石笼挡土墙的颗粒离散元细观力学模拟研究

针对在施工过程中,石笼挡土墙墙面位移的发展、墙背填土中土应力的变化的问题,从细观层面,采用基于离散单元法的颗粒流程序,通过多组试件的模拟压缩试验,确定了填土、填石、石笼等材料合理的力学参数值,以工程中的实体石笼挡土墙为原型,建立了墙背阶梯式石笼挡土墙数值模拟模型。通过在填土表面施加均布荷载,研究了挡土墙的力学行为。模拟结果显示：填土中的水平应力随深度的增加对均布荷载的敏感性降低,填土深度越浅,应力值越早得到增加,增加幅度越大,这主要是由于石笼挡土墙上部发生了较大的位移,均布荷载的作用大部分消耗在上层填土中,仅有小部分能量传递到较深填土;石笼挡土墙变形主要发生在填土阶段,应加强石笼挡土墙填土阶段的施工管理;无论是在填土阶段,还是均布荷载作用阶段,石笼挡土墙墙面的位移值均是中上部较大,下部较小。由此可推断,墙背阶梯式石笼挡土墙的破坏形式为倾覆式。     

椭圆形颗粒堆积体模拟颗粒材料力学性能的离散元数值方法

针对离散元中圆形颗粒模拟出的内摩擦角小于真实砂土内摩擦角的缺陷,将已有NS2D离散元程序中的圆形颗粒参量改进为椭圆形颗粒参量,形成改进的NS2D程序。介绍了改进后NS2D程序的基本力学模型,详细推导了程序中椭圆颗粒间以及椭圆颗粒与墙之间接触点的力-位移关系。利用改进后的离散元程序分别模拟了恒定围压下长短轴比例分别为1.1:1、1.4:1,孔隙比均为0.19的椭圆颗粒堆积体的双轴试验,所得的内摩擦角在真实砂土的内摩擦角范围之内,且其应力特征与已有成果吻合良好,证明了改进后的NS2D离散元程序能够模拟分析真实砂土的力学性能     

基于离散元的高速远程滑坡运动堆积特征及 能量转化研究 ——以三溪村滑坡为例

高速远程滑坡-碎屑流运动速度、堆积特征和能量转化是研究其致灾机制的重要因素,而模型试验、野外调查并不能全面揭示其成灾机理。文章以三溪村滑坡为例,采用PFC3D离散元模拟方法,揭示滑坡运动过程中的前部、中部和后部岩土体的速度演化分布、堆积特征和能量转化关系。研究结果表明:三溪村滑坡的残余摩擦系数为0.2时,模拟结果与实际堆积特征一致。前部、中部、后部岩土体到峰值速度存在差异,前部岩土体速度分布表现为显著的单峰型特征,而后部岩土体速度分布为双峰型特征。滑坡不同部位的岩土体堆积呈现层序分布;滑坡重力势能的转化中,摩擦耗能占总能量的52%,动能峰值时刻仅有15%的重力势能转化为动能。研究结果可为高速远程滑坡的运动机理分析和防灾减灾治理工程提供重要参考。      

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。     

大冶铁矿露天转地下开采的离散元数值模拟研究

离散单元方法特别适合于节理比较发育的岩体。对于模拟和分析矿山中因采矿引起的围岩松动和冒落等力学行为是比较有效的。用离散单元法研究了大冶铁矿狮子山采区露天转地下开采，采用充填法、崩落法采掘对露天边坡和围岩的影响及围岩变形规律，并得出了相应的结论，为设计和方案的选用提供了一些有益的根据。     

龙塘山2号大桥岸坡破坏模式的离散元模拟

以龙塘山 2号大桥为工程背景 ,在综合考虑桥基岸坡的工程地质条件尤其是岩体结构的基础上 ,建立了数值分析模型 ,采用离散元法对该桥 10 #墩所处岸坡的破坏模式进行了模拟。模拟结果表明 :( 1)龙塘山 2号大桥 10 #墩所处岸坡基本稳定 ;( 2 )施工时 ,应对既有公路上方岸坡坡顶及坡面可能崩滑岩块进行预清除与加固 ;( 3)根据岸坡破坏趋势可得其稳定坡角为 5 0°     

基于颗粒离散元的矿柱群连锁失稳机理分析

矿矿柱群连锁失稳是破坏后果最为严重的采空区失稳模式。本文利用颗粒流离散元PFC2D研究了矿柱群连锁失稳的动态过程以及不同的矿柱安全系数、不同的诱发位置、不同的顶板刚度对矿柱群连锁失稳的影响。结果表明:(1)矿柱群的连锁失稳从诱发矿柱开始,失稳矿柱的应力传递到相邻未失稳的矿柱上造成相邻矿柱失稳,由此引发连锁效应;(2)矿柱的储备安全系数与载荷传递量的相对关系是决定矿柱群是否发生连锁失稳的关键;(3)矿柱群大规模失稳与诱发位置有关,诱发矿柱位于采空区的中心位置更容易形成大规模失稳,而位于采空区的边界位置,由于边界矿柱约束支撑作用则不容易诱发大规模失稳;(4)顶板的刚度显著地影响矿柱群的连锁失稳过程,刚度小的软弱顶板条件下,载荷传递从诱发位置向空区边界依次传递,失稳过程具有显著的"多米诺骨牌效应",而刚度大的坚硬顶板条件下,载荷传递与矿柱失稳不再表现出显著的"多米诺骨牌效应"。本文的研究成果可供开展相关工作借鉴。     

一种模拟堆石料颗粒破碎的离散元-比例边界有限元结合法

试验研究和数值模拟都表明,颗粒破碎对颗粒岩土材料的宏观力学响应具有重要的影响。结合离散元与比例边界有限元法,提出一种用于研究堆石料颗粒破碎行为的新的数值计算方法,可以将两种方法各自的优势同时发挥出来。离散单元法将被用于求解颗粒的运动以及相互作用。在每一个时间步尾,采用比例边界有限单元法计算颗粒内部的应力分布。比例边界有限单元法可以仅用一个任意边数的多边形来描述一个颗粒,大大节约应力计算的成本。当应力状态确定之后,Hoek-Brown准则将被引入用于确定颗粒内部的破坏点,当破坏点达到一定的比例时,即视为这个颗粒将破坏。为简化起见,假设破坏路径为直线,如果破坏发生,则该颗粒一分为二,各个新的颗粒将直接参与离散元和比例边界有限元的计算。该方法无需预定义任何子颗粒或网格重划分。最后以一个简单的双轴试验的模拟展现方法的可行性。     

基于有限元/离散元耦合分析方法的含预制裂隙圆形孔洞试样破坏特性数值分析

为了揭示结构面作用下深埋高应力硐室围岩的破坏机制,采用有限元/离散元耦合分析方法(FDEM)对含预制裂隙圆形孔洞硬岩试样建立数值模型,研究不同预制裂隙(结构面)位置、长度以及倾角下试样孔洞周边裂纹扩展规律及其力学破坏特性,针对各种情况提出了相应的支护措施。研究发现,(1)在无预制裂隙作用条件下圆形孔洞顶底部首先出现张拉裂纹,随后在孔洞两侧相继出现劈裂裂纹并逐渐贯通,近似于开挖面附近的板裂化破坏;(2)若洞壁一侧存在已揭露裂隙该侧岩体整体呈剪切滑移型破坏,若洞壁一侧存在未揭露裂隙该侧岩体的破坏模式为张拉–剪切型破坏,未揭露预制裂隙试样的破坏程度更为剧烈且更容易诱发岩爆;(3)对于孔洞上方的预制裂隙,无论揭露与否最终都会产生局部性顶板垮落或崩塌;(4)随着预制裂隙长度的增加,圆形孔洞上方岩体由短裂隙时的局部性垮塌最终转变为全局式垮塌;(5)对于孔洞一侧预制裂隙,试样破坏过程所释放的动能(破坏程度)随裂隙倾角的增加呈现先增大后降低的趋势,对于孔洞顶部预制裂隙,试样的破坏剧烈程度随裂隙倾角的增加呈现单调递增趋势。研究结果可为含裂隙或断层岩体地下工程开挖、支护设计及其稳定性分析提供指导。     

碎石堆小行星自旋演化过程的离散元数值模拟

近年的探测研究表明,由引力和范德华粘附力聚合成碎石堆结构可能是小行星的一种重要形成方式。为探究这类小行星的演化机制,文章基于离散元软件MatDEM进行二次开发,实现了单元的万有引力计算。建立直径为1.2 km“碎石堆”小行星数值模型,通过数值模拟分析了不同粘附强度和体积密度下,球形聚集体的旋转重塑和破坏过程。结果表明：球形聚集体受到其角速度初始增量的影响,以启动聚集体的重塑过程,导致其发生变形或者破坏;粘附强度越小,模型越容易被破坏,破坏前小行星会通过向扁圆状椭球体变形来保持自身构型的稳定性;对于粘附强度一定的小行星模型,体积密度的增大会有效增加其结构的稳定性,可以延后小行星破坏行为发生的时间,且颗粒脱落的数量随着密度的增大而减少;采用离散元分析可以较好地模拟小行星自旋演化过程。进一步与真实小行星数据相结合,有利于深入、全面地探索小行星自旋演化破坏机理。     

A simple method to create complex particle shapes for DEM

In order to get quantitatively reliable results with the discrete element method, or DEM, it becomes more and more necessary to reproduce accurately the shape of irregular particles. A simple and fast original method to create complex shapes by assembling spheres together is proposed. This paper shows its ability to reproduce a shape, its degree of resolution and the number of spheres required.     

基于局部单元劈裂的FEM/DEM自适应分析方法

为了模拟岩体中裂纹的萌生、扩展,Munjiza提出了有限元法/离散元法(FEM/DEM)耦合分析方法。因为裂纹是沿单元边界进行扩展的,亦即裂纹扩展具有网格依赖性,为获得较好的裂纹扩展形态,需要划分密集的初始网格。为解决上述难题,基于FEM/DEM耦合分析方法,提出了基于局部单元动态劈裂的FEM/DEM自适应分析方法,以克服裂纹扩展形态对网格的依赖性。该方法在最初建模时无需划分很密的初始网格,随着荷载的施加,对裂纹尖端附近的局部单元进行动态劈裂,为裂纹的后续扩展提供了更多可能的扩展方向,使得裂纹扩展不必沿着初始网格的单元边界扩展,即可以沿着单元内部进行扩展,裂纹扩展形态更为平滑,与实际情况更为接近。同时相对原FEM/DEM耦合分析方法一开始就划分很密的网格而言,新方法可以划分较为稀疏的初始网格,计算成本降低。最后,通过巴西劈裂算例与原FEM/DEM耦合分析方法对比,分析表明,新方法在一定程度上克服了裂纹扩展形态对初始网格的依赖性。     

Asperity Degradation and Damage in the Direct Shear Test: A Hybrid FEM/DEM Approach

Summary This paper investigates the processes of joint surface damage and near-surface intact rock tensile failure using a hybrid FEM/DEM code. Selected Barton and Choubey JRC profiles were simulated in direct shear tests and the surface damage mechanisms investigated in terms of joint surface wear or tensile fracturing of intact rock along the joint plane. Shear strength and displacement profiles for each joint profile are numerically simulated. Numerical results agree closely with published experimental observations. Furthermore, results show that dilation along the joint is controlled dominantly by the joint surface geometry and the applied normal stress. Significant dilation is expected to occur where there is a large asperity provided the applied normal stress is low. In this case, joint surface damage is limited to surface wear. In contrast, when the applied normal stress is high, dilation will be low and damage is composed of both surface wear and asperity breakage through near-joint-surface intact rock tensile failure. Local joint dilation angles vary in proportion to the magnitude of the dilation. Several joint profiles with different geometrical configurations were simulated within a slope and the possible modes of joint surface damage were investigated. It was found that due to low normal stresses acting on the joint surfaces within a slope the dominant mode of joint surface damage is by yielding and surface wear of asperities. Authors’ address: Amir Karami, Golder Associates Ltd., 4260 Still Creek Drive, Suite 500, Burnaby, Vancouver, British Columbia, BC V5C 6C6 Canada     

A unified CFD‐DEM approach for modeling of debris flow impacts on flexible barriers

This paper presents a unified modeling framework to investigate the impacts of debris flow on flexible barriers, based on coupled computational fluid dynamics and discrete element method (CFD‐DEM). We consider a debris flow as a mixture of fluid and particles where the fluid and particle phases are modeled by the CFD and the DEM, respectively. The fluid‐particle coupling is considered by the exchange of interaction forces between CFD and DEM calculations. The flexible barrier is simulated by the DEM as a network of bonded particles with remote interactions. The proposed coupled CFD‐DEM approach enables us to conveniently handle the complicated three‐way interactions among the fluid, the particles, and the flexible barrier structure for debris flow impact simulations. The proposed approach is first used to investigate the influences of channel inclination and the volumetric solid fraction in a debris mixture on the impact force, the resultant deformation, and the retained mass in a flexible barrier. The predictions agree well with existing experimental and numerical studies. We further examine the possible failure modes of a flexible barrier under debris flow impact and their underlying mechanisms. The performance of different components in a flexible barrier system, including single wires, double twists and cables, and their load sharing mechanisms, are carefully evaluated. The proposed unified framework offers a novel, promising pathway towards physically based, quantitative analysis and design of flexible barriers for debris flow mitigation.     

自适应非线性有限元的多重网格法求解及应用

描述了非线性自适应有限元的多重网格法求解过程。 通过算例说明了方法的有效性以及自适应多重网格有限元用于开挖施工过程模拟分析的优越性。     

边坡稳定分析条块力-位移法及其应用

在现行条分法的基础上,建立了一种全新的边坡条块力-位移分析方法。现行条分法中条块底边的力学参数采用极限平衡状态力学参数,即每个条块底边均处于极限平衡状态,这种极限平衡状态对于残余应力是较为适宜的。采用理想弹塑性模型和一种全新的本构模型描述土条块底边力学特性,并以不平衡推力法为例,提出了临界状态条块的确定方法,针对可能的破坏模式进行了分析,并提出了边坡整体破坏各条块的应力和位移的确定方法,计算出相应的稳定系数,如传统强度折减法、综合下滑力-抗滑力法、主推力法、综合位移法和富余位移法稳定系数。通过计算分析论证了理想弹塑性模型在不改变力学参数的情况下是难以描述边坡渐近破坏过程的,而一种全新的本构模型可以描述渐近破坏各条块的力学行为。提出的条块力-位移法可以确定边坡在不同荷载和位移条件下的稳定性,也可以获得边坡的推力变化和滑面移动特征,进而实施边坡的应力、位移和稳定性的初步预测预报。     

岩石损伤过程中的热-流-力耦合模型及其应用初探

岩石损伤过程热-流-力（THM）耦合问题的研究对于深部采矿等许多工程领域都具有重要的理论意义。以岩石的损伤为主线,在多场耦合分析方程中引入损伤变量,基于质量守恒和能量守恒原理,提出岩体损伤过程中的THM耦合模型。通过把均匀弹性介质THM耦合响应的模拟结果与理论分析结果进行对比,验证了程序及有限元实施的正确性。然后,用该耦合模型进行了不同地应力条件下流固耦合过程的数值模拟,探讨了水压力对于岩石损伤过程的作用机制。数值模拟表明,水压力导致了拉伸损伤范围的扩大和损伤程度的加剧,同时亦对剪切损伤具有抑制作用。     

IRS-P5卫星影像提取DEM及其地学应用

基于高分辨率遥感卫星数据提取DEM技术已广泛应用于地学研究中,但基于IRS-P5立体像对提取DEM的研究应用目前还比较少。主要介绍了IRS-P5卫星获取立体像对的工作原理,立体像对提取DEM原理、方法及精度评定,列举了该技术在地学研究中的应用实例及其应用前景以及存在的问题。结果表明,在良好的地面控制点的支持下,IRS-P5立体像对提取的DEM平面和高程精度均可满足国家山地1∶1万地形图测图规范要求,在地学研究中具有广阔的应用前景。     

岩体三维非稳定渗流模型及数值模拟

地下水是导致地质灾害发生的重要因素之一。岩体本身的复杂性及地下水在岩体内随时间而变化造成地下水在岩体内运动机理的复杂性。文章采用数值模拟方法探索地下水在岩体内的运动规律,了解其致灾机理。以岩体结构力学为基础,运用现代分形理论,建立主干裂隙分形网络;根据裂隙发育规模与工程尺度关系将岩体看作拟连续介质与块裂介质混合介质,并根据两类介质接触处水头相等及节点流量相等建立合理的三维非稳定渗流模型;给出渗流模型的有限元解法,开发出相应的有限元软件;给出算例,计算结果体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用及网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应;强调根据裂隙发育规模与工程尺度关系确定合理渗流模型的重要性。     

邓肯-张模型有限元分析路堤沉降实用方法

有限元法是计算路堤沉降常见的数值计算方法,但其模型参数一般需要做三轴排水试验确定。为了使该法更为实用,对已有的Duncan-Chang模型中切线弹模简化确定法进行了误差分析,提出了具体的修正系数;基于土体的K0 状态条件,给出了一个切线泊松比近似计算公式,对砂性土和粘性土均可适用。实例计算表明：所提出的方法对缺乏三轴试验资料,但又需进行有限元计算沉降的一般道路工程,具有一定的借鉴意义和参考价值。