考虑不同边界条件的风积沙-土工格栅拉拔试验离散元模拟研究

室内土工格栅拉拔试验物理模型边界及加载装置通常是刚性的,但土工格栅工程应用的边界条件往往不能与室内拉拔试验物理模型边界相对应。为了研究边界条件对拉拔试验结果的影响,在室内三轴和拉拔试验的基础上,运用三维离散元方法,对土工格栅加筋风积沙的拉拔试验展开数值模拟,研究加载顶面刚、柔性加载方式和模型前壁刚、柔性边界4种组合条件即刚性顶面刚性前壁（RTRP）、柔性顶面刚性前壁（FTRP）、刚性顶面柔性前壁（RTFP）、柔性顶面柔性前壁（FTFP）对筋土界面宏细观特性的影响。分析了不同组合条件下拉拔力与拉拔位移的关系、界面剪切强度、试样内部应力链、孔隙率分布和颗粒旋转规律,分析了刚性加载板和柔性边界颗粒位移、FTFP组合下土工格栅的变形以及拉拔过程中剪切带的演化规律。研究表明,模型前壁的刚、柔性边界对拉拔力和拉拔位移曲线模式以及界面摩擦角的影响很大。刚性前壁边界条件下,拉拔力和拉拔位移曲线呈加工软化型;柔性前壁边界条件下,拉拔力和拉拔位移曲线近似呈双折线型。当模型前壁由刚性变为柔性时,界面摩擦角减小了7°～8°。当法向应力小于90kPa时,建议FTRP组合、RTFP组合和FTFP组合的拉拔力峰值折...     

三向土工格栅筋土界面及摩擦特性的离散元模拟

为研究筋土界面细观结构演化并定量评价格栅摩擦特性对加筋性能的影响,建立三维离散元模型,运用“clump”较真实地模拟了三向格栅的增强型节点。通过分析拉拔荷载下界面内颗粒及筋材的力学响应,并将其与前人模型试验及理论分析结果进行对比,验证了文中模型的准确性,得出了局部孔隙率以及配位数等细观参数的变化规律。分析格栅表面摩擦系数参数发现,表观黏聚力与摩擦系数具有正相关性,当摩擦系数达到一定值时摩擦角不再增长。统计结果表明,宏观上界面强度提高可归因于细观上的组构优化。分析筋土界面采用的方法和所得的结果可为加筋土结构机制分析提供新的认识。     

考虑转动阻抗的粗粒土离散元模拟

转动阻抗被定义为作用颗粒接触上的一对对称力偶,用来抵抗颗粒之间的相互转动。将转动阻抗引入到离散元模拟中是对传统离散单元法的重要改进。开发出考虑颗粒转动阻抗的接触模型,并将其嵌入到PFC2D中,利用该模型进行粗粒土的双轴剪切数值模型试验,研究剪切过程中转动阻抗对粗粒土的宏细观力学性质的影响。结果显示,在宏观方面,颗粒转动阻抗对粗粒土的宏观力学行为（应力-应变及体应变-轴应变行为）有重要的影响,随着转动阻抗的增加,粗粒土的剪切强度和最大摩擦角随之增加,这与已有的研究结果一致,证明所建模型是可靠的;在微观方面,考察转动阻抗对粗粒土内部微观结构的影响发现,随着转动阻抗的增加,粗粒土的内部的接触数目减少,而粗粒土的剪切强度增加,表明转动阻抗能够提高粗粒土力链网络的稳定性,同时发现随着转动阻抗的增加,粗粒土的各向异性增加主要是强力链各向异性的增加,说明转动阻抗增强了强力链的传递力的能力以及抵抗力链屈曲破坏能力。数值模拟结果表明,增加颗粒转动阻抗,粗粒土出现组构与轴应变非共轴的现象。     

土工格栅加筋膨胀土拉拔试验研究

土工格栅加筋技术对膨胀土地质灾害的防治具有特殊效果,但目前对土工格栅与膨胀土界面特性的研究不足。采用南水北调中线工程新乡段的膨胀性泥灰岩风化土作填料,塑料单向拉伸土工格栅作为加筋体,在叠环式剪切试验机上通过施加不同的竖向荷载对其界面特性进行了拉拔试验研究。研究结果表明,土工格栅在膨胀土中的拔出过程主要经过3个阶段,分别是界面静摩擦力阶段、渐进剪切阶段和整体运动阶段,各阶段受力特性有明显差异;随着法向应力的增大,静摩擦力在界面抗剪强度比值呈对数级增大,从50 kPa时0.20增大至400 kPa时0.57,极限值可达到0.75;对挡土墙、高边坡等加筋设计中应考虑最大静摩擦力所占比重,在格栅的不同竖向高度处所受垂直应力不同,分段设计更加合理。     

考虑颗粒棱角影响的直剪试验的离散元模拟

为了研究颗粒棱角对颗粒材料力学行为的影响,建立了具有不同棱角度的对称多面体颗粒,采用了一种简单并适合任意颗粒形状的接触本构模型,对三维离散元开源程序YADE进行了修改,研究了颗粒棱角度在模拟直剪试验中的影响以及接触力各向异性在剪切过程中的演化规律。研究结果表明,颗粒棱角度越小,颗粒间相互咬合自锁的作用越小,颗粒受剪更易转动,致使颗粒体系的剪切强度和剪胀性下降;竖向加载力越大,颗粒棱角度的影响越明显;法向接触力的各向异性在剪切过程中表现为先增后减最后趋向稳定的趋势;法向接触力的各向异性变化程度随颗粒棱角度的增大而增大。     

考虑颗粒抗转动的砂土双轴试验离散元模拟

颗粒间抗转动作用是影响砂土力学行为的重要因素。将蒋明镜等（2005年）提出的考虑颗粒抗转动作用的颗粒接触模型植入PFC2D中,对砂土双轴试验进行了模拟,研究颗粒抗转动作用对砂土力学行为的影响。研究显示：颗粒抗转动对砂土力学行为影响显著。抗转作用越强,砂土强度越高;抗转系数为0.4时,松砂亦出现软化及剪胀现象。抗转动作用对孔隙比及配位数变化趋势影响也很显著。     

水合物沉积物力学性质的三维离散元分析

水合物沉积物力学特性研究是天然气水合物开采领域中的热点问题。为深入了解水合物对沉积物力学特性的影响,在提出一个新的水合物沉积物离散元数值试样制备方法的基础上,模拟了不同水合物饱和度沉积物试样的三轴排水试验,并从其应力-应变关系、体变特性、弹性模量及峰值强度等方面对模拟结果及已有室内三轴试验结果进行了对比,然后利用该方法对具有不同微观胶结参数的水合物沉积物样进行了三轴离散元数值试验。研究结果表明：所提出的离散元模拟方法能较好地反映水合物沉积物的主要力学特性;天然气水合物与土颗粒间胶结性能的改变会对水合物沉积物的力学响应产生一定的影响;水合物沉积物强度和模量的增加是孔隙填充水合物和粒间胶结水合物共同作用的结果。     

沉积角对净砂宏微观力学特性影响的离散元分析

由颗粒定向排列导致的初始各向异性对净砂力学特性影响明显。为探究这一影响,首先采用自编的离散元软件生成4种不同沉积方向的椭圆颗粒净砂样,并分别对4种试样进行双轴压缩试验;其次,通过将离散元模拟结算与室内试验结果对比以验证该方法的可行性;最后,通过分析模拟结果研究沉积方向所产生的影响。结果表明：4种试样均出现应变软化及剪胀现象;随着沉积角? 的增加,试样具有由应变软化逐渐向应变硬化发展的趋势,试样的剪胀性逐渐减弱;在?=0°时试样取得最大峰值内摩擦角和最大残余内摩擦角,且随着? 的增大试样的峰值内摩擦角先降低然后基本不变,残余内摩擦角逐渐减小;颗粒排列初始优势方向基本与沉积方向平行,但随着轴向应变的增大,颗粒排列优势方向逐渐向平行于加载面方向旋转,接触点的优势方向由最初垂直于沉积方向逐渐向垂直于加载面方向旋转,且这两种旋转的改变幅度随着沉积角? 的增大而增大;而强接触力的优势方向始终垂直于试样的加载面。     

颗粒破碎的三维离散元模拟研究

采用PFC等离散元方法研究岩土材料的颗粒破碎已经成为热点。采用考虑局部应力集中的点荷载破碎准则,利用阿波罗填充和膨胀法保证破碎前、后颗粒之间的种群平衡,并引入尺寸因子来表征不同粒径的颗粒强度。在此基础上,开展了石英砂、钙质砂和萨克拉门托河砂3种不同破碎难易程度材料的数值试验,并与室内试验结果进行对比。结果表明:建立的三维颗粒破碎模型能够很好地描述破碎难易程度不同的颗粒材料的压缩特性;考虑应力集中效应的点荷载破碎准则比基于平均应力Mohr-Coulomb理论的颗粒破碎准则更能真实地反应颗粒材料的破碎现象。同时,所建立的模型能够揭示破碎对颗粒材料各向异性消散和级配曲线演化的影响规律。     

基于MatDEM的砂土侧限压缩试验离散元模拟研究

离散元法基于非连续介质力学理论,尤其适用于砂土等离散介质体的数值模拟研究。利用岩土体离散元模拟软件MatDEM的二次开发功能,研发了砂土侧限压缩试验三维离散元模拟器。对三个不同级配砂土试样进行了侧限压缩试验,并且进行了与之相对应的数值模拟,通过分析对比试验结果与数值模拟结果验证了所开发模拟器的有效性。模拟结果表明:离散元法可以很好地反应砂土压缩过程中的配位数变化;每个模拟样品中,粒径较小的单元受到较大的平均压力,导致平均位移较大;数值计算结果的主要误差是由离散元颗粒自身的泊松比引起的。研究突破了常规土力学研究方法的局限性,为今后岩土工程离散元模拟研究提供了参考。      

基于SEM的可变形块体离散元法研究

针对边坡工程中岩土体连续-非连续渐进破坏的特点,提出一种新的变形体离散元方法（DEM）。与传统有限单元法（FEM）不同,弹簧元法（SEM）通过构建一组广义弹簧系统描述单元的力学行为。弹簧元法中的一个广义弹簧可以具有多个方向的刚度系数,确定广义弹簧系统的构造形式及其各刚度系数表达式是弹簧元法的核心。以三角形单元为例,介绍平面弹簧元的基本理论。对任何二维正交广义弹簧系统,通过定义广义弹簧变形与单元应变之间的关系,直接对比单元的应变能与弹簧系统的弹性势能即可得到广义弹簧刚度系数的表达形式。定义泊松刚度系数和纯剪刚度系数两个系统参数,描述正交广义弹簧之间的联系。对任意泊松比的材料,该方法都可准确地描述泊松效应的影响,计算结果与传统有限元法一致。该方法不需要求得有限元单元刚度矩阵的具体形式,具有直接方便、物理意义明确的优点,应用该方法给出任意4节点单元弹簧系统的构造形式及其各刚度系数的表达式。基于SEM的可变形块体离散元法,用弹簧元中的广义弹簧求解块体变形,用离散元中的接触弹簧计算块体间作用力,在单元节点的控制方程中实现弹簧元-离散元耦合计算,通过接触弹簧的状态实现材料由连续到非连续的破坏过程。在基于连续介质离散元法（CDEM）程序的基础上实现弹簧元-离散元耦合程序,应用耦合程序计算均质土坡在重力作用下的弹塑性变形和基覆边坡在重力作用下的破坏,初步证明该方法用于边坡变形渐进破坏分析的可行性。     

基于离散元法的节理岩体边坡稳定性分析

节理岩体边坡的稳定性在很大程度上取决于节理的强度及其分布形式。由于节理岩体边坡的失稳破坏具有大变形和非连续的特点,因此,离散单元法成为研究节理岩体边坡破坏机制的最有效方法之一。通过采用离散元软件PFC2D进行数值模拟,对完整岩石及节理的力学性能进行研究,并建立含密集节理的岩体边坡模型,讨论了节理连通率对边坡破坏形式的影响。结果表明,节理岩体边坡的失稳破坏是一个渐进的过程;在多组节理密集分布的岩体边坡中,连通率越大,其稳定性越差;随着连通率的减小,边坡的破坏形式由大范围的滑坡转变为局部崩塌的形式     

Granular element method for three‐dimensional discrete element calculations

This paper endows the recently‐proposed granular element method (GEM) with the ability to perform 3D discrete element calculations. By using non‐uniform rational B‐Splines to accurately represent complex grain geometries, we proposed an alternative approach to clustering‐based and polyhedra‐based discrete element methods whereby the need for complicated and ad hoc approaches to construct 3D grain geometries is entirely bypassed. We demonstrate the ability of GEM in capturing arbitrary‐shaped 3D grains with great ease, flexibility, and without excessive geometric information. Furthermore, the applicability of GEM is enhanced by its tight integration with existing non‐uniform rational B‐Splines modeling tools and ability to provide a seamless transition from binary images of real grain shapes (e.g., from 3D X‐ray CT) to modeling and discrete mechanics computations.Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

A study of geogrid-reinforced ballast using laboratory pull-out tests and discrete element modelling

This paper presents an evaluation of the behaviour of geogrid-reinforced railway ballast. Experimental large box pull-out tests were conducted to examine the key parameters influencing the interaction between ballast and the geogrid. The experimental results demonstrated that the triaxial geogrid outperforms the biaxial geogrid and the geogrid aperture size is more influential than rib profile and junction profile. The discrete element method (DEM) has then been used to model the interaction between ballast and geogrid by simulating large box pull-out tests and comparing with experimental results. The DEM simulation results have been shown to provide good predictions of the pull-out resistance and reveal the distribution of contact forces in the geogrid-reinforced ballast system. Therefore, the calibrated geogrid model and the use of clumps to model ballast particles hold much promise for investigating the interaction between geogrids and ballast and therefore optimising performance.     

丰都名山崩滑体失稳的离散元模拟

以丰都名山崩滑体为研究对象,拟通过对该崩滑体失稳破坏过程的离散元模拟分析,达到对该崩滑体的稳定性进行有效分析评价的目的。研究结果发现,崩滑体的滑移崩塌过程及散落情况与其坡脚是否风化剥蚀相关,且不论坡脚是否风化剥蚀,其上部块体的运动轨迹与中下部块体的运动轨迹存在着明显差异。分析结果同时还表明,丰都名山崩滑体的确存在滑移崩塌危险,应积极采取适当防范措施。     

应用离散元强度折减对复杂边坡进行稳定性分析

介绍了离散元（DEM）及强度折减法基本原理,利用3DEC软件结合强度折减法对某水电站高边坡进行稳定性分析。对岩体强度参数进行折减,以关键点位移与时间关系曲线发散时的折减系数作为边坡安全系数,根据位移矢量图确定滑面和破坏形态。通过与Dijkstra极限平衡有限元法及Sarma法的计算结果对比,验证该方法的可靠性。在二维计算基础上建立并简化三维模型,模拟边坡三维应力场。结合工程关注区域的应力及位移趋势,采用3DEC中的辅助节理截取典型坡段单宽模型,在已有的三维应力场的基础上对其进行强度折减,弥补了二维强度折减未考虑三维应力场对边坡稳定性影响的不足,把握了工程重点及力学特性,为类似工程提供了一种合理高效的稳定性分析手段。     

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。     

基于离散元的冻结砂土三轴力学特性研究

采用离散元软件中的平行黏结模型模拟冻土中冰-土颗粒间相互作用。通过调整模型细观参数,模拟了特定围压不同试验温度和应变速率条件下冻结砂土的三轴试验规律。进一步对比分析计算和试验结果表明,模型的细观参数中的刚度系数和黏结强度对材料的宏观力学行为影响较大,设定的黏结强度参数与温度成反比而和应变速率成正比。在宏观上,峰值强度随温度降低而增大,随应变速率的增大而增大。进一步分析离散元中颗粒的运动产生的剪切带倾角表明：剪切带倾角与温度成反比,而应变速率对其的影响较小;根据已有数据结果,剪切带与内摩擦角间的统计关系符合经典土力学中的摩尔-库伦解。     

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.