Modeling the particle breakage of rockfill materials with the cohesive crack model

A practical combined finite–discrete element method was developed to simulate the breakage of irregularly shaped particles in granular geomaterials, e.g., rockfill. Using this method, each particle is discretized into a finite element mesh. The potential fracture paths are represented by pre-inserted cohesive interface elements (CIEs) with a progressive damage model. The Mohr–Coulomb model with a tension cut-off is employed as the damage initiation criterion to rupture the predominant failure mode occurs at the particle scale. Two series of biaxial tests were simulated for both the breakable and unbreakable particle assemblies. The two assemblies have identical configurations, with the exception that the former is inserted with CIEs and is breakable. The simulated stress–strain–dilation responses obtained for both assemblies are in agreement with experimental observations. We present a comprehensive study of the role of particle breakage on the mechanical behavior of rockfill materials at both the macroscopic and microscopic scales. The underlying mechanism of particle breakage can be explained by the force chain in the assemblies.     

堆石料单粒强度尺寸效应的颗粒流模拟方法研究

围绕堆石料单粒强度尺寸效应的颗粒流模拟方法展开研究。首先,基于FISH二次开发建立了堆石料的随机不规则单粒模型,充分考虑堆石料的形状特征和破碎现象;然后,建立了堆石料单粒强度尺寸效应的等效模拟方法,以单粒强度随其粒径的变化规律为基础,推导了堆石料模型中细观黏结强度与堆石料等效粒径的负指数经验公式;其次,基于建立的数值模型对堆石料的室内单粒压缩试验进行仿真模拟,验证数值模型的正确性和合理性,并对较大粒径堆石料的单粒强度进行模拟预测,突出数值试验的优势;最后,基于建立的数值模型对相同粒径不同形状特征堆石料的单粒强度分布特征进行模拟研究。研究结果表明：（1）堆石料内部缺陷含量和尺寸随粒径增加对其单粒强度所产生的尺寸效应,可通过堆石料模型中细观强度参数随粒径折减进行等效模拟;（2）形状特征对堆石料的破裂机制具有重要影响,方形颗粒为压剪破裂,单粒强度较高,而随机不规则颗粒和圆形颗粒为拉剪或劈裂,单粒强度相对较低;（3）拉剪或劈裂条件下,堆石料形状越不规则,其单粒强度的离散程度越高,反之则离散程度越低。相关研究成果可为进一步研究荷载作用下堆石体内各粒径段堆石料的破碎量奠定基础,从而更加真实地反映堆石体的级配演化规律。     

颗粒破碎效应对堆石坝应力变形的影响

颗粒破碎对堆石体的变形有重大影响,颗粒破碎除与母岩强度有关外,与应力状态密切相关,高堆石坝堆石体的大部分变形正是高应力场下颗粒破碎的反映。沈珠江院士提出的南水双屈服面模型虽可以较全面地反映堆石体的变形特性,但未充分考虑颗粒破碎引起的剪缩特性,因此坝体变形计算结果往往偏小,适用于中低堆石坝的分析中。本文的计算方法在南水双屈服面模型的基础上,考虑了堆石体在一定应力状态下颗粒破碎引起的应变,较真实地反映了堆石体的变形特性,可为堆石坝尤其是高堆石坝的应力变形研究提供更为合理的结果。     

基于颗粒流的堆石料三轴剪切试验研究

近年来频发的地质灾害使得深入研究大坝堆石体受力变形机制显得愈发迫切和重要。针对堆石颗粒具有形状极其不规则、咬合作用突出的特点,编写了一个简单易用的程序来随机生成形状不规则的数值颗粒。以正四面体为核,按照晶胞繁衍的方式,生成堆石的仿真颗粒集合体。模拟排水剪切条件下的大三轴试验,通过分析数值试验过程中细观参量的变化规律,探讨三轴剪切条件下堆石体变形的细观机制。分析表明,按照晶胞繁衍法生成的数值颗粒与圆颗粒相比能更好地模拟堆石,由颗粒簇形成的咬合力能形成更真实的力-变形关系;数值试验得到的应力-应变曲线和体变曲线与室内三轴试验结果基本一致;颗粒的破碎速率是联系堆石体宏、细观力学性质的重要纽带,通过分析堆石体颗粒破碎4个阶段细观参量的变化规律,深化了对堆石体变形机制的认识。     

考虑颗粒强度尺寸效应的原型堆石料破碎特性研究

高土石坝中,堆石体颗粒破碎是导致坝体变形的主要因素之一。但是由于原型坝料的颗粒尺寸较大,其破碎程度难以直接通过室内试验度量,因此通常要将原型级配缩尺为60 mm以下的小粒径级配堆石料,然后才能进行室内试验。而由于原型和试验级配差异较大,导致试验测得的参数往往和原型坝料实际参数有较大差异,因而影响了原型坝料力学特性的深入研究。这里提出了一种新的实时预测原型坝料破碎的方法。首先在颗粒尺度上,基于单粒强度的Weibull分布理论和颗粒分形破碎理论,阐述了原型堆石料级配演化的推求过程;然后通过单粒强度试验测得了相关参数,并与三轴试验测得的试样级配曲线对比,验证了参数选取的合理性;之后分析了颗粒强度离散程度对于原型坝料级配曲线形状的影响;最后,讨论了加载过程中原型级配和试验级配堆石体的相对破碎参量和受力状态的关系。     

堆石料三维形状量化及其对颗粒破碎的影响

筑坝堆石料由于尺寸较大,必须对其按一定比例缩尺后才能用来开展室内三轴试验。但缩尺前后颗粒形状难免会有差异,如何评价颗粒形状变化对堆石料变形特性的影响是十分重要的。引入了高精度的三维激光扫描技术对紫坪铺面板坝筑坝堆石料2.5～5、5～10、10～20 mm以及20～40 mm 4个粒径组的颗粒进行了空间形状分析,在此基础上进一步开展了单一粒组的三轴试验,研究了4个粒组的颗粒形状指标与颗粒破碎率的相关性。试验表明,紫坪铺堆石料颗粒破碎率随着其平均球度的增加而减小,并且呈近似半对数线性关系;随着围压的增加,颗粒形状对颗粒破碎的影响逐渐减弱,颗粒强度的影响逐渐增大。紫坪铺堆石料的颗粒强度随着颗粒尺寸的增加逐渐减小,但其破碎率反而随着颗粒尺寸的增加而逐渐减小,主要是因为试验所采用的紫坪铺堆石料颗粒尺寸越小时,其形状越不规则。因此,研究缩尺效应对颗粒破碎率的影响时,要同时考虑颗粒尺寸和颗粒形状。     

Discrete modelling of time‐dependent rockfill behaviour

This modelling study deals with the time‐dependent behaviour of rockfill media, which is of particular interest during the life of rockfill dams. Breakage of rock blocks and crack propagation are the main processes responsible for rockfill creep and collapse. The modelling procedure presented here is performed on two scales: on the rock block scale, where the grain is taken to be an assembly of rigid particles initially endowed with cohesive bonds, and on the rockfill scale, which is taken to involve a set of breakable grains interacting via contact and friction processes. The grain breakage process is described in term of a thermodynamically consistent damage interface model, where the damage is a gradual delayed process. This model was implemented in a non‐smooth contact dynamics code. The effects of the main parameters involved were analysed by performing numerical studies. The ability of the model to predict the creep behaviour of rockfill media is confirmed by presenting several simulations. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

堆石料单轴流变试验的颗粒流模拟

岩石断裂力学的亚临界裂缝扩展理论认为微裂缝扩展可导致岩石破碎,即岩石颗粒破碎具有时间效应。根据亚临界裂缝扩展理论,提出了考虑微裂缝扩展导致堆石颗粒破碎时间效应的数值流变模拟新方法,并进行了考虑颗粒不同典型破碎模式的单轴流变颗粒流数值试验。在对比数值与室内流变试验曲线的基础上,分析了数值流变过程中颗粒破碎情况与颗粒体内部结构发展过程等。研究成果表明,两种试验手段得到的堆石流变的发展趋势基本一致,由微裂缝扩展引起的颗粒延时破碎是堆石流变的主要原因之一,深化了对堆石料变形机制的认识。     

应力路径和干湿状态对堆石料颗粒破碎的影响研究

堆石料颗粒破碎是引起高土石坝变形的重要因素。在大坝填筑、蓄水期,堆石料的应力路径和干湿状态均是变化的。通过大型三轴试验,系统地研究了应力路径和干湿状态对堆石料颗粒破碎规律的影响。试验结果表明：（1）相同初始条件下,按不同应力路径达到同一轴向应变停机时测定的颗粒破碎率是不同的,等围压?3试验产生的颗粒破碎最大,等平均主应力p试验的次之,等最大主应力?1试验的最小,但不同应力路径下的颗粒级配演化规律是一致的。（2）相同初始条件下,湿样的颗粒破碎率明显高于干样,且二者的差距随着围压的增大而增大,不同干湿条件下的颗粒级配演化规律同样是一致的。（3）建立的考虑母岩强度的颗粒破碎率与塑性功的关系可以较好地统一描述不同应力路径及干湿状态下的颗粒破碎。该研究成果可为建立复杂应力路径及干湿变化条件下考虑颗粒破碎的堆石料弹塑性本构模型提供依据。     

堆石料的剪胀特性与广义塑性本构模型

以三轴试验成果为基础,考虑颗粒破碎引起堆石料剪胀比与应力比之间的非线性关系,提出了能够反映堆石料低围压剪胀、高围压剪缩特性的剪胀方程。在广义塑性理论框架内构造堆石料的塑性流动方向向量和加载方向向量,引入依赖于密实度与平均应力的压缩参数,构造随平均应力、剪应力比和密实度变化的塑性模量,建立了一个考虑颗粒破碎的堆石料弹塑性本构模型。阐述了该模型10个参数的确定方法,并通过模拟不同围压和不同应力路径下堆石料的三轴压缩试验资料验证了模型与参数的合理性。     

堆石蠕变机理分析与颗粒破碎特性研究

根据大型压缩仪完成的堆石蠕变试验,结合颗粒破碎测试试验,对蠕变产生的机理进行了简要的理论分析,在力的作用下,细化破碎的堆石颗粒滑移充填孔隙是发生蠕变的重要原因。堆石颗粒的破碎可分为对应于主压缩变形的颗粒破碎和伴随蠕变变形的颗粒破碎。颗粒破碎引起堆石级配的细微改变,从而形成后期变形。     

珊瑚砂高压力下一维蠕变分形破碎及颗粒形状分析

珊瑚砂是一种含钙极高的海洋生物成因材料,具有高棱角性、形状不规则、易破碎等特点。通过珊瑚砂的高压一维蠕变试验,研究颗粒破碎引起颗粒分布曲线和形状因子的演化规律。借助于高速动态图像的激光粒度粒形仪器,从统计学的角度分析试验前后颗粒形状随压力演化的关系,发现颗粒的形状因子,如长宽比、球形度和凹凸度等,随压力增加而逐渐增加。不同粒径的颗粒形状因子均向一个窄幅范围趋近,说明颗粒破碎具有无尺度性和自相似性的分形特性,分形维数随压力增加而逐渐增大,且趋近分形破碎极限。采用Hardin和Einav的方法计算相对破碎量,发现在两种计算方法下相对破碎量与压力呈幂函数关系,且幂指数相同。相对破碎量随时间增加的现象并不明显,说明在高压力下颗粒破碎主要为压缩破碎,且颗粒细化滑移填充孔隙引起的变形是造成蠕变的主要原因。     

粗粒料强度和变形的大型三轴试验研究

通过大型三轴试验,对高低围压下粗粒料的应力应变特性、抗剪强度、内摩擦角和颗粒破碎特性进行了对比分析,并探讨了不同泥岩含量对堆石坝料强度的影响。结果表明：中高围压下粗粒料表现出应变硬化特性和剪缩,强度包线和不同围压下的最大主应力比与剪胀率的关系近似为线性,而低围压下主要表现为应变软化和剪胀,抗剪强度包线等表现为非线性。随着围压的增加,主应力比降低、颗粒破碎率增大、内摩擦角减小。泥岩含量的增加使颗粒表面的摩擦阻力与粒间的咬合力减弱,导致抗剪强度降低。     

考虑颗粒破碎效应的堆石料静动力本构模型

为合理反映颗粒破碎对堆石料力学特性的影响,基于试验结果分析,得出了堆石料在压缩和剪切作用下的颗粒破碎特性规律。通过引入压缩破碎和剪切破碎的相关参数,借鉴已有本构模型的合理定义,吸收临界状态理论和边界面理论的优点,发展了考虑颗粒破碎和状态相关的堆石料静动力统一弹塑性本构模型,并阐述了模型参数的确定方法。该模型不仅能够反映堆石料在静力荷载作用下的低压剪胀、高压剪缩、应变软化和硬化等特性,还能够反映在循环荷载作用下应力-应变的滞回特性和残余变形的累积效应。最后为验证模型的合理性,分别对堆石料的静力三轴和循环三轴试验进行了数值模拟预测,结果表明：模型预测与试验数据吻合良好,所提出的本构模型能够合理地描述颗粒破碎对堆石料静动力变形特性的影响。     

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。     

考虑破碎的堆石料颗粒流数值模拟

以双江口300 m级高土石坝为工程背景,根据有关资料的试验数据,利用二维颗粒流计算机仿真技术对堆石料在一定围压下的颗粒破碎情况进行了数值模拟,数值试样由2 574个簇颗粒单元组成。数值模拟与室内平面应变试验结果对比表明,用选定的细观参数进行数值模拟与平面应变试验结果基本一致,说明用颗粒流方法进行数值模拟能够较好的再现堆石料的颗粒破碎特性。与室内试验相比,数值仿真模拟还能得到颗粒破碎的细观演化规律和破碎带的分布范围,从而为进一步建立考虑颗粒破碎的堆石坝本构模型,研究大坝填筑、水库蓄水过程以及地震情况下的颗粒破碎过程以及颗粒破碎所引起的坝体变形提供了一条途径。     

混凝土面板堆石坝蠕变沉降经验模型及其应用

根据岩土材料Merchant、Bergers和Butterfield蠕变模型的基本形式,建立3种预测混凝土面板堆石坝蠕变沉降经验模型。以蒲石河混凝土面板堆石坝为例,采用非线性有限元方法数值模拟堆石坝的顺序填筑过程。根据堆石坝沉降现场观测数据,采用回归分析方法确定3种沉降经验模型中的待定参数,确定堆石坝的蠕变沉降随时间的变化关系。工程实践应用结果表明,所提出的堆石坝蠕变沉降经验模型具有较高的拟合和预测精度,堆石坝的蠕变沉降除与时间有关之外,还与观测点的应力状态和位置以及堆石料的变形模量有关。     

Effects of particle size on crushing and deformation behaviors of rockfill materials

Strength and deformation behaviors of rockfill materials,key factors for determining the stability of dams,pertain strongly to the grain crushing characteristics.In this study,single-particle crushing tests were carried out on rockfill materials with nominal particle diameters of 2.5 mm,5 mm and 10 mm to investigate the particle size effect on the single-particle strength and the relationship between the characteristic stress and probability of non-failure.Test data were found to be described by the Weibull distribution with the Weibull modulus of 3.24.Assemblies with uniform nominal grains were then subjected to one-dimensional compression tests at eight levels of vertical stress with a maximum of 100 MPa.The yield stress in one-dimensional compression tests increased with decreasing the particle size,which could be estimated from the single-particle crushing tests.The void ratio-vertical stress curve could be predicted by an exponential function.The particle size distribution curve increased obviously with applied stresses less than 16 MPa and gradually reached the ultimate fractal grading.The relative breakage index became constant with stress up to 64 MPa and was obtained from the ultimate grading at the fractal dimension(a?2:7).A hyperbolical function was also found useful for describing the relationship between the relative breakage index and input work during one-dimensional compression tests.     

考虑非线性徐变的混凝土温度裂缝扩展过程模拟

混凝土温度应力超过相应龄期的抗拉强度一半时,混凝土的徐变变形不再与应力呈线性关系。采用一个混凝土非线性徐变模型来进行混凝土的温度应力计算,并给出了相应的算法。同时,吸取无网格方法在裂缝扩展模拟方面的优势,采用无网格方法对混凝土的温度裂缝过程进行了仿真计算。数值算例计算结果表明,所编制的无网格法程序具有较好的收敛性和可靠性,能够有效地模拟混凝土块在温度应力作用下的开裂发展过程,考虑混凝土非线性徐变效应后,在开裂时刻混凝土急剧增加的非线性徐变变形缓和了缝端的温度拉应力,使得相同龄期混凝土的裂缝深度和扩展速率要比只考虑混凝土线性徐变要小一些。     

Modeling for critical state line of granular soil with evolution of grain size distribution due to particle breakage

Determination of the critical state line(CSL)is important to characterize engineering properties of granular soils.Grain size distribution(GSD)has a significant influence on the location of CSL.The influence of particle breakage on the CSL is mainly attributed to the change in GSD due to particle breakage.However,GSD has not been properly considered in modeling the CSL with influence of particle breakage.This study aims to propose a quantitative model to determine the CSL considering the effect of GSD.We hypothesize that the change of critical state void ratio with respect to GSD is caused by the same mechanism that influences of the change of minimum void ratio with respect to GSD.Consequently,the particle packing model for minimum void ratio proposed by Chang et al.(2017)is extended to predict critical state void ratio.The developed model is validated by experimental results of CSLs for several types of granular materials.Then the evolution of GSD due to particle breakage is incorporated into the model.The model is further evaluated using the experimental results on rockfill material,which illustrates the applicability of the model in predicting CSL for granular material with particle breakage.