DEM拟合级配碎石材料大三轴试验的颗粒粗糙度效应研究

为充分利用石质弃渣,填石路堤已经成为山区高等级公路较普遍的路堤形式,为确保填石路堤的稳定性,急需开展弃渣碎石材料性质的研究。为研究颗粒粗糙度对样本性质的影响,本文以雅泸路某隧道废弃碎石的室内大三轴试验数据为基础,开展离散元法模拟级配碎石材料大三轴试验的颗粒粗糙度效应研究。论文详细介绍了样本颗粒形态及粗糙度的模拟原理、级配碎石数值样本的生成过程。分析数值试验过程及结果表明:团粒形态样本可以更真实地模拟碎石材料的骨架-孔隙结构,样本加载前有着合理、均匀的接触力分布形式; 团粒间的镶嵌结构可以极大的提高样本强度,变形过程中体现出不规则颗粒间的咬合、滑动特征; 样本强度与颗粒粗糙度(即D4值)有着线性正比关系; 样本初始平均接触数是决定样本内摩擦角的决定性因素; 团粒形态样本平均接触数随轴向变形发展的变化规律再现了颗粒材料弹性变形的微观力学机制。     

微凸体对抛光岩石表面静摩擦系数影响试验研究

对典型岩石摩擦滑动试验装置进行了改进,以8种硅酸盐岩作为研究对象,在低正应力条件下对岩石摩擦滑动过程中的静摩擦系数进行了试验研究。对滑动表面形貌进行了表征,从统计学角度分析了粗糙度对静摩擦系数的影响,并基于滑动表面微凸体（凹凸体、微观粗糙度）对这一影响作进一步分析。研究表明：滑动面为抛光面时,千枚岩、石英岩、岩屑砂岩和石英砂岩的静摩擦系数为0.38～0.47,砾岩、含砾粗粒石英砂岩、中粒岩屑砂岩和中粒石英砂岩的静摩擦系数为0.83～1.07;在粗糙度中,轮廓最大谷深Rm和轮廓最大峰高Rp两个参数导致摩擦滑动中产生不同静摩擦系数,且随着这两个参数的增加,静摩擦系数呈指数规律增加;千枚岩、石英岩、岩屑砂岩和石英砂岩滑动表面的微凸体数量较少,砾岩、含砾粗粒石英砂岩、中粒岩屑砂岩和中粒石英砂岩滑动表面的微凸体数量较多,随着微凸体数量的增加岩石摩擦滑动过程中的静摩擦系数增加。     

不同节理粗糙度类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

粗糙度是影响节理岩体强度与变形特性的重要因素之一。首先使用3D 打印机制作模具,并浇筑形成不同粗糙度（节理粗糙度系数JRC=2、7、12、17、22）的节理岩石试样。采用GCTS高温高压动静岩石三轴试验系统,对含有不同粗糙度节理岩石试样进行了三轴压缩试验,获得了不同粗糙度节理岩石试样的三轴应力–应变曲线,分析了JRC对岩石三轴强度和变形特性的影响规律,在三轴加载过程中采用声发射测试系统,分析了不同粗糙度节理岩石试样的声发射特性。运用数字三维视频显微系统观察节理面形态,讨论了不同围压下节理岩石试样峰值强度与JRC之间的关系。研究结果表明,节理面的存在直接导致节理岩石试样强度的大幅度降低,JRC对岩石破坏裂纹的形态、数量和空间分布特征亦有很大的影响,随着JRC值的增大,岩石节理面的抗剪强度增大,岩石试样的三轴抗压强度也会增大,岩石试样由脆性破坏转变为延性破坏。     

基于改进粗糙表面Greenwood-William接触模型的离散元方法

颗粒材料的表面粗糙度在很大程度上影响颗粒集合体的力学特性,传统离散元方法中对颗粒具有光滑表面的假设,使得其无法准确描述真实颗粒材料的接触行为,因此有必要发展可以定量考虑颗粒表面粗糙度的随机离散元方法。在介绍经典粗糙表面接触模型Greenwood-Williamson(简称G-W)模型的基础上,分析了G-W模型应用于离散元模拟的缺陷,提出了分别考虑颗粒重叠光滑部分和粗糙部分的改进模型,并推导出了相应的无量纲形式,对比了经典G-W模型与改进模型计算得到的粗糙颗粒接触时压力分布、变形分布、总接触力等结果。结果表明,改进的接触模型能够更直观地反映颗粒表面粗糙度对颗粒接触的影响。基于改进的接触模型,采用两步曲线拟合手段,得到了可以直接应用于离散元模拟的随机法向接触定律。将该定律通过开发用户自定义接触模型引入到颗粒离散元程序PFC~(3D)中。通过数值试验观察了表面粗糙度在不同加载路径下对颗粒集合体力学特性的影响。     

颗粒形态对离散介质剪切强度的影响

自然条件下,颗粒介质大多以非规则单元形态存在。非规则几何形态对颗粒介质的宏观力学性能有很大影响。针对颗粒单元的不同几何形态,采用团颗粒单元对离散介质的直剪试验过程进行了离散元数值计算,详细地讨论了颗粒形态对离散介质剪切强度的影响。该非规则颗粒由不同形态、不同数目、镶嵌尺寸、组合方位和颗粒大小的球形颗粒进行随机构造,其在局部与整体坐标之间的转动、力矩和方位关系通过4元素方法进行确定,基本球体颗粒之间的作用力采用具有Mohr-Coulomb摩擦定侓的Hertz-Mindlin非线性接触模型,并考虑了非线性法向粘滞力的影响。通过构造7种具有相同的质量概率分布的不同形态的团颗粒,在不同法向应力下,对团颗粒的直剪试验进行了离散元模拟,分析了不同形态颗粒的剪切强度。通过对不同形态颗粒介质剪切强度的数值分析,进一步揭示了非规则颗粒间的咬合互锁效应,为分析非规则颗粒的宏观动力特性提供了依据。     

石灰岩裂隙摩擦滑动特性试验研究

为研究石灰岩裂隙的摩擦滑动特性,搭建了三轴试验系统,进行了劈裂石灰岩岩芯在湿润和干燥条件下的滑动-控制-滑动试验、速度步长试验和渗透试验。通过滑动-控制-滑动试验和速度步长试验分别研究了石灰岩裂隙摩擦强度的时间依赖性和滑动稳定性,并进一步分析了水对裂隙摩擦强度特性的影响,同时还通过渗透试验观察了裂隙渗透率在滑动过程中的变化。滑动-控制-滑动试验表明:裂隙的摩擦强度具有时间和应力依赖性,裂隙摩擦强度在控制时间内的下降量及重新滑动后的愈合量均与控制时长成正比,而与有效压应力成反比;此外,摩擦强度特性还明显受到水的影响。速度步长试验则表明:石灰岩裂隙摩擦强度随滑动速度的增加而增大,呈现速度强化特性。最后通过不同有效正应力下(介于1?3 MPa之间)的渗透试验发现:裂隙的渗透率不仅随有效应力的增加而急剧下降,而且在各级正应力下亦随滑动而逐渐减小。     

应力-渗流侵蚀耦合作用下粗糙裂隙渗流特性研究

在复杂应力和长期渗流侵蚀作用下岩体裂隙的表面形貌不断发生改变,导致岩体裂隙的渗流特性演化机理更加复杂。开展不同粗糙程度的石灰岩裂隙渗透试验,对比试验结果和渗透试验前后裂隙表面形貌特征,分析应力和渗流侵蚀耦合作用对粗糙裂隙表面形貌的改造影响,研究其渗流特性的演变规律。结果表明,在应力作用下粗糙程度不同的裂隙其渗流量随时间均呈现先快速减小,后趋于稳定的变化规律;不同粗糙度裂隙的等效水力隙宽和渗透率在试验初始时刻基近相等,随后均呈不断减小的趋势,但在应力和渗流侵蚀耦合作用下裂隙表面粗糙度越大,其等效水力隙宽和渗透率的下降幅值越大,试验结束时其稳定值越小;粗糙起伏程度小的裂隙,其渗流路径较均匀,流线平直,而粗糙起伏程度大的裂隙,表面出现沟槽流现象,渗流路径曲折延长;当裂隙表面粗糙凹凸体增多,与渗透水流的接触面积增大,应力和渗流侵蚀作用对裂隙表面形貌的溶蚀改造增强,使表面整体形态更粗糙起伏,而表面形态影响其渗流路径,致使裂隙表面沟槽流现象加剧,反过来影响裂隙渗流特性的演变规律。     

应力-渗流侵蚀耦合作用下粗糙裂隙渗流特性研究

在复杂应力和长期渗流侵蚀作用下岩体裂隙的表面形貌不断发生改变,导致岩体裂隙的渗流特性演化机理更加复杂。开展不同粗糙程度的石灰岩裂隙渗透试验,对比试验结果和渗透试验前后裂隙表面形貌特征,分析应力和渗流侵蚀耦合作用对粗糙裂隙表面形貌的改造影响,研究其渗流特性的演变规律。结果表明,在应力作用下粗糙程度不同的裂隙其渗流量随时间均呈现先快速减小,后趋于稳定的变化规律;不同粗糙度裂隙的等效水力隙宽和渗透率在试验初始时刻基近相等,随后均呈不断减小的趋势,但在应力和渗流侵蚀耦合作用下裂隙表面粗糙度越大,其等效水力隙宽和渗透率的下降幅值越大,试验结束时其稳定值越小;粗糙起伏程度小的裂隙,其渗流路径较均匀,流线平直,而粗糙起伏程度大的裂隙,表面出现沟槽流现象,渗流路径曲折延长;当裂隙表面粗糙凹凸体增多,与渗透水流的接触面积增大,应力和渗流侵蚀作用对裂隙表面形貌的溶蚀改造增强,使表面整体形态更粗糙起伏,而表面形态影响其渗流路径,致使裂隙表面沟槽流现象加剧,反过来影响裂隙渗流特性的演变规律。     

密实散粒体剪切破坏能量演化的离散元模拟

砂土等散粒体在剪切过程中的能量存储及耗散是其宏观力学响应的深层原因,但因量测难度较大而研究较少。将考虑抗转动的接触模型引入离散元软件PFC2D,基于热力学第一定律建立各种能量量测方法,并在平面应变双轴压缩试验中采用该方法统计密实散粒体在剪切过程中的能量演化规律。采取了4种耗散类型,即滑动-滚动（S-R）、滑动-非滚动（S-NR）、非滑动-滚动（NS-R）和非滑动-非滚动（NS-NR）。结果表明：密实散粒体加载时能量耗散以滑动摩擦为主;且小应变加载阶段,外力功主要转化为弹性应变能,但同时也存在均布于试样的耗散能;随着应变的增加,外力功的转化形式逐渐过渡为以耗散能为主,且集中分布在带状区域内;各个加载阶段的摩擦耗散均存在各向异性。     

颗粒材料底面动摩擦系数特征研究

离散态颗粒物质具有明显不同于普通固体的界面摩擦特性,而摩擦系数是界面摩擦特性的主要表征参数之一。通过倾斜仪开展不同级配条件下颗粒材料的滑动摩擦试验,基于视频图像解析以及函数拟合方法,建立滑动位移与滑动时间的最佳函数拟合关系,分析滑动过程的加速度并推算底面动摩擦系数,研究颗粒粒径、质量配比等级配因素对颗粒材料底面动摩擦系数的影响。研究结果表明:(1)各级配颗粒材料的平均底面动摩擦系数随着运动时间的增加均呈线性减小趋势;(2)对于单粒径材料,与粗颗粒相比,细颗粒具有较大的底面动摩擦系数;(3)对于双粒径材料,随着细颗粒含量的增加,颗粒材料的平均底面动摩擦系数先急剧降低至最小值(细颗粒含量≤40%),后急剧增加(细颗粒含量40% ~60%),最终增加趋势明显变缓(细颗粒含量≥60%)。     

Macroscopic and microscopic behaviors of granular materials under proportional strain path: a DEM study

Under the proportional strain loading path, particle assemblies may exhibit various failure modes. Besides the strain localization, the diffuse failure may also occur under certain conditions. The diffuse failure mode corresponds to a homogeneous occurrence of failure with stress states strictly included within the plastic limit condition. This paper emphasizes the influences of the density degree and the rolling resistance under the strain path. A contact model considering rolling friction is adopted in a discrete element method analysis as an approximate means to account for the effects of particle shape. Mechanical responses indicate that loose assemblies without the rolling resistance are more vulnerable to static liquefaction. A sample with a smaller initial void ratio or larger rolling friction coefficient will reinforce the stability of the structure and reduce the likelihood of failure. For microscopic properties, the evolution of coordination numbers, contact forces, force chains and the anisotropies of the assemblies are explored and discussed. Rotational resistance helps increase the shear stress of the granular material, and the microscopic parameters indicate that the assembly has a strong anisotropy and a stable structure to resist the increasing loading.     

石灰岩高速滚动摩擦特性

滑面的摩擦特性是高速岩质滑坡动力学研究的关键问题之一。以典型脆性灰岩为研究对象,借助滚动磨损试验设备,开展不同压力和转速条件下干燥和湿润灰岩的滚动摩擦试验,研究岩石动态摩擦特性（摩擦系数和磨损率）。试验结果表明,干燥和湿润岩石的滚动摩擦系数分别与摩擦速率呈负相关和正相关,与法向压力关系不明显。对于干燥灰岩,滚动试件（滑体）和静止试件（滑床）的磨损率与摩擦速率分别呈正相关和负相关。对于湿润灰岩,磨损率与摩擦速率呈正相关。基于Hertz弹性接触理论,推导出摩擦斑处的最大压应力和拉应力,进而提出相应条件下脆性灰岩的摩擦碎裂机制。结论可为灰岩高速滑坡防灾减灾提供设计参数。     

A micromechanical study of rolling and sliding contacts in assemblies of oval granules

The evolution of the microstructure of an assembly of cohesionless granular materials with associated pores, which carry the overall applied stresses through frictional contacts is a complex phenomenon. The macroscopic flow of such materials take place by the virtue of the relative rolling and sliding of the grains on the micro‐scale. A new discrete element method for biaxial compression simulations of random assemblies of oval particles with mixed sizes is introduced. During the course of deformation, the new positions of the grains are determined by employing the static equilibrium equations. A key aspect of the method is that, it is formulated for ellipse cross‐sectional particles, hence desirable inherent anisotropies are possible. A robust algorithm for the determination of the contact points between neighbouring grains is given. Employing the present methodology, many aspects of the behaviour of two‐dimensional assemblies of oval cross‐sectional rods have been successfully addressed. The effects of initial void ratio, interparticle friction angle, aspect ratio, and bedding angle on the rolling and sliding contacts are examined. The distribution of normals to the rolling and sliding contacts have different patterns and are concentrated along directions, which are approximately perpendicular to one another. On the other hand, the distribution of all contact normals (combined rolling and sliding) are close to that of rolling contacts, which confirm that rolling is the dominant mechanism. This phenomenon becomes more pronounced for higher intergranular friction angle. Characteristics of the rolling and sliding contacts are also discussed in the context of the force angle, which is the inclination of contact force with respect to the contact normal. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

静压桩桩-土界面滑动摩擦机制研究

静压桩侧阻力的实质是桩-土之间的摩擦,但其机制研究并未使用目前成熟的摩擦学理论。系统地介绍了摩擦学中黏着摩擦机制和变形摩擦机制,进而利用其分析解释静压桩桩-土界面的滑动摩擦机制,并得到较好的效果,为桩侧摩阻力的研究提供了新的思路。研究结果表明,桩-土之间的干摩擦是外摩擦;沉桩过程中桩-土之间的滑动摩擦是泥浆润滑下的湿摩擦,从而使桩侧阻力远小于载荷试验时的桩侧阻力;沉桩停顿使压桩力急剧增大的主要原因是：泥浆润滑膜的消失使桩-土之间的摩擦从湿摩擦变为干摩擦;载荷试验在桩破坏前桩-土之间的摩擦是干摩擦;桩端附近桩侧阻力强化的主要原因是：桩端土的强度提高引起桩端附近切向力的增大,从而导致桩-土之间摩擦系数提高。     

抗转动对颗粒材料组构特性的影响研究

颗粒材料大多由不规则形状的颗粒组成,如砂土、谷物等,抵抗转动是不规则形状颗粒的固有特性。已有研究表明,颗粒抗转动特性对其宏观力学特性有显著影响。因此,在颗粒材料的细观数值模拟中或采用非圆颗粒,或在圆颗粒离散元模拟中采用考虑抗转动的接触模型。采用有限元-离散元耦合方法（FDEM）和离散元方法（DEM）分别对椭球形状颗粒和具有抗转动能力的圆球颗粒进行三轴剪切数值模拟,指出了采用抗转动接触模型考虑颗粒形状影响的局限性,并基于颗粒的局部排布结构揭示了形状影响的细观来源。峰值内摩擦角和剪胀均随着转动摩擦系数和形状偏离圆球程度而单调增加,但颗粒形状对它们的影响呈现出明显的收敛趋势。细观组构分析也表明,虽然颗粒形状和转动摩擦都能显著增强组构各向异性,但是组构各向异性的演化模式有明显的区别。造成以上结果的差异在于其抵抗转动的影响机制不同。转动摩擦是通过限制颗粒转动,增强了颗粒间的稳定承载能力,而非圆颗粒是通过咬合作用形成稳定的局部排列结构。由于椭球颗粒腹部比端部能够传递更大的接触力,颗粒受剪切后发生转动,颗粒长轴倾向于正交大主应力方向,呈现交错排列,颗粒间相互锁定。     

Macroscale friction of granular soils under monotonic and cyclic loading based upon micromechanical determination of dissipated energy

Macroscopic frictional behavior of granular materials is of great importance for studying several complex problems associated with fault slip and landslides. The main objective of this study is to model the macroscale frictional behavior of granular soils under monotonic and cyclic loadings based upon micromechanical determination of dissipated energy at particle contacts. This study is built on the general observation that the externally computed energy dissipation should be equal to the total internal energy dissipation derived from inter-particle sliding and rolling, energy losses from inter-particle collisions, and damping. For this purpose, the discrete element method is used to model a granular soil and determine the stored, dissipated, and damping energies associated with shear loading for applied monotonic and cyclic velocities. These energies are then related to the friction by an application of the Taylor-critical state power balance relationship. Also, the contributions of the different modes of energy dissipation (normal, shear, and rolling) to the total frictional resistance were studied. By changing the inter-particle friction, the simulations showed that the macroscopic friction was nearly constant, the slip friction increased almost linearly with increasing inter-particle friction, and the difference between the two was attributed to the non-energy dissipating dilatancy component. By providing a clear relationship between energy dissipated by micro-scale mechanisms versus the traditional engineering definition based on macro-scale (continuum) parameters, this study provides a means to develop a better understanding for the frictional behavior of granular media.

     

二维粒状材料双轴压缩试验研究

为了研究粒状材料的各向异性力学行为与细观组构演化之间的关系,采用自主研发的双轴压缩试验系统,以圆形和椭圆形截面的金属棒状材料组成的二维堆积体为试验对象,对不同大主应力方向角?（沉积面与大主应力作用面的夹角）的试样进行了各向等压、常侧向压力、等p剪切3种应力路径试验,并通过分析试样在不同变形阶段的数字照片得到了其细观组构演化规律。发现对于椭圆形截面的试样存在一个卓越剪切方向,随剪应变增大,颗粒长轴呈现出向该方向偏转的趋势,并且在大变形条件下沿该方向形成剪切带;卓越剪切方向与沉积面方向关系不大,而与大主应力作用面方向夹角约为45°+ /2, 为残余内摩擦角;随卓越剪切方向与沉降方向夹角的不同,颗粒偏转程度的不同是导致剪胀特性和峰值强度各向异性的主要原因     

粗粒土的破碎耗能计算及影响因素

粗粒土的颗粒破碎直接改变了土体本身结构,对粗粒土的剪胀和内摩擦角都会产生影响。在土体剪切过程中,体积应力和剪切应力在体积应变和剪切应变上做功,这部分能量在剪切过程中转化为颗粒的弹性储能、颗粒间的摩擦耗能、颗粒剪胀时对外做功和颗粒破碎耗能4部分。准确计算剪切过程中粗粒土破碎耗能的目的是：从能量角度分析颗粒破碎对土体本构关系的影响,为建立考虑颗粒破碎的粗粒土本构关系创造条件。通过分析粗粒土的常规三轴试验数据,计算得到了剪切过程中的粗粒土破碎耗能。计算结果表明,常规三轴试验条件下粗粒土破碎耗能主要受固结应力、土体摩擦系数M等因素的影响。     

Numerical simulation of the effect of interface friction of a bounding structure on shear deformation in a granular soil

Recently, the shear behavior of a cohesionless granular strip that is in contact with a very rough surface of a moving bounding structure has been numerically investigated by several authors by using a micropolar hypoplastic continuum model. It was shown that the micropolar boundary conditions assumed along the interface have a strong influence on the deformations within the granular layer. In previous investigations, only interface friction angles for very rough bounding structures were assumed. In contrast, the focus of the present paper is on the influence of the interface roughness on the deformation behavior of the granular strip when the interface friction angle is lower than the peak friction angle of the granular material. In addition to the interface friction angle, particular attention is also paid to the influence of the mean grain diameter, the solid hardness, the initial void ratio, and the vertical stress on the maximum horizontal shear displacement within the granular layer before sliding is started. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.