冻结黏土三轴试验微观变形机理的离散元分析

基于三维颗粒离散单元法,赋予颗粒相应的细观参数,并采用黏结发生在接触颗粒间有限范围内的模型来考虑冻土颗粒中冰的胶结作用,建立了冻结黏土三维离散元数值模型.在相同围压、不同温度和相同温度、不同围压下对冻结黏土的室内三轴试验进行数值模拟,对比了数值试验与室内测试的应力-应变曲线,两者吻合较好.数值模拟结果表明:围压增大会使得接触黏结逐渐失效,在剪切带中胶结冰的破坏区域将增大,而温度的降低则会产生相反结果,这些微观变化都将对冻结黏土的宏观力学变形产生较大影响,同时,细观参数对温度的依赖性也很明显.冻结黏土三轴试验微观变形离散元模拟思路及方法可为今后运用离散单元法研究冻土力学行为提供一定的参考.     

单调荷载下砂土变形过程数值模拟及细观机制研究

采用离散单元法的颗粒流理论,模拟了松砂和密砂在单调荷载作用下的变形过程,研究了砂土渐进破坏过程中的宏观力学行为和细观组构参量的演化规律。采用PFC的FISH语言开发了细观组构统计程序,通过记录加载不同时刻试样的细观参量,如配位数、接触法向分布、粒间法向接触力、切向接触力等的演化,分析了砂土变形过程中细观组构变化与宏观力学响应之间的内在联系。应用表征上述量的组构参数研究了砂土的诱发各向异性,探讨了松砂剪缩、密砂剪胀的细观机制。研究成果对于揭示砂土变形的细观机制以及建立砂土的细观力学模型具有重要意义。     

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。      

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。     

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。     

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。     

中主应力系数影响下的冻结砂土损伤本构模型

人工冻结法是饱水砂层开挖过程中常用的止水和临时支护方法,通过冻土损伤特性研究为冻土力学特性和冻结体稳定性分析奠定基础。为研究冻结砂土的损伤力学特性,在-5℃下进行了不同中主应力系数的冻结砂土三维室内试验。从冻土微元破坏服从Weibull随机分布的特点出发,将Drucker-Prager强度准则作为冻土微元统计分布变量,利用应变等价性假说,建立了三维应力状态下冻结砂土损伤本构模型;在此基础上,讨论模型参数F₀与m和中主应力系数的关系,对模型参数进行合理修正,建立中主应力系数影响下的冻结砂土损伤本构模型,并与试验结果进行对比。分析结果表明:参数F₀和m随着中主应力系数的增大呈现先减小后增大的趋势;参数F₀反映了冻结砂土的强度特性,参数m代表了冻结砂土的延性及脆性特征,考虑中主应力系数影响的冻结砂土损伤本构模型能很好地模拟冻结砂土应力-应变全过程曲线。研究成果为人工冻结法工程设计提供一定的理论依据。移动阅读      

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。     

人工胶结砂土力学特性的离散元模拟

采用离散单元法（DEM）对胶结砂土力学特性进行模拟。将基于室内试验测得的理想胶结颗粒接触力学响应引入到开发的二维离散元程序（NS2D）中,模拟胶结砂土颗粒间的胶结作用。对不同胶结强度和围压的胶结砂土进行平面应变双轴压缩试验模拟,并将模拟结果与Wang和Leung[1]提供的人工胶结砂土的试验结果进行比较。最后对数值模拟中胶结试样的微观力学响应（接触力链、胶结点破坏率和位移场）进行分析。结果表明,离散元数值模拟能够有效地反映胶结砂土的主要力学特性,相比同一初始孔隙比的无胶结松散砂土,胶结砂土将具有更高的强度,应力-应变关系呈应变软化,体变为先剪缩后剪胀,且两者的差异随胶结强度的增大和围压的减小而越趋显著。此外,胶结砂土宏观力学响应（应力-应变关系和剪胀性）与其微观力学响应密切相关。     

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。      

球模仪测试冻土松弛模量的非线性Kelvin解答及其试验研究

冻土的松弛模量是进行蠕变力学分析的关键参数。但在理论方面, 尚未基于球模仪试验建立较完善的松弛模量表征公式。基于半空间黏弹性理论和分数阶微积分理论, 获得了松弛模量公式的非线性Kelvin模型解答并进行了材料参数影响分析。在给出恒载条件下, 可以用单轴蠕变试验的分析结果评估基于球形压痕试验的冻土松弛模量来预测准确性。随后分别以冻结细砂的球模仪试验曲线、 冻结砂和冻结砂质黏土的单轴蠕变曲线为例, 预测了各条试验曲线和冻土的松弛模量, 并通过其他试验实测数据进行了检验。结果表明： 该松弛模量表征公式的材料参数最少, 随各材料参数变化具有较佳单调性; 基于球形模板试验, 非线性Kelvin解答能对冻结细砂的松弛模量和位移曲线做出合理可靠的预测。非线性Kelvin模型能很好地吻合单轴蠕变试验曲线, 基于单轴蠕变试验的冻结砂松弛模量随时间变化规律和数值范围与球模仪试验分析结果较一致, 冻结砂质黏土的松弛模量随应力和温度的变化规律再现了已有研究结论。     

深部膨胀性黏土层冻结温度场的分布与冻胀力形成规律

防止冻结管断裂是深部膨胀性黏土层在冻结壁形成过程中的一项亟待解决的课题。针对淮南矿区某矿副井深部膨胀性黏土层, 通过热力耦合计算分析, 研究了其冻结温度场分布与冻胀力形成规律。结果表明： 冻结152天、 236天时, 黏土层冻结壁平均温度分别为-14.42 ℃、 -16.58 ℃, 细砂层冻结壁平均温度分别为-15.86 ℃、 -17.32 ℃, 黏土层冻结壁平均温度比同时期细砂层高1.44 ℃、 0.74 ℃。黏土层冻结壁平均厚度分别为8.92 m、 10.25 m, 细砂层冻结壁平均厚度分别为9.54 m、 10.77 m, 黏土层冻结壁平均厚度比同时期细砂层小0.62 m、 0.56 m。细砂较膨胀性黏土易于冻结。冻结90天时, 黏土层外、 中、 内圈三圈冻结管平均冻胀力约为同时期细砂层的1.1倍。冻结151天时, 黏土层三圈冻结管围成的冻结壁内平均冻胀力均达到初始地应力的81.1%, 是同时期细砂层的1.16倍。冻结236天时, 细砂层内圈管的冻胀力为3.91 MPa, 比中圈管3.72 MPa大了5.11%, 而黏土层内圈管的冻胀力为4.81 MPa, 比中圈管4.74 MPa大了1.48%。黏土层三圈冻结管围成的冻结壁内平均冻胀力均达到初始地应力的88.6%, 是同时期细砂层的1.28倍。深部膨胀性黏土层及与细砂层界面处冻胀力均存在显著的不均匀性, 最大冻胀力的主要位置与实际工程中掘进时的断管处基本对应, 不均匀冻胀力是造成冻结管断裂的重要原因。     

Soft-sediment deformation during thawing of ice-rich frozen soils: results of scaled centrifuge modelling experiments

The origin of periglacial involutions remains uncertain, largely because of the difficulties of field monitoring in modern permafrost regions. This paper describes an alternative approach, in which process studies are based on scaled centrifuge modelling of thawing ice-rich soils. Centrifuge scaling laws allow similitude in self-weight stresses between the model scale and the prototype (field) scale to be achieved. In these experiments, 120- to 130-mm-thick frozen models comprising a sand unit overlying ice-rich kaolinite clay (three models) or ice-rich silt (one model) were thawed under an acceleration of 20 gravities. The models were therefore equivalent to 2·4–2·6 m of frozen sediments (permafrost) at the prototype scale. Temperature profiles and porewater pressures during the thawing of each model are described. Porewater pressures significantly in excess of hydrostatic were not observed in the sand/silt model. In the sand/clay models, however, excess pressures developed rapidly after thawing, and observed fluctuations in pressure were interpreted as water-escape events. After thawing, careful sectioning of the models revealed small-scale deformation structures at the clay–sand interface, resulting from loading of the upper sand layer into very soft fluid-like clay and injection of clay upwards into the base of the sand. It is concluded that these experiments provide analogues for some Pleistocene involutions. Such involutions therefore mark phases of permafrost degradation when high porewater pressures caused loading and injection along sedimentary boundaries.     

不同围压下冻结黄土胶结行为的离散元分析

鉴于冻土中冰的胶结作用在冻土力学性质方面的重要作用,在三维离散元法中,采用黏结发生在有限范围内的模型来考虑冰的胶结作用,对不同围压下冻结黄土的胶结行为进行了数值研究。结果表明：数值模拟的应力-应变曲线与试验数据吻和较好;颗粒接触刚度、平行黏结刚度和强度均随着围压增大而线性增大,但摩擦系数随围压增大而减小;力链、位移和孔隙率与围压的响应关系呈现出统一性。同时,也分析了冰胶结作用影响下的冻土细观变化与宏观力学行为之间的响应关系。这对于促进离散元法在冻土领域内的应用具有积极的作用。     

Study on the particle breakage of ballast based on a GPU accelerated discrete element method

Breakage of particles will have greatly influence on mechanical behavior of granular material(GM)under external loads,such as ballast,rockfill and sand.The discrete element method(DEM)is one of the most popular methods for simulating GM as each particle is represented on its own.To study breakage mechanism of particle breakage,a cohesive contact mode is developed based on the GPU accelerated DEM code-Blaze-DEM.A database of the 3D geometry model of rock blocks is established based on the 3D scanning method.And an agglomerate describing the rock block with a series of non-overlapping spherical particles is used to build the DEM numerical model of a railway ballast sample,which is used to the DEM oedometric test to study the particles’breakage characteristics of the sample under external load.Furthermore,to obtain the meso-mechanical parameters used in DEM,a black-analysis method is used based on the laboratory tests of the rock sample.Based on the DEM numerical tests,the particle breakage process and mechanisms of the railway ballast are studied.All results show that the developed code can better used for large scale simulation of the particle breakage analysis of granular material.     

Discrete element modeling of crushable sands considering realistic particle shape effect

This study proposed a novel approach for generating crushable agglomerates with realistic particle shapes in discrete element modeling (DEM). The morphologies of sand particles were obtained by X-ray micro-computed tomography scanning and image processing. Based on the particle surface reconstructed by spherical harmonic analysis, the crushable agglomerates with realistic particle shapes can be generated in DEM simulations. The results of single particle crushing tests showed that particle shapes significantly influence the fracture patterns and crushing strengths of sand particles. Furthermore, two one-dimensional compression tests were conducted to investigate the particle shape effect on micro- and macro-mechanical behaviors of crushable sands.     

深厚砂黏分界处不同工况下多圈管冻结温度场特性

多圈管冻结壁设计方案是解决深冻结问题的有效方法,为研究深厚砂黏层分界处不同工况下多圈管冻结温度场特性,采取分界处原黏性土XRD试验结果,利用ANSYS数值模拟冻结三圈管,对比分析了细砂土与膨胀性黏土在冻结管偏斜与不偏斜工况下温度场冻结壁形成与发展特性。研究表明:多圈管不偏斜冻结,细砂层与膨胀性黏土层冻结壁温度场均呈规则、对称、有序发展,主冻结中圈管间、内圈管间、中-内圈管间、中-外圈管间、外圈管依次形成交圈过程,随着冻结时间增加,中-内圈、中-外圈管间冻结温度由抛物线型发展为梯形降温形状,且温差减少,内、外圈管外侧呈倒八字型发展形态,内圈管内侧降温效果明显好于外圈管外侧。偏斜时,冻结壁温度场交圈降温不规则,冻结冷锋交圈叠加具有随机性和离散性。膨胀性黏土冻结壁形成时间严重滞后,偏斜、土性差异对冻结壁温度影响均较大,偏斜对膨胀性黏土影响尤其明显,与某矿冻结法凿井在地层-400 m以上砂黏分界处发生的多根冻结管断管事件较为吻合,研究成果可以为类似深层矿井冻结施工提供参考。      

Physical model study on the clay–sand interface without and with geotextile separator

In most marine reclamation projects, sand fill is placed directly on soft marine seabed soils. The sand particles can easily penetrate into the soft marine soils, and the soft soil can also move into the pore spaces inside the sand at the initial contact interface between the sand and the soft marine soil. In this case, the permeability and the volume of the sand above the initial surface are reduced. To avoid this problem, a geotextile separator is often placed on the surface of the soft marine soils before placing the sand. In this study, a two-dimensional physical model is utilized to study the geotextile separator effects. The initial conditions of a clayey soil, sand fill, and surcharge loading were kept the same in the physical model test with the only difference being that a geotextile separator was either placed on the clay surface or omitted. The settlements of the initial interface were recorded and compared for the two cases without or with the geotextile separator. The particle size distribution of the soils taken across the interface zone for different time durations was then measured, analyzed, and compared. Based on an analysis of the results, the sand percolation depth was 40 mm and fine particle suffusion was apparent when the sand was placed directly on the marine slurry surface without a geotextile separator. However, when a geotextile separator was used sand percolation was avoided, and the fine particle suffusion was effectively diminished. A relative fine particle fraction is defined to illustrate the migration of fine particles from the clay to the sand soils. The fine particle percentages of the Hong Kong Marine Deposits–sand mixtures were calculated for the cases with and without a geotextile separator using an empirical formula and micromechanical modeling to obtain a better understanding of the effects of geotextile separators in practice.