基于大型土工实验的土体细观特性分析

基于大型土工实验的细观观测,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、转动角度及颗粒变化的细观力学性状.     

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。     

基于离散单元法的一类岩土工程土体破损的细观力学行为研究

将颗粒离散元法应用到盾构隧道端头土体细观力学行为的模拟计算,探讨了砂土地层端头土体滑移破损的宏观现象和细观机理,分析了端头土体滑移破坏形态和位移场的演变,得到了端头土体颗粒内部的孔隙率、配位数及滑动接触数等细观特征.结果表明:端头土体的破损和颗粒位移场是渐进性发展的,起因于洞门土体颗粒的力链初始断裂,最终在土体内部形成明显的非连续位移梯度和剪切滑移面,并在洞门上方形成明显的地表沉降槽.剪切滑移区域内,颗粒细观特征变化明显,孔隙率因剪胀而增大,由初始的0.16左右增大到0.19~0.20;配位数由初始的4.1左右减小到3.0左右;力链因断裂而发生弯曲,方向由柱状逐渐变成环状;颗粒间滑动接触数由初始的0增大到0.20~0.28.说明,剪切滑移面右侧土体处于松动、滑移的非稳定状态,颗粒力链断裂、细小剪切裂纹连接、合并与贯通形成优势剪切滑移面.     

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.     

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.     

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.     

标准砂直剪试验的PFC数值模拟

直剪试验作为一种常用的室内土工试验,在实践中得到了广泛的应用,但是目前在细观尺度上对其剪切带的研究还不多,因为这涉及到试验手段和试验仪器方面的问题.PFC(particle flow code)是目前使用较多的模拟软件,其以颗粒为基本单元,可以较好地模拟材料的颗粒属性.因此利用PFC数值模拟的方法,探讨了颗粒形状、试样初始孔隙率对直剪宏观力学行为的影响.在成功建立砂土直剪试验数值模型的基础上,分析了试样内颗粒配位数、颗粒速度场以及局部孔隙率分布,发现砂土直剪中的剪切带并非是完全水平的直线,而是具有一定的斜率和曲率,其剪切带厚度大约为平均粒径的10.37倍.     

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.     

单剪试验的细观模拟研究

采用离散单元法的颗粒流理论,模拟了松砂和密砂的单剪固结排水试验,研究了单剪试验中砂土细观力学行为和细观组构的演化规律。本文采用PFC2D实现了单剪试验的模拟,记录了实验中颗粒的分布图,接触力分布图,位移图等,同时也测得应力-应变关系,以及配位数等,并用origin软件将其绘制成图表。分析了砂土变形过程中细观组构的变化,并对比分析了松砂、密砂在剪切过程中变形机制的区别。最后阐述了剪切过程中应力主轴的旋转问题。     

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。     

岩石双面剪切细观试验装置的研制及应用

为研究岩石的双面剪切细观损伤力学特性,自主研制岩石双面剪切细观试验装置。研究岩石材料的双面剪切强度和变形特性;利用细观观测系统和声发射系统,研究岩石双面剪切破坏过程的细观损伤力学特性;进行烘干砂岩非限制性双面剪切细观力学特性试验,获得双面剪切应力应变曲线、左右预定剪切面附近裂纹演化过程和细观裂纹分布特征。研究结果表明:岩石的双面剪切细观演化过程和裂纹形态分布与相同条件下单剪试验结果相比存在明显差异,利用该装置进行不同条件下的岩石双面剪切细观试验,可以从基于细观的损伤力学角度研究岩石双面剪切破坏机理。     

格栅加筋砂土拉拔试验界面特性的离散元模拟

采用二维颗粒流程序PFC2D建立格栅加筋砂土的格栅拉拔试验数值分析模型,分析了格栅拉拔过程中位移场、接触力、孔隙率、配位数等参数的变化规律.根据剪切带厚度将试样划分成四个区域,通过开发细观组构统计程序记录格栅拉拔过程中各区域砂土细观组构演化,探讨砂土颗粒的接触法向、接触力分量的各向异性演化规律及其与试样宏观抗剪强度之间的关系.研究结果表明:拉拔试验过程中,剪切带内平均法向接触力增大,切向接触力减小.剪切带内砂土抗剪强度受控于法向接触力及其各向异性的变化,拉拔过程中,砂土颗粒间法向接触力各向异性主方向的变化与大主应力的方向相一致.     

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。     

橡胶砂剪切特性的细观数值模拟

为了研究橡胶砂剪切特性的细观机制,利用PFC3 D离散元程序对橡胶砂的直剪试验进行数值模拟,分析了竖向正应力和橡胶掺量对橡胶砂剪切特性宏、细观力学行为的影响.结果表明,宏观层面上,区别于纯砂的应变软化特征,橡胶砂的应力与应变关系曲线表现出应变硬化特征,橡胶颗粒的加入显著改善了纯砂剪切强度特性,剪切强度随竖向正应力的增大...     

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.     

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。     

粗粒土大型静止侧压力系数测定试验的颗粒流模拟

静止侧压力系数K_0是粗粒土重要的力学参数。采用基于离散元理论的颗粒流数值分析和室内试验相结合的方法,建立了粗粒土大型静止侧压力系数试验的三维颗粒流模型,模拟结果与室内试验具有良好的一致性。在总结数值试验结果的基础上,分析了粗粒土的位移和力链的细观变化过程,并研究了不同竖向应力下细观参数与K_0的关系曲线,探讨孔隙率、颗粒摩擦因数、切向刚度、法向刚度等参数对粗粒土K_0的影响规律,并建立了细观参数和粗粒土K_0的函数关系。结果表明:相同竖向应力下试样K_0随着孔隙率的增大逐渐增大,但增大趋势趋于平缓;试样K_0与摩擦因数存在线性负相关关系;在相同竖向应力下,试样法向接触刚度越大或切向接触刚度的越大时,K_0越小。     

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.     

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.     

混凝土初始损伤细观结构特性数值试验研究

细观结构特性是混凝土材料最重要的特性之一,细观结构参数的改变直接影响混凝土弹性模量、抗拉抗压强度等宏观力学性能变化.首先采用混凝土随机骨料模型进行混凝土细观数值试验,将混凝土看成由骨料、水泥砂浆以及两者之间的界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料,并在水泥砂浆中引入不同孔径、孔隙率的孔隙,使用有限元分析软件MSC.Marc,通过数值试验研究了孔径、孔隙率对混凝土抗拉抗压强度和弹性模量的影响规律.试验结果表明:混凝土弹性模量在同一孔径下随着孔隙率的增长呈线性下降,在同一孔隙率下随着孔径增大呈对数下降;混凝土抗拉抗压强度随着孔隙率和孔径增大呈对数下降.其次,将数值试验结果与经验公式进行了对比,验证数值试验结果的正确性.最后,根据数值试验结果,建立了混凝土初始损伤与孔隙率和孔径之间的关系,描绘了细观尺寸下混凝土的初始损伤面,为建立混凝土细观结构参数和宏观力学特性之间的联系,改善混凝土的力学性质打下了基础.