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。     

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。     

不同重力场下静力触探试验离散元数值分析

采用离散元商业软件PFC2D对7种重力场下静力触探试验进行了对比分析试验,以研究高、低重力场下静力触探试验的异同点。数值试验结果表明：不同重力场下土体受静力触探贯入主要影响区域不同,低重力场下主要是上部土体受到影响,高重力场下主要是下部土体受到影响;归一化贯入阻力的最大值和稳定值、归一化球应力和偏应力的最大值均与重力加速度的倒数呈线性关系,均随重力加速度倒数的增加而增大;土体经历了明显的加载、卸载过程,重力加速度越小,加载、卸载现象越明显,同一重力加速度下上部土体加载、卸载程度大于下部土体。     

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。     

TJ-1模拟月壤承载特性的现场试验研究

采用TJ-1模拟月壤作为试验材料,通过静力触探、静载荷试验的对比分析,探讨适合月壤承载力计算的经验公式,以期为未来载人登月时宇航员和着陆器登陆可能涉及到有关月面承载能力的问题提供必要的参考。首先,使用近255 t TJ-1模拟月壤人工制备出13 m×12 m×1.2 m试验用地基,后在试验地基均匀布置6个静力触探测点和2个静载荷试验测点进行测试。针对太沙基承载力计算半经验公式以及规范和国内外学者提出的12个适合中密实砂土静力触探承载力计算的经验公式,对试验结果进行探讨。发现直接运用太沙基提出的半经验公式计算月壤承载力结果明显偏小,而由联合试验小组提出的经验公式 能够用来近似计算月壤地基承载力。计算结果表明,该经验公式在计算承载力时能够与静载荷试验值较好的吻合。     

基于微观胶结厚度模型的深海能源土宏观力学特性离散元分析

首先,引入蒋明镜等提出的考虑水合物胶结厚度的深海能源土粒间微观胶结模型,用以反映能源土颗粒之间水合物微观胶结接触力学特性;其次,采用C++语言将模型程序化,并将其引入离散单元法中;然后,对选定的水合物饱和度经过实际二维离散元模拟调算,得出相应的水合物胶结尺寸,以修正水合物临界胶结厚度、最小胶结厚度及胶结宽度,进而确定水合物微观胶结参数;最后,根据所确定的胶结参数,针对不同水合物饱和度试样进行能源土宏观力学特性离散元双轴试验模拟,并从应力-应变、体变、剪胀角等方面与Masui等所进行的能源土室内三轴试验进行对比分析。结果表明：采用考虑粒间胶结厚度的水合物微观胶结模型,能够定性反映深海能源土的宏观力学特性,能源土试样的峰值强度、黏聚力和剪胀角均随水合物饱和度的增加而增加,但水合物饱和度对内摩擦角的影响规律不明朗;能源土试样的峰值强度、残余强度及体积剪缩量随着有效围压的增大而增大;剪胀角随有效围压的增大而减小。     

简化接触模型的月壤离散元数值分析

根据月壤其颗粒级配可归类于粉质砂土。针对真实月壤所处的环境（无水、低重力场、低气压等）,将Perko等2001年提出的月壤颗粒间的范德华力植入离散元分析软件PFC2D中,模拟了刚性边界下加入该模型与未加该模型试样的双轴压缩试验,研究了颗粒间范德华力对试样的宏观力学特性与微观颗粒接触的影响。结果表明,颗粒间的范德华力对试样的抗剪强度、体应变以及颗粒平均配位数都有显著的影响     

基于微观力学机制的各向异性结构性砂土的本构模型研究

在岩土破损力学基础上,基于微观破损机制,提出了考虑各向异性的结构性砂土本构理论。采用Lade-Duncan强度准则考虑中主应力对抗剪强度的影响;采用考虑颗粒排列组构的各向异性状态变量A反映各向异性对土体强度和变形的影响;通过相似扩大重塑土的屈服面反映结构性对土性的影响;通过引入非相关联流动法则考虑各向异性和结构性对土体塑性变形的影响。同时,将基于微观力学机制的损伤演化规律引入结构性土的硬化规律;该硬化规律同时考虑了塑性体积应变和剪切应变对各向异性结构性土强度的影响。然后将该模型用于模拟室内三轴压缩试验,初步验证了该模型的合理性和适用性。     

离散元微观参数对砂土宏观参数的影响

采用离散元商业软件PFC2D对密砂和松砂试样共进行了66组双轴压缩试验,试验中改变颗粒接触刚度和粒间摩擦系数以探究离散元微观参数对试样宏观参数(弹性模量和内摩擦角)的影响,其中颗粒法向刚度变化范围为1.5×108～1.5×109N.m-1,粒间摩擦系数变化范围为0.1～0.7 N.m-1。结果表明:颗粒接触刚度对弹性模量有一定程度影响且对密样影响程度大于松样,而对内摩擦角基本无影响;粒间摩擦系数对试样弹性模量有明显影响且对松样的影响程度更大,对密样和松样的内摩擦角都有非常显著的影响。     

制备TJ-1模拟月壤空心圆柱试样的新方法

针对TJ-1模拟月壤颗粒级配跨度大、粒径〉2mm．的颗粒含量多,采用常规方法制备空心圆柱试样容易出现粗细颗粒分离、试样整体不均匀的特点,提出改良型制备方法．首先采用分层欠压法与冰冻法相结合制备出孔隙比e=1．0的实心圆柱试样,并对实心样的均匀性进行评价,得到分层制备相同孔隙比的TJ-1模拟月壤均匀试样时每层试样的高度;...