粗粒料颗粒随机分布的数值模拟

 数值模拟试验不受时间、场地及试件尺寸等限制,是粗粒料室内力学试验和现场力学试验的有效补充。为了建立粗粒料数值模拟试验模型,研究了二维粗粒料颗粒的随机生成方法。首先按照粗粒料级配曲线随机生成松散分布的颗粒,然后应用DDA(discontinuous deformation analysis)模拟重力作用下颗粒在承模筒内的堆积分布,形成相互接触、结构稳定的颗粒聚合体,为粗粒料力学特性的数值模拟试验奠定基础     

考虑颗粒破碎的粗粒料力学特性研究综述

粗粒料在荷载及自身重力作用下易发生颗粒破碎,且颗粒破碎具有随机性和不确定性,严重影响了粗粒料的力学特性。基于此,从考虑颗粒破碎的物理试验出发,介绍了粗粒料的本构模型、影响颗粒破碎的因素、颗粒破碎对粗粒料力学特性的影响,以及颗粒破碎物理模型研究的局限性;系统总结了考虑颗粒破碎的粗粒料力学特性的数值模拟研究方法(如DEM,PFC,DDA等)及其存在的缺陷,并为突破数值模拟方法不能考虑颗粒破碎的限制提出了2种解决方法。最后,对今后的研究方向提出了展望——需从细观机理方面建立粗粒料各组构要素的关系。     

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。     

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。     

不同试验方法对混凝土面板堆石坝筑坝粗粒料力学特性的影响分析

结合某混凝土面板堆石坝工程,对筑坝材料各区进行现场大型压缩试验,通过反演计算得到堆石料的邓肯-张E-B模型参数,同时还进行室内三轴压缩试验得到堆石料力学参数。基于上述两种试验方法得到的粗粒料力学参数,采用三维非线性有限元法分别对大坝进行数值模拟计算,结果可知,现场大型压缩试验的试样料颗粒组成与分形特性更接近筑坝粗粒料原级配及分形特性,其加载应力路径也更接近大坝实际填筑及蓄水过程中的应力路径情况。     

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。     

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。     

粗粒土二维模型试验研究

 粗粒土是土石坝的主要填坝材料,其力学特性研究是土力学热点之一,一般采用三轴试验来研究粗粒土的力学性质,由于试验方法的限制,很难观察到三轴试验过程中颗粒的运动。为了获得试验过程中颗粒的运动规律,研究粗粒土的细观变形机理,设计并开展了粗粒土二维模型试验。二维模型试验过程中可以清楚地观察到颗粒的运动,能定性地分析试样的受力变形特征。试验结果表明：①峰值偏应力随侧压力的增大而增大,峰后略有软化现象,体变随应变的发展先剪缩后剪胀,侧压力越小剪胀性越明显;②抗剪强度包线呈很好的线性关系;③颗粒破碎率随侧压力的增大而增大,在很小的侧压力下,就有颗粒破碎发生;④试样破坏时有较明显的剪切带。模型试验的上述规律和三轴试验成果具有很好的一致性,说明二维模型试验能够反映三轴试验过程。     

不同粒径对粗粒土力学参数影响的研究

粗颗粒土作为良好的填筑材料广泛应用于高填方工程。然而,由于粗颗粒土粒径范围较广,其力学性质的影响因素复杂,不同的研究人员因为研究对象的特殊性可能得出不同的结论。针对4组不同粒径和尺寸,但每一组均由相同粒径的颗粒生成的试样,用离散元软件开展了三轴试验模拟。模拟结果验证了一般性的室内三轴试验结果,并且从细观上解释了剪胀与剪缩试验现象,讨论了不同粒径对粗粒土宏观力学参数的影响。指出离散元模拟时细观参数取值与颗粒粒径呈正比例相关,并通过室内三轴压缩实验验证了该结论。     

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。     

结构性黄土压缩特性的微观非连续变形分析

黄土的结构性与其形成过程密切相关,并对其物理力学性质产生重要影响。针对结构性黄土的大孔隙和胶结特性,对DDA算法进行了扩展,将结构性黄土中起主要胶结作用的黏粒胶结嵌入已有的DDA算法中;使用Monte Carlo法和DDA模拟黄土的沉积过程,该方法能够模拟颗粒下落过程中的相互碰撞及摩擦,分析结构性黄土在压缩过程中颗粒的平动和转动规律,由此构建与原状黄土孔隙比接近的微观结构模型;进一步使用扩展DDA对所生成的黄土结构模型进行不同压力下的一维压缩试验模拟,并与室内压缩试验进行对比。发现胶结试样颗粒位移比不含胶结试样颗粒位移小,但整体规律相似;每个颗粒位移的大小和方向不尽相同,但主要以竖向位移为主;在压缩过程中,不同区域的颗粒位移存在较大差异,上部颗粒位移大,越往下部颗粒的位移越小。该研究成果可为从微观认识黄土力学行为提供一条途径。     

散粒料水下抛填堰体密度的离心模型试验研究

水利大坝施工围堰建设中,常采用水下抛填。砂、砂砾石及石碴等散粒料常被用作抛填材料,其水下抛填密度是围堰设计中的关键指标。由于散粒料水下抛填后很难直接取样测定其密度,目前也没有成熟的理论计算方法,抛填后堰体密度的确定成为困扰围堰设计和施工的难题。在分析抛填堰体密度影响因素的基础上,针对工程中应用的砂、砂砾石及石碴3种典型散粒料,设计进行了多组离心模型试验,测得了散粒料水下抛填密度,研究了颗粒形状、大小和级配等因素对水下抛填密度的影响。基于离心模型试验成果,提出了散粒体水下抛填堰体密度的估算公式,可供水下抛填围堰设计和施工参考。     

强震区堆石坝应力变形的DDA法分析

基于非连续变形分析方法(DDA),针对堆石坝中堆积颗粒的应变特性,对各部分程序建立或改进了接口,实现了堆石料的随机分布,并且能够满足级配要求;同时也实现了堆积颗粒在筑坝中逐层堆积、逐层加载的过程。探索了DDA中弹簧刚度和步位移比的最佳取值范围。在此基础上,分析了堆石坝施工、蓄水及地震作用下的应力变形特征。结果表明:施工过程中坝体的沉降量最大;蓄水后,坝体两侧水平位移变化明显,出现向下游偏移的趋势;在地震波作用下,坝体水平向和竖向加速度峰值随高程增加而增大,符合一般堆石坝规律,表明改进后的DDA程序具有较好适用性。     

初始组构影响砂土液化势的细观数值模拟

基于PFC2D椭圆颗粒单元的二次开发,通过制备3种不同初始颗粒定向的数值试样,分别为随机定向（R试样）、水平定向（H试样）和竖直定向（V试样）,研究了初始组构对砂土液化势的影响。数值试验采用常体积（面积）循环等应变幅加荷条件,试验过程在对比分析3种不同颗粒定向试样液化宏观力学响应的同时,从颗粒尺度层面探讨了不同颗粒定向试样的初始组构特征,揭示了初始组构影响砂土液化势的细观力学机理。结果表明,颗粒规则定向的试样其抗液化强度要高于随机定向试样,在细观机理上与不同颗粒定向试样的初始平均接触数有关,砂土的液化过程是一个组构各向异性的演化过程。     

重力条件下散体颗粒堆积特性研究

为分析散体颗粒堆积过程中颗粒形态、摩擦作用对其堆积特性的定量影响,利用PFC3D离散元软件,对重力作用下散体颗粒体系的变动过程进行三维模拟,研究颗粒细观特征对散体颗粒堆积特性的控制作用,分析颗粒接触度均值距离对相关数据的揭示意义。结果表明:摩擦系数、几何形态对颗粒重力堆积体系的孔隙比、配位数等关键特性影响显著;散粒体骨架颗粒形态对颗粒堆积特性的控制作用更强;颗粒接触度均值距离能够削弱算法误差影响,可有效揭示摩擦系数、颗粒形态对散粒体堆积特性的控制作用。经研究可知,颗粒接触度均值距离对颗粒堆积特性的刻画,比孔隙比更为合理、适当。     

用非连续变形法分析岩锚吊车梁稳定性

岩锚吊车梁是水电站地下厂房重要建筑物之一,其稳定分析方法一直是一个值得探讨的问题。文章用DDA对某水电站地下厂房的岩锚吊车梁稳定性进行分析,把所分析的结果与常规的刚体极限平衡法的计算结果进行了对比,两者结果是一致的,由此说明DDA所分析的成果是可靠的,DDA程序可以用来分析岩锚吊车梁稳定性。     

土石料的流变模型及其应用

文中提出的三参数流变模型，与笔者原先提出的双屈服面弹塑性模型相配合，可用于土石坝的变形分析。通过反馈分析求得流变参数。还利用湖南省株树桥面板堆石坝的原型观测资料进行了计算。     

DDA模拟岩体张拉破坏的精确性研究

准确分析岩体结构面张拉破坏状态,对于正确处理岩质工程问题极为重要。DDA已经广泛应用于岩土工程领域,然而针对准确分析岩体结构面张拉破坏状态研究较少,为此开展DDA分析张拉破坏状态准确性研究。以经典倾斜台上块体张拉破坏以及倾倒破坏离心机物理模型试验为模拟对象,对原DDA(O-DDA)以及引入二相接触本构关系的DDA(T-DDA)分析张拉破坏状态准确性比对校核。结果表明:DDA计算张力时会出现震荡现象,即初始会出现偏离理论值的峰值计算张力,随后慢慢收敛至理论值,这一现象主要受DDA控制参数中罚弹簧和时间步长影响。为降低计算张力震荡程度,提出了两种参数的优化选择方案。然而,即便在合理选择两种参数情况下,O-DDA分析结构面张拉破坏状态准确性严重依赖于峰值计算张力,误差较大;相比之下,T-DDA克服了依赖峰值张力判断张拉破坏缺陷,在一定程度上降低震荡现象导致的误差,并且软化系数的合理选择也有助于改进DDA模拟张拉破坏的精度。研究成果对改进DDA分析岩土工程中倾倒破坏类问题具有重要意义。     

不同颗粒级配柱体堆积范围研究

碎屑流具有冲程远、危害范围大等特性,难以进行有效预测防范。颗粒级配被认为是影响碎屑流运动距离的重要因素之一。开展了一系列基于单面临空不同颗粒级配颗粒柱体崩塌运动的物理模型试验研究。结果表明:颗粒柱体崩塌后,颗粒运动斜向箱体外,水平板上的颗粒运动呈放射状,堆积平面形式为圆形态,颗粒静止轮廓可分别用抛物线、圆的方程拟合,效果较好;颗粒类型相同时,随着颗粒柱体高度的增加,崩塌后颗粒堆积成圆形态的圆心位置有沿着y轴向前移动趋势;颗粒柱体高度相同时,小颗粒的运动距离比大颗粒的运动距离远;颗粒粒径小时,松散堆积区范围小,颗粒的影响区域为密集堆积区范围;反之,颗粒的影响区域为密集堆积区范围+松散堆积区范围。试验研究成果对预测碎屑流堆积区范围具有一定的参考价值。