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。     

黄土崩塌破坏模式及离散元数值模拟分析

黄土崩塌是黄土高原区最常见、致灾最为严重的一种地质灾害.首先,从黄土地形地貌、黄土类型及结构、黄土垂直节理、坡脚侵蚀、降雨、人类工程活动等方面分析了黄土崩塌的成因,认为黄土中的垂直节理和坡脚侵蚀作用是造成黄土崩塌的主要原因;其次,通过野外黄土崩塌变形破坏特征及地质现象分析,将黄土崩塌归纳为拉裂-坠落式、拉裂-倾倒式、拉...     

灌溉作用下黄土宏观力学响应及微观结构特性研究

从黄土特有的水敏性和微结构角度出发,开展灌溉作用下,水体入渗过程中黄土宏观力学响应与微观结构特性之间变化规律的研究。设定了不同含水量下的黄土宏观力学与微观结构试验,旨在得到水对黄土的应力应变响应规律及试验前后剪裂面上黄土微观结构的变化特征。结果表明:研究区Q3黄土的应力-应变曲线随着围压的增大呈现出由应变软化型向应变硬化型转变,随着含水量的增大呈现出由应变硬化型向应变软化型转变的规律;并以此确定了研究区黄土结构屈服应力σk所对应的应变值一般小于2%;结合饱和Q3黄土三轴固结不排水剪切试验获得了研究区黄土的稳态线参数及状态边界面参数,并在假设不同围压条件下稳定状态收敛的前提下,得到近似状态临界面公式;分析了Q3黄土在不同围压和含水量下的破坏模式,其特征表现在黄土试样剪切前后的微观结构变化主要表现在微结构类型的转变、孔隙含量减小及微裂隙的发育程度上。     

锚固节理岩体等效力学参数三维离散元模拟

节理岩体是工程边坡的重要研究对象,通过数值模拟（3DEC）的方法研究了加锚节理岩体的力学特性。以龙滩水电站左岸边坡的锚固设计为例,推导了边坡加锚节理岩体的等效力学参数,进行了岩石数值单轴压缩试验、直剪试验以及岩体结构面直剪试验,对数值试验的结果进行了误差分析和修正,确定出加锚节理岩体的等效力学参数为：岩石的变形模量、内摩擦角、内聚力不变,结构面的内摩擦角不变,内聚力由50 kPa提高到122 kPa。所得结论与采用物理试验的试验结果相符,验证了用数值模拟方法进行岩石力学试验的可行性和可靠性。     

土石混合料大型直剪试验的颗粒离散元细观力学模拟研究

土石混合料作为一种特殊的岩土介质越来越受到国内外众多研究者的重视。基于3维颗粒离散元PFC3D,建立了土石混合料直剪试验模型,进行了不同含石量、不同岩性的土石混合料直剪试验模拟研究。颗粒离散元模拟结果表明,土石混合料的石料岩性和含石量在很大程度上控制了土石混合料的抗剪强度特性。硬岩混合料的摩擦角普遍比软岩混合料大6°～ 7°,含石量为60%～80%时达到最大。土石混合料的剪切面不再是一个平面,其起伏度随含石量增加而增大。剪切过程中软岩混合料在低正应力下表现为剪胀,高正应力下表现为剪缩,并产生软化现象,硬岩混合料表现为剪胀和塑性;软岩土石混合料剪切过程中能量以应变能和动能为主,而硬岩土石混合料的能量以摩擦能和动能为主。     

原状与重塑黄土冻融过程渗透特性对比试验研究

通过冻融条件下西安Q₃原状和重塑黄土的电镜扫描观测和三轴固结渗透试验,对比分析了冻融作用对原状和重塑黄土渗透特性的影响规律。结果显示:冻融条件下原状与重塑黄土微观结构均发生明显变化,土体胶结连接强度变差且颗粒排列更加松散,孔隙比增加,渗透性增强。冻融作用对原状和重塑黄土表面结构破坏均较严重,但原状黄土表面结构破坏程度较重塑黄土更为强烈;冻融过程产生的裂缝使得土中水分渗流和迁移的通道形成,导致原状与重塑黄土体渗透性增强。冻融条件下原状与重塑黄土渗透系数随含水率增加均先增大后减小,表现出抛物线变化特征;渗透系数随冻融次数增加均先增大然后趋于稳定,表现出指数增大特征;渗透系数随围压增大均先减小然后趋于稳定,表现出指数下降特征;相同条件下原状黄土渗透系数高于重塑黄土;原状与重塑黄土渗透系数差异随围压增大逐渐减小。     

月壤双轴试验的剪切带离散元数值分析

土体的破坏问题一般都是从其剪切带入手进行研究的。针对真实月壤所处的环境（无水、低重力场、低气压等）和内摩擦角较大的特点,采用最近提出的1种考虑粒间抗转动作用与粒间范德华力2个因素的月壤散粒体力学接触模型,用离散单元法模拟了柔性边界条件下月球环境（含范德华力）与地球环境（不含范德华力）2种试样的双轴压缩试验,通过试样局部变形、速度场、孔隙比及转动场的变化情况研究了2种试样剪切带形成与发展。研究结果表明,剪切带的形成是试样内部应变局部化的结果,同时也伴随着试样内部颗粒相对转动的局部化,月面环境对试样的破坏形式与性状（剪切带的倾角及厚度）有显著的影响,探月工程中必须考虑到月面环境对月壤力学性质的影响。     

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。     

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。     

基于微观力学的胶结岩土材料破损规律离散元模拟

采用离散元法（DEM）研究胶结岩土材料在不同加载条件下的结构破损规律。首先,基于微观力学理论,考虑胶结岩土材料颗粒间胶结特性,给出表征结构性损伤的破损参数式。该式具有微观物理意义,但不能直接用于建立宏观本构模型。其次,采用二维离散元源程序NS2D模拟等向压缩、等应力比压缩以及双轴压缩试验,分析破损参数在不同加载条件下随宏观力学变量（体积应变和剪应变）的演变规律。最后,根据模拟结果提出破损参数数学表达式,其为大主应变的函数。研究结果表明：胶结强度、应力比以及围压均在一定程度上影响了数值试样的结构破损规律。在等向压缩和等应力比压缩试验中,容易用函数式描述数值试样破损参数随体积应变或偏应变的演变规律;而在双轴压缩条件下,由于数值试样有剪胀特性,破损参数随体积应变的演变规律则不易描述。建议的破损参数数学表达式能够较好地描述数值试样在不同加载条件下结构破损规律。     

结构性砂土静力触探试验离散元分析

为研究结构性砂土静力触探的宏微观力学特性,在10 g重力场中生成一个净砂地基;将一个考虑胶结厚度的微观胶结接触模型引入到净砂地基中以生成结构性砂土地基;用一定速率移动探杆以模拟结构性砂土中的静力触探过程,其中,探杆由4面刚性墙组成。结果表明,随着贯入深度的增加,锥尖贯入阻力逐渐增大,增长速度逐渐减慢,在达到临界深度后贯入阻力在某一定值附近波动;锥尖部位有明显的力链集中现象,力链的集中程度和范围会随着贯入深度的增加而逐渐提高和扩大;静力触探过程中,探杆两侧的土体经历了明显的加载和卸载过程,且土体主应力方向发生偏转;离探杆越远,主应力偏转速度越慢,最终偏转角越小;不同深度处平均纯转动率（APR）的变化趋势基本相同,而APR最大值会随着土体深度而逐渐增加;探杆的贯入会使土颗粒间胶结发生破坏,胶结的破坏形式主要有拉剪破坏和压剪破坏两种,而拉剪破坏数目要比压剪破坏数目多。     

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。     

考虑环境劣化非贯通节理岩体的直剪试验离散元模拟

非贯通节理岩体的强度特性是大型边坡、隧道等工程安全性的重要影响因素。随着酸雨、河流污染等对岩石环境劣化程度的加剧,考虑环境劣化因素对非贯通节理岩体强度的影响很有必要。采用离散元法,基于已有的胶结接触模型,将岩体因环境作用而劣化等效为岩石试样质量损失不断加剧的过程,最后等效为颗粒和颗粒之间的物质不断溶蚀的过程,由此建立考虑环境劣化的微观接触模型并将其植入离散元软件中,模拟分析了不同环境劣化程度的非贯通节理岩体在不同连通率和不同法向应力下的直剪试验。结果表明:不同环境劣化程度非贯通节理岩体剪切应力-位移曲线趋势一致;随环境劣化程度的加深,节理岩体的破坏形式以拉裂纹为主转变为以剪切裂纹为主;环境劣化使得节理岩体直剪试验起裂应力降低,且环境劣化程度的加深会导致非贯通节理岩体的凝聚力降低及内摩擦角减小,表现为峰值剪切强度降低。     

酸污染原状黄土渗透微观特征演变规律试验研究

研究污染黄土的渗透特性能够为污染场地的治理提供经济高效的方案措施。以蒸馏水作为渗液,采用GDS三轴渗透仪通过室内试验研究了盐酸、硝酸和硫酸侵蚀黄土的渗透特性变化规律,并从微观结构的变化进行机制分析。试验结果表明:相同固结应力条件下,不同类型污染土的渗透系数均随酸液浓度的增大而降低;随着酸液浓度增大,污染土骨架连接方式由点-点接触向点-面接触、面-面接触转变,土体内部大孔隙消散、小孔隙增多使得有效渗流孔隙减少,导致污染土渗透系数降低;相同试验条件下不同类型污染土渗透性能变化规律为:硫酸<硝酸<盐酸<水,即酸液增强了黄土防渗及防污性能。研究结果以期为黄土地区的工程活动和防污治理提供有效参考。     

地震作用下黄土斜坡失稳及运动过程的离散元模拟

在山区,地震诱发滑坡造成的人员伤亡往往占到地震总伤亡人数的一半以上,尤其是在黄土地区,由于地震造成的黄土滑坡具有运动距离远等特征,其灾难性更严重。针对地震诱发黄土斜坡的失稳峰值加速度、临界位移和运动距离等问题,本文利用离散元（PFC）方法,通过对室内三轴实验的应力-应变曲线进行标定和高精度航拍三维地形数据进行转化,以宁夏海口村黄土斜坡为研究对象,开展三维地震作用下斜坡失稳破坏和运动过程的数值模拟研究。通过监测不同位置在地震作用下的应力分量,计算监测点的p、q值并与室内三轴实验所得到p-q破坏线进行比较,获得斜坡破坏过程中的应力路径。结合颗粒的监测位移,获得斜坡失稳破坏的临界位移,得出该黄土斜坡失稳峰值加速度为0.135 g,临界位移为50 cm。同时根据不同地面环境条件,预测了在不同摩擦系数下斜坡失稳后的危害范围,为黄土地区边坡工程的抗震设计及防震减灾工作提供一种新的可视化方法。     

控制应力路径散体材料真三轴试验强度特征的离散元模拟与细观机制分析

通过一系列真三轴离散元数值试验,模拟了不同应力路径下的等b试验中散体材料的强度特征。根据模拟结果详细地分析了三维应力条件下中主应力和应力路径对散体材料峰值强度的影响,研究了峰值摩擦角、峰值应力比的变化规律,并根据真应力的概念和组构张量的演化结果分析了散体材料的强度成因。研究表明,在不同类型的数值试验中峰值偏应力随b参数的变化规律不同,但采用初始围压归一化后的应力-应变曲线规律一致。峰值强度线的斜率只与b值有关而与应力路径无关,且随着b值的增加,峰值应力比qf /pf逐渐减小,数值模拟结果与室内试验结果吻合较好;随着应变的发展,数值试样的组构也随之发生变化,产生了明显的应力诱发各向异性;散体的强度为颗粒摩擦及材料各向异性共同作用的结果;理论上,组构比-应力比坐标系中破坏点位置仅取决于颗粒摩擦角 ,而数值模拟结果与理论值的差异源于颗粒间咬合和滚动摩擦的影响,其影响与颗粒表面摩擦系数有关,也受空间应力状态的影响。     

高黏性铝土矿放矿流动性试验与微观力学研究

根据中铝洛阳铝矿实际情况,结合放矿力学理论、室内相似试验和离散元数值模拟技术,从宏观和微观两方面深入地研究了矿仓放矿机制以及影响矿石流动性的主要因素。颗粒流数值模拟再现了放矿过程中矿石颗粒间以及颗粒与仓壁间相互作用力的动态变化过程。根据研究结果,设计了一种全新的仓内悬垂式振动助流器,并进行了现场试验,取得了很好的助流效果。它不但很好地改善了矿石流动性,解决了困扰洛阳铝矿几十年的矿仓堵塞、卡斗、起拱问题,优化了矿石和仓壁间的力学关系,减小了仓壁所受的动态接触压力,而且也大幅提高了矿仓放矿效率及生产安全系数,降低了工人的劳动强度。     

西安某地裂缝两侧黄土物理力学性质试验

概述了西安地裂缝的成因、分布规律和活动速率等特征,然后对某条地裂缝特定地段附近的Q3黄土及其下面第一层古土壤进行了原状土样的常规土工试验和重塑土样的三轴流变试验。常规土工试验表明,以地裂缝为中心,越靠近地裂缝土样的天然密度、含水量、液塑限越大,孔隙比、内聚力和内摩擦角越小,均以地裂缝为中心近乎呈对称分布。重塑土样的三轴流变试验表明,地裂缝带内土的三轴流变特性较地裂缝附近黄土的流变特性明显的多。这从另一角度证明了地裂缝为一宏观不连续软弱结构面,为从力学角度研究地裂缝对工程结构的影响分析研究提供参考。     

大断面原状黄土抗拉强度试验研究

抗拉强度是描述黄土力学性质的重要指标,是研究黄土拉张破坏特性的基础。采用自主研发的大断面原状黄土拉伸仪,对陕西泾阳L5原状黄土开展了单轴拉伸试验,测定不同含水率下大断面原状黄土的拉伸应力-应变特征,获得其抗拉强度,并与利用常规三轴剪切试验结果间接获得的抗拉强度值进行对比分析。结果表明：黄土在低含水率时,黄土强度较高,拉应力随拉应变的增加线性增加,破坏时呈脆性;黄土在高含水率时,抗拉强度较低,拉应力随拉应变的增加呈非线性增加,表现出一定的塑性;黄土抗拉强度与含水率呈指数递减关系。与常规三轴试验结果相比,拉伸试验获得的结果较小,更接近实际情况,同时两者之间存在一定的线性关系。     

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。