组构对自然休止角影响的试验研究

利用自制的模型试验装置,通过在不同方位沉积散体颗粒生成堆积体,研究不同沉积组构特征对自然休止角的影响,以及通过在母堆积体底部设置漏孔以生成子堆积体,研究堆积体内部结构对自然休止角的影响。研究发现,母堆积体休止角? 和子堆积体休止角? 随着沉积面倾角? 的增大（0° → 90°）呈现先减小后增大的趋势,子堆积体休止角? 则先增大后减小,且最小和最大值的分布区间正好互余,分别为? = 30°～45°和? = 45°～60°。当漏孔位置从左至右靠近母堆坡脚时,? 先增大后减小,? 则单调增大。基于模型的分析和推导,发现当沉积面与潜在滑动面越接近平行,休止角越小,越偏离,休止角则越大,并从细观上合理解释了?、? 和? 在特殊角度区间出现最大或最小值的原因。最后,提出了散粒堆积体的扰动分区模型,并以此为基础阐释了漏孔位置（堆积体内部结构）对休止角? 和? 的影响机制。     

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。     

静水条件下冰冻泥沙水下休止角的试验研究

为研究冰冻泥沙在静水中融化后休止角的变化规律以及不同环境中泥沙休止角的差异,采用粒径为0～1 mm、1～2 mm、2～4 mm的泥沙试样,进行了风干泥沙在空气中的休止角、无冰泥沙以及冰冻泥沙水下休止角试验。试验结果表明：对于同一粒径范围的泥沙,风干沙在空气中的休止角最大,冰冻泥沙水下休止角次之,无冰泥沙水下休止角最小,三种试验情景中休止角均随泥沙粒径的增大而增大;泥沙水下休止角与风干沙在空气中休止角的差异,主要与水对泥沙的润滑作用以及泥沙在不同介质中的有效容重系数有关;泥沙在水下受到冰的影响表现为局部泥沙颗粒滑动,这更有利于斜坡上泥沙的堆积,相对于无冰泥沙而言,冰的存在使泥沙水下休止角增大。     

滑坡滑带摩擦热离散元数值模拟研究

高速远程滑坡具有较强的灾害性,已逐渐成为国内外地质灾害领域研究的热点。大型滑坡滑动过程中滑带剧烈摩擦和生热,使得局部温度升高,改变岩土体的抗剪强度等性质、以及产生气垫效应等,可能促进高速远程滑坡运动。为了定量地研究滑坡滑带中热量的生成和温度场分布规律,本研究改进自主开发的MatDEM离散元软件,建立了约23万单元的二维边坡模型,对滑坡的启动、高速滑动和堆积全过程进行了数值模拟。结果表明:MatDEM较为准确地模拟了滑坡典型特征,同时展示了边坡模型的热量生成特征;模拟结果表明滑带附近形成明显的"核形"高热量带,100 m高的边坡滑带单元热量增加值最高达3×105 J,理想条件下造成比热容为550 J/kg·℃的1 kg土体升高545.5 ℃左右;高热量带依附于滑带并随着滑体最厚处向前扩展;MatDEM单元连接状态图和热量场图直观地展现了滑体和滑床中的裂隙发育过程。本研究为滑坡数值模拟研究提供了一个新手段。     

离散元法及其在岩土工程中的应用综述

离散元法是基于不连续性假设的数值方法,它特别适合于求解节理岩体中的非连续性问题。在介绍离散元法基本原理的基础上,着重对离散元法在岩土工程领域的应用现状作了叙述和分析,并对其发展趋势进行了探讨。     

钙质砂的休止角研究与工程应用

砂土的天然休止角对土堆设计、基坑设计和边坡稳定性研判有重要的指导意义。砂土的天然休止角受土颗粒的摩擦特性、颗粒形状、粒径和含水状态等诸多因素的影响。开展了钙质砂的天然休止角试验,研究了多种因素对钙质砂天然休止角的影响规律。结果表明：钙质砂3种常见颗粒形状中,片状休止角最大,枝棒状次之,块状最小;钙质砂天然休止角随着粒径的增大而增大;当平均粒径相同时,天然休止角随着不均匀系数的增大而增大,随着曲率系数的增大而减少;通过与标准石英砂的对比试验发现,石英砂的天然休止角小于钙质砂天然休止角。对现场钙质砂边坡测量后表明,钙质砂地基经过振冲挤密后基坑开挖最大坡角略大于室内测得的天然休止角。研究结果对钙质砂土堆和基坑设计等工程实践有一定指导意义。     

考虑不同边界条件的风积沙-土工格栅拉拔试验离散元模拟研究

室内土工格栅拉拔试验物理模型边界及加载装置通常是刚性的,但土工格栅工程应用的边界条件往往不能与室内拉拔试验物理模型边界相对应。为了研究边界条件对拉拔试验结果的影响,在室内三轴和拉拔试验的基础上,运用三维离散元方法,对土工格栅加筋风积沙的拉拔试验展开数值模拟,研究加载顶面刚、柔性加载方式和模型前壁刚、柔性边界4种组合条件即刚性顶面刚性前壁（RTRP）、柔性顶面刚性前壁（FTRP）、刚性顶面柔性前壁（RTFP）、柔性顶面柔性前壁（FTFP）对筋土界面宏细观特性的影响。分析了不同组合条件下拉拔力与拉拔位移的关系、界面剪切强度、试样内部应力链、孔隙率分布和颗粒旋转规律,分析了刚性加载板和柔性边界颗粒位移、FTFP组合下土工格栅的变形以及拉拔过程中剪切带的演化规律。研究表明,模型前壁的刚、柔性边界对拉拔力和拉拔位移曲线模式以及界面摩擦角的影响很大。刚性前壁边界条件下,拉拔力和拉拔位移曲线呈加工软化型;柔性前壁边界条件下,拉拔力和拉拔位移曲线近似呈双折线型。当模型前壁由刚性变为柔性时,界面摩擦角减小了7°～8°。当法向应力小于90kPa时,建议FTRP组合、RTFP组合和FTFP组合的拉拔力峰值折...     

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     

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。     

颗粒形态对砂土抗剪强度影响的试验和离散元数值模拟

为研究颗粒形态对砂土抗剪强度的影响，制备了5组不同粒径的球形石英砂和颗粒形态不规则的实验室标准砂，并进行一系列的直剪试验；离散元法能有效地模拟砂土的离散性和不均匀性，基于高性能离散元分析软件MatDEM，通过二次开发，建立直剪试验三维模拟器，对直剪试验过程进行了数值模拟，并对比分析了试验和数值模拟结果。数据表明:(1)石英砂试样的自然休止角与其抗剪强度有着正相关性；(2)球形石英砂较实验室标准砂能更快达到峰值强度，但其值相对较低；标准砂存在着一定的黏聚力；(3)在直剪过程中，直剪盒中部颗粒的位移较周围颗粒不同，形成了明显的剪切带，并且球形石英砂试样的剪切带内颗粒的位移更小；(4)砂土直剪试验中配位数与剪应力有着良好的正相关性。本文结果表明，在相同的荷载条件下不规则颗粒形态的石英砂的抗剪强度要明显大于球形石英砂。     

Numerical Simulation of the Rock SHPB Test with a Special Shape Striker Based on the Discrete Element Method

A split Hopkinson pressure bar (SHPB) system with a special shape striker has been suggested as the test method by the International Society for Rock Mechanics (ISRM) to determine the dynamic characteristics of rock materials. In order to further verify this testing technique and microscopically reveal the dynamic responses of specimens in SHPB tests, a numerical SHPB test system was established based on particle flow code (PFC). Numerical dynamic tests under different impact velocities were conducted. Investigation of the stresses at the ends of a specimen showed that the specimen could reach stress equilibrium after several wave reverberations, and this balance could be maintained well for a certain time period after the peak stress. In addition, analyses of the reflected waves showed that there was a clear relationship between the variation of the reflected wave and the stress equilibrium state in the specimen, and the turning point of the reflected wave corresponded well with the peak stress in the specimen. Furthermore, the reflected waves can be classified into three types according to their patterns. Under certain impact velocities, the specimen deforms at a constant strain rate during the whole loading process. Finally, the influence of the micro-strength ratio ( \({{\tau_{\text{c}} } \mathord{\left/ {\vphantom {{\tau_{\text{c}} } {\sigma_{\text{c}} }}} \right. \kern-0pt} {\sigma_{\text{c}} }}\) ) and distribution pattern on the dynamic increase factor (DIF) of the strength DIF were studied, and the lateral inertia confinement and heterogeneity were found to be two important factors causing the strain rate effect for rock materials.     

基于离散元法的水力压裂数值模拟

不同条件下水压裂隙的发展特性对有效开采页岩气具有重要的指导作用。针对岩体在微观上为颗粒和孔隙的结构系统,提出离散元水力压裂数值模拟方法,离散元能量转化和能量守恒计算方法,建立了相应的三维离散元模型。采用自主研发的三维离散元模拟软件Mat DEM3D,通过控制模型的竖向应变与颗粒直径,来模拟地层中的应力与压裂速率的变化。模拟结果表明:(1)水力压裂产生裂隙的数量和方向受岩石的各向异性,压力状态和变化速率所影响。(2)裂隙在压缩波传播时发展,当水压力高速增加时,诱发的裂隙数量增多,并且有效能量(断裂热)百分比也随之增加,压裂作用也变得更明显。(3)当竖向应变为零时,50%的裂隙呈垂直状态,当竖向应变为-1×10-4时,裂隙趋于沿着最大压力方向发展,竖向裂隙的百分率增大。数值模拟和能量分析为定量地研究岩石水力压裂过程提供了一个新的方法。     

反倾层状岩质边坡倾倒变形机理与影响因素的离散元模拟

为进一步研究层状反倾边坡的弯曲倾倒变形机制,以离心试验为原型,通过离散元数值模拟,研究了层状岩质反倾边坡的变形机理与影响因素。通过预置层内随机裂隙,实现了破裂面的形成和贯通。研究结果表明：模拟结果与试验吻合较好,边坡变形可分为起始蠕变、稳态变形和失稳破坏3个阶段;边坡破裂面在达到破坏荷载（G_f）后瞬间贯通,呈直线型,产状受岩层倾角控制,G_f值与坡角幂函数相关;反倾边坡的破坏需满足倾角和坡角启动条件,且变形破坏与岩层所受弯矩关系密切,当倾角为70°~80°、坡角大于60°时,最易破坏;典型破坏模式有倾倒-折断-块体式、倾倒-弯曲-折断式、倾倒-反折式3种,其受倾角、坡角组合控制;对材料参数的正交试验表明,各参数对G_f的敏感性从大到小依次为密度、层面内摩擦角、层厚、密度比、层面黏聚力,且G_f与层厚、层面内摩擦角及密度比具有良好的线性相关性;层面内摩擦角可影响破裂面产状,从而控制变形体规模,其他参数仅影响G_f的大小。     

Laboratory Experiments and Grain Based Discrete Element Numerical Simulations Investigating the Thermo-Mechanical Behaviour of Sandstone

Geotechnical and Geological Engineering - Thermo-mechanical loading can occur in numerous engineering geological environments, from both natural and anthropogenic sources. Different minerals and...     

Discrete Element Modeling of Rock Fragmentation upon Impact in Rock Fall Analysis

A discrete element code has been used to simulate impact-induced rock fragmentation in rock fall analysis using a simplified impact model inspired by the theory of vibrations for foundations on elastic media. The impact velocity, the angle of incidence, pre-existing fractures, and the ground stiffness all play important roles in impact fragmentation. Based on the simulation results, impact fragmentation occurs locally at the impact zone without generating large fragments for a homogeneous rock block. Large fragments are generated only when there are open pre-existing fractures in the rock block or when there are fully persistent closed fractures. Softer ground tends to reduce the potential for impact fragmentation. Energy transformation and failure occur only during impact including approach and restitution stages. Friction energy loss accounts for most of the energy loss during the fragmentation process, while tensile cracking energy loss is not significant.     

岩土力学数值模拟中力学参数的确定方法

力学参数的选取是进行岩土力学数值模拟的关键，它直接决定了模拟结果的合理性。不同的力学模型需要选取不同的计算参数，经验值在参数的确定过程中具有一定程度的参考价值，几种变形参数和强度参数的现场尺度转化方法解决了室内土工实验参数的现场应用问题，提出了进行力学参数和计算模型合理确定的推断模型的概念，并对推断模型实现的思想和步骤进行了较为详细的讨论。     

加载速率对岩石单轴压缩试验影响的数值模拟研究

在单轴压缩数值模拟试验中，加载速率由每次边界条件变化幅度和边界条件变化后的平衡计算时间这两个因素共同控 制。同样的加载速率，两个因素的不同组合也会对加载效果有很大的影响。因此，探究以上两因素对岩石单轴压缩数值模拟 试验的影响机制，可对高效进行高精度的各加载速率下的数值模拟试验起到积极作用。本文使用MatDEM软件，基于软件自 动设定的加载区间以及标准平衡迭代，设置不同的应力施加步数Nd与平衡迭代比率Rb，进行不同加载速率下的数值模拟试 验。模拟结果表明：（1）单步加载后平衡迭代次数越多（Rb越大），该步中应力波传播与动能衰减越充分。在最优阻尼条件下， 当单步加载后平衡迭代次数等于40次（Rb等于0.8）时，每步加载中动能充分平衡，可以最低计算量取得准静态模拟结果； （2）单步加载应力增量越小（Nd越大），数值模拟试验精度越高；（3）当加载速率一定即计算量相同时，为保证更高的模拟试验 精度，应采用低单步应力增量与低单步加载后平衡迭代次数（Nd大、Rb小）的加载方案。本文为定量研究岩石加载速率问题和 相关数值模拟提供了参考。     

加载速率对岩石单轴压缩试验影响的数值模拟研究

在单轴压缩数值模拟试验中,加载速率由每次边界条件变化幅度和边界条件变化后的平衡计算时间这两个因素共同控 制。同样的加载速率,两个因素的不同组合也会对加载效果有很大的影响。因此,探究以上两因素对岩石单轴压缩数值模拟 试验的影响机制,可对高效进行高精度的各加载速率下的数值模拟试验起到积极作用。本文使用MatDEM软件,基于软件自 动设定的加载区间以及标准平衡迭代,设置不同的应力施加步数Nd与平衡迭代比率Rb,进行不同加载速率下的数值模拟试 验。模拟结果表明：（1）单步加载后平衡迭代次数越多（Rb越大）,该步中应力波传播与动能衰减越充分。在最优阻尼条件下, 当单步加载后平衡迭代次数等于40次（Rb等于0.8）时,每步加载中动能充分平衡,可以最低计算量取得准静态模拟结果; （2）单步加载应力增量越小（Nd越大）,数值模拟试验精度越高;（3）当加载速率一定即计算量相同时,为保证更高的模拟试验 精度,应采用低单步应力增量与低单步加载后平衡迭代次数（Nd大、Rb小）的加载方案。本文为定量研究岩石加载速率问题和 相关数值模拟提供了参考。