石膏颗粒接触试验研究

利用岩石双轴流变试验仪,研究了石膏试件在单轴压缩和颗粒接触条件下的力学特性和破坏模式.结果表明:圆柱单轴压缩试件破坏模式为均匀受力下的一次性剪切破坏,球形颗粒接触试件破坏模式为应力集中下的颗粒破碎多次破坏;在利用离散元模型进行模拟时,同种材料单轴压缩试验的细观参数与颗粒接触试验的细观参数相差较大,不同的受力情况需要分别进行标定.     

中低围压花岗岩细观破坏机制的数值模拟

采用数字图像处理技术表征花岗岩的细观结构,利用基于数字图像的岩石破裂过程分析系统(RFPA-DIP)建立反映花岗岩内部矿物颗粒分布的数值模型,进行花岗岩压缩数值试验,分析花岗岩压缩荷载作用下破坏机理.研究结果表明,花岗岩非均匀的细观结构起着使试件内部产生了拉应力区的作用;单轴压缩荷载作用下,试件在细观层次上以拉伸破坏为主;中低围压条件下,试件表现为张拉破坏和剪切破坏相互耦合的破坏方式,而且破坏机制随围压的增大是不断变化的,剪切破坏逐渐成为主控破坏方式.     

混合花岗岩加载细观力学特性及破裂演化规律

根据室内试验获得的岩石宏观物理力学参数及岩样切片扫描图,基于颗粒流理论和PFC程序建立混合花岗岩颗粒细观几何模型,标定模型材料细观力学参数,采用Fish语言编制加载命令流并调整相应函数,对岩石单轴和三轴压缩试验进行模拟.通过对试验与模拟应力-应变曲线、AE声发射与PFC程序中“Crack”裂纹监测成果等的综合比较研究,获得荷载作用下杏山铁矿-45 m水平混合花岗岩细观力学特性、微破裂行为以及岩石微裂隙发展与宏观破裂演化规律.通过对混合花岗岩单轴和不同围压下三轴压缩PFC模拟曲线与室内试验结果的比较可知,PFC模拟能准确地表征荷载下岩石颗粒的细观力学特性和运动学行为.     

基于内聚力模型的沥青混凝土低温断裂模拟

为模拟沥青混凝土的低温断裂行为,合理选择了内聚力本构模型;在获取了小梁试件数字图像的基础上,结合ABAQUS有限元软件建立了二维细观断裂模型,验证了模型的正确性和适用性。结果表明:本文建立的二维细观断裂模型能够很好的反映实际三点弯曲试验的能量消耗—位移响应;沥青混凝土断裂过程可分为试件损伤、裂缝产生、裂缝扩展和试件破坏等四个阶段。     

垃圾炉渣力学性质的颗粒流模拟

基于离散单元法理论和PFC3D软件,采用平行胶结模型来模拟炉渣中的胶结作用,建立了城市垃圾炉渣的细观颗粒模型。将模型细观参数和材料宏观力学性质联系起来,标定了模型的细观力学参数,将数值模拟结果和室内试验数据进行了对比。结果表明:离散元方法可以较好的模拟炉渣的应力-应变变形关系;细部结构调整的变化速率是影响模型受力变形机制的主要因素;改变边界刚度,分析了边界刚度对剪切强度参数和压缩模量的影响。从细观角度揭示影响炉渣强度的因素,对离散单元法的应用有一定的价值。     

基于离散元法的沥青混合料复合断裂行为研究

为了从细观角度深入分析沥青混合料复合断裂机理,基于沥青混合料细观结构特征,将材料分为粗集料、沥青砂浆和空隙3个组分,确定宏、细观接触模型参数的转换关系,构建具有细观特征的离散元模型;通过室内试验的结果验证了虚拟模型参数设置的合理性;基于数值模型进行不同预裂缝位置的三点弯曲梁试验,并对试件的裂缝扩展、应力水平和颗粒位移进行分析.结果表明:控制裂缝路径的主要因素是断裂模式,其次是集料与裂缝的相对位置,主裂缝扩展角较好地符合最大周向应力准则;随着Ⅱ型开裂比例的增加,沥青混合料断裂过程区的宽度变小,裂缝尖端主应力水平降低,软化特征逐渐减弱;裂缝两侧的位移随着预裂缝的偏移逐渐增大,试件趋于脆性破坏.     

基于统计损伤理论的混凝土双轴拉-压本构模型研究

基于细观统计损伤理论及宏观试验现象,本文建立了混凝土双轴拉-压细观统计损伤本构模型.该模型考虑断裂、屈服两种细观拉损伤模式,损伤演化过程由主方向的拉、压应变驱动.将单轴拉伸、单轴压缩作为两种最基本的宏观破坏形式,复杂应力状态下的损伤破坏过程理解为单轴拉伸、压缩损伤演化过程的某种组合形式.引入等效传递拉损伤应变和损伤影响参数,建立宏观拉、压破坏模式对应细观损伤机制之间的等效关系.通过与试验结果比较,表明该模型能够很好地模拟双轴拉-压加载情况下材料均匀损伤阶段的力学行为.对双轴拉-压比例加载路径下应力-应变曲线进行预测,提取出双轴拉压强度包络线,从双轴强度、变形特性、破坏形态等角度对材料的双轴拉-压损伤机制进行探讨.     

基于数字图像处理的含分叉裂纹花岗岩破裂过程研究

为了从细观尺度研究含分叉裂纹花岗岩破裂过程,本文基于数字图像处理技术表征花岗岩真实细观结构,结合RFPA2D-DIP软件构建了含分叉裂纹花岗岩数值模型并进行单轴压缩试验,分析了含分叉裂纹花岗岩失稳破坏及裂纹演化规律。试验结果表明:含分叉裂纹花岗岩中,垂直于荷载施加方向的水平分叉裂纹滞后于其他分叉裂纹产生扩展裂纹;加载初始阶段分叉裂纹尖端应力集中,其初始裂纹在倾斜分叉裂纹尖端萌生,试件两端面与预制裂纹贯通导致试件破坏。     

描述砂性土宏细观力学关系的数学模型

土体等颗粒材料在外力作用下的细观颗粒层面的力学行为决定着其宏观力学性质.然而,目前已经提出的宏细观本构关系多基于对某一种试验数据的唯象总结,缺乏普适性.根据已有的理论研究成果,基于Hertz接触理论,采用颗粒流离散元程序(particle flow code,PFC3D)模拟了粒状砂性土的单轴压缩试验,推导了一种更具普...     

基于数字图像的大空隙沥青混凝土离散元模型

为了从细观角度深入分析大空隙沥青混凝土性能,利用CT扫描获取PAC-13大空隙沥青混凝土内部图像,将三维重构的切片图像和CT横向扫描图进行阈值分割,通过体视学理论选取与真实级配最相近的图像作为集料、空隙结构提取对象,建立了像素边长为0.5 mm的离散元模型,并进行单轴压缩虚拟测试.结果表明:三维重构切片图的级配误差比横向扫描图级配误差小了约20%,重构的切片图级配更具代表性;该模型实现的虚拟单轴压缩试验强度值与室内单轴压缩试验强度值相差小于3%,该模型具有很好的可靠性,这种数字图像建模的方法为研究大空隙沥青混凝土内部细观结构提供了参考.     

砂岩颗粒流平行黏结模型细观参数标定方法研究

基于正交试验的细观参数标定方法,建立了平行黏结模型中砂岩材料宏细观参数之间的关系.首先设计了单轴压缩平行黏结模型的7个细观参数正交试验方案,其次对各方案进行了颗粒流数值模拟试验,最后对试验结果进行了多因素方差分析和线性回归分析,确定了各细观参数对宏观参数的影响及其排序,最终建立了宏细观参数之间的关系.以3组砂岩室内试验验证了所提方法的有效性.结果表明:利用标定的细观参数进行颗粒流数值试验,得到的宏观参数与室内试验结果较为吻合,表明通过正交试验设计法标定的砂岩细观参数是可靠的.     

含预制裂隙花岗岩破坏的细观多相颗粒流模拟

基于断裂力学理论,分析了单轴压缩条件下,裂隙倾角对岩石裂纹起裂的影响.根据花岗岩矿物组分,建立了包含长石、石英和云母三相结构的细观颗粒流模型,模拟不同裂隙倾角下花岗岩的单轴压缩破坏过程,得到了花岗岩裂纹起裂、强度、应力应变、破坏形态等力学特征.研究结果表明:岩石试样优势起裂角为24°～30°,定向裂隙对裂纹起裂具有导向、促进作用;裂隙花岗岩的起裂应力和峰值强度随裂隙倾角的增大均表现为先减小后增大的变化趋势,当裂隙倾角为45°～60°时,岩石试件强度最低;裂隙花岗岩试样的压缩变形主要为裂隙面的变形,预制裂隙与新生裂隙的连接与贯通形成的宏观破裂面导致岩石破坏;花岗岩矿物组分比例对裂隙花岗岩强度有一定影响.     

基于三维离散元法的沥青混合料断裂过程模拟

为了从材料细观结构角度研究沥青混凝土的断裂机理,运用离散元程序PFC3D内的"Fish"语言,采用多球相互重叠的方法描述粗集料颗粒的空间不规则形状,结合集料颗粒的随机投放算法和离散元的空隙处理方法,建立了沥青混凝土小梁试件的三维离散元模型;通过室内沥青砂浆单轴压缩试验和劈裂试验,并结合宏观性能与微观力学参数的转化关系,获得了用于离散元模拟的各类微观参数;采用三维离散元程序PFC3D,进行了-10℃和15℃条件下小梁中点弯曲断裂试验的离散元模拟,获得了弯曲断裂曲线;采用与混合料三维离散元结构相同沥青用量、空隙率和级配在室内成型了沥青混合料的小梁试件,并获得了室内实测断裂曲线.研究结果表明:所建立的离散元模型可以充分考虑集料颗粒的不规则形状、集料级配特征和空隙大小;三维离散元方法可以较好地模拟沥青混合料弯曲断裂过程中裂纹起始和扩展的现象,模拟结果与室内实测结果基本相当;三维离散元模拟可以作为研究沥青混合料断裂特征的辅助手段.     

基于颗粒流程序花岗岩单轴抗压强度的尺寸效应

大量研究表明,岩石存在尺寸效应特征。为了研究不同尺寸花岗岩单轴抗压强度的尺寸效应,应用数字图像处理技术,建立与所研究花岗岩组分含量一致的六组颗粒流程序(PFC)数值模型进行单轴压缩数值试验;每组模型尺寸分别80 mm×160 mm、70 mm×140 mm、60 mm×120 mm、50 mm×100 mm、40 mm×80 mm、30 mm×60 mm。试验结果表明:①六组数值模型总体的抗压强度及弹性模量的尺寸效应特征明显,随模型尺寸的减小,两参数值总体呈增大趋势;②六组数值模型的破坏模式较为一致,表现为竖向劈裂破坏,但不同数值模型形成宏观大裂缝的位置都有所区别;③随着数值模型尺寸的减小,模型中的云母含量在下降,模型的单轴抗压强度和弹性模量呈上升趋势,说明云母含量越多,模型的物理力学性质越差,即花岗岩宏观力学性质的大小受其物理力学性质最弱组分的含量所控制。     

基于颗粒流理论的煤与瓦斯突出数值模拟研究

针对煤与瓦斯突出机理的复杂性,基于颗粒流离散元理论,利用PFC3D(particle flow code)软件对煤体进行340组单轴压缩及巴西劈裂试验,建立了煤体宏观参数与颗粒流数值模拟所需细观参数之间的关系。基于寺河矿煤样单轴压缩和抗拉物理实验的实测宏观参数,推算出模拟煤与瓦斯突出所需的细观参数。在PFC3D流固耦合理论的基础上,利用PFC模拟软件进行了煤与瓦斯突出的数值模拟,再现了煤体的堆积过程。研究表明:在突出准备阶段,煤壁深部瓦斯压力较高,突出孔洞附近瓦斯压力梯度较高;发动及发展阶段,平衡状态被破坏,形成口小腔大的突出孔洞,破坏范围由巷道高度的中间位置向顶底板处扩展;在突出过程中,工作面前方煤体靠近煤壁的暴露面处的最大主应力向量逐渐偏离垂直方向,且应力向量连线形成一个凸向煤壁深部的圆弧。     

砂土颗粒粗糙度对剪切特性影响细观机理分析

基于PFC2D离散元软件建立了数值双轴试验模型,采用Clump单元构造了不同粗糙度的砂土颗粒,研究了砂土颗粒粗糙度对剪切特性影响的内在机理.基于傅里叶级数近似法,阐述了强弱力链中各细观组构的分布规律以及强力链中组构各向异性系数的演化特征;根据宏细观参数间的定量关系,揭示了宏观响应与细观组构演化之间的内在关联.模拟结果表明:颗粒粗糙度越大,砂土抗剪强度越大;强力链为试样承担轴向荷载的主要载体;颗粒粗糙度对砂土抗剪强度的影响主要体现在强力链切向接触力组构各向异性特征上.     

基于颗粒离散元模型的岩石蠕变模拟试验

为了从岩石颗粒之间不连续特征的角度研究其永久变形行为,基于颗粒流理论,采用颗粒离散元方法对微观颗粒之间的接触赋予Burgers模型,进行岩石二维离散元虚拟单轴蠕变试验。采用单因素法研究分析颗粒粒径、摩擦因数、颗粒法向与切向刚度比对流变特性模拟值的影响。从单轴蠕变压缩的轴向蠕变及轴向蠕变速率曲线的离散元模拟值与其解析解对比可以看出:模拟结果与解析解具有较高的吻合性;为更加明确地表示出蠕变不同阶段,选用对数蠕变柔量来进行解析解与模拟值的比对,蠕变初始阶段,PFC压缩模型会低估蠕变柔量,而在稳定蠕变阶段,两者具有高度的一致。数值模拟与解析解结果对比验证颗粒流Burgers模型适合用于岩石蠕变试验研究中,可为岩石蠕变的后续深入研究提供有益的参考。     

基于颗粒流离散元的粘性土三轴剪切试验数值模拟

为了研究粘性土体的工程力学性质,本文通过对粘性试样进行室内三轴固结排水试验,得到了试样土体的应力—应变关系曲线以及强度指标,基于颗粒流离散元法的原理,利用PFC3D软件建立三轴试样模型,并设定颗粒间的接触为接触黏结模型,通过颗粒流数值试验对细观参数进行标定,从细观角度对粘性土的工程力学特性做了一定的研究。对比了不同围压下数值试验与室内试验的应力应变关系曲线,得到了较好的模拟效果。分析细观参数的变化对粘性土的应力—应变关系曲线的影响,得出边界条件、孔隙率、粘结强度、摩擦系数、接触刚度等细观参数的取值对粘性土的宏观力学性质有着显著的影响并对影响规律做了探讨,为今后的三轴试验颗粒流数值模拟提供了有价值的参考。     

煤岩破裂过程CT图像的分形描述

为实时观测煤岩细观破坏过程,采用中国矿业大学(北京)国家重点实验室工业CT检测系统,对煤岩单轴压缩破坏过程进行了CT扫描试验.利用分形理论对煤岩破坏过程CT图像进行分析,得到煤岩试样CT图像裂纹损伤扩展破裂过程的分形维数,计算结果显示CT图像计盒维数随应力的变化趋势与煤岩单轴压缩试件应力-应变曲线趋势吻合.研究结果表明,用半型高斯函数能够较好地描述煤岩试样在单轴压缩荷载作用下计盒维数随荷载的变化规律.     

基于颗粒流离散元的黏性土三轴剪切试验数值模拟

通过对黏性试样进行室内三轴固结排水试验,研究黏性土体的工程力学性质,得到了试样土体的应力-应变关系曲线以及强度指标,基于颗粒流离散元法的原理,利用PFC3D软件建立三轴试样模型,并设定颗粒间的接触为接触黏结模型,通过颗粒流数值试验对细观参数进行标定,从细观角度对黏性土的工程力学特性做了一定的研究。对比了不同围压下数值试验与室内试验的应力-应变关系曲线,得到了较好的模拟效果。分析细观参数的变化对黏性土的应力-应变关系曲线的影响,得出边界条件、孔隙率、黏结强度、摩擦系数、接触刚度等细观参数的取值对黏性土的宏观力学性质有着显著的影响并对影响规律做了探讨,为今后的三轴试验颗粒流数值模拟提供了有价值的参考。