基于平行黏结模型的类岩石材料宏细观参数影响

为了研究材料宏观力学特性与细观参数的关系并进行细观参数标定,将平行黏结模型作为颗粒的接触模型,对颗粒流程序中的细观参数进行正交试验设计,结合室内试验确定类岩石材料的细观参数。结果表明:类岩石材料宏观弹性模量主要由颗粒模量、平行黏结模量以及半径乘子影响;法向黏结强度与切向黏结强度共同影响抗压强度,且不同黏结强度比对裂纹的分布有影响;泊松比主要由颗粒刚度控制,且颗粒刚度越大,剪切裂纹占比越大。物理试验与数值模拟的峰值应力接近,应力-应变曲线基本吻合,裂纹扩展形态一致,表明细观参数结果可靠,为其他岩石材料颗粒流模拟提供借鉴。     

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。     

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。     

颗粒刚度变化对胶结砂岩力学响应的影响

为分析胶结砂岩的力学响应和破坏机理,基于试验建立不同刚度比的三维颗粒流数值模型,验证数值模型的可行性,并分析不同胶结性状的砂岩力学响应,进一步说明胶结物质的重要作用及模型的适用性.分析颗粒接触刚度比和平行黏结刚度与颗粒接触刚度的比值变化时,砂岩的应力比、体应变、配位数和平行黏结破坏数的变化规律以及对模型的泊松比、初始刚度和延性的影响.结果表明:不同的颗粒刚度比对岩样宏观力学响应的影响不同,颗粒接触刚度比越小,且切向刚度越大时,胶结砂岩的脆性越强;平行黏结刚度与颗粒接触刚度的比值越大,脆性越强,黏结破坏越容易,剪切破坏越明显.颗粒刚度对胶结砂岩的力学响应和变形能力有重要的影响,是实际储层砂岩力学模拟选择有效细观参数和构建本构关系的关键.     

颗粒摩擦因数对胶结砂岩力学特性的影响

为确定胶结砂岩的力学参数,探讨岩体破坏机理,采用细观力学分析方法,建立三维颗粒流数值模型,对胶结砂岩的剪切特性进行模拟。根据应力应变曲线以及平行黏结分布和接触网络变化说明胶结砂岩不同于无黏结砂岩的破坏机理,验证数值模型的可行性,分析不同胶结半径比的砂岩模型的应力比、体应变、配位数和平行黏结破坏数的变化规律。计算结果表明:胶结半径一定时,不同摩擦因数对岩样宏观力学特性的影响不同,特别是随着胶结半径比的减小,颗粒间摩擦力在胶结砂岩受力过程中占主导作用,对砂岩抗剪能力起着决定作用,不同摩擦因数对胶结砂岩力学特性的影响较大。颗粒摩擦因数对胶结砂岩数值试验中的力学行为有着重要的影响,是准确选择三维颗粒流模型细观参数的关键。     

球形颗粒流数值模拟宏细观力学强度参数相关性研究

采用颗粒离散元方法研究岩土体的细观力学性质时,由于细观参数的选取具有一定的人为性和不确定性,如何确定宏、细观参数之间的关系是必须面临的难题。基于平行粘结模型,在大量数值三轴压缩试验基础上,建立了岩土颗粒材料三维细观参数(颗粒摩擦系数、颗粒接触刚度比、颗粒粘结强度、颗粒粘结强度比)与材料宏观力学强度参数(c,φ)的标定关系。结果表明:细观参数颗粒接触刚度比与颗粒摩擦系数对岩土颗粒材料的剪切强度参数(c,φ)影响较大,其他参数影响可忽略;采用多元非线性拟合方法,定量给出了相关细观参数与宏观剪切强度参数(c,φ)的计算公式;并通过一处于蠕滑状态的边坡力学状态对标定的参数准确性进行了验证。所建立的预测公式可为相关力学计算与数值模拟提供参数确定依据。     

非饱和土力学行为的三维离散元分析

基于离散单元法颗粒流理论,土体颗粒单元间采用Hill接触模型来考虑非饱和土中吸力的作用,建立了非饱和土的颗粒流模型。根据室内试验结果对模型细观参数进行标定,开展了固结排水三轴剪切试验离散元数值模拟,揭示了在不同围压和吸力下,模型试样的应力-应变关系与强度特性等宏观力学性质以及细观信息平均配位数的变化规律。根据不同吸力下的莫尔-库伦破坏包线,建立了吸力与抗剪强度参数之间的关系。此外,通过标定室内试验结果中不同含水率下的应力-应变曲线,建立了Hill模型中吸力与含水率的关系。研究结果表明：Hill接触模型可以较好的模拟非饱和土的力学行为,可为非饱和土的离散元模拟提供参考。     

基于改进BP算法的岩石宏细观参数轻量化分析方法

针对PFC 3D细观参数多、宏细观参数间影响机制分析难度大、参数标定模型可解释性不足等问题，以细观参数轻量化分析目标，通过引入含陡度因子的功能函数、自适应Nesterov动量法及自适应学习率提出了一种改进的BP算法进行轻量化建模.与传统BP算法对比表明：改进算法提升了传统算法的稳定性与收敛速度，能够合理准确的对宏细观参数间的敏感性进行量化，筛选出关键的细观参数并获得轻量化的宏细观参数分析模型.基于轻量化模型对宏细观参数间的相关性及影响机制进行分析，研究了单个及多个关键细观参数对宏观参数的影响规律，研究发现：弹模随等效模量增大呈线性增长；平行黏结刚度比对弹模的增长具有抑制作用且当刚度比较高时弹模减小幅度较大.泊松比和颗粒刚度比及平行黏结刚度比间均存在线性关系，而摩擦系数的增大将引起泊松比的非线性减小.强度参数对峰值强度均具有激励作用，当平行黏结抗拉及抗剪强度在较高水平下的组合对峰值强度的提升作用最为显著，内摩擦角主要对岩石的峰后强度具有一定影响，这是由于试样在峰后加载时，内摩擦角对于剪切带两侧的颗粒滑动具有一定的控制作用.研究成果对于PFC参数标定问题具有一定的参考价值.     

格宾网加筋土强度和变形特性的三维离散元细观模拟

为揭示格宾网加筋土强度和变形特性的细观力学本质,利用PFC3D三维离散元计算平台的FISH语言编写数值伺服程序实现大三轴试验环境和土颗粒模型生成算法,模拟大三轴素土试样应力-应变宏观响应校正土颗粒细观参数;然后,引入平行黏结构造格宾网颗粒流模型,通过模拟其室内拉伸试验校正格宾网模型细观参数;在此基础上,建立格宾网加筋土大三轴试样的三维颗粒数值模型模拟格宾网加筋土应力-应变关系,揭示格宾网加筋土颗粒之间接触力和内部剪切位移场的渐进发展规律。研究结果表明:格宾网加筋土颗粒模型数值试验能对其力学机理做出定量和定性预测;在试样两端和两层格宾网之间,分别形成"八"字形和""形倾斜剪切带;随着试样围压增加,试样内部剪切带范围缩小;加筋层数较少时,剪切滑移带范围较大;土颗粒接触力在整个格宾网截面内分布较均匀,在两层格宾网之间集中到试样截面的中部。     

粘性土平面应变试验颗粒流模拟可行性研究

对四组PFC^2D的数值仿真结果和粘土试样室内平面应变试验的实测曲线进行了对比，研究表明利用颗流理论所建立起来的PFC^2D数值仿真试验模型是能够通过改变计算模型中颗粒单元的性质颗粒集合体的级配特征等，针对颗粒流仿真试样的细观力学特征与物理试样宏观力学响应之间的关系进行了参数研究，并揭示了一些规律。     

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。     

基于微观水化单元的水泥土单轴压缩模拟

为实现颗粒流方法在强度预测中的应用，根据各类型水化产物微观结构特征，利用颗粒流方法分别构建基于微观水化单元的普通硅酸盐和硫铝酸盐两种水泥土数值模型，模拟两种水泥土单轴压缩时的力学响应，并与试验结果进行对比。颗粒间平行黏结参数分析表明，平行黏结模量为宏观弹性模量的主要影响因素，二者呈二次非线性增长关系；平行黏结强度与峰值应力间呈线性增长关系；在参数取值区间内，水化单元均能模拟与试验现象相吻合的斜裂缝方向和数量。两种水泥土均以水泥掺入量为15%的单轴压缩实验曲线确定细观参数，基于已确定参数，在模拟水泥掺入量为9%～12%时，该模型得到的单轴压缩峰值应力和弹性模量与实验结果误差均小于5%;水泥掺入量为6%时误差略高，但仍小于9%。模拟结果表明，微观水化单元可以用于模拟和预测水泥土单轴压缩的峰值应力和弹性模量，为其他材料模型的建立提供了新思路。     

粒度分布对胶结砂岩力学特性的影响

储层出砂过程中砂岩颗粒的离散与其细观结构性有密切关系。以胶结砂岩为研究对象,基于三维颗粒流数值模型(PFC3D)建立4种不同粒度分布的数值模型,模拟剪切过程的砂岩力学响应,研究不同粒度分布的砂岩体应力比、体应变、配位数和黏结破坏与轴应变之间的关系。结果表明:粒度分布对砂岩力学特性的影响较大,仅基于随机方法产生颗粒建立的数值模型不能完全代表实际砂岩的物理结构。须根据实测的砂岩粒度分布建立三维数值模型,才能准确描述储层砂岩的力学特性。粒径越小,连接的颗粒越少,自由度越大,开采中成为离散颗粒的可能性越大。     

砂卵石层隧道离散元细观参数标定及影响规律研究

砂卵石层隧道围岩具有大小颗粒混杂,形状不规则等特点.在进行数值分析时与传统有限元计算差别较大.因此,运用离散元颗粒流软件对砂卵石层隧道围岩进行细观参数标定及数值模拟,通过开展室内试验以及砂卵石层细观参数影响规律研究.结果表明,二维模型和三维模型的细观参数标定结果不同,且相同细观参数情况下,二维模型得到的峰值强度远大于三维模型;颗粒粒径与试样尺寸对于应力应变曲线形态有显著影响,但当颗粒粒径与试样尺寸比值大于1/60时,影响减弱;颗粒形状对于应力应变曲线特征值有较大影响,颗粒越扁平,峰值强度越高,颗粒越接近圆形,则峰值强度越低.通过对砂卵石层围岩进行数字图像处理,得到了砂卵石层围岩的颗粒性状,结合筛分试验和大型三轴剪切试验,标定得到了不同相对密实度及不同含水率情况下的砂卵石层细观参数.     

基于球面对称设计的离散元细观参数定量确定方法

采用球面对称设计法,通过宏观参数范围确定细观参数取值范围,得到多因素球面对称设计试验表,利用试验模拟计算结果和多元回归分析,建立岩石材料颗粒流PFC2D(particle flow code 2D)的宏-细观参数关系式。采用基于宏-细观参数关系式计算得到的PFC2D细观参数,进行单轴压缩下完整岩石的应力-应变曲线和宏观力学参数、含多裂纹岩石试件断裂轨迹的模拟计算。研究结果表明:岩石的应力-应变曲线、宏观力学参数、断裂轨迹的计算结果与试验结果较吻合,从而验证了该宏-细观参数关系式的有效性;采用球面对称设计建立PFC2D宏-细观参数关系式的方法可推广应用于其他脆性材料,可为PFC定量分析复杂荷载条件下的材料细观破坏机理提供参考依据。     

基坑开挖变形的颗粒流数值模拟

采用基于散体介质特性建立的颗粒流细观力学数值方法,通过二次开发对重力式搅拌桩围护基坑的开挖过程和宏细观力学响应进行了研究.结合具体工程,基于相似理论建立了基坑的数值模型,通过双轴试验确定了土的细观力学参数,将土体细观结构特征和宏观力学响应联系起来,重点分析了开挖过程中基坑外土体沉降、基坑内土体隆起及围护桩水平位移等变化规律,模拟结果与实测结果具有较好的一致性,初步验证了用颗粒流方法模拟基坑开挖的可行性,也为从微细观角度研究围护结构和土相互作用机理提供了新的途径.     

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.     

苏北粉土非线性特性离散元模拟与参数分析

离散元法对颗粒系统进行动态分析,在离散颗粒单元接触分析与宏观响应间建立联系,使其成为试验手段分析细观特性的有益补充.采用三维颗粒离散元程序YADE进行了颗粒细观参数的参数分析,分析细观参数对三轴试验宏观响应的影响.研究表明：弹性模量和泊松比不仅与接触法向刚度和刚度比有关,同时随粒间摩擦角变化;而固结和剪切两个阶段粒间摩擦角控制了试样的剪胀水平和孔隙率向临界孔隙率的发展趋势.根据参数分析结果,提出了改进的三轴试验细观参数的标定步骤,并对室内试验进行模拟.模拟结果与室内试验结果较为吻合,表明该数值方法应用于三轴非线性变形特性研究具有可行性.     

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.     

考虑流固耦合效应的储层砂岩力学响应分析

用柱坐标系下的三维颗粒流数值方法研究储层砂岩的力学响应。通过实际颗粒级配的数值模拟与室内三轴试验对比,确定砂岩颗粒的细观力学参数,建立基于流固耦合效应的射孔试验模型。结果表明:砂岩的宏观应力反映了油藏流速对砂岩应力的增幅,但均未超过储层砂岩的峰值强度,最大塑性区约为12.9 mm,显示局部化的砂岩破坏过程;胶结应力的变化表明流速大于3 m/s时,增幅明显的剪应力加速了砂岩的剪切破坏,且颗粒平动和转动加剧,说明砂岩的胶结破坏严重,离散颗粒数呈量级增大,塑性区扩大明显。考虑流固耦合效应的三维数值方法能有效反映油井出砂的力学特性,当油藏流动对砂岩起控制作用时,出砂几率显著提高。