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。     

考虑各向异性影响的冻土修正线性黏结接触模型开发及应用

针对冻土的各向异性特性,基于线性黏结接触模型,建立了能够反映冻土各向异性特性的修正线性黏结接触模型,并通过C++语言生成供颗粒流程序PFC3D调用的离散元本构子程序DLL。首先对单一接触进行了拉伸、直接剪切测试,通过对比数值与理论结果,验证了考虑各向异性影响的冻土修正线性黏结接触模型的正确性。此外,模拟了不同温度条件下的冻土三轴压缩试验,并与试验得到的应力-应变曲线进行对比,结果表明,所提出的修正线性黏结接触模型对冻土具有较好的适用性。基于标定后的模型细观参数,开展了一系列的三轴压缩离散元数值模拟,利用模拟结果探讨了虚拟弱面法向倾角对冻土的应力-应变曲线特征、强度及抗剪强度指标的影响,并分析了有效配位数、细观组构量的演化规律。研究结果可为冻土各向异性宏-细观力学特性提供数值基础。     

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.     

多尺度内聚颗粒模型破碎过程研究

岩石破碎过程涉及到多个变量(应力、应变和孔隙率等)变化和裂纹的产生、拓展和聚集,是研究岩石破碎机制的重要途径。为了克服现有研究中岩石颗粒模型未考虑岩石内部特征问题,针对岩石内部颗粒非均匀分布、聚集的特点,开展了岩石轴压破碎试验和岩石岩相分析试验,并在此基础上,构建符合真实岩石内部特征的多尺度内聚颗粒模型。根据离散元的颗粒黏结模型(BPM)理论,求解了多尺度内聚颗粒模型不同粒级颗粒间黏结键的力学关系,发现与二级颗粒形成的黏结键断裂判据为?₂≥2 GPa,三级颗粒之间形成的黏结键断裂判据为?₃≥6 GPa,并基于该判据建立了用于模拟颗粒模型破碎的演化模型。通过模拟轴压破碎试验,破碎演化模型可以从细观角度得到颗粒模型各颗粒间黏结键承受力的实时变化和岩石破碎过程中黏结键从外而内的断裂顺序;从宏观角度得到岩石内部裂纹呈V形从上表面两端延伸并相交于岩石中部。通过与岩石轴压破碎试验结果对比发现,模拟试验得到的岩石裂纹特征与岩石轴压破碎试验结果相似,验证模型的可靠性,实现了从细观和宏观角度分析岩石破碎过程。     

平行黏结模型宏细观力学参数相关性研究

采用变量控制法较全面地分析了各细观参数与宏观参数的定量关系,表明：弹性模量E随颗粒模量Ec、黏结模量 、平行黏结半径乘子 呈线性增长,随颗粒刚度比kn /ks、黏结刚度比 呈对数减小;泊松比则主要受kn /ks和 的影响,两者之间呈对数关系;颗粒键的黏结强度决定了材料的强度,室内材料黏聚力c和抗拉强度 主要受法向平行黏结强度 、平行黏结强度比 的影响,随 线性增长,随 对数减小;摩擦角 主要受颗粒摩擦系数u影响,两者呈对数关系。分析裂隙扩展特征,表明材料法向黏结强度 和切向黏结强度 的相对大小决定裂纹分布规律,随 增大,岩样的拉破坏区域减少,而压剪破坏区域增加,破坏面由剪切破坏向共轭破坏发展;材料的强度离散性越小,岩样破坏趋于集中,破坏面明显,强度均值标准差比值 >3.5为宜; 增加,宏观破坏形式向共轭破坏发展。细观参数的选取除了匹配强度参数,同时还需要考虑破坏形式的一致,考虑多参数相互影响,建立了宏细观参数之间的经验公式,对细观参数进行优化选择,并做了实例验证。室内试验和数值模拟获得的峰值荷载、变形参数、剪切强度等数值接近,应力-应变演化规律相同,破坏形态一致,表明细观参数结果是可靠的。     

高应力区砂岩加卸载条件下能量变化规律及损伤分析

根据高应力区砂岩三轴压缩试验和峰前卸围压试验的结果,分析了砂岩在不同应力路径下的能量变化规律。试验结果表明,相同围压下,峰前卸围压试验的各能量指标(总吸收能、弹性应变能、耗散能)均小于三轴压缩试验,能量变化特征与其初始应力路径密切相关,且随围压的增大而增大。峰前储存的弹性应变能比耗散能多,耗散能只在临近峰值点处才迅速增加。能量的耗散会导致岩石产生损伤,并且使岩性劣化、丧失强度,从能量角度定义的损伤变量,可以得出结论:开始卸荷低围压下的损伤变量大于高围压下,临近破坏时高围压下的损伤变量大于低围压下;卸围压使岩样束缚减小,加速了损伤的发展,岩样所受的应力状态愈趋不平衡。因此,基于能量的角度来表征岩石的损伤演化更符合实际。     

水-力耦合条件下砂岩声发射和能量耗散的颗粒流模拟

对砂岩进行水-力耦合三轴试验和声发射实时监测,得到水-力耦合作用下砂岩应力-应变曲线和声发射数据。根据试验条件和结果建立离散元颗粒流的水-力耦合双轴模型,研究砂岩声发射和能量演化规律。通过定义耗散能,用耗散能增量较好地诠释了声发射的发展规律。利用微破裂源可追踪声发射局域源,得到水-力耦合条件下的声发射空间分布和裂纹类型。研究表明：（1）孔隙水压力对颗粒的拖拽力削弱了颗粒间的平均接触力,从而降低了砂岩整体强度。（2）孔隙水压力反映出对弹性应变能有一定程度的反复“贮存和清空”作用,造成声发射能量相对离散和峰后的应力波动。（3）渗透压的存在提升了总输入能的耗散效率,降低了总输入能和弹性应变能,须综合考虑总输入能（弹性应变能）和耗散效率才能确定累计耗散能。（4）裂纹分布表现为可能出现与主剪切带呈一定夹角的伴生裂隙带,且受水-力梯度影响,进水端比出水端更密集。（5）张拉裂纹与剪切裂纹的比值于峰值强度处显著增加,峰后趋于稳定。     

单轴压缩黏性土剪切带相互作用及损伤试验研究

剪切带损伤研究对于理解材料破坏机制和建立剪切带本构模型具有重要意义。为了研究单轴压缩黏性土样的剪切带损伤演化规律,根据纵向应变较高时清晰剪切带位置布置切向测线,对数字图像相关方法获得的结果进行双三次样条插值,从而获得光滑性较好的各种应变场。将土样整体的损伤变量-纵向应变曲线与各条剪切带的损伤演化曲线进行了对比。研究发现：（1）总体上,土样整体的损伤变量演化曲线呈线性,而各条剪切带的损伤变量演化曲线均上凹,这表明随着纵向应变的增加,各条剪切带的损伤发展越来越快;（2）各条剪切带的损伤变量演化曲线的轮廓线呈马尾形,这说明随着剪切带的逐渐发育,各条剪切带的相互影响和作用规律变强;（3）对于含水率较低的土样,平行或共线剪切带的损伤变量变化基本同步,特别是在剪切带充分发育之后,但两条剪切带的距离应较小;在一定时期,共轭或交叉剪切带中剪切带的损伤占优,这与剪切带的相互竞争有关,但若两条剪切带达到独立发展的程度,则二者的损伤变量变化可以同步;对于含水率较高的土样,各条平行或共轭剪切带的损伤变量变化基本同步,剪切带的相互作用不明显。     

煤岩两体模型变形破坏数值模拟

采用拉格朗日元法,在弹性岩石与弹性-应变软化煤体所构成的平面应变两体模型的上、下端面上不存在水平方向摩擦力条件下,模拟了模型的破坏过程、岩石高度对模型及煤体全程应力-应变曲线、煤体变形速率、煤体破坏模式及剪切应变增量分布的影响。结果表明,当模型的全程应力-应变曲线达到峰值时煤体内部的剪切带图案已经十分明显,在模型的应变硬化阶段,煤体中的应变局部化可视为模型失稳破坏的前兆,随岩石高度的增加,模型应力-应变曲线的软化段变得陡峭,这与单轴压缩条件下的解析解在定性上是一致的;煤体应力-应变曲线的软化段变得平缓,煤体消耗能量的能力增强;弹性阶段煤体的变形速率降低;煤体内部的剪切应变增量增加。煤体应力-应变曲线的软化段的斜率、弹性阶段煤体的变形速率、煤体内部的剪切应变增量及塑性耗散能都受岩石高度的影响,说明了岩石几何尺寸对煤体的影响(煤岩相互作用)是不容忽视的。     

压缩载荷下准脆性材料宏细观损伤变量研究

在连续损伤力学的基本框架内构建损伤力学模型,而对损伤变量的定义及其演化方程的描述则充分借鉴细观损伤力学的研究成果,就可以建立一个宏细观相结合的损伤模型。对于压缩载荷下准脆性材料损伤,通过假设宏观损伤分析和细观损伤分析所得到的有效弹性张量等价,可以求得宏观损伤变量与细观损伤机制相关的表达及其损伤演化方程,进而可以建立宏细观相结合的损伤模型,并以单轴压缩为例表明这种分析方法是可行的。     

粗粒含量对砾类土直剪过程中强度与变形特性影响的离散元模拟研究

粗粒含量对砾类土的工程力学特性具有重要的影响。本文对4组不同粗粒含量的强风化玄武岩砾类土进行了大型直剪试验,并获取相关的强度与变形参数,基于离散单元法颗粒流理论,采用粒间作用为平行黏结模型的圆球模拟土颗粒,建立了4种不同粗粒含量砾类土直剪的离散单元模拟的计算模型,并进一步校正了颗粒单元细观参数,模拟了不同粗粒含量砾类土100kPa垂直压力时的应力应变关系、垂直变形以及剪切带上的土颗粒运动与颗粒间作用力传递的影响特性,分析了粗粒含量对砾类土宏观及细观力学性质的影响机理。结果表明:砾类土表现出的粗粒含量越大强度越高的本质是由于随粗粒含量增加时,土颗粒间平均刚度增加及颗粒间的咬合作用使得摩擦系数增加,采用平行黏结模型能较好的拟合峰值前剪应力-剪位移曲线,但是峰后曲线段尤其对软化现象的适应性不是十分理想; 垂直位移-剪位移模拟值与试验值存在一定的偏差; 随着粗粒含量的增加,最大剪应力时粗颗粒对力链的控制表现得愈明显,相应的剪切带厚度约为剪切盒高度的1/3～1/5,并随粗粒含量增加而增大。     

岩土力学研究的一些反思

传统三轴试验径变形的测量多采用链式环状传感器,假设试件为对称破坏,呈X型或沿中心轴对称破坏为合理测量方式,绘制偏应力与体积应变曲线斜率没有意义,如果在三向等量加卸载下斜率具有含义。弹性阶段比例极限和峰值应力恒定,外加应力大于比例极限应力时比例极限和峰值应力随损伤变化。破坏区荷载与位移关系曲线是材料力学与结构综合体现,应将应力和应变改为视应力与视应变;传统的迟滞回线面积是能量耗散表征是不正确的,应是能量存储、转换和耗散表征;沿中心轴破坏应为拉破坏,能很好地解释岩体中拉裂纹现象,因此提出循环加卸载试验以卸载曲线线性段作为材料参数确定依据。对于孔隙连通材料,施加应力大于比例极限应力,在不排水任意应力状态水压力卸载至0,以卸载曲线的线性段决定相应材料参数,建议传统三轴试验改为50 mm×50 mm×100 mm六面体试件。在比例极限应力内,损伤变量恒定,在外加应力大于比例极限应力时,沿应力主轴各方向损伤演化不一致,且随应力路径变化。     

基于离散元法的砂土破碎演化规律研究

颗粒破碎是影响砂土宏-微观力学性质的重要因素。采用改进型的可破碎颗粒生成方法,通过设置不同强度的平行黏结键模拟不同强度的可破碎颗粒,并借用基于离散元方法（DEM）的双轴压缩试验详细研究了可破碎性土在剪切过程中颗粒破碎率/平均破碎程度、微观尺度上的能量耗散分配机制、剪切破碎带形成以及断裂键各向异性的演化过程。结果表明,颗粒破碎强烈地影响砂土在宏观尺度上的力学响应、颗粒尺度上的能量分配机制以及剪切过程中的颗粒的组织结构演化。颗粒破碎主要影响小应变阶段各能量耗散元的分配机制,而在临界状态下剪切带内的颗粒摩擦以及破碎耗能是消耗外界功的主要因素。数值结果亦表明,颗粒的破碎伴随着整个剪切过程,但破碎率的增长速度却随着剪切应变的发展逐渐降低。另外,在剪切过程中,对于低破碎性土,在临界状态下剪切破碎带基本形成,带内的原有组织结构被打乱,断裂键的各向异性也随之弱化。     

考虑峰值后区应力跌落速率的脆岩损伤本构模型研究

为了研究和分析脆岩峰值后区变形破坏力学性质,引入统计细观损伤理论,针对以破坏微元体数目与总数目之比定义的损伤变量存在的局限性与不足,在分析非均匀性岩石峰后变形破坏特征基础上探讨脆岩细观损伤演化机制,建立了考虑破坏微元体引起岩石材料非均匀性的修正损伤模型,并提出模型修正系数的函数假设;然后,在此基础上推导建立了岩石修正统计损伤本构模型,并给出了模型参数的确定方法;最后,将模型理论曲线与试验曲线进行了比较分析,并对模型参数的变化规律进行了讨论。研究表明:该模型能够反映脆岩峰值后区不同应力跌落速率的现象,模型理论曲线及模型参数的变化规律与试验结果较为吻合,表明提出的模型和方法具有一定的合理性与可行性。     

卸荷损伤原状膨胀土剪切力学特性试验研究

通过GDS三轴试验系统对经历3种卸荷速率损伤后的原状南阳膨胀土样进行再加荷不排水三轴伸长剪切试验,同时考虑了超固结比与固结状态的影响。试验结果表明,膨胀土再加荷剪切力学特性与初始卸荷速率有关。在相同的轴向应变下,初始卸荷速率越小,其偏应力单调越小。在主应力方向改变前后,其应力?应变关系曲线斜率显著变化。相同固结方式与超固结比状态下,孔隙水压力均表现为先增大后减小趋势,孔隙水压力峰值应变随卸荷速率增大而减小。无论是等压固结还是K0固结,初始卸荷速率越大,不排水剪切强度越大。膨胀土样经历了初始卸荷损伤后,再加荷常规三轴伸长试验所得剪切强度均低于无损伤时的强度。以膨胀土破坏强度所得损伤度SD低估了卸荷速率对膨胀土的损伤程度,建议采用孔隙水压力峰值强度进行膨胀土边坡设计计算。原状膨胀土力学性状随卸荷速率损伤的演化规律受卸荷阶段轴向应变大小及裂隙性综合影响。     

基于抗转模型的颗粒材料宏−细观关系研究

接触模型的宏?细观参数标定是成功使用离散元方法的关键。在离散元的接触模型中线性接触模型与抗转线性接触模型均可用于模拟砂性土的力学行为,其中抗转线性接触模型在模拟密砂的剪胀性方面具备优势。采用抗转线性接触模型对室内密实砂土三轴试验进行了离散元模拟,验证了抗转线性接触模型的可靠性;进而系统分析了颗粒间摩擦系数、刚度比和抗转动系数等细观参数与砂土峰值内摩擦角、残余内摩擦角、峰值剪胀角等宏观参数的相关关系并进行了验证;揭示了偏应力作用下,细观参数对密实砂土试样内部剪切带宽度与倾角变化的影响规律,提出了考虑剪胀角的剪切带倾角经验公式。通过研究建立了抗转线性接触模型宏?细观参数的量化关系并给出了标定参数的具体流程图,提出了快速标定宏观参数的方法并应用实例进行了验证,为采用抗转线性接触模型精准模拟密实砂土的力学特性提供依据。     

土工结构物的稳定性数值分析

结构性土体的剪切破坏实质是土的结构损伤导致其力学性质劣化的最终形式，基于应变等效原理，借助非线弹性Duncan-Chang模型建立了土体宏观损伤演化方程，并以三轴试验予以分析，定义土工结构物的安全系数为极限损伤与承载能限状态下的最大损伤变量之比，提出相应的滑动面分析方法，并给出了应用算例。     

D-P随机损伤本构模型及其在预防陷落柱突水中的应用

预测陷落柱突水与否的关键在于准确描述其内岩石在采动影响下的力学特性及损伤深度。以弹性模量作为损伤变量,基于耗散结构理论建立细观层面的修正平行杆模型,根据宏观层面的声发射和应力-应变数据得到损伤演化方程;结合Drucker-Prager屈服准则和对应的非关联流动法则,建立D-P弹塑性双标量型随机损伤本构模型。分析结果表明,D-P随机损伤模型可以较好地反映岩石非线性和随机性特征,在概率意义上预测了应力-应变曲线的离散范围。同时,该模型可以较好地反映压-拉-压循环荷载下岩石弹性模量的退化。基于此模型,对成庄矿51510工作面WDX40陷落柱的损伤规律进行研究发现,柱体内压缩损伤深度呈现非对称倒马鞍形分布规律,且远离切眼的陷落柱边壁处压缩损伤深度更大。     

空心圆柱扭转仪定向剪切试验离散元模拟

为分析砂土在复杂应力条件下的剪切力学特性,采用商业离散元软件PFC3D对单粒组中密砂的空心扭剪试验进行了仿真模拟,分析了数值试样的应力-应变关系,研究了不同剪切方向下离散介质的强度、体积应变特性以及中主应力比对它们的影响,再现了力链在加载过程中的演化,并对剪切带的倾角做了深入分析。同时,从细观上看,以颗粒接触数和纯转动率变量为中心,观察了试样内部颗粒的运动状态,对比了不同剪切方向下剪切带内外颗粒接触数与纯转动位移的变化。最后,将数值试验结果与已有的室内试验结果进行了对比。此研究实现了复杂应力条件下空心扭剪试样的三维离散元模拟,加深了对空心扭剪试验过程和结果的理解和解释。     

基于虚内键模型的岩石单轴压缩全过程曲线模拟

利用虚内键模型理论（virtual internal bond model,简称VIB）,由岩石单轴压缩损伤本构方程和虚内键联接法则方程的相似性,提出了岩石单轴压缩破坏的虚内键密度演化函数 ,通过含虚内键密度演化方程的弹性张量 ,实现了岩石单轴压缩应力-应变全过程曲线的数值模拟。数值模拟结果表明,通过参数的合理选取,虚内键模型理论可以模拟不同岩样的全过程曲线。