动载下3条断续裂隙岩样的裂缝贯通机制

采用含3条断续预制裂隙的类砂岩模型试样进行单轴动力加载试验,对不同裂隙空间位置条件下断续裂隙岩体中裂隙的贯通机制进行了研究。静、动荷载下的对比研究成果显示：不同空间位置的裂隙贯通方式存在较大差异,且对动载的响应不同;动载下分支裂纹扩展及贯通具有惯性效应,即动载下裂尖次生共面、次生倾斜裂纹起裂后易朝原起裂方向快速发展,动载下易在两预制裂隙内端部产生直接贯通。这与静载下岩桥处的贯通常通过分支裂纹拐折扩展、相连不同,这也是导致裂隙试样中低应变速率下强度增大（即速率效应）的主要原因。同时,试验结果也表明：含裂隙试样静、动荷载下裂隙间的多次贯通是导致其呈现出渐进破坏特征的主要原因。     

预制裂隙岩样宏细观力学行为颗粒流数值模拟

为了研究双轴压缩下预制裂隙岩样宏细观力学行为及裂纹扩展模式,采用颗粒流程序（PFC）先分析平行粘结模型细观参数对宏观参数的影响,接着结合完整花岗岩常规三轴压缩试验结果对其细观参数进行标定,最后借助该组参数模拟有围压下预制裂隙（上裂隙①和下裂隙②）岩样的力学特性。研究表明：基于PFC程序和标定的参数能较好地模拟完整岩样的破坏情况;随着围压增大,双裂隙岩样的峰值强度和弹性模量均增大,且裂隙②与水平向夹角α2为90°时,两者均达到最大值;不同的α2下,各岩样的裂纹演化均经过裂纹萌生、发展和稳定等3个阶段;随着围压的降低和轴向应力的增大,颗粒间的力链破坏情况愈严重。由于拉伸力链的集中和分布不同,水平裂隙长度方向上的裂纹沿着轴向扩展,且两裂隙的贯通呈现不同方式。     

含裂隙煤层的地震记录模拟

采用线性滑移(Linear Slip Deformation)裂隙介质模型、各向异性弹性波模拟方法,对含裂隙煤层进行了2D2C(二维二分量)单炮记录模拟与分析。结果表明:煤层含裂隙后与不含裂隙时相比,反射时差的变化已不足以识别,但由于波速的改变会使煤层顶底界面的波阻抗发生变化,从而引起波的动力学特征的改变,AVO现象尤其明显。当裂隙为非垂直时,炮点两侧的反射波能量和振幅出现不对称现象。x分量和z分量的特征明显不同,转换波主要记录在x分量上,横波在x分量上有不可忽视的能量。因此,应用各向异性理论、利用多分量转换波研究煤层裂隙的特征是可能的。     

单裂隙砂岩单轴压缩的中等应变率效应颗粒流模拟

加载速率对裂隙岩体的力学性质及变形破坏均有重要影响。利用二维颗粒流程序PFC2D开展了不同倾角非贯通单裂隙砂岩试件的单轴压缩试验,研究了中等应变率对裂隙砂岩应力-应变曲线特征、裂隙尖端应力状态、特征应力状态、岩体损伤及裂隙扩展等力学响应的影响规律。裂隙岩体应力-应变曲线呈现明显的波动性,定义应力突变指标 对应力突变型波动剧烈程度进行了定量统计分析：随应变率的增加,曲线应力突变波动越剧烈,且峰后明显大于峰前;随裂隙倾角的增大,波动幅度峰前增大,而峰后减小。裂隙尖端破裂应力随应变率增大均有所提高,随裂隙倾角的增大,切向剪应力 总体上呈增加变化,而法向应力 明显减小。尖端破裂时岩样加载应力 、岩样临界扩容应力 及峰值应力 均随应变率增大而增大。裂隙尖端的破裂可立即引起岩体扩容,一般应变率越低,岩体裂隙尖端破裂点 和扩容点 越接近峰值强度 。随着应变率的提高,损伤裂纹及宏观裂隙类型越多,岩体试件损伤破裂程度越强,特别是试件端部效应愈显著。裂隙首先以I型翼裂纹在其尖端起裂,而I型翼裂纹的扩展长度与加载速率与裂隙倾角具有较强的相关性。     

含交叉裂隙岩体相似材料试件力学性能单轴压缩试验

以相似材料制作含交叉裂隙岩体试件,考虑主裂隙与加载方向之间角度变化及主、次裂隙之间角度变化制作20组试件,对试件进行单轴压缩试验,研究交叉裂隙对岩体破坏模式及力学特性的影响。研究表明,主裂隙与加载方向呈0°及90°时,试件破坏主要为沿次裂隙扩展的剪切型破坏;当主裂隙与加载方向呈30°及45°时,试件破坏主要是沿主裂隙扩展所致的剪切型破坏;主裂隙角度一致情况下,大部分含交叉裂隙岩体破坏强度高于含单向裂隙岩体,含交叉裂隙岩体试件应力-应变曲线峰后下降斜率比含单向裂隙岩体大;主裂隙角度一致情况下,当次裂隙与主裂隙呈45°夹角左右时,岩体试件强度较低,当次裂隙与主裂隙呈30°及90°夹角左右时,岩体试件强度较高。     

含喉部裂隙介质CO_2反应迁移的格子Boltzmann模拟研究

CO_2地质封存是目前最经济、最可靠的CO_2减排技术之一,对CO_2反应迁移规律的研究具有重要的理论价值。采用Dardis多孔介质模型与已有的CO_2反应迁移模型耦合,对含喉部裂隙的复杂介质中反应迁移规律进行模拟研究。速度场的模拟结果表明,裂隙内的速度明显高于基质速度,在喉部中心线位置处速度达到最大值。溶解反应主要集中于入口段及裂隙的上、下边缘附近;受喉部的影响,喉部下游的裂隙边缘几乎不发生溶解反应。反应物H~+在裂隙及喉部中的浓度明显高于在基质中的浓度;而生成物Ca~(2+)的高浓度区则出现在下游基质区中。针对不同喉部位置的情况进行对比,分析其对反应率及组分浓度的影响规律。最后对含突扩孔的裂隙介质进行了模拟,发现其提高了裂隙内的速度及组分迁移,这与喉部裂隙介质内的规律正好相反。上述结果较好地说明了本模型具有模拟研究复杂裂隙介质内的CO_2反应迁移规律的能力。     

含偏置裂纹的三点弯曲梁破坏过程颗粒流模拟

为研究三点弯曲梁在荷载作用下的破坏模式,采用颗粒流程序PFC2D对含不同位置和高度的预置裂隙的三点弯曲 梁破坏过程进行了模拟。结果表明：预制裂隙的长度与位置共同影响梁的破坏;当预置裂隙的位置离加载点较远时,主 要是预置裂隙的高度对梁的破坏产生影响,当裂隙高度超过70 mm时,试件的破坏模式发生变化;当预置裂隙高度一定 时,预置裂隙的位置是试件发生破坏的主要影响因素,当距离支撑点的距离超过100 mm时,试件的破坏模式发生了改 变;试件的破坏过程伴随着能量的积累和释放。相比较于有限元法和有限差分法,离散元法能更好的模拟出材料裂隙产 生和发展的过程。     

含偏置裂纹的三点弯曲梁破坏过程颗粒流模拟

为研究三点弯曲梁在荷载作用下的破坏模式，采用颗粒流程序PFC2D对含不同位置和高度的预置裂隙的三点弯曲 梁破坏过程进行了模拟。结果表明：预制裂隙的长度与位置共同影响梁的破坏；当预置裂隙的位置离加载点较远时，主 要是预置裂隙的高度对梁的破坏产生影响，当裂隙高度超过70 mm时，试件的破坏模式发生变化；当预置裂隙高度一定 时，预置裂隙的位置是试件发生破坏的主要影响因素，当距离支撑点的距离超过100 mm时，试件的破坏模式发生了改 变；试件的破坏过程伴随着能量的积累和释放。相比较于有限元法和有限差分法，离散元法能更好的模拟出材料裂隙产 生和发展的过程。     

循环荷载下砂土液化特性颗粒流数值模拟

利用PFC2D常体积循环双轴试验条件,对砂土在不排水循环荷载作用下的液化特性进行了颗粒流数值模拟,数值模拟按等应力幅加荷方式进行。颗粒流数值模拟的优点在于得到试样液化宏观力学表现的同时,通过不同循环加荷时刻试样内细观组构参量（包括配位数、接触法向分布、粒间法向接触力、粒间切向接触力）的演化规律,分析砂土液化过程中细观组构变化与宏观力学响应之间的内在联系,从而可进一步探讨砂土液化的细观力学机制。数值模拟研究结果表明,砂土液化现象在宏观力学表现上反映为超静孔隙水压力的累积上升和平均有效主应力的不断减小,在细观组构上对应于配位数的累积损失和粒间接触力的不断减小。砂土液化细观机制分析表明,试样配位数的减少与循环加荷过程中组构各向异性滞后于应力各向异性有关。     

隧道渗流侵蚀的颗粒流模拟

建造在砂土环境中的盾构隧道渗漏水会将砂土颗粒带入隧道内部,导致隧道周围砂土流失,引起隧道的不均匀变形与沉降。建立了隧道–土体离散元计算模型,模拟隧道不同部位发生局部渗流侵蚀时隧道中心位移、隧道表面土压力分布及地表沉降的变化。结果表明,隧道中心位移、地表沉降量均与颗粒流失比例呈线性增加关系;受颗粒流失及流失缝周围形成的颗粒力拱影响,隧道表面土压力重分布,会使流失缝宽度进一步扩大而加剧渗流侵蚀进程,且渗流侵蚀发生于隧道底部产生的影响大于渗流侵蚀发生于隧道腰部与顶部。     

土坡稳定分析的颗粒流模拟

边坡的失稳破坏运动是一个存在岩土体的滑动、平移、转动的复杂过程,具有宏观上的不连续性和单个块体运动的随机性。采用颗粒流模拟土坡的变形破坏全过程,不需要假定滑移面的位置和形状,颗粒根据所受到的接触力调整其位置,最终从抗剪强度最弱的面发生剪切破坏,因此离散元法是模拟边坡变形破坏力学行为的比较理想的途径。运用PFC（颗粒流）程序对砂性土坡和黏性土坡分别进行数值模拟,分析细观参数对土坡破坏型式的影响。结果显示,土性对边坡的破坏型式有很大的影响,随着颗粒黏性的增大,边坡破坏类型从塑性破坏向脆性破坏过渡。     

含折线型裂隙砂岩试件翼型裂纹起裂与扩展机制研究

岩体内部赋存的裂隙很多表现为折线型,为探究这类岩体的断裂机制,制备含折线型裂隙砂岩试件并对其进行单轴压缩试验。采用数字图像相关(DIC)方法计算加载过程中的变形场演化,根据新生裂纹两侧的位移差异识别裂纹类型;运用扩展有限元法(XFEM)模拟断裂过程,根据应力分布特征解释翼型裂纹起裂与扩展机制。DIC计算结果表明,新生裂纹处出现应变局部化带,裂纹两侧发生相对分离;含直线型和折线型裂隙砂岩试件的翼型裂纹分别萌生于预制裂隙端部以及折角处,这是因为裂隙几何形态会改变拉应力集中位置;含折线型裂隙砂岩试件的起裂应力小于含直线型裂隙砂岩试件,这是因为相同加载条件下前者的最大拉应力值更大;这2类试件的裂纹扩展均是由于裂纹尖端集中的拉应力引起的,裂纹依然呈张开状态;裂隙几何形态未改变试件的最终破坏模式,均表现为对角剪切破坏。     

不同墙体位移方式下被动土压力的颗粒流模拟

用二维颗粒流程序（PFC2D）对各种移动模式的刚性挡墙被动土压力进行了模拟。再根据已有的模型试验建立颗粒流模型,分别让刚性墙体朝土体一侧平移、绕墙体顶部转动和绕墙体底部转动,给出了这三种情况下墙后被动土压力的分布图形以及相应的竖向应力的分布图形,同时给出了墙后被动土压力随墙体位移的变化规律。最后,将计算结果与实验结果进行了对比表明,颗粒流数值模拟方法不仅使用方便,而且能较好地模拟墙后被动土压力的分布规律。     

颗粒流理论模拟砂土的力学性质

文中采用颗粒流理论模拟了砂土双轴试验和砂土剪切带的形成与发展机理。通过颗粒流数值模拟试验再现了砂土应力－应变关系曲线，同时研究了砂土细观参数变化时其宏观力学性质的反应。对比研究了室内试验与颗粒流试验砂土剪切带的形成与发展机理，同时研究了当细观参数如颗粒大小、刚度、摩擦系数变化时，砂土剪切带的变化规律。     

边坡落石灾害的颗粒流模拟方法

落石是边坡的一种常见的动力地质灾害。基于颗粒流理论,提出了落石灾害的二维的可视化模拟方法。通过颗粒流中不同参数的ball单元的组合模拟了各种形状和特性的落石体;通过wall单元的组合模拟坡面;选择ball-ball和ball-wall的接触刚度模型、粘结模型和滑移模型等接触本构模型来反映落石运动过程中落石岩块内部各部分和落石与坡面作用行为;实现了边坡落石灾害的二维可视化模拟。模型模拟出落石的自由落体、弹跳、滑动和滚动等运动形式、运动过程岩块的崩解;得到了落石的运动速度、位移等运动学参数。工程实例初步验证了该方法的可行性、合理性。     

石灰岩细观力学特性的颗粒流模拟

岩体地区地质灾害的发生和发展取决于岩石细观组分的运动学行为。研究岩石运动学行为时通常将岩石作为整体研究对象较多,而直接以细观组分为对象的研究较少。以石灰岩为例,根据室内试验获得的岩石力学性质指标,使用基于非连续介质理论的颗粒流方法,将材料离散成刚性颗粒组成的模型,把颗粒细观变化与宏观力学特性联系起来,建立了石灰岩的细观结构模型,获得了颗粒接触力、颗粒接触模量、接触连接强度和连接刚度比等细观力学参数。由于文中直接以细观成分为研究对象、反映了岩石和岩体组成的本质特点,所得结论不仅对含裂隙岩石本构关系研究具有广阔的应用前景,而且对岩体工程性质和地质灾害机制研究也具有重要的理论意义。     

含直立裂隙介质的弹性波动方程正演模拟

从具有水平对称轴的横向各向同性（HTI）介质中的弹性波动方程出发,在交错网格空间中采用高阶差分算子对弹性波动方程进行差分离散,得到了HTI介质中地震波正演的高阶有限差分格式,研究并实现了PML吸收边界条件。在此基础上实现了HTI介质中弹性波方程的多波正演。数值算例表明,该方法能够精确模拟弹性波在复杂各向异性介质中的传播过程,得到高精度的正演记录。     

刚性挡土墙主动土压力颗粒流模拟

将土体离散为具有滑动连接模型的刚性条块,用颗粒流PFC2D程序数值从细观力学角度模拟了墙体平移(T)、绕墙底转动(RB)和绕墙顶转动(RT)位移模式下不同位移大小时刚性挡土主动土压力分布。模拟结果表明：刚性挡墙主动土压力非线性分布、墙土间外摩擦角和土体剪切角或内摩擦角对土压力有很大影响;墙体绕顶部转动时,大约0.3倍墙高以上的主动土压力大于静止土压力产生土拱效应;模拟计算值与模型试验实测数据吻合比较好,具有一定的理论价值。     

基于颗粒流模拟的堆积层滑坡过程分析

基于颗粒流离散元程序模拟了堆积层滑坡变形破坏及滑动的全过程。结合现场地质调查资料,总结了拜殿乡Ⅰ号滑坡的成因机制及影响因素,分析表明该滑坡是在内外因共同作用下的结果,其主要原因是滑体物质松散,雨水入渗形成软弱滑动带,导致坡体的变形滑动。采用数值试验确定土体细观参数与宏观力学性质的关系,建立拜殿乡Ⅰ号滑坡数值模型,考虑降雨对滑带土强度的软作用化,对滑坡变形破坏及滑动全过程进行了模拟。模拟结果表明：滑带土强度降低后坡脚出现剪切破坏集中区,后缘处出现拉张裂破坏集中区,随着坡体缓慢的蠕动变形,坡脚的裂隙范围逐渐扩大,坡体中后缘出现多条拉张裂隙;根据滑体的运动速度将滑动过程分为蠕动变形、滑动加速、滑动减速和缓慢堆积4个阶段;滑坡滑动情况和最终堆积状态表明拜殿乡Ⅰ号滑坡严重威胁龙潭村小学及乡村公路的安全,模拟结果对该滑坡的工程治理具有重要的指导价值。     

桩承式路堤承载特性的颗粒流模拟

现有的土拱效应计算方法中,由于采用的计算模型不同,计算结果差异很大。文中克服传统连续介质力学模型的宏观连续性假设,采用二维颗粒流程序（PFC）建立基于模型试验的细观数值分析模型,对桩承式路堤中土体接触力、应力分布、主应力方向、竖向位移进行分析,并比较计算和实测结果,研究土拱效应的荷载传递机制。同时,对不同桩帽、桩间距、填土高度、颗粒大小、摩擦角的情况进行PFC方法的参数敏感性分析。研究结果表明,桩承式路堤桩顶处局部范围可按弹性核考虑;土拱的分布型式受桩帽型式、桩净距、格栅的影响;实际土拱作用的影响范围主要集中在路堤底面以上约1倍桩净距的区域;土拱内部的竖向应力和水平应力均随深度非线性改变,桩土应力比随着荷载水平、土体内摩擦角、颗粒大小的增大而增加。