岩石单颗粒压缩破碎的数值模拟分析

岩石颗粒破碎是影响粒状材料剪切强度和变形的最主要因素, 岩石颗粒破碎并不是想象的那么难, 像花岗岩颗粒有时在很小的压应力作用下就可以破碎。岩石单颗粒破碎的物理试验结果常常很离散, 完成大量单颗粒破碎的物理试验费时费力不现实, 采用离散单元法(Discrete element method, DEM)PFC软件模拟单颗粒压缩破碎试验, 既能克服单颗粒破碎物理试验的缺陷, 又能解决单颗粒破碎物理试验工作量大的难题, 是研究单颗粒破碎的理想选择。基于DEM的软件PFC2D, 将粒径为0.075～0.1245mm的基本粒子捆绑成不同粒径的单颗粒, 模拟岩石单颗粒压缩破碎试验, 观察颗粒破碎演化过程, 统计单颗粒破碎强度。计算单颗粒压缩破碎后颗粒分布的分维, 验证单颗粒破碎强度的分形模型和单颗粒破碎强度的尺寸效应。文中引用玄武岩单颗粒破碎试验结果, 与单颗粒破碎的离散单元模拟结果进行比较, 验证单颗粒破碎强度的尺寸效应和修正的Weibull理论的离散单元模拟结果。     

人工胶结砂土力学特性的离散元模拟

采用离散单元法（DEM）对胶结砂土力学特性进行模拟。将基于室内试验测得的理想胶结颗粒接触力学响应引入到开发的二维离散元程序（NS2D）中,模拟胶结砂土颗粒间的胶结作用。对不同胶结强度和围压的胶结砂土进行平面应变双轴压缩试验模拟,并将模拟结果与Wang和Leung[1]提供的人工胶结砂土的试验结果进行比较。最后对数值模拟中胶结试样的微观力学响应（接触力链、胶结点破坏率和位移场）进行分析。结果表明,离散元数值模拟能够有效地反映胶结砂土的主要力学特性,相比同一初始孔隙比的无胶结松散砂土,胶结砂土将具有更高的强度,应力-应变关系呈应变软化,体变为先剪缩后剪胀,且两者的差异随胶结强度的增大和围压的减小而越趋显著。此外,胶结砂土宏观力学响应（应力-应变关系和剪胀性）与其微观力学响应密切相关。     

基于PFC2D岩石颗粒破碎强度和能量的分形模型

颗粒的破碎强度随着粒径的增大而减小,即颗粒破碎的尺寸效应,分形模型为解释固体颗粒破碎的尺寸效应提供了可行的方法。根据岩石颗粒破碎时的分形特征,采用Sammis破碎准则,通过模拟分析得出岩石颗粒破碎能量和强度的分形模型,建立和验证用分维D来表示岩石颗粒破碎的能量和强度准则,得出并验证了岩石颗粒破碎分维的确定方法。利用离散元软件PFC2D的黏结颗粒模型BPM（Bonded Particle Model）模拟了小孔隙率n=0.12和大孔隙率n=0.3,即密实和松散两种情况。其中小孔隙率采用在模型上添加小颗粒的新方法,分别做了400组粒径不等的数值模拟试验,从粒径与破碎强度、破碎能量之间的关系和应力-应变曲线3个方面进行了统计,验证了岩石颗粒破碎强度与分维D的理论关系为σ_f∝dD-3,并得出颗粒破碎时的能量和与分维D之间的关系为E_f∝dD-1。验证了分形理论在分析颗粒破碎的尺寸效应中的较好应用,为确定岩石颗粒的破碎强度和岩石堆砌体剪切强度提供新的方法和参考意见。     

三维离散元单轴试验模拟甲烷水合物宏观三轴强度特性

填充型水合物的砂性能源土试样可视为特殊的散粒体材料,即砂粒和水合物颗粒混合物,具有明显的非连续特征。为研究填充型水合物的能源土力学特性,初步探索了甲烷水合物在不同温度、反压条件下加荷模式的离散元模拟方法。离散元模拟中,将水合物块体视为由大量颗粒通过强胶结作用凝聚而成的整体,室内试验中的内部孔隙水压作用转化为水合物颗粒间的胶结力,故需要合理确定颗粒间胶结模型参数来实现反压的影响作用。通过参数反演建立了宏观强度、刚度参数与平行胶结模型的微观胶结参数间的宏、微观关系,基于已有室内甲烷水合物三轴试验资料,确定了给定温度和反压条件下的微观胶结参数取值,随后进行离散元单轴压缩试验。离散元单轴压缩试验模拟获得的水合物强度特性,与室内三轴试验结果符合较好;通过建立的宏、微观参数间的关系,实现了不同温度、反压下的水合物加荷模式的模拟。为进一步提出深海能源土离散元数值试验成样方法--孔隙填充水合物生成技术,形成含填充型水合物的能源土试样,研究其力学和变形特性奠定基础。     

基于微观胶结厚度模型的深海能源土宏观力学特性离散元分析

首先,引入蒋明镜等提出的考虑水合物胶结厚度的深海能源土粒间微观胶结模型,用以反映能源土颗粒之间水合物微观胶结接触力学特性;其次,采用C++语言将模型程序化,并将其引入离散单元法中;然后,对选定的水合物饱和度经过实际二维离散元模拟调算,得出相应的水合物胶结尺寸,以修正水合物临界胶结厚度、最小胶结厚度及胶结宽度,进而确定水合物微观胶结参数;最后,根据所确定的胶结参数,针对不同水合物饱和度试样进行能源土宏观力学特性离散元双轴试验模拟,并从应力-应变、体变、剪胀角等方面与Masui等所进行的能源土室内三轴试验进行对比分析。结果表明：采用考虑粒间胶结厚度的水合物微观胶结模型,能够定性反映深海能源土的宏观力学特性,能源土试样的峰值强度、黏聚力和剪胀角均随水合物饱和度的增加而增加,但水合物饱和度对内摩擦角的影响规律不明朗;能源土试样的峰值强度、残余强度及体积剪缩量随着有效围压的增大而增大;剪胀角随有效围压的增大而减小。     

含双裂隙岩石裂纹演化机理的离散元数值分析

采用离散单元法探讨了预制双裂隙岩石的裂纹演化机理。用近期从试验资料提取的无胶结厚度含抗转动能力的岩石微观力学模型和相应的离散单元法商业软件,模拟了含不同预制倾角的双裂隙岩石试样在单轴压缩作用下裂纹的扩展与贯通规律,揭示了裂纹演化的宏微观机理。同时,将离散元法DEM岩石试样的裂纹的扩展和贯通规律以及强度特性与室内试验结果进行了比较分析。结果表明,预制裂隙之间以及端点处的拉应力集中是导致裂隙岩石破坏的主要原因,且DEM数值试验得到裂纹的演化规律与室内试验结果较为一致。含30°的预制裂隙的岩石试样最容易起裂,含75°的预制裂隙的岩石试样最困难起裂,造成此种现象的原因可能是裂纹在垂直于主应力方向上的长度不同导致试样受拉区域大小不同。     

深部岩石考虑残余强度时三轴试验离散元定量模拟及参数分析

深部岩石在工程中具有高应力、大变形等典型特点,因此,高围压下考虑岩石残余强度的三轴试验对于分析深部岩石力学特性具有重要意义。离散单元法是分析岩石力学特性的重要数值方法,但是长期以来采用离散单元法定量模拟岩石的三轴试验一直存在诸多挑战,即数值模拟与室内试验得到的应力-应变全过程曲线难以定量匹配。采用改进的三维胶结抗弯-扭模型对深部砂岩考虑残余强度时的三轴试验进行了定量模拟,实现了数值模拟与室内试验应力-应变全过程曲线的定量匹配,获得了岩石较大的峰值/残余内摩擦角及非线性强度包线,克服了经典BPM模型存在的3个突出问题。通过参数分析,研究了峰值/残余内摩擦角及黏聚力与离散元微观参数之间的关系,同时这些大量的算例也证明了该模型具有较高的计算效率,可以满足模拟三维室内常规试验的要求。     

极弱胶结岩石物理力学特性及本构模型研究

极弱胶结岩石成岩时间晚,胶结差,强度低,易风化,遇水泥化崩解,特殊的成岩环境和沉积过程形成其独特的物理与力学性质。X射线衍射试验表明,极弱胶结岩石的黏土矿物成分以高岭石为主,其含量高达54%～69%。微观结构为蜂窝状、孔隙多且连通性好,整体结构性较差,遇水易发生水化反应,造成其孔隙率增加与强度降低,在自然条件下极易风化,短时间暴露即开裂。使用MTS 815岩石力学试验系统进行极弱胶结岩石的单轴与三轴压缩试验,获得极弱胶结岩石全应力-应变曲线,揭示了极弱胶结岩石峰后应变软化与扩容变形特性。试验结果表明,岩样破坏前后具有明显的体积膨胀特性,随着围压的提高,峰后体积膨胀特性逐渐减弱。基于裂纹体积应变模型,分析了极弱胶结岩石扩容大变形破坏机制,揭示了岩体强度与扩容参数随等效塑性应变的演化规律,建立了峰前损伤扩容与峰后破裂扩容屈服准则,构建了极弱胶结岩石扩容大变形本构模型。     

考虑环境劣化非贯通节理岩体的直剪试验离散元模拟

非贯通节理岩体的强度特性是大型边坡、隧道等工程安全性的重要影响因素。随着酸雨、河流污染等对岩石环境劣化程度的加剧,考虑环境劣化因素对非贯通节理岩体强度的影响很有必要。采用离散元法,基于已有的胶结接触模型,将岩体因环境作用而劣化等效为岩石试样质量损失不断加剧的过程,最后等效为颗粒和颗粒之间的物质不断溶蚀的过程,由此建立考虑环境劣化的微观接触模型并将其植入离散元软件中,模拟分析了不同环境劣化程度的非贯通节理岩体在不同连通率和不同法向应力下的直剪试验。结果表明:不同环境劣化程度非贯通节理岩体剪切应力-位移曲线趋势一致;随环境劣化程度的加深,节理岩体的破坏形式以拉裂纹为主转变为以剪切裂纹为主;环境劣化使得节理岩体直剪试验起裂应力降低,且环境劣化程度的加深会导致非贯通节理岩体的凝聚力降低及内摩擦角减小,表现为峰值剪切强度降低。     

考虑简化胶结模型的深海能源土宏观力学性质离散元数值模拟分析

根据蒋明镜等所提出天然结构性砂土微观胶结模型[1–2]及微观胶结试验结果[3–5],将该模型引入离散元商业软件PFC2D,进行能源土双轴试验离散元数值模拟分析,并同Masui等[6]能源土三轴试验结果进行对比分析,结果表明,蒋明镜等所提出胶结模型能够较好的模拟水合物的微观胶结力学行为,水合物胶结的存在对能源土强度具有一定的贡献。     

砒砂岩化学成分特征对重力侵蚀的影响

本文以内蒙南部砒砂岩的重力侵蚀为例,研究岩石化学成分与重力侵蚀发育的主要控制因素抗剪强度的之间关系。通过对砒砂岩样品的化学成分、矿物组成、力学性质等参数的测试和试验结果,利用化学蚀变指数(CIA)阐明了岩石的风化程度,分析了岩石中不稳定的化学成分在水的作用下,对岩石的化学风化作用和岩石强度的影响。并对砒砂岩的化学成分含量与其内聚力进行两两相关分析和多元相关分析。这些对砒砂岩区基岩的重力侵蚀机理研究具有一定的参考价值。     

数值模拟材料破坏中两个容易忽视的问题

材料的破坏模拟方法对计算结果的正确性有着非常大的影响。基于对破坏判据的分析认识,指出在破坏问题数值模拟过程中容易忽视的两个问题,包括计算过程中单元的侵蚀问题和单元侵蚀后的内部接触问题。以圆柱状试块受压破坏问题和岩石坑道震塌破坏试验问题为背景,考察这两个问题对材料破坏问题的影响。理论分析和算例分析表明,通过定义节点约束失效和内部单元接触条件,可以比较合理地模拟诸如岩石坑道的震塌破坏等材料和介质的破坏问题,常用的侵蚀算法对材料破坏问题的模拟存在很大的局限性。     

岩体化学风化的非连续性及其科学意义

岩体化学风化在空间上具有高度的非连续性,这种非连续性广泛存在于从宏观、细观到微观的所有尺度。宏观结构面是化学风化最主要的发生场所;风化岩体内,新鲜岩块被沿结构面内法线方向发育的腐蚀带包围,呈斑点状分散于腐岩中。微缝等细观损伤普遍存在于各类岩石中;化学风化从岩块内不同空间位置的水力有效空隙向三维空间扩展,决定了细观尺度上化学风化的非连续性。矿物溶解是在晶体中具有过剩表面能的缺陷位置优先发生的,因而具有显著的微观非连续性。由于非连续特性,化学风化可增大水岩界面,提升矿物溶解反应的规模及速率。通过对既有损伤的扩展及在损伤空间堆积残余物,化学风化具有分离—裂化岩体、岩块及造岩矿物的重要作用,这种作用可使以新鲜岩石为主的岩体大规模脱离母岩,而堆积于坡脚的岩石块体在化学风化的继续作用下,可裂解为更小的岩屑或矿物碎屑,为向水体搬运创造条件,从而极大地促进斜坡夷平及地貌重塑进程。     

Micromechanical analysis of the failure process of brittle rock

The failure process of brittle rock submitted to a compression state of stress with different confining pressures is investigated in this paper based on discrete element method (DEM) simulations. In the DEM model, the rock sample is represented by bonding rigid particles at their contact points. The numerical model is first calibrated by comparing the macroscopic response with the macroscopic response of Beishan granite obtained from laboratory tests. After the validation of numerical model in terms of macroscopic responses, the failure process of the DEM model under unconfined and confined compression is studied in micro‐scale in detail. The contact force network and its relation to the development of micro‐cracks and evolution of major fractures are studied. Confining pressure will prohibit the development of tensile cracks and hence alter the failure patterns. An in‐depth analysis of micro‐scale response is carried out, including the orientation distribution and probability density of stress acting on parallel bonds, the effect of particle size heterogeneity on bond breakage and the evolution of fabric tensor and coordination number of parallel bond. The proposed micromechanical analysis will allow us to extract innovative features emerged from the stresses and crack evolution in brittle rock failure process. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

流域盆地的风化作用与全球气候变化

介绍了岩石风化作用与流域盆地的物质输送对于研究全球海-陆物质循环和全球气候变化的重要意义。讨论了运用河流的颗粒相和溶解相载荷分别去估算机械剥蚀率和化学风化率的科学性及各种计算方法。从全球的观点对岩性、径流、地势、气候、植被以及人为活动 6个因素对于岩石风化作用及河流颗粒相和溶解相物质输送的影响进行了详细的讨论，得到岩性是决定机械剥蚀率和化学风化率的主导因素，径流和地势是影响河流颗粒物输送的重要因素，而径流和气候则对河流溶解离子的输送影响较大，此外植被和人为活动对河流化学及颗粒物输送的影响也越来越受到人们的关注。探讨了岩石化学风化作用消耗的CO₂量及其对全球气候变化的影响，在此基础上，归纳了岩石化学风化作用与气候变化的模式。     

河南省荥巩煤田大峪沟矿段深部铝土矿床地质特征及找矿方向

荥巩煤田大峪沟矿段深部铝土矿床是最近找矿突破发现的一个大型铝土矿床。该铝土矿床成矿时代为早二叠世,成矿物源主要为古陆铝硅酸岩风化物,少量为中奥陶统马家沟组碳酸盐岩风化产物,成矿环境为潮坪-沼泽环境,由长期的沉积间断、特定的岩相古地理环境、构造变形和表生风化作用共同控制着矿床的形成;上石炭统本溪组是铝土矿形成的含矿岩系;海湾泻湖相沉积环境是铝土矿床形成的有利条件;下古生界奥陶系、寒武系古岩溶侵蚀面是铝土矿形成的有利场所,古岩溶侵蚀面洼地及漏斗是铝土矿的定位空间。大峪沟矿段铝土矿床成因模式属于"古陆风化+碎屑和化学沉积";成矿机制为机械和化学分异。含矿岩系底部铁质风化壳/铁质黏土岩为碳酸盐岩风化形成,铝(黏)土矿来源于铝硅酸盐岩。大峪沟深部铝土矿床的发现为河南省寻找深部铝土矿床指明了方向。     

Long-term rates of chemical weathering and physical erosion from cosmogenic nuclides and geochemical mass balance

Quantifying long-term rates of chemical weathering and physical erosion is important for understanding the long-term evolution of soils, landscapes, and Earth's climate. Here we describe how long-term chemical weathering rates can be measured for actively eroding landscapes using cosmogenic nuclides together with a geochemical mass balance of weathered soil and parent rock. We tested this approach in the Rio Icacos watershed, Puerto Rico, where independent studies have estimated weathering rates over both short and long timescales. Results from the cosmogenic/mass balance method are consistent with three independent sets of weathering rate estimates, thus confirming that this approach yields realistic measurements of long-term weathering rates. This approach can separately quantify weathering rates from saprolite and from overlying soil as components of the total. At Rio Icacos, nearly 50% of Si weathering occurs as rock is converted to saprolite; in contrast, nearly 100% of Al weathering occurs in the soil. Physical erosion rates are measured as part of our mass balance approach, making it particularly useful for studying interrelationships between chemical weathering and physical erosion. Our data show that chemical weathering rates are tightly coupled with physical erosion rates, such that the relationship between climate and chemical weathering rates may be obscured by site-to-site differences in the rate that minerals are supplied to soil by physical erosion of rock. One can normalize for variations in physical erosion rates using the “chemical depletion fraction,” which measures the fraction of total denudation that is accounted for by chemical weathering. This measure of chemical weathering intensity increases with increasing average temperature and precipitation in data from climatically diverse granitic sites, including tropical Rio Icacos and six temperate sites in the Sierra Nevada, California. Hence, across a wide range of climate regimes, analysis of chemical depletion fractions appears to effectively account for site-to-site differences in physical erosion rates, which would otherwise obscure climatic effects on chemical weathering rates. Our results show that by quantifying rates of physical erosion and chemical weathering together, our mass balance approach can be used to determine the relative importance of climatic and nonclimatic factors in regulating long-term chemical weathering rates.     

巴东组典型红层软岩单轴压缩试验细观组构特征

红色粉砂质泥岩和泥质粉砂岩是巴东组特殊性岩土的代表,具有遇水易崩解特性。根据岩样单轴压缩试验,基于PFC_2D程序,建立中硬岩、软岩单轴压缩试验数值模型;模型选用平行黏结颗粒接触模型。根据应力-应变曲线特征,采用分段定量参数标定法对软岩试样的细观参数进行标定;且通过调整法向和切向黏结强度比值σ_c/τ_c,控制试样单轴压缩破坏模式;分别对不同风化程度的粉砂质泥岩和泥质粉砂岩在饱和、天然状态下单轴压缩试验过程进行模拟;并分析了试验过程中颗粒法向接触力、切向接触力、配位数、孔隙度等细观组构参数的分布特征和演化规律。研究结果表明:该数值方法能够很好地模拟中硬岩、软岩的单轴压缩试验过程,除中风化粉砂质泥岩外,风化程度和浸水条件仅能影响试样颗粒接触力在统计角度范围的大小,不能影响其分布形式;同时,风化程度和浸水条件延长了配位数显著下降的加载时间,配位数随裂缝数量的增加而减小;浸水条件和风化程度对泥质粉砂岩的孔隙度演化影响较大;风化程度对粉砂质泥岩孔隙度演化影响较大,而浸水条件影响较小。      

水岩耦合下的红层软岩微观结构特征与软化机制研究

水岩长期作用下红层软岩体现出成岩作用差、易风化、易软化崩解等特点,给软岩工程设计与施工带来挑战。以滇中红层软岩地区所取泥岩试样为研究对象,首先对自然和饱水状态下岩样进行单轴和三轴压缩试验,分析水岩作用下软岩的力学特性;然后采用X射线衍射技术对不同含水状态下软岩微观结构进行对比研究;最后基于试验结果对滇中地区红层软岩遇水软化机制进行了探讨。研究结果表明:水岩作用下软岩力学性质劣化明显,岩石峰值抗压强度显著降低,岩体破坏程度提高;软岩黏土矿物颗粒吸水膨胀,微观结构由致密的团粒状转变为疏松多孔的不规则片状和鳞片状结构;伊利石等黏土矿物与水反应,产生的不均匀应力和大量微孔隙导致软岩内部结构破坏;红层软岩的遇水软化机制包括软岩矿物的溶蚀和次生作用、黏土矿物的吸水膨胀与崩解、软岩与水作用导致颗粒间胶结连结破坏等。     

冻融风化边坡岩体破坏机理研究

高寒山区岩质边坡冻融风化破坏严重影响公路建设及其运行安全。为了揭示岩体在冻融条件下的破坏机理,本文通过对高寒山区岩质边坡现场调查、编录,结合室内试验及数值模拟等,从不同尺度下综合分析岩体的冻融破坏机理。室内试验显示岩块受冻融后存在强度弱化现象,其受控于岩块的结构构造、胶结程度及初始损伤裂隙发育情况;冻融试验揭示岩体裂隙发育特征对冻胀变形性质起决定作用,裂隙的冻融破坏速率远大于岩块,密闭条件下,裂隙水冻结成冰过程中形成冰劈效应,冻胀力可达33MPa以上;数值分析揭示了边坡温度场受低温、大温差影响最为明显,裂隙带受冻融影响严重,其为边坡冻融风化的通道,裂隙水冻胀形成冰劈是边坡冻融风化破坏的主要模式。