考虑颗粒破碎特性的机场高填方变形与稳定性分析

近年来,中国西南山区的机场高填方建设进入快速发展阶段,具有良好工程特性的堆石料等粗粒土广泛应用于高填方。机场高填方内部应力较高,粗粒土等填筑材料会产生颗粒破碎,分析颗粒破碎特性对高填方变形和稳定性的影响具有重大工程意义。使用离散元颗粒流法对高填方建立数值模型,采用强度折减法模拟了高填方的变形演化过程,利用Russell和Muir Wood颗粒破碎准则,对颗粒破碎和颗粒不破碎两种情况分别进行了离散元的数值模拟分析,对比研究了考虑颗粒破碎对高填方变形和稳定性的影响。研究结果表明：粗粒土颗粒破碎后产生的小颗粒将滑移充填颗粒间的空隙,使高填方变形量增加,高填方土体的抗剪强度降低,进而使高填方的安全系数降低,严重影响高填方的稳定性。     

考虑颗粒破碎与各向异性的堆石料广义塑型模型（英文）

堆石料以其填筑密度高、压实性能好、透水性强、沉降变形小、承载力高等优点,在堆石坝、铁路、公路路基等工程建设中得到广泛应用。合理的堆石料本构模型对工程计算和分析具有重要意义,且目前仍具有很大的发展空间。基于破碎应力和空间滑动面(SMP)的概念,提出了一个能综合反映颗粒破碎和各向异性的状态参数。利用该状态参数对修正ZienkiewiczⅢ模型(MPZ模型)进行了改进,构造了一个能够描述堆石料应力变形工程特性的广义塑性模型。本文通过一系列不同压实面倾角的常规三轴试验,验证了该模型的有效性。由于所构造的各向异性指标ω的变化趋势能够反映堆石料的变形和强度随大主应力方向角非单调变化的特征,故该模型可以反映堆石料初始各向异性对力学特性造成的明显差异。     

堆石料力学性能的数值模拟分析

摘 要：利用离散单元法研究了堆石料的力学和变形性能,以及数值模拟过程中相关参数对其力学性能的影响。根据离散元基本模型和相关的几何理论生成两种不同的堆石料颗粒模型,即球形单颗粒模型和不规则形状的颗粒簇模型,研究材料的颗粒形状对堆石料强度的影响。基于颗粒簇模型,运用控制变量法,研究摩擦角和杨氏模量对堆石料的剪切强度和变形特性的影响。通过数值模拟,得出不同试验条件下相应的应力-应变曲线,分析其峰值应力、残余强度、最大应变、弹性模量以及剪缩剪胀趋势等,从而研究试样的不同力学响应。结果显示：在相同的应变率加载条件下,随着围压从300 kPa增加到500 kPa和更高的1000 kPa,球形颗粒模型对应的峰值剪切应力从相应的500 kPa增加到1700 kPa;而不规则形状颗粒簇模型对应的峰值剪切应力则从1400 kPa增加到3500 kPa,明显高于相应围压条件下的球形颗粒模型所对应的峰值剪切应力。当试样摩擦角从10°增加到50°时,相应的峰值应力则从不到1000 kPa增加到3250 kPa,相应的最大体积应变从6.5%增加到20%。杨氏模量E从107 Pa变化到109 Pa时,峰值剪切应力随之从相应的1350 kPa增加到2575 kPa。在此过程中,试样整体应变则从剪缩过渡到剪胀。     

堆石颗粒在复杂约束模式的破碎特性

为了研究三维情况下单个颗粒在不同约束模式下的破碎特性,对颗粒开展了物理试验和基于连续-离散耦合数值分析方法 (FDEM)的数值试验研究.通过改变颗粒周边约束的个数和位置,设定了不同的约束模式,并采用奇异值分解(SVD)对颗粒约束模式进行量化,分析约束模式对颗粒破碎模式、破碎强度和碎片尺寸分布的影响.结果表明,颗粒在不同的约束模式下呈现出3种典型的破碎形式：削切、劈裂和碎裂.统计不同约束个数下的颗粒破碎峰值荷载,其在4～6个约束个数情况下变化并不明显,可以认为在离散元数值(DEM)模拟中采用接触力准则判断颗粒破碎具有一定的适用性.分析碎片尺寸分布,为构建更加合理的碎片替换模式进行离散元颗粒破碎模拟提供了参考和依据.     

室内缩尺级配堆石料力学参数的表征单元体积

为了寻找室内缩尺级配堆石料强度和变形参数的表征单元体积（REV）,利用离散元方法（DEM）研究试样尺寸对玄武岩堆石料力学行为的影响.通过室内单颗粒破碎试验,分析玄武岩颗粒的破碎特性,确定DEM模拟所需的颗粒破碎强度参数.开展一系列试样尺寸、颗粒排列和围压不同的三轴压缩DEM试验.分析堆石料强度和变形参数随试样尺寸的变化规律,建议了各参数的REV.结果表明,颗粒排列和试样尺寸均会影响堆石料的力学行为.各力学参数的变异系数随着试样尺寸的增大而减小.不同力学参数的REV尺寸不同,为了提高DEM计算效率,可以根据研究对象选择合适的试样尺寸.在模拟工况下,要使所有参数均达到稳定,数值试样尺寸应不小于直径300 mm×高度600 mm.     

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。     

矿石破碎颗粒黏结模型黏结键特征及表征

目的 针对矿石颗粒黏结模型与实际矿石破碎特性存在差异造成的仿真不准确问题,重点对不同粒级矿石颗粒黏结模型中的黏结键特征进行研究。方法 依据矿石强度尺寸效应理论,设计铜矿石颗粒黏结模型中基础颗粒间的黏结键参数,应用离散元方法对30,40,60 mm三种粒级铜矿石矿样进行落重试验和破碎仿真。本文给出黏结键等效临界变形的概念,讨论了矿石落重试验t10和冲击能量的关系,探讨黏结键参数变化规律。结果 结果表明,三种粒级铜矿石颗粒黏结模型破碎仿真与落重试验粒级质量分数的平均误差分别为1.75%,1.66%,1.84%,试验和仿真得到的破碎粒度质量分数具有很好的一致性;法向和切向等效临界变形可以表征黏结键强度,单位冲击能量下落重试验的tn10可以表征矿石强度。结论 利用黏结键等效临界变形和tn10的对应关系确定黏结键参数,提高了矿石颗粒黏结模型的建模效率和仿真精度。     

基于离散元法崩塌体动力破碎分析

在汶川大地震的影响下,西南地区山体破坏严重．岩质边坡几乎全部出现破坏,崩塌十分严 重,产生了大量的崩塌体,堆积于洞口或缓坡地带;且上方陡坡残留大量震裂岩体,在余震和多雨、 多风的天气下易产生崩塌,对公路产生威胁．采用离散元法对崩塌体模拟,通过对不同粘结强度的 崩塌体动力破碎的影响进行的数值模拟研究．结果显示：崩塌体的粘结强度可以由离散元的平行键 强度来模拟,不同粘结强度对崩塌体的运动和堆积形态有重要影响,再现了崩塌体破碎动力演化过 程．为崩塌体破碎和防御提供理论依据．     

堆石蠕变与颗粒破碎特性三轴试验

为分析堆石的蠕变规律和研究颗粒破碎与蠕变的关系,对某堆石料进行了不同应力水平和围压下的大型三轴排水蠕变试验。蠕变试验后通过筛分试验测量了堆石的颗粒破碎程度。结果表明堆石的蠕变变形与应力水平和围压有关;轴向蠕变和体积蠕变随应力水平的增大而增大,应力水平相同时则随围压增大而增大。堆石的应变一时间关系可用幂函数表示,轴向应变一应力关系和体积应变一应力关系分别满足双曲线函数和线性比例函数。随应力水平和围压的增大,堆石颗粒破碎增多。堆石颗粒破碎可用相对颗粒破碎指数度量,其与轴向蠕变和体积蠕变近似呈线性比例关系。     

喷动流化床中杆状颗粒混合特性的CFD-DEM模拟

采用计算流体力学-离散单元法（CFD-DEM）模型对杆状颗粒在喷动流化床中的流动及混合行为进行数值模拟研究,其中杆状颗粒采用超椭球模型进行描述. 通过模拟结果,考察流化气速、喷动气速和颗粒形状对流动与混合的影响. 结果表明,杆状颗粒在喷动流化床中的流动具有典型喷动床的喷动特性;提高喷动气速与流化气速均有助于颗粒混合,且流化气速对流动与混合的影响大于喷动气速. 颗粒形状主要通过颗粒互锁与颗粒长轴取向一致性这2个因素影响颗粒混合,提出较简单的方法用以量化颗粒长轴取向的一致性. 在上述2个因素的作用下,当杆状颗粒长径比较小时,增加长径比会抑制颗粒混合;当长径比较大时,增加长径比会促进颗粒混合.     

动态载荷作用下岩石颗粒破裂过程的数值模拟

目的 为了研究岩石颗粒在动态载荷下的损伤破坏机理与动力破碎过程．方法 用RFPA（岩石破裂过程分析）探讨不同动态应力波作用对于岩石颗粒试样破坏模式的影响．结果 数值模拟结果表明，在不同的应力波峰值和不同的应力波作用时间作用下，试样表现出不同的破裂模式．结论 在应力波峰值较低时，裂纹的萌生从试样的中部或底部开始；当应力波赋值较大时，裂纹的萌生从加载点开始以裂纹带的形式向下延伸．在相同的应力波峰值作用时。波长较长时试样主要表现为径向破裂为主；而波长较短时试样则表现为两翼破坏．在动态应力波作用下，试样中萌生出更多的分叉裂纹，随着应力波波长的增加。分叉裂纹的数量也随之增加．这与静态载荷作用下形成只一条主裂纹的情形是不同的。     

辉绿岩瞬态卸压下强度及变形特性数值模拟

为探讨深部高应力脆性岩体爆破开挖瞬态卸压过程的强度、变形等力学特性,利用三维离散元程序的Mohr-Coulomb应变软化关系建立辉绿岩真三轴应力数值模型。在计算5组应力状态(σ2,σ3)岩样的三轴强度基础上,开展了恒定σ2卸压时间分别为2.5ms(卸压模式1)和250ms(卸压模式2)的峰前卸侧压σ3的数值模拟实验。模拟研究结果表明:1)岩样卸压极限强度较三轴抗压强度低,且等于峰前卸侧压值,说明卸压破坏应力小于加载破坏应力;2)卸压模式1实验应力跌落与应变突跳立刻发生,无滞后性;3)相同应力状态下,卸压模式1实验的应变改变量Δε3普遍较大;4)应力和应变的改变在卸压模式1实验过程中几乎不受卸压速率的影响。     

纤维加筋土剪切过程中颗粒运动特征研究

为探究纤维对土体的加固机理,通过离散元法进行直剪试验,分析纤维土与素土在剪切过程中颗粒运动特征。建立素土模型与0.6%纤维含量的纤维土模型,选取3个典型位移点,分析在典型位移点下素土与纤维土的运动特征,得出如下结论：纤维土在剪切部位位移较大,在上部位移较小,体现出了更大的整体性。在峰值位移前,纤维土的大转角区域较素土大。峰值位移后,素土的大转角区域较粗,周围土体基本不存在大转角区域;纤维土的大转角区域较细,周围土体存在大转角区域且呈条状分布。纤维土的大转角主要分布在剪切处与纤维处。素土的剪切带较纤维土的剪切带大。剪切带内纤维土的相对滑动与相对转动都略大于素土。剪切带外纤维土与素土的相对滑动与相对转动相差不大。不论剪切带内外土体的相对滑动与相对转动都随着剪切发展而增加。     

用颗粒离散元法模拟筛分过程

基于颗粒离散元法的基本原理，采用VC＋＋．NET开发了筛分作业的二维离散元仿真程序SieveDEM，模拟系统由给料漏斗、筛分机和产品隔板等组成，入筛物料的粒度组成、给料量及筛分机的工作参数等均可人为设定，实现了筛分作业全过程的动态模拟．对模型筛分机的筛分试验进行了数值仿真，模拟结果真实地再现了入筛物料3种典型的运动透筛行为，模拟得到的筛分分配曲线同试验结果基本吻合．将筛面上物料的运动速度按矢量分解的方法划分为输送速度和透筛速度两部分，统计分析结果揭示了二者的波动现象，表明离散元法能够反映筛分过程的本质机理．     

基于动力有限元的路基动力响应数值模拟分析

为了研究路基动力响应特性,本文基于动力有限元原理,采用考虑Rayleigh阻尼的空间三维非均质线弹性体系作为结构模型,通过Newmark法求解在FWD脉冲荷载作用下结构的动力响应,并用Fortran90语言编制了相应的正演计算程序,并与实测数据及大型有限元程序计算结果进行了对比与分析,结果表明：该程序计算结果与实际结果吻合较好,与ANSYS计算结果相近,具有较好的计算精度.     

湖水位壅高条件下堰塞体土料变形特性DEM-PFV耦合模拟研究

我国西南地区多为高山峡谷地貌,易发生滑坡堵江事件,形成堰塞湖。堰塞湖水位壅高过程中,堰塞体为常剪应力路径,即剪应力保持不变,孔隙水压力不断增大。但已有的研究主要集中于固结排水剪和固结不排水剪,与堰塞湖水位壅高过程中的实际应力路径有别,因此开展常剪应力路径下堰塞体材料的变形特性研究,是深入分析湖水位壅高过程中堰塞体动态响应的有效途径。鉴于此,本文以2018年10月11日白格堰塞湖为例,以堰塞体的实际高度、漫顶前的最高堰塞湖水位及湖水位壅高过程中的实际应力路径为基础,基于细观尺度的离散元（DEM）—孔隙有限体积法（PFV）流固耦合方法,从敏感性分析的角度出发,开展了不同围压、不同初始应力条件下堰塞体土料的常剪应力剪数值模拟试验,并从材料的应力应变关系（宏观）及内部接触力（微观）的分布规律等角度出发,揭示了湖水位壅高过程中堰塞体不同位置的变形响应及其微观力学机理。研究表明,湖水位壅高条件下堰塞体土料变形特性受到土料位置、强度和湖水位壅高程度的联合影响。处于堰塞体不同位置的土料,围压与初始应力比条件不同,并且在堰塞体漫顶之前所遭遇的最大孔隙水压力也不同,从而导致在堰塞湖水位壅高过程中,不同位置的堰塞体土料呈现出不同的变形特性,一般呈现由里及外变形逐渐增大的规律。在相同围压条件下,靠近堰塞体上游外缘的土料,初始应力比相对较高,且遭遇的最大孔隙水压力也相对较高,从而在堰塞湖水位壅高过程中其应力路径会穿越失稳线,导致颗粒之间的接触力减弱,从而产生较大的变形,且大变形区的厚度与范围受到初始应力比及最高湖水位的限制。堰塞体内部初始应力比相对外缘较少,在湖水位壅高过程中应力状态穿过失稳线的可能性降低,从而变形也相对较小。     

考虑颗粒破碎的钙质砂双屈服面模型

珊瑚岛礁主要由颗粒形状不规则、多孔隙、高压缩性、易破碎的钙质砂组成。在进行珊瑚岛礁生态开发建设时,由于其地基土钙质砂具有特殊性,有必要针对颗粒易破碎的钙质砂进行本构模型研究,为设计施工提供参考。首先进行不同围压的钙质砂三轴试验并筛分颗粒,得到应力-应变关系曲线及级配变化曲线。试验结果表明：对于同一级配、同一密实度的钙质砂在不同围压下存在不同程度的应变软化和剪胀性,尤其在较低围压下更为明显;存在应变软化和剪胀性的围压范围内,随着围压的增大,其偏应力峰值点和临胀点所对应的轴向应变越大;不同围压下钙质砂颗粒均出现了不同程度的颗粒破碎,且围压越大其颗粒破碎程度越大,细粒含量相对越多。同时,为了准确描述考虑颗粒破碎的钙质砂应力-应变关系,基于分形理论和莫尔-库仑理论建立颗粒破碎指标对峰值内摩擦角进行修正,并结合试验数据对“南水”模型中的切线变形模量和切线体积比进行修正,明确了各材料常数的意义,最终建立了考虑颗粒破碎的钙质砂本构模型。采用Fortran语言将修正的本构模型汇编程序进行模拟,并与试验结果进行对比,两者较为吻合。除此之外,结合引用文献中相关试验数据对所建立考虑颗粒破碎的钙质砂本构模型进行推广验证,结果表明该模型依然能够较为准确的反映钙质砂在不同围压下存在的应变软化和剪胀性。     

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。