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。     

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     

麻柳嘴滑坡成因机制离散元数值模拟

在坡体中考虑地下水的影响下 ,用离散单元法对麻柳嘴滑坡的成因机制进行数值模拟。模拟结果与实际位移量值基本一致 ,表明离散单元法适用于节理边坡岩体变形和破坏机制的研究     

基于离散元模拟的二元颗粒柱坍塌特性研究

常见的地质灾害如滑坡、泥石流、岩崩等通常都涉及不同形状的颗粒物质运动,这些形状不同的颗粒又多具有不同的尺寸和含量。基于典型的颗粒柱坍塌试验,首先根据试验方法确定了离散元模拟所需的各项参数,然后采用随机多面体方法生成了可控制长细比的大颗粒,利用离散元法就不同大颗粒含量下形态变化对二元颗粒柱坍塌特性的影响开展研究,研究结果表明:(1)利用离散元法可以较好地重现室内试验中小球和多面体组成的二元颗粒系统的颗粒柱坍塌过程;(2)在不同长细比的不规则大颗粒和小球组成的二元颗粒柱系统中,当大颗粒含量高于临界含量值20%时,二元颗粒柱坍塌持续的时间随非球形大颗粒长细比的增加而增加;(3)在不同长细比的不规则大颗粒和小球组成的二元颗粒柱中,当大颗粒含量高于临界含量值20%时,在相同百分比的大颗粒含量下,大颗粒长细比的增加会提高大颗粒平均配位数以及降低颗粒的运动能力,大颗粒间形成更强的互锁作用,降低了颗粒柱的整体流动性,使其最终堆积高度更高、最大跑出距离更短以及更小的归一化动能峰值。(4)在不同长细比的不规则大颗粒和小球组成的二元颗粒柱中,小颗粒可以较为明显降低大颗粒间摩擦及互锁作用,增加流动性,降低大骨料形态对坍塌过程的影响。     

复合单元法的物理和数值试验验证

简述了复合单元法的基本原理和算法,该方法的主要优点在于可以明显地减少前处理的工作量和难度,且可以与有限单元很好地耦合在一个系统中。介绍了宝珠寺重力坝的物理模型超载试验。分别采用三维弹黏塑性复合单元法和三维弹黏塑性有限单元法对宝珠寺重力坝的超载工况进行了数值试验,并与物理试验进行比较。结果表明,三种方法得到的特征点位移吻合得较好,两种数值试验方法的整体位移和应力也基本一致。研究验证了复合单元法的正确性,也说明了该算法的主要优点：前处理简单,计算精度与有限单元法相当,同时还证实了复合单元单元法可以较好地解决复杂岩基上重力坝的变形与破坏问题。     

K28边坡变形破坏机制的离散元模拟

在工程地质勘察的基础上,对K28边坡在天然和饱水状态下的变形进行离散单元法数值模拟,分析了此类缓倾角顺层边坡滑移压致拉裂的变形破坏机制,以及地下水促进边坡变形破坏的作用机理,为边坡的工程治理设计提供合理的建议。     

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。     

各向异性结构性砂土离散元分析

天然沉积砂土力学特性受各向异性及结构性影响明显,实际工程中不能忽视。为探究二者的影响,首先在二维离散元程序NS2D中采用椭圆颗粒模拟了重力场中颗粒长轴主方向为水平的各向异性净砂样,随后基于结构性砂土胶结厚度分布规律及室内试验提出了一个新的微观胶结接触模型并将其引入各向异性净砂样以模拟天然各向异性结构性砂土,最后对该离散元试样进行了双轴试验模拟,将模拟结果与室内试验结果对比以验证该模型的适用性,并对其微观力学特性变化进行研 究。分析结果表明,随着剪切进行,各向异性结构性砂土呈明显应变软化及剪胀现象;胶结接触逐渐减少,且主方向始终为竖向方向;胶结破坏速率及胶结破坏率变化情况与宏观力学响应较一致,且胶结物多为拉剪破坏;土颗粒排列主方向始终为水平向,且水平向排列颗粒所占比例略微增大。     

冻结砂土力学性质的离散元模拟

基于离散单元法颗粒流理论,土体颗粒单元间采用接触黏结模型中来考虑冻土中冰的胶结作用,建立了冻结砂土的颗粒流模型。通过改变计算模型中颗粒单元的参数,模拟了在不同冻结温度以及不同围压下冻结砂土的宏观力学性质,并与冻结砂土的室内试验结果进行了比较,结果表明：颗粒流方法可以较好地模拟冻结砂土的应力-应变关系以及剪切带的发展变化过程,颗粒流细观参数对温度具有显著的依赖性。研究结果对离散单元法在特殊土中的应用具有一定的理论和应用价值。     

Discrete element analysis of breakage of irregularly shaped railway ballast

In order to reduce the maintenance costs of ballasted railway track and improve passenger comfort, the railway ballast particle breakage and its effect on track settlement need to be better understood. The failure process of individual railway ballast loaded between flat platens is simulated using the discrete element method, considering its irregular shape with the incorporation of parallel bonds. The tensile strength, the stress of a survival probability of 37% of samples, is obtained and compared with laboratory results from published literature for the verification of DEM simulations. The evolution to failure of the particle is understood from the stress-strain curve and progressive failure modes. The internal breakage mechanisms are analysed by tracking the accumulation of bond breakage number and the contact force distributions.     

Discrete element modeling of dynamic behaviors of railway ballast under cyclic loading with dilated polyhedra

The dynamic behaviors of railway ballast under cyclic loading are simulated with discrete element method (DEM). Dilated polyhedra are constructed based on the Minkowski sum operator in order to resemble the irregular shapes of ballast particles. The polyhedral particle generation, contact detection between particles and contact laws are presented. Ballast box tests with periodic lateral boundaries are conducted to simulate the dynamics of the sleeper and ballast particles. The settlement and effective stiffness of ballast bed are investigated under cyclic loadings with five distinct frequencies. The settlement of ballast bed is significant in the first several cycles and increases with the number of cycles gradually. The higher frequency loading generates larger displacement in the same simulation time. The effective stiffness of ballast bed increases gradually. To study the effect of particles' sharpness, dilated polyhedra with different dilating radii and spherical particles are also developed. Simulation results show the sharper the ballast particles are, the smaller the produced settlement. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

A discrete element study on the deformation and degradation of coal-fouled ballast

Acta Geotechnica - This paper presents the results of Discrete Element Modelling (DEM) which quantitively examine the effect of coal fouling on the deformation and degradation of ballast upon...     

Discrete element modeling of the single-particle crushing test for ballast stones

In this paper, a discrete element modeling approach for the single-particle crushing test for irregularly shaped ballast stones is presented. Bonded spherical particles are used to represent test specimens. Parametric studies focusing on particle size, axial strain rate, particle aggregate size and number of bonds are performed. The selection criteria of these parameters are discussed from the perspective of railway engineering. The results indicate that the proposed modeling approach is reliable for simulating railway ballast stones and can thus be further used for simulations of ballast aggregations.     

Discrete element simulation of geogrid-stabilised soil

A particle-based numerical simulation procedure is presented for the generation and calibration of geogrid-stabilised soil on the basis of experimental data. The paper describes how to simulate a biaxial geogrid depending on a specific particle and parallel bond model. Numerical and experimental pull-out tests have been performed to reproduce the pull-out force–strain behaviour of a biaxial geogrid specimen embedded in granular material under special consideration of the grain-size distribution, initial relative density, normal stress state as well as sample installation. Model analysis of soil mobilisation and geogrid deformation is presented to understand the significance of the interlocking effect as key mechanism for soil stabilisation. The procedure can be used for further investigations of the influence and effects of soil stabilisation depending on the significant properties of the interacting components (soils and geogrids).     

基坑垮塌的离散元模拟及冗余度分析

目前基于构件设计的基坑设计理论使得很多支护体系缺乏必要的冗余度,并导致了众多基坑事故。将离散元方法引入到基坑垮塌模拟和冗余度研究中,提出了基于局部破坏的冗余度分析模拟方法。进而以探究支撑端部连接对支护结构冗余度的影响为例,对两种连接情况的基坑的破坏过程进行了模拟,对其中的连续破坏现象进行了分析,并将模拟结果与实际工程进行了对比。结果表明,支护体系冗余度的提高可以有效地抵抗连续破坏的发生,防止基坑在局部损伤情况下,由一种形式的破坏引发其他形式的破坏,由局部破坏导致整体崩溃。另外,模拟结果也验证了离散元法在基坑破坏模拟中的适用性与可行性,为类似地下工程的破坏模拟和基坑冗余度的深入研究提供了参考。     

岩石化学风化时效效应的离散元模拟

微观上,岩石由晶粒和晶粒之间的联接组成。在岩石的风化过程中,晶粒之间的联接会被削弱,导致岩石微观缺陷的发展,从而表现为显著的时效效应。在已有胶结模型的基础上,将岩石的化学风化过程等效为颗粒之间胶结物质不断溶蚀进而影响颗粒之间胶结强度和刚度的过程,基于此建立了考虑化学风化的微观接触模型。随后将模型植入离散元软件,运用离散元方法（DEM）,模拟和对比分析了室内腐蚀试验与DEM模拟化学风化试验,结果表明：该模型可以反映岩石强度的化学风化时效效应,即随着反应时间增加,强度减小;可以反映单轴压缩试验中裂隙压密阶段以后变形的时效效应,即随着反应时间的增加,弹性模量、破坏时应变减小;粒间胶结的破坏,即微观缺陷的发育,是导致岩石化学风化时效效应的微观原因。同时DEM模拟风化与加载耦合的试验现象表明,施工过程中的施工速度会影响岩石的强度,施工应该选择合适的速率。     

降雨诱发缓倾顺层滑坡机制离散元模拟

降雨在节理岩体的离散元模拟中有一定的局限性。文章提出一种等效渗流法模拟降雨条件下地下水向坡脚的渗流过程。以西南地区某顺层岩质滑坡为例,采用施加固定水头的方法,实现地下水在滑体内部的渗流过程,从而诱发滑坡形成。研究结果表明:(1)雨水入渗从坡顶向坡脚渗流,导致滑体内部空隙水压力升高;(2)斜坡受地下水渗流影响,坡脚首先发生变形并逐渐向上部呈阶梯状扩展。随渗流时间的延长,坡脚产生滑移,斜坡中上部和后缘出现拉裂,沿软弱夹层发生整体向河流方向滑动堆积形成堰塞湖;(3)滑坡形成的地质力学模式为"滑移-拉裂",滑体前缘运动至河流对岸形成前缘鼓丘,模拟结果与现场实际特征吻合。该方法可实现降雨条件下节理岩质斜坡中地下水渗流对滑坡形成的影响模拟。     

Discrete element simulation of mine tailings stabilized with biopolymer

This paper presents a series of numerical simulations using discrete element method (DEM) to study the behavior of biopolymer-stabilized mine tailings (MT). Validation is conducted by comparing the DEM results with the experimental data. The macro-behavior comparison shows that the DEM simulations are in good agreement with experimental results. Analysis of the micro-parameters indicates more biopolymer induces larger tensile and shear strengths, confirming the experimental results which show that the strength of MT increases with higher biopolymer concentration. Analysis of the bond breakage pattern suggests that at the same strain level MT stabilized with higher biopolymer concentration show less bond breakage percentage. MT specimen under greater confining pressure develops larger shear band than that under lower confining pressure. Higher biopolymer concentration induces the increase in larger inter-particle bonding strength and thus larger cracking resistance and greater macro-strength.     

水压致裂起裂压力的细观离散元模拟及试验研究

水压致裂起裂压力的预测对于油气开采、地应力测量、水工结构物抗裂设计等具有重要的意义。采用颗粒离散元结合域-管道渗流模型的流固耦合非连续数值模拟方法,基于扩展前端法生成的含规则形状钻孔的颗粒体模型,对水压致裂的细观起裂过程和起裂压力大小进行了定量模拟。结果表明,在消除了颗粒体中钻孔形状不规则性的基础上,钻孔壁的接触力链分布与理论解较为一致,拟合的离散元起裂压力公式也与理论解较为接近。进一步地,从颗粒材料受挤压时产生局部张拉力的角度解释了起裂压力拟合公式与理论解之间的差别。最后,设计了含预制钻孔的抗渗砂浆试块制备方法,对不同主应力组合下的起裂压力大小进行了真三轴室内试验,验证了离散元模拟结果的可靠性。