基于土工实验的土颗粒孔隙率和运动变化分析

基于大型土与结构物相互作用实验的细观观测,研究了土体的细观力学性状。应用MiVnt图像分析软件分析了在剪切过程中颗粒孔隙率和颗粒变化的细观力学性状。取不同的剪切位移时,研究孔隙率、颗粒个数的变化。     

初始组构影响砂土直剪力学性状的数值模拟

文中基于PFC2D 非圆颗粒单元的二次开发,通过制备两种不同初始颗粒定向的数值试样,分别为水平定向(H试样)和竖直定向(V试样),研究了初始组构对砂土直剪力学性状的影响.数值试验过程在对比分析两种不同颗粒定向试样直剪宏观力学响应的同时,从颗粒尺度层面探讨了不同颗粒定向试样的初始组构特征,揭示了初始组构影响砂土直剪的细观力学机理.结果表明,颗粒竖直定向的试样其抗剪强度要高于水平定向试样,在细观机理上不同颗粒定向试样的初始平均接触数有关.     

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.     

基于模型试验的散装铁精矿流态化细观规律

利用室内振动台模型试验,对散装铁精矿流态化细观规律进行了研究.基于细观图像采集分析系统,研究了铁精矿在流态化演化过程中颗粒间及颗粒与水分间的相互作用,分析了颗粒长轴方向、平均接触数、平面孔隙率等演化规律,探讨了铁精矿流态化细观规律及其与宏观现象间的联系.结果表明:水分迁移在铁精矿流态化演化过程中至关重要,其宏观表现是水液面上升;细观组构是控制铁精矿宏观力学行为的重要参数,其所反映的规律与宏观现象一致.     

砂沸现象的细观数值模拟及影响因素分析

采用饱和砂土流固耦合的细观力学模型,通过颗粒流数值模拟了在临界水力梯度条件下饱和砂土的细观响应.讨论了在建议模型框架内临界水力梯度、颗粒刚度等因素对模拟结果的影响,并从细观机理上做了进一步分析.模拟结果表明,在临界流或超临界流条件下,试样最终的稳态响应分成两部分:一部分颗粒停留在试样顶部,其颗粒数量正比于施加的水力梯度值;另一部分颗粒则在试样底部形成某种形式的对流运动.细观数值模型分析所得的临界水力梯度比连续介质力学分析得到的值要小,这个差别反映了模型的动力特性.在临界流或超临界流条件下,砂沸时水的流动除局部区域外基本上仍属于层流范围,但已偏离了达西定律.     

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.     

饱和砂土液化过程中细观组构的模型试验研究

采用室内振动台模型试验对液化过程中饱和砂土颗粒的细观组构进行研究.分析了砂土颗粒在液化破坏过程中颗粒长轴方向、平均配位数、孔隙率的演化规律及其与宏观现象之间的联系.应用表征上述量的组构参数分析了砂土的诱发各向异性,指出在循环荷载的作用下,砂土颗粒不断重新排列定向以适应新的应力状态,导致累积配位数的丧失、孔隙率增大,继而导致液化的发生.研究成果对于揭示砂土变形(液化)的细观机理以及建立砂土的细观力学模型都具有重要意义.     

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。     

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.     

煤矿巷道软岩性质及支护方法的多尺度研究

通过微观结构分析、细观力学机制分析,为软岩工程支护提供指导。通过地质调查和岩石力学试验,对某煤矿巷道软岩物理力学性质和微观性质进行了综合研究,包括物理性质、矿物成分、及强度和变形性质。基于颗粒流离散元程序PFC,从细观尺度研究岩块的的应力-应变曲线,使细观尺度模型表现与宏观尺度模型相同的力学性质。     

沥青路面压实力学特性的仿真分析

为突破常规数值方法基于连续性的理想假设,采用离散单元的方法,从细观力学角度对沥青路面碾压的过程进行了数值仿真。模拟了由压实载荷引起的混合料颗粒接触力场,分析了其受力的分布规律,从而揭示沥青路面的压实机理。从仿真结果来看,研究准确再现了压实轮和混合料颗粒相互作用性状的定性和定量结果,具有一定的理论与工程意义。     

基于细观力学的土体渗透稳定分析方法研究

讨论了颗粒分析方法的发展现状和力学理论基础,尝试了一种用传统渗流理论确定工程体渗透稳定的薄弱部位,用颗粒分析方法研究其渗透稳定性的新方法.以某水库大坝反滤层的渗透稳定性研究为例,采用商业软件Geostudio2007的Seep模块确定大坝反滤层的最不利部位及其渗透坡降,用反滤层的级配包络曲线和压实密度生成细观分析模型,用宏观模型计算结果作为细观分析的边界条件,最后采用基于离散单元理论的颗粒方法软件PFC研究大坝反滤层的渗透稳定性及其允许渗透坡降.计算结果表明,随着细观模型压力水头的增加,颗粒将产生移动,细观模型内部结构逐渐改变.当压力水头达到阀值时,细观模型中的渗透破坏通道完全形成.揭示了反滤层的安全与否取决于其级配组成、密度和所承受的水头.     

橡胶砂直剪试验的颗粒离散元细观力学模拟

文章基于颗粒流理论和PFC2D程序,对橡胶砂颗粒混合物的直剪试验进行了数值模拟,并与室内直剪试验的结果相比较,分析了不同竖向应力下混合物颗粒变形的细观机制,探讨了颗粒接触刚度、摩擦系数、孔隙率、剪切速率等细观参数变化对宏观力学特性的影响;从能量变化、力链变化、颗粒分布、速度场、位移场等细观角度分析数值试验结果,揭示了直剪试验中橡胶砂的细观力学性质和颗粒变形规律。研究结果表明:数值模拟能够较好地反映橡胶砂直剪试验的变形规律,得到的剪应力-剪切位移曲线和竖向位移-剪切位移曲线接近试验曲线;颗粒接触刚度、摩擦系数、孔隙率的改变对橡胶砂数值试验的结果均有不同程度的影响,满足加载条件的剪切速率对试验结果影响不大。     

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.     

金属成形中韧性断裂准则的细观损伤力学研究进展

随着韧性材料内细观损伤发展机制的深入研究,细观损伤力学在预测金属材料发生韧性断裂的过程中发挥着越来越重要的作用.与传统的宏观断裂力学不同,细观损伤力学侧重于研究材料内细观损伤的演化对于材料宏观断裂的影响.介绍了细观损伤力学发展的背景;阐述了细观损伤力学的研究现状;探讨了细观损伤力学发展过程中所面临的一些问题和应变梯度塑性理论对于细观损伤力学发展的推动作用.     

不同刺入深度下桩端受力的模型试验及数值模拟

通过自行设计的可视化模型试验,采用高清相机、显微数码及图像分析等技术,对纯砂中桩端埋入持力层不同深度的桩端刺入试验进行宏、细观研究.对随桩端刺入深度不同而产生相应的桩端刺入的受力、砂土的位移场和应变场及其细观机理进行分析研究.通过开发三维非圆颗粒,重点对纯砂中桩端刺入的室内试验进行PFC软件三轴数值模拟,将土体细观参数变化与宏观力学响应相联系,揭示桩刺入过程中桩端砂土的宏、细观演化机理.指出端阻力的发挥在细观上主要表现为桩端附近颗粒接触力的变化:桩端下部颗粒的压密范围、桩脚附近土体孔隙率和接触数变化趋势是端阻随埋深而变化的主要因素;达到极限端阻后,承载力的略微增加在细观上主要表现为持力层中桩侧颗粒孔隙率减小、接触力增大.     

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.     

描述砂性土宏细观力学关系的数学模型

土体等颗粒材料的接触力网络特征可采用组构张量进行量化,另一方面,其宏观应力张量可由粒间接触力的大小和相互接触的两个颗粒形心的距离确定。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PFC^3D模拟了粒状土的单轴压缩试验,用于辅助分析和验证,基于此,推导了一种描述砂性土宏细观应力关系的数学模型。研究成果为构建宏观力学和颗粒层面细观力学之间的联系提供了新途径。     

基于细观力学模型水泥浆体弹性力学性质预测

应用细观力学理论及三维微观水化模型,建立了水泥浆体的理想化细观力学模型.在该模型中:首先将水泥浆体中包裹着水化产物的未水化水泥颗粒视为第1层次的等效介质,利用双层夹杂自洽理论求出弹性性质;再将含水的孔洞视为嵌入在第1层次等效介质中的夹杂,利用自洽理论给出水泥浆体的最终弹性性质;最后分析了水泥浆体在不同水灰比情况下弹性性质随水化程度的演化进程.试验结果证明该模型可以较好地预测水泥浆体的弹性力学性质.     

基于温度-车辆荷载作用下沥青路面细观力学响应

为了研究温度-车辆共同荷载作用下沥青路面各结构层细观力学响应,依据常用沥青路面各结构层材料级配及孔隙率建立了离散元模型,通过拟合室内单轴压缩应力-应变曲线获取模型的细观参数.在此基础上,对车辆荷载和不同温度作用下的沥青路面响应进行求解,分析各结构层细观力学响应及结构层颗粒变化情况.研究结果表明:在移动荷载及温度共同作用下,随着路面结构层深度增加,垂向位移逐渐降低,温度越高垂向位移越大;各结构层垂向应力随路面深度增加而依次减小;水平方向各结构层应力情况复杂,上面层处于受压状态,其余结构层颗粒既有受压也有受拉状态;切向应力处于拉应力与压应力交替状态,温度对颗粒应力影响较大;颗粒前期速度振动较为剧烈,后期速度振动较为平缓.