珊瑚砂大剪切应变下的剪切特性和分形维数

利用Wille Geotechnik环向剪切仪对3种不同粒径的珊瑚砂进行了大剪切位移的环向剪切试验,探讨了颗粒破碎对珊瑚砂强度和残余应变发展的影响。试验结果表明：颗粒破碎随着剪切位移的增加逐渐增加,且初始粒径较大的均匀级配珊瑚砂粒径越大颗粒破碎越多。颗粒破碎对峰值强度和残余强度无影响,但对珊瑚砂的体积应变有显著影响,颗粒破碎较多的试样其体积应变也较大。建立了考虑长宽比、球形度和凹凸度的分形维数计算公式。由于颗粒破碎后颗粒形状在全粒径范围内的自相似性和无尺度性,考虑颗粒形状与不考虑颗粒形状的公式计算得到的珊瑚砂分形维数基本一致。     

钙质砂破碎过程及其微观机制试验研究

为了掌握南海钙质砂压缩变形特征及其微观机制,对3种不同粒组(S1:1.43~2mm、S2:0.5~1mm、S3:0.5~2mm)的钙质砂进行100~3200kPa压力范围的压缩试验,利用自制的砂土微观结构提取装置和图像处理软件(PCAS)获得并分析了钙质砂压缩过程中微观结构。结果表明:(1)钙质砂的大小、形状和级配对颗粒的破碎具有显著影响,当压力较低时(＜800kPa),粒径较大的S1组以砂颗粒棱角破碎为主;粒径较小的S2组没有明显破裂,相对规则的颗粒形态使S2粒组在该压力范围内主要因颗粒的滚动与重分布导致压缩;级配良好的S3组除部分低宽度断肢状颗粒外其余大小、形态颗粒无明显破裂。(2)当压力较大时(＞800kPa),S1组钙质砂逐渐转向以颗粒的整体破坏为主的破碎形式;S2、S3两组试样随着密实度的提高,砂颗粒的破坏以整体破碎为主。基于对破碎过程中试样微观结构变化的提取与分析,总结并提出了控制钙质砂颗粒破碎的4种接触模式:点-线接触、线-面接触、面-面接触和复合接触,可用于判断不同条件下的颗粒破碎形式。最后,讨论了钙质砂在破碎过程中颗粒几何参数的变化。     

Shortest link method for contact detection in discrete element method

With the increasing demand for discrete element simulations with larger number of particles and more realistic particle geometries, the need for efficient contact detection algorithms is more evident. To date, the class of common plane (CP) methods is among the most effective and widely used contact detection algorithms in discrete element simulations of polygonal and polyhedral particles. This paper introduces a new approach to obtain the CP by employing a newly introduced concept of ‘shortest link’. Among all the possible line segments that connect any point on the surface of particle A to any point on the surface of particle B, the one with the shortest length defines the shortest link between the two particles. The perpendicular bisector plane of the shortest link fulfils all the conditions of a CP, suggesting that CP can be obtained by seeking the shortest link. A new algorithm, called shortest link method (SLM), is proposed to obtain the shortest link and subsequently the CP between any two polyhedral particles. Comparison of the analysis time between SLM and previously introduced algorithms demonstrate that SLM results in a substantial speed up for polyhedral particles contact detection. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

Size-dependent mechanical behavior of an intergranular bond revealed by an analytical model

The size of intergranular bonds significantly affects the macroscopic mechanical properties of geomaterials. A size-dependent bond contact model is desired in the distinct element method (DEM) for geomaterials formed by aggregates of bonded particles. This paper proposes an analytical solution of highly-precise stress fields of a biconcave bond between two identical disc-shaped particles under different loading paths based on Dvorkin’s solution. The Unified Strength theory is then introduced to obtain the initial failure domain in the bond. The proposed solution is consistent with results predicted by finite element simulations and experimental observations. The functions of bond stiffness with respect to all influencing parameters, i.e. bond width/thickness, particle radius and elastic parameters of bond material, are provided by the solution and empirically formulated by fitting a large number of analytical results. Additionally, the failure criterion or envelope under different combined loads is formulated for typical brittle bonds. The resulting failure criterion, approximated as an ellipsoid, depends on the size and material properties of the bonds. The proposed solution and equation can be implemented into a bond contact model used in DEM simulations of a geomaterial, where variation of bond sizes is significant and size-dependent contact model is important.     

煤层气开发中不同粒度煤粉的聚集沉降实验

在煤层气开发过程中,煤粉聚集及沉降会堵塞煤层气运移通道及导致卡泵、埋泵等事故。为了查明不同粒度煤粉的聚集及沉降特征,选取粒度>140目（<106 μm）、>70~140目（106~<212 μm）和>50~70目（212~<300 μm）3种粒度范围的煤粉,开展了在去离子水中煤粉的聚集及沉降实验,从煤粉聚集及沉降特征观察、悬浮液中煤粉含量及煤粉粒度分布探究不同粒度煤粉在去离子水悬浮液中的聚集及沉降特征。结果表明,随着静置时间的增加,各粒度煤粉悬浮液的颜色均不同程度地变浅,逐渐出现分层,其中,粒度>140目的煤粉悬浮液最先出现分层。煤粉粒度越小,煤粉悬浮液顶部漂浮的煤粉量越多;煤粉粒度越大,其下沉到煤粉悬浮液底部的煤粉量越多。不同粒度煤粉悬浮溶液中煤粉含量均随着静置时间的增加呈现不同程度的降低,在停止搅拌后3 min内,煤粉含量下降最快,粒度为>70~140目的煤粉悬浮液中煤粉含量最大。根据不同粒度煤粉悬浮液中煤粉粒度分布曲线,将煤粉聚集及沉降过程分为3个阶段:单峰变双峰阶段（煤粉快速上浮及沉降）、双峰变单峰阶段（煤粉快速聚集及沉降）和单峰阶段（煤粉缓慢沉降）。粒度>140目的煤粉在悬浮液中最先达到缓慢沉降阶段,粒度>70~140目的煤粉在悬浮液中最后到达缓慢沉降阶段。从煤粉的受力、扩展的DLVO理论及煤粉的有机分子结构方面探讨了煤粉聚集沉降的机理:煤样含有大量的脂肪烃和芳香烃等疏水性基团,疏水性强,润湿性低;随着煤粉粒度的减小,其比表面积显著增大,煤粉表面吸附大量空气,形成气膜;同时,煤粉颗粒间相互吸附聚集,内部形成很多微孔隙,导致粒度小的煤粉易聚集漂浮在悬浮液面上。实验得到的不同粒度煤粉的上浮、下沉及悬浮情况,为后期煤层气开发中煤粉管控措施提供依据。      

A new approach to the three-dimensional quantification of angularity using image analysis of the size and form of coarse aggregates

This paper describes a system for the acquisition and analysis of 3D data from the surfaces of coarse aggregate particles. The technique uses laser triangulation to acquire data from the upper hemispheres of particles passing along a conveyor belt. Methods of determining particle size and form in three dimensions are described and a new approach to the quantification of angularity is presented. The algorithm uses mathematical morphology to provide a geometrically meaningful interpretation of particle shape. The relative advantages of 2D and 3D analysis of aggregate particles are discussed, and results are presented which demonstrate the validity of this approach.     

基于物理模型试验的碎屑流流态化运动特征分析

流态化运动是高速远程滑坡的主要运动形式,是揭示高速远程滑坡运动机理的重要基础。基于粒子图像测速（PIV）分析方法,采用物理模型试验对不同粒径组成条件下的颗粒流内部的速度分布、剪切变形及流态特征进行了研究,并对高速远程滑坡流态化运动特征进行了讨论分析。结果表明:碎屑流流态化运动特征与颗粒粒径呈显著的相关性,随着粒径的减小或细颗粒含量的增加,颗粒流底部相对于边界的滑动速度以及整体的运动速度均呈逐渐减小的趋势,颗粒流内部剪切变形程度增加,颗粒的运动形式由“滑动”向“流动”转变;当颗粒粒径较小或细颗粒含量较高时,颗粒流内部剪切速率增大的趋势在颗粒流底部更加显著,反映了粒径减小有助于促进颗粒流内部剪切向底部的集中;在同一颗粒流的不同运动阶段及不同纵向深度,其流态特征具有显著差别,颗粒流前缘及尾部主要呈惯性态,颗粒间以碰撞作用为主,而主体部分则主要呈密集态,颗粒间以摩擦接触作用为主;在颗粒流表面及底部,颗粒间相互作用方式主要是碰撞作用,中间部分则以摩擦作用为主;对于不同粒径的颗粒流,随着粒径的增大或粗颗粒含量的增加,颗粒流内部颗粒的碰撞作用加强,颗粒流整体趋于向惯性态转变。     

平均粒径对砂土剪切特性的影响及细观机理

针对平均粒径对砂土剪切特性的影响作用,结合室内试验和离散元模拟方法对不同平均粒径砂土进行了细观研究。基于3种不同平均粒径砂土的直剪试验结果,通过建立反映砂土剪切试验特征的PFC（particle flow code）颗粒流模型,详细研究了不同粒径砂土在剪切过程中土样体积变化、力链网络、孔隙率和配位数等细观结构参数的变化特征和规律,并从细观角度分析了颗粒粒径对土样宏观剪切特性的影响机制。结果表明：具有不同平均粒径砂土的细观结构参数在剪切过程中存在显著差异,并且其细观参数差异主要集中体现在剪切带处;剪切力学特性的影响主要体现在抗剪强度和剪胀效应方面,砂土平均粒径越大,抗剪强度越高,剪胀效应越明显;具有不同平均粒径的砂土在剪切过程中土颗粒运动规律及剪切带形态变化特征存在一定的差异,平均粒径越大,剪切带内上跨式颗粒占比越大,剪切带厚度越大。     

绢云母片岩路基填料最大填筑粒径确定方法

绢云母片岩是一种易崩解的片岩填料,在大气的长期干湿循环作用下,性能极易发生衰减、弱化。通过开展干湿循环前后不同初始最大粒径绢云母片岩的加州承载比试验和回弹模量试验,探讨其强度变化规律,并结合颗粒分析试验,从崩解的角度解释上述强度变化原因。结果表明,绢云母片岩在经历10次干湿循环作用后颗粒再无明显崩解,粒径为10 mm的颗粒可作为其崩解强弱的分界点,粒径大于10 mm的颗粒崩解较快,粒径小于10 mm的颗粒崩解较慢。绢云母片岩的回弹模量在初始最大粒径为5～10 mm时较大;而其承载比在初始最大粒径为10～20 mm时较大。结合崩解特性,选取初始最大粒径10 mm作为绢云母片岩路基填筑的控制粒径。     

接触处理Munjiza方法在数值流形法中的应用

数值流形法（NMM）在接触处理过程包括：接触方式判断,包括点-点和点-线接触;开-闭迭代,确定块体系统的约束状态;以及接触传递,将有效的接触对传递到下一个时步。过程稍显繁琐和耗时,且与真实的物理接触状态有异。由Munjiza所提出的NBS（no binary search）接触检测算法,将单元映射到规则格子中,以链表结构将其有效地连接在一起,只在单元所在格子以及周围格子内部进行接触判断,接触检测效率大为提高,计算量仅随单元数线性增长,内存需求也很低。在计算接触力时以所定义的势为媒介,用重叠面积来衡量接触力的大小,属于分布式接触力,更接近于实际,避免了原NMM接触处理过程的繁琐。因此,将其作为一种平行的接触处理方法引入到NMM中,并以算例验证,证实了算法的可行性。