黄土陡坡降雨冲刷试验及其三维颗粒流流-固耦合模拟

针对坡角为70°的黄土边坡,进行2.7 mm/min降雨强度下的室内坡面冲刷试验。根据边坡冲刷破坏的过程特征,将边坡侵蚀方式演变过程归纳为试验初期的片蚀、中期的细沟侵蚀、到后期的切沟侵蚀和坍塌。试验中坡顶处侵蚀强度大于其他部位,当坡面形成上下贯通的切沟之后,水流开始掏蚀沟槽底部土体,随着冲刷的持续,切沟两侧土体强度降低,坡顶土体发生坍塌。以此为基础利用三维颗粒流软件PFC3D对边坡降雨冲刷过程进行流-固耦合模拟,在模拟颗粒大变形的同时得到颗粒运动轨迹、孔隙率、流体单元内流速等重要参数,这些参数的定量变化过程反映了降雨过程中边坡遭受侵蚀程度及水流侵蚀能力的分布规律:坡顶处侵蚀最为强烈、水流侵蚀能力最强,且两者随高度降低呈减小趋势,与室内试验结果一致。     

自钻式原位剪切旁压模型不同固结荷载颗粒流数值试验

自钻式原位剪切旁压仪具有扰动小,能同时测出不同深度土的变形和强度参数,在精确测定土体参数方面具有广阔的应用前景。然而,目前受分析手段与研究水平的限制,对SBISP多级加载过程中周围土体的变形响应研究较少,而土体变形参数的确定与其变形机制是密切相关的。基于此,应用PFC3D颗粒流程序对不同固结荷载SBISP模型进行了仿真数值试验,试验结果表明:随着剪应力的逐级施加,中间区域颗粒的位移量不断增大,且位移矢量方向性更加显著,在第5级剪应力作用下,影响区域位移矢量形状呈现为倒锥形;而随着上覆固结压力的增大,探头周围试样的受影响范围逐渐变小;在探头作用下球颗粒的运动轨迹呈台阶状,台阶形态随距探杆中心距离增大而趋于平缓,球颗粒的Z向位移量亦随之呈负指数形式衰减;此外,剪应力与探头摩擦系数呈正相关关系,但当摩擦系数达到某一阈值时,剪应力-位移曲线不再变化。其研究成果对于深入开展SBISP试验多级加载过程中影响域内土体变形过程与变形模量之间关系研究具有重要启迪意义。     

砂样图像岩屑自动分割提取方法

通过将砂样图像进行单颗粒分割,识别砂样成分,可显著提高砂样岩性分析的准确性和效率。现有的砂样图像分割方法主要以传统分水岭算法和卷积神经网络为主,但由于对单颗粒岩屑轮廓细节提取不足,误分割率高。本文提出一种以图像融合算法为桥梁,将卷积神经网络和分水岭算法相结合的单颗粒图像分割提取方法。首先利用改进的Mask R-CNN网络快速分割砂样原图,获得其初分割图像;然后,将初分割图像与砂样原图进行融合,再使用改进的分水岭算法对融合结果进行分割;最后,利用砂样原图坐标点匹配方法,将分水岭分割得到的结果图像进行修正,完成单颗粒岩屑图像提取。实验结果表明,本文的单颗粒自动分割提取方法准确率高达96.77%,且模型更轻量和精准,为岩屑图像分割提供了一种可行且有效的方法,可满足有效测算油藏层构造变化、查找潜在沉积物源及储层动态变化的需求。     

侧限条件下密实砂土蠕变的颗粒运动特征

任何构筑物长久安全稳定的重要性使得土的时间效应成为该领域学者最为关心的问题之一。基于3D打印杆件的等效砂土颗粒,通过侧限条件下的蠕变试验,采用近景摄影测量与粒子图像测速（particle image velocimetry,简称PIV）技术,从单颗粒运动与颗粒间接触运动的角度出发,探究密实砂土蠕变的内部颗粒运动特征及其与宏观蠕变变形的关系。试验结果表明,3D打印杆件能够很好地反映密实砂土蠕变的宏观变形特性,侧限条件下蠕变变形随时间的增加而增加,随蠕变应力的增加而减小,蠕变变形呈现出蠕变速率减小并趋于稳定的初始蠕变阶段与稳态蠕变阶段。其原因为蠕变最初阶段颗粒整体向下平动,并发生较大转动,颗粒间孔隙明显减小,蠕变变形主要由颗粒间孔隙的压密提供;而后颗粒间孔隙减小不明显,趋于稳定,颗粒发生不规则方向平动,蠕变变形主要由局部的颗粒位置调整与重排列控制,揭示了宏观的蠕变变形与微观的颗粒平动变化有着密切联系。颗粒间的接触运动随着蠕变时间的增加而明显增大。蠕变过程中,接触滚动和接触滑动同时发生,并逐渐集中在某些易发生移动的接触点上。强运动接触点的平均滑动距离与平均滚动距离存在着良好的线性关系,随着时...     

粗糙度对不同粒径砂-混凝土界面剪切特性影响

为探究土体与结构之间相互作用的机制,通过设计3种颗粒中值粒径d₅₀(1.21、4.56、8.91 mm)、3种结构表面粗糙度系数JRC(0.4、9.5、16.7)和3种剪切速率(1、5、10 mm/min)下的室内直剪试验,对剪切过程的应力变化、体变量进行监测,研究不同剪切速率下粗糙度对不同粒径砂-混凝土界面剪切特性影响。结果表明,d₅₀=1.21 mm时,砂与混凝土界面抗剪强度随JRC的增大而先增大后减小;d₅₀=8.91 mm时,界面抗剪强度随JRC的增大而增大。随着JRC增大,混凝土与砂土界面内摩擦角不断增大;随着颗粒粒径增大,混凝土与砂土界面内摩擦角先减小后增大。在不同剪切速率下,试样最终剪胀量均随颗粒粒径的增大而增大。剪切速率为5 min/mm时,砂-混凝土界面剪切试验最终剪胀量最小。存在某一临界粒径,当砂的颗粒粒径大于此临界粒径时,砂-混凝土界面剪切强度随JRC的增大而不断增大。     

中国南海珊瑚砂的多尺度颗粒形貌特征分析

颗粒形貌是影响珊瑚砂力学性质的重要参数,研究珊瑚砂多尺度形貌特征有助于从细观角度阐释其力学特性。基于颗粒动态图像分析技术对不同粒径范围内超过20万个珊瑚砂和陆源石英砂（包括人工破碎石英砂和天然石英砂）颗粒开展颗粒形貌扫描和对比分析,提出了适用于珊瑚砂的颗粒形状分类标准,并从颗粒形状、磨圆度和凸度3个尺度上揭示了海相珊瑚砂与陆源石英砂颗粒形貌的差异性。结果表明：（1）珊瑚砂主要由块状、片状及棒状3种类型的颗粒组成,以伸长率和扁平率为0.5作为珊瑚砂颗粒形状的划分阈值进行颗粒形状分类,该分类方法的准确率可达90%。（2）珊瑚砂中块状颗粒占比最大,且含量大于50%。随着粒径增加,块状颗粒占比增加,片状颗粒占比下降,而棒状颗粒基本维持不变;随着粒径的增加,石英砂中的块状颗粒占比高于珊瑚砂,这是由颗粒的矿物性质决定的,而与颗粒的风化破碎方式无关。（3）人工破碎石英砂的磨圆度与珊瑚砂的较为接近,且略小于天然石英砂。块状颗粒的磨圆度大于片状颗粒,更大于棒状颗粒,因此块状颗粒占比越高,集合体的磨圆度越大。（4）珊瑚砂的颗粒凸度介于0.85～1.00间,石英砂的凸度大于珊瑚砂。随着粒径的增加,珊瑚砂的凸...     

基于颗粒阻尼器的多鼓型古柱抗震性能研究

为保护地震作用下历史遗迹帕特农神庙多鼓石柱,提出将破损的石鼓替换为填充颗粒的空鼓,以减轻多鼓石柱动力响应。本文基于PFC3D与FLAC3D软件,实现了离散-有限耦合作用,模拟了附有颗粒阻尼器帕特农神庙多鼓型石柱,研究了颗粒阻尼器对帕特农神庙石柱的减震效果,并分析地震强度、频率、阻尼器位置等因素对减震效果的影响。研究结果表明,将颗粒阻尼器替换破损的空鼓,PFC3D与FLAC3D耦合计算结果与试验结果基本一致,减震效果显著,说明耦合分析方法研究颗粒阻尼器抗震性能具有较高的可靠性;地震强度不同时,分层颗粒阻尼器仍可较好地耗散能量;颗粒阻尼器对结构的减震性能受激励频率的影响显著,频率越高,减震效果越好;颗粒阻尼器布置在古柱中上部减震效果优于布置在古柱下部。     

钙质砂一维蠕变分形破碎特性宏微观试验研究

钙质砂是远洋地区港口、机场和民用建筑等构筑物的天然地基材料。通过钙质砂一维压缩蠕变试验和微观结构测试,发现了蠕变前后表面孔隙面积减小且呈分散分布的规律以及试验过程中试样瞬时变形、快速变形和衰减变形特征与粒径的高度相关性;利用基于分形理论改进的相对颗粒破碎率和质量分形维数描述了蠕变前后颗粒破碎程度,得到了分形维数和蠕变与时间的衰减形态曲线关系以及宏观质量分形维数和微观表面分形维数的线性关系,并在此基础上对单一粒径组钙质砂蠕变过程中的分形破碎行为进行了多尺度分析和宏微观跨尺度关联性研究,获得了蠕变过程中颗粒破碎发展以及微观孔隙变化规律,证明了钙质砂蠕变过程中的颗粒重组排列、破碎和研磨行为,揭示了钙质砂蠕变机制。     

基于复杂网络的岩土颗粒材料分散性失稳先兆研究

岩土颗粒材料在达到Mohr-Coulomb塑性极限之前可能已经发生了没有明显局部损伤的全域准均匀破坏,即分散性失稳。近年来,网络科学工具在颗粒材料环境中的应用为研究其失稳破坏现象提供了有趣新颖的洞见。采用离散单元法对不同初始密实度的颗粒体系进行等体积应变加载路径的数值试验,发现初始状态越松散的颗粒体系越有可能发生分散性失稳;采用网络科学的理论和方法分析颗粒接触网络的拓扑结构特性和演化规律,发现颗粒材料分散性失稳的结构根源是颗粒接触网络完全崩塌。将颗粒体系划分为强、弱接触系统以构建强接触子网络、弱接触子网络和强−弱接触子网络,研究颗粒接触网络及其3个子网络的特征量演化,结果表明：当颗粒材料开始处于不稳定状态时,易受扰动的弱接触系统的部分接触先失效,导致强接触系统失去其稳定支撑作用而降低承载能力。随着加载的继续,系统通过非局部的自组织过程导致接触结构的全面崩塌,最终触发整体分散性失稳。因此,先于整体失稳的部分弱接触的失效,可视为颗粒材料分散性失稳的关键性临界征兆。     

基于B-DEM的颗粒聚合体应力计算和破碎路径模拟

结合边界元法和离散元法,提出一种可以进行计算颗粒内部应力和破碎路径的方法。该方法利用离散元法求解颗粒的相互作用和每个颗粒上的荷载。然后利用边界元法计算颗粒的应力分布,为了实现动态平衡,将颗粒的加速度视为恒定大小的体力。但体力导致边界积分方程中出现域积分,故采用直线积分法将域积分转化为边界积分,以保证边界元法降维的优势。为了提高边界元的计算效率,对于几何形状相似的颗粒,以其中一个颗粒作为模板颗粒,只需要计算模板颗粒在局部坐标系中的系数矩阵,其他相似颗粒可以通过局部和全局坐标系之间的映射获得。在得到应力后,基于Hoek-Brown准则来判断颗粒是否破碎。此外,将破坏路径简化为直线,并采用最小二乘法拟合得到破坏路径。