多尺度内聚颗粒模型破碎过程研究

岩石破碎过程涉及到多个变量（应力、应变和孔隙率等）变化和裂纹的产生、拓展和聚集,是研究岩石破碎机制的重要途径。为了克服现有研究中岩石颗粒模型未考虑岩石内部特征问题,针对岩石内部颗粒非均匀分布、聚集的特点,开展了岩石轴压破碎试验和岩石岩相分析试验,并在此基础上,构建符合真实岩石内部特征的多尺度内聚颗粒模型。根据离散元的颗粒黏结模型（BPM）理论,求解了多尺度内聚颗粒模型不同粒级颗粒间黏结键的力学关系,发现与二级颗粒形成的黏结键断裂判据为 ≥ 2 GPa,三级颗粒之间形成的黏结键断裂判据为 ≥ 6 GPa,并基于该判据建立了用于模拟颗粒模型破碎的演化模型。通过模拟轴压破碎试验,破碎演化模型可以从细观角度得到颗粒模型各颗粒间黏结键承受力的实时变化和岩石破碎过程中黏结键从外而内的断裂顺序;从宏观角度得到岩石内部裂纹呈V形从上表面两端延伸并相交于岩石中部。通过与岩石轴压破碎试验结果对比发现,模拟试验得到的岩石裂纹特征与岩石轴压破碎试验结果相似,验证模型的可靠性,实现了从细观和宏观角度分析岩石破碎过程。     

基于颗粒离散元模型的花岗岩压缩试验模拟研究

基于颗粒流理论,以黄岛国家石油储备库地下洞库的花岗岩室内试验测试为背景,借助PFC2D（particle flow code）的黏结颗粒模型（bonded particle model, BPM）建立双轴压缩模型。以花岗岩室内试验的宏观力学参数和破坏形态为参照,通过“试错法”得出黏结颗粒模型相对应的细观物理力学性质参数。模拟试验的弹性模量、泊松比与室内试验值吻合较好,BPM模型由于选用圆形颗粒导致黏聚力和内摩擦角与室内试验值相比有一定偏差。模拟试验与室内试验的试件破坏形态均以单斜面剪切破坏为主。采用校准的细观物理力学性质参数,应用BPM模型再现花岗岩压缩试验全过程,深入分析微裂纹萌生演化及能量变化规律。研究表明,压缩过程中岩石试件内裂纹扩展主要经历平稳发展-急剧增加-平稳发展3个阶段;变形过程中,花岗岩试件边界能、应变能、黏结能、摩擦能及动能在各个阶段的变化很好地解释花岗岩受力破坏的细观力学机制。     

三维梁-颗粒模型在岩石材料破坏模拟中的应用

用三维梁-颗粒模型BPM3D(beam-particlemodelinthreedimensions)对岩石类非均质脆性材料的力学性质和破坏过程进行了数值模拟。梁-颗粒模型是在离散单元法基础上,结合有限单元法中的网格模型提出的用于模拟岩石类材料损伤破坏过程的数值模型。在模型中,材料在细观层次上被离散为颗粒单元集合体,相邻颗粒单元由有限单元法中的弹脆性梁单元联结。梁单元的力学性质均按韦伯(Weibull)分布随机赋值,以模拟岩石类材料力学参数的空间变异性。材料内部裂纹通过断开梁单元来模拟。通过自动生成的非均质材料模型对岩石类材料的破坏机理进行研究。岩石类非均质脆性材料在单轴压缩状态下破坏过程细观数值模拟结果显示,岩石材料宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、贯通的结果。通过数值模拟结果之间的对比分析,揭示出岩石试样宏观破坏模式随细观层次上韦伯分布参数的变化而不同。与实际矿柱破坏形态的对比分析表明了模型的适用性。根据数值模拟结果对岩石类非均质材料的破坏机理进行了探讨。     

岩石单轴压缩下能量与损伤演化规律研究

能量变化是材料各参数变化的本质特征。通过颗粒流模拟岩石单轴压缩试验,从细观力学角度分析能量转化、裂纹扩展及损伤演化规律。颗粒流利用细观颗粒的运动克服了宏观力学理论不易实现试件多裂纹破坏形态的缺点,以此研究能量变化更加合理。应力-应变各阶段能量与微裂纹及损伤存在着相互对应的发展关系。通过3种工况论证了宏-细观力学参数对应关系,采用最小二乘法拟合得出微裂纹与轴向应变呈幂次函数关系。采用割线模量定义损伤变量,取模量加速下降处（对应裂纹加速扩展）为损伤门槛,对应损伤阈值为0.158。3种工况下微裂纹数量与损伤呈线性发展关系,为损伤演化的深入研究提供参考。     

岩石材料冲击压缩特性细观模拟方法研究

岩石材料的细观特性对宏观力学性能有着重要影响。为了分析岩石材料颗粒形态、孔隙和含水等细观特性对宏观冲击响应行为的影响规律,从岩石材料的细观特性入手,结合材料细观结构照片,经制图软件矢量化和轮廓处理,建立了能够反映材料细观分布特性的岩石材料有限元模型。基于AUTODYN有限元计算软件,对岩石材料冲击压缩细观行为进行数值模拟,获取材料颗粒形态、孔隙和含水等细观特性对材料宏观冲击压缩特性的影响规律。确定岩石材料冲击Hugoniot参数,应用于冲击开坑仿真中,并与已有的试验结果进行了对比。结果表明:数值仿真结果与已有试验数据吻合较好;孔隙率和含水率对岩石材料冲击波衰减规律有十分显著的影响;细观模拟确定的Hugoniot参数运用到岩石材料宏观动力学行为数值模拟中,可有效反映岩石材料中颗粒、孔隙和含水等细观特性对冲击开坑行为的影响规律。     

基于Otsu图像处理的岩石细观模型重构及数值试验

基于大津法(Otsu)多阈值分割方法,利用数字图像处理技术获取了花岗岩细观结构的表征图像,并结合颗粒流程序,重构了反映岩石非均质结构特征的细观模型。通过单轴压缩试验,分析了花岗岩的失稳破坏过程,并研究了细观结构强度对宏观强度及破坏形态的影响。研究发现:花岗岩试件失稳破坏过程中存在4种裂纹形式,加载初期首先产生界面裂纹,其次是云母裂纹,长石和石英在应力接近极限强度时才破坏;当增大胶结界面或矿物强度时,花岗岩的抗压强度随之增加,但增加梯度逐渐减小;胶结界面或3种矿物细观强度的增大会使该结构处裂纹数量减小,而增加其他结构处的裂纹分布;相对于中等强度的长石和高强度的石英,低强度的胶结界面和云母矿物对花岗岩宏观强度和破坏形态的影响较大,是关键细观结构。将Otsu图像处理技术与颗粒流程序相结合,建立反映岩石真实结构的细观模型,为研究岩石非均质性对宏观力学特性的影响提供了一种有效手段。     

基于细观特征的含水砂层蠕变潜力评价研究

在地面沉降过程中含水砂层的蠕变量不可忽视。本文以石英砂为试验材料,研究颗粒粒径、级配及形状对砂土蠕变特性的影响,并从细观角度定性和定量分析其蠕变机制,建立与宏观变形的联系。结果表明：砂土的蠕变过程分为稳定蠕变、减速蠕变和衰减蠕变3个阶段,砂土的粒径、级配及颗粒形状对蠕变特性产生影响：粒径越大,级配越好,颗粒形状越复杂,则任意时刻的蠕变速率越大,最终蠕变应变也越大。砂土细观参数可较好地反映其宏观蠕变特性,砂土的最终蠕变应变越大时,颗粒破碎程度越高,颗粒最终平均形状系数越大,孔隙率变化越大,最终面积概率分布指数也越大。在此基础上,引入砂土蠕变潜力评价指数(I_cp),提出了利用砂土颗粒与孔隙特征评价地面沉降中不同砂土层蠕变潜力的方法。     

公路隧道通风竖井岩爆机制颗粒流模拟研究

根据工程地质资料分析,岩爆是秦岭公路隧道2号通风竖井施工过程中的主要难题。岩爆机制是指岩爆发生的物理过程,与岩石的颗粒大小、颗粒胶结和粒间孔隙等结构特征密切相关。根据颗粒流基本理论和竖井混合片麻岩的基本力学特性,进行混合片麻岩细观颗粒参数标定研究。颗粒大小不是一个自由参数,通过颗粒流模拟的相似比分析,采用强度折减方法进行竖井岩爆机制的颗粒流模拟。研究表明,岩爆孕育的细观机制为平行于开挖面的微裂纹萌生-微裂纹扩展、聚合-宏观裂纹的形成,为压致张剪断裂破坏,主要是由张拉裂纹扩展、聚合引起的,是一个渐近破坏过程。研究成果为竖井岩爆稳定性分析提供初步依据。     

中国南海珊瑚砂的多尺度颗粒形貌特征分析

颗粒形貌是影响珊瑚砂力学性质的重要参数,研究珊瑚砂多尺度形貌特征有助于从细观角度阐释其力学特性。基于颗粒动态图像分析技术对不同粒径范围内超过20万个珊瑚砂和陆源石英砂（包括人工破碎石英砂和天然石英砂）颗粒开展颗粒形貌扫描和对比分析,提出了适用于珊瑚砂的颗粒形状分类标准,并从颗粒形状、磨圆度和凸度3个尺度上揭示了海相珊瑚砂与陆源石英砂颗粒形貌的差异性。结果表明：（1）珊瑚砂主要由块状、片状及棒状3种类型的颗粒组成,以伸长率和扁平率为0.5作为珊瑚砂颗粒形状的划分阈值进行颗粒形状分类,该分类方法的准确率可达90%。（2）珊瑚砂中块状颗粒占比最大,且含量大于50%。随着粒径增加,块状颗粒占比增加,片状颗粒占比下降,而棒状颗粒基本维持不变;随着粒径的增加,石英砂中的块状颗粒占比高于珊瑚砂,这是由颗粒的矿物性质决定的,而与颗粒的风化破碎方式无关。（3）人工破碎石英砂的磨圆度与珊瑚砂的较为接近,且略小于天然石英砂。块状颗粒的磨圆度大于片状颗粒,更大于棒状颗粒,因此块状颗粒占比越高,集合体的磨圆度越大。（4）珊瑚砂的颗粒凸度介于0.85～1.00间,石英砂的凸度大于珊瑚砂。随着粒径的增加,珊瑚砂的凸...     

钙质砂一维蠕变分形破碎特性宏微观试验研究

钙质砂是远洋地区港口、机场和民用建筑等构筑物的天然地基材料。通过钙质砂一维压缩蠕变试验和微观结构测试,发现了蠕变前后表面孔隙面积减小且呈分散分布的规律以及试验过程中试样瞬时变形、快速变形和衰减变形特征与粒径的高度相关性;利用基于分形理论改进的相对颗粒破碎率和质量分形维数描述了蠕变前后颗粒破碎程度,得到了分形维数和蠕变与时间的衰减形态曲线关系以及宏观质量分形维数和微观表面分形维数的线性关系,并在此基础上对单一粒径组钙质砂蠕变过程中的分形破碎行为进行了多尺度分析和宏微观跨尺度关联性研究,获得了蠕变过程中颗粒破碎发展以及微观孔隙变化规律,证明了钙质砂蠕变过程中的颗粒重组排列、破碎和研磨行为,揭示了钙质砂蠕变机制。     

Micromechanical modeling of particle breakage of granular materials in the framework of thermomechanics

The particle breakage of granular materials under compression is a phenomenon of great importance. In this paper, a micromechanically based model for the compression of crushable granular materials is developed in the framework of thermomechanics. Both the internal and dissipative energies in the model are derived using the micro–macro volume averaging approach to ensure that all parameters involved have concrete physical meanings. The particle breakage is quantified by the change of the maximum particle size, the size polydispersity and the fractal dimension of the gradation. Compared to other breakage models, there is a major difference that highlights the novelty of the proposed model: neither the ultimate particle size distribution, nor the evolution path of the gradation is predefined in the model. The initiation, evolution and the attenuation of the breakage can be determined by the maximum dissipation principle using thermomechanics and micromechanics. Finally, it is demonstrated that the proposed model can predict the stress dependence of the elastic bulk modulus, the size dependence of the yielding stress and the elastic–plastic-pseudoelastic phase transition of granular materials.

     

An enhanced constitutive model for crushable granular materials

Studies in the past have tried to reproduce the mechanical behaviour of granular materials by proposing constitutive relations based on a common assumption that model parameters and parameters describing the properties, including gradation of individual grains are inevitably linked. However successful these models have proved to be, they cannot account for the changes in granular assembly behaviour if the grains start to break during mechanical loading. This paper proposes to analyse the relation between grading change and the mechanical behaviour of granular assembly. A way to model the influence of grain breakage is to use a critical state‐based model. The influence of the amount of grain breakage during loading, depending on the individual grain strength and size distribution, can be introduced into constitutive relations by means of a new parameter that controls the evolution of critical state with changes in grain size distribution. Experimental data from a calcareous sand, a quartz sand, and a rockfill material were compared with numerical results and good‐quality simulations were obtained. The main consequences of grain breakage are increased compressibility and a gradual dilatancy disappearance in the granular material. The critical state concept is also enriched by considering its overall relation to the evolution of the granular material. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

掘削卵砾石地层颗粒离散元模拟中的细观参数取值讨论

卵砾石地层被掘削时,其主要破坏模式并非一般的宏观整体剪切破坏,而是刀具切入卵砾石间的缝隙,将卵砾石颗粒剥离出原始地层,该过程较为契合颗粒离散元的物理力学假设。为确定掘削工况下的颗粒材料最优细观参数,对不同的颗粒接触法向刚度、接触刚度比、粒间摩擦系数、颗粒形状、颗粒尺寸等的颗粒材料开展了截割三维仿真试验,并分析研究了不同细观参数对掘削效果的影响。计算结果显示:颗粒接触法向刚度、接触刚度比的多种细观参数组合可以对应同一个宏观弹性模量值,接触刚度比大的细观参数组合的抗掘削能力更大。颗粒形状、粒间摩擦系数的多种细观参数组合可以对应同一个内摩擦角值,形状复杂的颗粒材料具有更大的抗掘削能力。在宏观参数相同的情况下,平均粒径更大的颗粒材料抗掘削能力更大。因此,利用颗粒离散元模拟掘削卵砾石地层问题时,除需保证虚拟颗粒材料的宏观整体剪切破坏响应与真实材料基本一致外,还需根据材料的抗掘削能力进一步标定细观参数,以获得更贴近实际情况的模拟效果。文章提出的方法可以为其他颗粒离散元掘削工况数值模拟中的参数标定提供参照依据。     

DEM–FEM analysis of soil failure process via the separate edge coupling method

The concurrent multiscale method, which couples the discrete element method (DEM) for predicting the local micro‐scale evolution of the soil particle skeleton with the finite element method (FEM) for estimating the remaining macro‐scale continuum deformation, is a versatile tool for modeling the failure process of soil masses. This paper presents the separate edge coupling method, which is degenerated from the generalized bridging domain method and is good at eliminating spurious reflections that are induced by coupling models of different scales, to capture the granular behavior in the domain of interest and to coarsen the mesh to save computational cost in the remaining domain. Cundall non‐viscous damping was used as numerical damping to dissipate the kinetic energy for simulating static failure problems. The proposed coupled DEM–FEM scheme was adopted to model the wave propagation in a 1D steel bar, a soil slope because of the effect of a shallow foundation and a plane‐strain cone penetration test (CPT). The numerical results show that the separate edge coupling method is effective when it is adopted for a problem with Cundall non‐viscous damping; it qualitatively reproduces the failure process of the soil masses and is consistent with the full micro‐scale discrete element model. Stress discontinuity is found in the coupling domain. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑颗粒破碎的冻结砂土非线性本构模型研究

颗粒破碎是粒状材料在高应力状态下的一种基本现象。为了研究冻结砂土中颗粒破碎对应力应变关系的影响,将冻结砂土视为复合颗粒材料,忽略冰的压融,考虑内摩擦角随应力状态的变化,构建一个适用于冻结砂土的考虑颗粒破碎的非线性本构模型。构建过程分为三步,首先是基于三轴剪切前后颗粒分析对冻结砂土颗粒破碎模式和产生机理进行探讨;其次是基于考虑颗粒破碎的能量平衡方程,对冻土在三轴剪切试验过程中的颗粒破碎耗能进行分析,结果表明颗粒破碎耗能随轴向应变呈双曲线变化趋势;最后应用考虑颗粒破碎的剪胀方程修正沈珠江三参数非线性模型中的体积切线模量ν_t,得到一个考虑颗粒破碎的非线性本构模型,模型参数可以通过单轴压缩试验和常规三轴试验确定。将原模型和修正后模型的计算结果与控制温度为-6℃,围压为1 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa和10 MPa时冻结砂土的试验结果进行对比,结果表明该模型能够较好的模拟冻结砂土从低围压到高围压的应变软化特征与剪胀特征。      

堆石料大三轴试验的细观模拟

采用三维颗粒流计算程序,对堆石料的大三轴排水剪切试验过程进行了数值模拟。在数值模型的生成过程中,使堆石料集合体达到规定密度和级配;采用动态松弛算法迭代求解,并引入粒间阻尼,以吸收颗粒填装的多余动能使其稳定;颗粒间引入黏结力来提高试样的峰值强度;确定堆石料的细观力学参数,拟合室内试验应力应变曲线。模拟不同围压下堆石料的试验,得到的应力-应变曲线与室内试验基本一致,说明颗粒流方法可以较好的模拟堆石料的大三轴试验过程。由于没有考虑颗粒形状及颗粒破碎的影响,造成大应变剪胀偏大。     

砂土力学性质的细观模拟

基于颗粒流理论,对砂土的室内双轴试验和砂土剪切带形成与发展进行了数值模拟,基本再现了砂土试样应力-应变关系。主要研究了颗粒粒径、颗粒摩擦系数等细观参数变化时试样宏观性质的变化情况。对比分析了室内试验和颗粒流数值模拟试验的砂土剪切带特征。同时对比研究了模型试样颗粒粒径、颗粒刚度和摩擦系数等细观参数的变化,对剪切带的形成与发展过程的影响。结果表明：通过颗粒流数值模型试验可以有效模拟砂土剪切带的形成与发展机理。     

A three‐dimensional micromechanically based model

Granular materials react with complicated mechanical responses when subjected to external loading paths. This leads to sophisticated constitutive formulations requiring large numbers of parameters. A powerful and straightforward way consists in developing micro‐mechanical models embedding both micro‐scale and meso‐scale. This paper proposes a 3D micro‐mechanical model taking into account an intermediate scale (meso‐scale) that makes it possible to describe a variety of constitutive features in a natural way. The comparison between experimental tests and numerical simulations reveals the predictive capability of this model. Particularly, several simulations are carried out with different confining pressures and initial void ratios, based on the fact that the critical state is quantitatively described without requiring any critical state formulations and parameter. The model mechanism is also analyzed from a microscopic view, wherein the evolution of some key microscopic parameters is investigated. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

水泥改良风积砂负温动力性能与流变特征研究

为研究水泥掺量对风积砂改良效果影响及不同负温、频率下的改良风积砂动力特征,开展了单轴、动力循环加载和蠕变试验。通过单轴试验获得了不同水泥掺量的改良风积砂7、28 d单轴抗压强度,并结合冻胀量随时间变化规律确定了最优水泥掺量;通过动力循环试验测定了不同次数的滞回曲线,确定了改良风积砂动弹性模量衰减、动损伤和阻尼比的演化规律;通过流变试验确定了能够描述滞回曲线流变特征的西原模型参数,建立了屈服前后滞回曲线的演化方程,并给出了每个循环内的时间划分标准。研究发现：（1）电镜观测显示水泥在风积砂颗粒间形成絮状连接结构,增加颗粒间的黏结强度,有效抑制动力损伤发展;（2）负指数模型可以描述改良风积砂动弹性模量衰减特征,阻尼比随加载次数增加逐渐变大,最终趋于某一定值,掺入水泥可以有效控制阻尼比发展;（3）提出了考虑围压影响的改进西原模型,根据实际加载特征建立了滞回曲线的加载方程,最小二乘原理可以对流变参数进行识别。