动态荷载下胶结充填体力学响应及能量损伤演化过程研究

为研究尾砂胶结充填体的动态力学性能及能量损伤演化过程,采用分离式霍普金森杆对尾砂胶结充填体进行了不同应变率下的冲击加载试验。试验结果表明：充填体的动态抗压强度和动态抗压强度增强因子随应变率的增加呈指数函数递增规律,且水泥含量越低的充填体应变率效应更显著;充填体的峰前能耗量密度、峰后能耗量密度、单位体积应变能及总能耗量密度随应变率的增加均呈指数函数递增规律,且动态抗压强度与峰后耗散能密度具有明显的正相关关系;冲击载荷作用下,充填体变形破坏主要经历了线弹性变形、屈服破坏及峰后破裂这3个阶段;在充填体的线弹性变形及屈服破坏阶段,能量以弹性应变能的形式储存在试样内部,而在峰后破裂阶段,能量以耗散能释放为主;冲击加载下,充填体的受荷能量损伤演化过程划分为损伤稳定发展阶段、损伤加速阶段及损伤破坏阶段3个阶段。     

不同围压下板岩三轴压缩过程能量及损伤分析

根据不同围压下板岩三轴试验的结果,研究不同围压下板岩的能量变化规律和损伤分析。研究结果表明,不同变形阶段板岩的弹性应变能、耗散能的变化情况不同,弹性应变能先增加后减小,耗散能加载初期几乎为零,进入屈服段急剧增加。根据弹性应变能与总吸收能之比将岩石压缩过程中裂隙发展划分为3个阶段:裂隙稳定发展阶段、裂隙加速发展阶段和裂隙贯通阶段。岩样破坏后总吸收能、耗散能与围压的关系表明,从开始加载到屈服段,畸变比能和体变比能之和Ue'大体等于弹性应变能Ue;从屈服段到峰值强度,Ue'小于Ue且差值越来越大。从能量角度定义损伤变量,认为:低围压状态对应较低的耗散能、较高的损伤值;高围压状态对应较高的耗散能、较低的损伤值。      

胶结充填体三轴压缩变形破坏及能量耗散特征分析

充填体的变形破坏、能量耗散与围压的变化密切相关,通过开展不同灰砂配比、浓度的充填体单轴、三轴压缩试验,基于系列试验结果,研究了不同围压加载阶段充填体的变形特征、破坏模式及能量耗散与围压的内在关系。结果表明,随着围压的增加,充填体的峰值应变随之增大,且两者呈线性相关;低围压时充填体呈现脆性破坏,表现为应变软化特征,随着围压增大,充填体由脆性向应变硬化转化,灰砂比越大、浓度越高,充填体发生脆-延性的临界围压值越大。充填体的破坏裂纹发展形式各异,大致可分为单一、平行、交叉和复合4种类型;宏观破坏表现主要呈“X”状、“Y”状剪切模式,破坏面的类型主要分为：直线式光滑摩擦面、圆弧式破碎摩擦面、直线式破碎摩擦面以及台阶式破碎摩擦面。充填体的峰值强度与围压也呈正线性相关,内摩擦角对灰砂比的敏感性要高于浓度。围压的增大能够相当程度上提高充填体各阶段的应变能,峰前、峰后能耗量、单位体积变形能以及总能耗与围压皆呈正相关性。     

水-力耦合条件下砂岩声发射和能量耗散的颗粒流模拟

对砂岩进行水-力耦合三轴试验和声发射实时监测,得到水-力耦合作用下砂岩应力-应变曲线和声发射数据。根据试验条件和结果建立离散元颗粒流的水-力耦合双轴模型,研究砂岩声发射和能量演化规律。通过定义耗散能,用耗散能增量较好地诠释了声发射的发展规律。利用微破裂源可追踪声发射局域源,得到水-力耦合条件下的声发射空间分布和裂纹类型。研究表明：（1）孔隙水压力对颗粒的拖拽力削弱了颗粒间的平均接触力,从而降低了砂岩整体强度。（2）孔隙水压力反映出对弹性应变能有一定程度的反复“贮存和清空”作用,造成声发射能量相对离散和峰后的应力波动。（3）渗透压的存在提升了总输入能的耗散效率,降低了总输入能和弹性应变能,须综合考虑总输入能（弹性应变能）和耗散效率才能确定累计耗散能。（4）裂纹分布表现为可能出现与主剪切带呈一定夹角的伴生裂隙带,且受水-力梯度影响,进水端比出水端更密集。（5）张拉裂纹与剪切裂纹的比值于峰值强度处显著增加,峰后趋于稳定。     

岩石摩擦滑动变形演化及声发射特征研究

进行岩石摩擦滑动变形演化过程的声发射特征试验研究。以数字散斑相关方法和声发射系统为试验监测手段,采用双面剪切模型试验方法,开展界面摩擦滑动速率与声发射振铃计数、界面摩擦滑动位移与声发射累计能量、试件变形能密度与声发射b值的对应关系研究。结果表明：（1）声发射振铃计数演化受岩石界面摩擦滑动速率影响,界面摩擦滑动速率的突变与声发射振铃计数激增有较好对应关系;（2）界面摩擦滑动位移与摩擦滑动过程中声发射累计能量演化趋势具有较好的对应关系,可以利用声发射累计能量对岩石摩擦滑动位移的变化趋势进行定性判断;（3）通过声发射b值演化分析可以得出,在剪应力缓慢增长阶段,界面摩擦滑动以随机分布的小尺度微破裂为主;在剪应力线性增长阶段后期,界面摩擦滑动以锁固段的大尺度微破裂为主;在剪应力波动增长阶段,岩石摩擦滑动失稳既可能是由小尺度微破裂为主引发的状态转化,又可能是由以锁固段大尺度微破裂为主引发的稳定状态转换。     

砂岩分级加卸载蠕变试验过程能量演化分析

对陕西柠条塔砂岩样品进行单轴分级加卸载蠕变试验，分析样品变形破坏过程中的能量演化规律。结果表明：随循环级数增加，各级耗散能非线性增长，各级塑性应变能相对稳定；耗散能超过塑性应变能可作为样品破坏的先兆能量特征。通过定义相关系数，建立能量与变形之间的关系后发现：随循环级数增加，各级塑性应变能与各级新增塑性应变呈正相关性，各级耗散能与塑性应变累积量呈正相关性。分别对加载、蠕变、卸载及恢复等4个阶段的能量计算后得出：各阶段能量演化速率均随循环级数的增加而增大。加、卸载速率恒定时，加载段能量变化率大于同级卸载段能量变化率，蠕变段能量变化率大于同级恢复段能量变化率。通过分析各级循环加载段能量变化规律，提出能量衰减系数 ，该值随应力水平增长呈幂函数形式降低，以此提出一种可以有效预测破坏应力的方法。     

花岗岩巴西劈裂渐进破坏特征与能量演化研究

既有的巴西劈裂试验与模拟研究多集中在宏观破坏模式与细观演化规律上,对劈裂渐进过程的能量演化特征的分析较少。结合数字图像相关技术(DIC)与声发射实时监测,开展花岗岩的巴西劈裂实验。首先分析实验过程中,岩石破裂模式与破裂尺度的演化规律。在此基础上,采用颗粒流程序(PFC2D)对劈裂试验过程进行数值模拟,分析实验过程中内部裂纹演化过程的能量特征。试验与数值模拟对比结果表明:加载过程中岩样的损伤变化一共经历了4个阶段,即裂隙压密阶段(Ⅰ)、裂纹萌生阶段(Ⅱ)、裂纹扩展阶段(Ⅲ)、峰后破坏阶段(Ⅳ)。试样在裂隙萌生和裂纹扩展阶段以拉张型微破裂为主,裂纹扩展阶段后期产生剪切型破裂,并在加载直径方向形成大尺度裂纹并贯穿整个圆盘形成宏观破坏;试样在裂隙压密和萌生阶段几乎无耗散能,外力所做功几乎都转为岩体内可释放应变能,在破裂扩展后期应变能快速释放,声发射能量在峰值应力附近时达到最大值,峰后破坏阶段试件的可释放应变能快速减小,能量通过形成大量新裂面被耗散掉。     

单轴压缩下红色砒砂岩水泥土的能量演化机制研究

砒砂岩水泥土受荷变形的过程中伴随着能量的积聚和耗散,在能量的驱动下致使水泥土变形破坏。为了探寻单轴加载过程中砒砂岩水泥土的能量演化规律,根据不同养护龄期和不同水泥掺量下砒砂岩水泥土在变形破坏过程中总能量、峰值点总能量、峰值点弹性应变能、峰值点耗散能的演化规律,从能量的角度分析了龄期和水泥掺量对砒砂岩水泥土的影响。研究表明:能量耗散与砒砂岩水泥土的强度衰减密切相关,试样受荷过程中的损伤情况可以用耗散能的多少来反映,砒砂岩水泥土单轴受压破坏的整个过程中,破坏总能量和耗散能均呈“S”状增长,弹性应变能呈先增加后减小的“凸”状趋势发展;随水泥掺量的增加有效能比也随之增加,不同龄期下各水泥掺量的砒砂岩水泥土都是以吸收弹性能为主,而峰值点应变能可以代表水泥土试样的储能极限,因此有效能比、峰值点应变能能够很好地反映砒砂岩水泥土抵抗破坏的能力。通过利用能量分析原理对砒砂岩水泥土的变形过程进行研究,可以打破以往仅仅利用传统的应力-应变强度来描述其破坏特征的思路,为该类材料的受荷变形分析提供了新的方法和思路。     

基于图像测量的饱和细砂排水剪切试验研究

将计算机数字图像测量技术应用于土工静力三轴试验的土样变形测量,实现了土样变形的非接触测量。针对南宁饱和细砂,采用干装敲击法和控制不同初始成样含水率的湿装夯实法制备松砂和密砂试样,联合采用数字图像测量技术与常规三轴变形量测方法,在不同围压下进行了固结排水剪切试验。着重探讨了成样方法、初始成样含水率、密实程度、固结围压对两种量测方法所获得的应力-应变关系与邓肯-张模型中的切线模量5参数的影响。试验结果表明：成样方法、初始成样含水率、密实程度和围压决定土样的剪切破坏形式,影响应力-应变关系;剪切破坏的形式以及剪切带位置的不同,导致图像测量和常规三轴试验获得的轴向应变和偏应力数值均存在不同程度的差异;邓肯-张模型5参数不仅受到试样的成样方法、初始成样含水率、密实程度的影响,而且受到量测方法的影响。     

基于离散元法的砂土破碎演化规律研究

颗粒破碎是影响砂土宏-微观力学性质的重要因素。采用改进型的可破碎颗粒生成方法,通过设置不同强度的平行黏结键模拟不同强度的可破碎颗粒,并借用基于离散元方法（DEM）的双轴压缩试验详细研究了可破碎性土在剪切过程中颗粒破碎率/平均破碎程度、微观尺度上的能量耗散分配机制、剪切破碎带形成以及断裂键各向异性的演化过程。结果表明,颗粒破碎强烈地影响砂土在宏观尺度上的力学响应、颗粒尺度上的能量分配机制以及剪切过程中的颗粒的组织结构演化。颗粒破碎主要影响小应变阶段各能量耗散元的分配机制,而在临界状态下剪切带内的颗粒摩擦以及破碎耗能是消耗外界功的主要因素。数值结果亦表明,颗粒的破碎伴随着整个剪切过程,但破碎率的增长速度却随着剪切应变的发展逐渐降低。另外,在剪切过程中,对于低破碎性土,在临界状态下剪切破碎带基本形成,带内的原有组织结构被打乱,断裂键的各向异性也随之弱化。     

细颗粒粘滑运动的能量耗散与释放试验

近年来,利用断层产物以及其中的颗粒来研究断层或地震带的能量耗散与释放,已引起大家的重视.在围压分别为30 kPa、60 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa和600 kPa的条件下,采用直径为0.6~0.8 mm的玻璃珠以0.02 mm/min的轴向应变速率进行干燥、松散细颗粒材料的固结不排水三轴压缩试验.为了减少轴向应变过大时主应力轴旋转产生的误差及其对做功的影响,试验只分析加载后轴向应变为10%时试样变形破坏过程中的能量耗散与能量释放特性.试验结果表明:随着围压的增大,主震频率减小、偏应力降幅增大,但偏应力降幅与最大偏应力的比值逐渐趋于稳定.粘滑运动过程中,在偏应力骤降瞬间,声发射强烈、试样体积收缩,说明能量控制着试样的变形与破坏特征,耗散结构能量越大,系统发生滑动的频率越小.粘滑运动过程可以表示为能量耗散与能量突然释放.最后,从热力学的角度分析滑动过程的3个阶段,得出粘滑运动为不可逆耗散能与可释放应变能共同作用的结果.      

Macroscale friction of granular soils under monotonic and cyclic loading based upon micromechanical determination of dissipated energy

Macroscopic frictional behavior of granular materials is of great importance for studying several complex problems associated with fault slip and landslides. The main objective of this study is to model the macroscale frictional behavior of granular soils under monotonic and cyclic loadings based upon micromechanical determination of dissipated energy at particle contacts. This study is built on the general observation that the externally computed energy dissipation should be equal to the total internal energy dissipation derived from inter-particle sliding and rolling, energy losses from inter-particle collisions, and damping. For this purpose, the discrete element method is used to model a granular soil and determine the stored, dissipated, and damping energies associated with shear loading for applied monotonic and cyclic velocities. These energies are then related to the friction by an application of the Taylor-critical state power balance relationship. Also, the contributions of the different modes of energy dissipation (normal, shear, and rolling) to the total frictional resistance were studied. By changing the inter-particle friction, the simulations showed that the macroscopic friction was nearly constant, the slip friction increased almost linearly with increasing inter-particle friction, and the difference between the two was attributed to the non-energy dissipating dilatancy component. By providing a clear relationship between energy dissipated by micro-scale mechanisms versus the traditional engineering definition based on macro-scale (continuum) parameters, this study provides a means to develop a better understanding for the frictional behavior of granular media.

     

Microscale Energy Dissipation Mechanisms in Cyclically-Loaded Granular Soils

This paper utilizes the Discrete Element Method to characterize energy dissipation mechanisms in cyclically loaded soils based on micromechanical considerations. Computational simulations of consolidated undrained cyclic triaxial tests were conducted at various relative densities and were subjected to cyclic loading of different frequencies and shear strain amplitudes. The different components of microscale energies were monitored during the course of the simulations and characterized into input and dissipated energies. A comparison is made between the dissipated energy computed from microscopic energy components and macroscopic energy calculated based on the area of the deviator stress-axial strain loops. These energies are then used to obtain the specific damping capacity defined as the ratio of dissipated energy during one cycle to the maximum stored elastic energy during the same cycle. The conducted simulations highlight the importance of calculating actual stored energy in the system as opposed to approximating it to be that calculated as the triangular area under the secant modulus. Finally, a series of simulations that resulted in liquefaction are discussed, and the amount of energy dissipated to liquefaction is examined based on these results.     

滑坡时空演化规律及覆管力学响应研究

山体滑坡是威胁天然气管道安全运营的主要地质灾害,研究适应于滑坡演化规律及覆管力学响应状态的分析方法具有重要的工程意义。为此,首先采用坡体系统（阻滑段－下滑段）总势能平衡方程,即拉格朗日变分方程,并基于最小势能原理,获得坡体失稳滑移的临界条件——下滑段应变能释放量等于阻滑段破裂贯通所需要的应变能时,坡体即发生滑移,坡体内部储存的应变能转化为动能。一方面,根据滑动全过程中的岩土体颗粒与管道外壁接触关系,提出了滑坡两阶段的管道力学响应模式;另一方面,考虑岩土体颗粒的碎散度,分别构建岩质滑坡作用下管道的均匀受力模式及土质边坡管道的非均匀受力模式。鉴于此,从小尺度管土相互作用的力学响应出发,推导出岩质边坡与土质边坡滑动前后阶段的管道弹性部分受力表达式。最后,以川气东送EES244段天然气管道跨越滑坡为研究对象,建立了边坡系统总势能方程,分析出坡体的变形、失稳及滑移情况,计算出管道在不同滑动阶段的应力值,对管道的安全性进行了评价。同时,采用数值模拟的方法,从整体大尺度角度对全管段进行受力分析与安全性校核。结果表明：滑动区与未滑动区的交界面附近管道出现应力突变,滑动区内部应力小幅度增加,但整体处于安全稳定状态。因此,采用的小尺度理论计算与大尺度整体数值模拟的研究方法,对拟建管道前期设计、现役管道安全评价和后期管道维修等具有指导意义及实用价值。     

A micromechanical study of rolling and sliding contacts in assemblies of oval granules

The evolution of the microstructure of an assembly of cohesionless granular materials with associated pores, which carry the overall applied stresses through frictional contacts is a complex phenomenon. The macroscopic flow of such materials take place by the virtue of the relative rolling and sliding of the grains on the micro‐scale. A new discrete element method for biaxial compression simulations of random assemblies of oval particles with mixed sizes is introduced. During the course of deformation, the new positions of the grains are determined by employing the static equilibrium equations. A key aspect of the method is that, it is formulated for ellipse cross‐sectional particles, hence desirable inherent anisotropies are possible. A robust algorithm for the determination of the contact points between neighbouring grains is given. Employing the present methodology, many aspects of the behaviour of two‐dimensional assemblies of oval cross‐sectional rods have been successfully addressed. The effects of initial void ratio, interparticle friction angle, aspect ratio, and bedding angle on the rolling and sliding contacts are examined. The distribution of normals to the rolling and sliding contacts have different patterns and are concentrated along directions, which are approximately perpendicular to one another. On the other hand, the distribution of all contact normals (combined rolling and sliding) are close to that of rolling contacts, which confirm that rolling is the dominant mechanism. This phenomenon becomes more pronounced for higher intergranular friction angle. Characteristics of the rolling and sliding contacts are also discussed in the context of the force angle, which is the inclination of contact force with respect to the contact normal. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

水平多股淹没射流水力特性及消能分析

针对不能采用挑流消能型式的大型水电工程,提出了多股多层水平淹没射流新型消能型式.它是利用与下游消力池底板具有一定高差且基本平行的多股射流进入消能水体的中间,在每一股射流的四周形成强剪切并各有一个较为稳定的三元紊动旋滚的水平多股淹没射流进行消能.对该消能方式的水力特性和消能特性进行理论分析,推导出三元水平多股淹没射流水力参数计算公式,计算结果表明它是一种流态稳定、适应性强、低雾化、高消能率,有利于降低临底流速的新型消能方式.     

A lattice type model for particulate media

In this paper, a lattice-type model to simulate the micro-mechanical behaviour of particulate/granular media is presented. In this numerical model, a particulate assembly is simulated as a lattice/truss. Nodes located at contacts between a particle and its neighbours are linked by bars to each other. Each particle is represented by a lattice within its microstructure and particle interact through load transfer at the nodes. Constraints are prescribed at the nodes to describe active, deactivated and reactivated contacts. When a particulate assembly develops into a mechanism (deformation with zero incremental load), further deformation is simulated through a framework that describes the kinematics of the particles (sliding, rolling and rotation of particles). This framework is formed by introducing nodes at the particle centroids and linking them with bars. Bars-linking particles with a non-sliding contact are assigned large stiffnesses relative to bars linking particles with a sliding contact. Numerical tests are conducted on two-dimensional assemblies of disks, arranged as very loose and very dense packing under simple shear loading conditions. The results concord with the results of numerical tests conducted using the discrete element method and with photoelastic experiments. Additionally, the model is applied to study the effects of initial imperfections caused by particles with low elastic modulus. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

强震作用下崩塌滚石冲击耗能损伤演化分析

强震触发崩塌滚石冲击耗能损伤是防护工程设计的重要指标。为探索冲击过程中滚石耗能损伤演化过程,采用热力学定律分析了冲击过程中能量的传递与耗散,通过定义冲击耗能损伤因子D、D_max,建立了滚石冲击耗能损伤理论模型与适用模型。结合工程实例,反算极限冲击力对模型进行论证与分析,提出模型的推广应用。结果表明:滚石冲击耗能损伤过程满足热力学第一定律,能量主要贡献于防护工程弹塑性势能的积聚,D_max受滚石质量、弹性模量、抛射初速度、最大冲击力、有效作用面积等的影响;最大冲击力持续增加,极限冲击耗能损伤因子增大,达到线性函数与抛物线函数图像交点C（1031 kN,0.9965）时曲线出现拐点。模型推广得到广义范围下的冲击耗能损伤演化函数曲线,冲击耗能损伤全过程在损伤响应、损伤线性、损伤渐进三个阶段的临界位置出现2次损伤拐点;随滚石质量增加,最大冲击力增大,极限冲击耗能损伤因子曲线先呈抛物线减小,再呈线性增加,最后呈抛物线逐渐增加直到无限趋近于1。从能量角度定量分析其损伤本质,对探究滚石运动过程能量耗散机制及防护工程的设计具有重要意义。