标定,并反算宏观参数.结果表明,PFC3D数值方法可很好地模拟小麦的三轴试验.小麦的宏观参数弹性模量、泊松比、内摩擦角、剪胀角与细观参数颗粒刚度、颗粒间摩擦系数等具有良好的相关性.     

考虑含石量和降雨入渗角度的碳质泥岩土石混合体渗流特性（英文）

为研究碳质泥岩土石混合体在降雨入渗作用下的渗流特性,通过自制试验装置开展了考虑不同含石量和入渗角度的降雨入渗模型试验,获取不同标高处试样体积含水率与基质吸力的变化规律。采用VAN-GENUCHTEN模型对试验结果进行拟合,得到碳质泥岩土石混合体的土水特性曲线。研究表明,降雨入渗时碳质泥岩土岩石混合物的体积含水率呈梯度变化趋势,土体由底层向上层逐渐达到饱和,含水率自上而下递增并达到稳定水平;碳质泥岩土石混合物的渗透系数随着岩石含量的增加而呈现出先降后升的趋势;降雨入渗角的增大可有效抑制降雨过程中样品内部基质吸力的降低;在排水过程中,土壤内部各标高的含水率随排水时间的变化呈现出指数函数关系,且含石量和降雨入渗角度都会对试样内部的颗粒流失产生影响。