土石混合体原位试验的颗粒流数值模拟分析

基于颗粒流理论和PFC程序,解决了不规则碎石(clump)的生成、恒定法向荷载施加、剪切面的含石量等问题后,建立了土石混合体原位试验的颗粒流数值模型,对不同含石量、法向应力下土石混合体的直剪试验进行模拟,并与原位直剪试验的结果进行比较.结果表明：随着含石量增加,剪切应力及其峰值增大,剪切应力峰值对应的剪切位移减小;在低法向应力条件下,土石混合体表现为剪胀;在高法向应力下,土石混合体表现为先剪缩而后剪胀,并呈现出压剪破坏特征;剪切面附近分布的不规则碎石在剪切过程中出现挤压滑动与滚动,使得剪切破坏面出现凹凸,而且剪应力、法向位移、应变能随剪切位移增加而出现波动和平缓段;数值试验所得剪切应力峰值略高于其试验值,减小模型颗粒半径,可以有效降低计算的剪切应力峰值.     

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。     

碾压混凝土直剪试件细观结构的数值模拟

从细观层次上将碾压混凝土试件当作是由硬化水泥粉煤灰砂浆、粗骨料、二者间的粘结带以及水泥砂浆中间层面组成的非均质复合材料，由随机骨料模型模拟碾压混凝土的细观结构，用非线性有限元法模拟试件在直剪作用下的细观损伤断裂，从而求得其宏观抗剪断强度，计算结果与《混凝土重力坝设计规范》所提供的参考值较为吻合，据此还进行了试件破坏机理分析，应用此种计算方法，可节省直剪试验工作量，并可进行直剪试件的尺寸效应分析，有广阔的应用前景。     

直剪条件下单裂隙岩体力学行为数值模拟试验

为探究单裂隙岩体剪切过程中的力学行为,利用颗粒流程序研究裂隙倾角和法向应力对单裂隙岩体力学行为的影响,分别从岩体力学性能、破坏模式及细观力学特征3方面对非贯通单裂隙岩体试样直剪试验中的力学行为进行数值模拟。研究结果表明:(1)法向应力越大,剪应力峰值及对应剪切位移越大,裂隙倾角为60°时,剪切应力峰值最低,与完整试样相比,裂隙试样黏聚力下降最为明显;(2)剪应力曲线由低法向应力(小于5 MPa)时的"光滑"状转变为高法向应力(大于15MPa)时的"台阶"状,主要是高法向应力时岩体内微裂纹产生的速度快慢相间,致使裂纹扩展具有明显的阶段性;(3)法向应力越大,试样内微裂纹数目越多,剪切裂纹数目逐步增加,但仍以张性裂纹为主,大部分微裂纹在剪应力峰后段形成,单裂隙岩体的破坏主要是由张性裂纹汇聚贯通而形成的宏观拉破坏;(4)单裂隙岩体的剪切破坏是颗粒间最大接触力位置的转移与微裂纹交汇贯通的结果,"压致拉"作用力在剪切过程中作用明显。     

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。     

颗粒物质三维直剪实验的数值模拟

为了获取断层物质的受压剪切特性,用离散元法生成5种非规则颗粒单元来模拟自然条件下断层物质的直剪过程,以实验数据为参数,探讨了不同法向应力、摩擦系数、颗粒形状、试样颗粒组构对断层物质的剪应力的影响。结果表明,剪应力随法向应力、摩擦系数、非规则颗粒含量的增加而增大,不同法向应力、颗粒形状、试样组构下孔隙率的变化反映了剪应力的变化。     

储层页岩直剪破断特性及细观演化机制

以露头页岩为研究对象,开展不同层理倾角页岩的直剪试验,研究剪切全过程的4个阶段,同时开展基于颗粒离散元的页岩直剪全过程研究,与试验数据对比验证数值模型的可行性,从细观角度分析直剪全过程的能量演化规律,提出各向异性特征表征方法,并通过全过程的声发射变化解释细观裂缝的演化机制,阐明裂缝扩展与细观能量演化机制的一致性,研究不同时刻的层理页岩裂缝扩展规律及力链图,与对应层理倾角页岩的破坏模式进行对比,进一步探讨90°层理页岩剪切破断的裂缝特征,揭示不同层理页岩直剪全过程的裂缝演化机制。结果表明：法向应力增大能更大程度地抑制层理开裂,而剪切速率增大能更快速地达到峰值强度但降低抗剪强度;不同层理倾角页岩的破坏模式各异,0°沿层理面剪切滑移破坏,30°层理开裂为沿层理的雁列状裂缝,60°剪切破裂面呈曲线型。     

基于颗粒离散元的土石混合体直剪试验模拟研究

土石混合体是一种由高强度块石和低强度土体组成的非连续非均质材料,力学性质受土体、块石及土石接触面三者共同控制.本文为研究块石含量及土体性质对混合体力学特征及变形破坏形态的影响,利用颗粒离散元理论和PFC2D程序,生成了可描述块石非规则形态的团粒(clump)结构,建立了土石混合体直剪试验离散元模型,以室内直剪试验结果作...     

非均质凝聚炸药颗粒细观数值模拟研究

以PBX9404炸药为研究对象,建立了炸药颗粒的细观数值模型,得到了炸药颗粒的压强、温度等物理量沿径向分布关系.从数值模拟可以看出,炸药在冲击波作用下颗粒外半径温度升高较慢,孔隙位置处的温度升高最快.炸药颗粒孔隙位置处的压强、温度在两次反射后迅速增大.数值模型考虑了惯性效应,因此与KIM K的理论模型比较可以看出,在外径附近的温度要高于理论模型.     

直剪条件下钙质砂强度及颗粒破碎

钙质砂的主要成分是碳酸钙,由于其特殊成因,钙质砂具有孔隙特征。为了深入研究粒径、含水率及剪切速率对钙质砂强度及颗粒破碎特性的影响,在不同粒径、含水率和剪切速率等因素下对钙质砂进行直剪试验。试验结果表明：(1)钙质砂的抗剪强度和内摩擦角与粒径之间存在正相关的关系,小粒径(<1.0 mm)情况下,粒径和竖向压力不再是影响颗粒破碎的主要因素,大粒径(>1.0 mm)情况下,颗粒破碎程度出现剧增现象,粒间咬合和约束的存在是此现象的主要原因。(2)粒间水膜和颗粒损伤的存在,导致钙质砂的内摩擦角随着含水率的升高逐渐减小,含水率和内摩擦角之间呈指数函数关系。相对破碎随着含水率的升高先减小后增大。(3)颗粒在剪切过程中存在翻滚现象,但过大的剪切速率会使得颗粒直接从中间位置剪切,钙质砂的内摩擦角随着剪切速率的增大呈现先减小再增大的现象,相对破碎则是随着剪切速率的增大呈现先减小后增大的趋势。     

考虑应力修正的麦秆土直剪试验抗剪强度指标研究

为了分析麦秆含量对土壤抗剪强度指标的影响,获取更可靠的抗剪强度指标,推广能源节约型农业耕作生产,用TMS-PRO计算机控制质构仪做麦秆剪切试验。用应变控制式直剪试验研究原状与重塑麦秆土抗剪强度指标,分析麦秆含量对土壤抗剪强度指标的影响。应用应力修正法对直剪试验的正应力与剪应力进行修正,研究修正前、后麦秆土抗剪强度指标的变化量及随麦秆含量的变化规律,并对原状与重塑麦秆土修正前、后的黏聚力、内摩擦角拟合线分别进行叠加。试验结果表明:麦秆抗剪强度随含水量的增加而增大,麦秆土抗剪强度指标随麦秆含量的增加而增大,黏聚力符合线性拟合的规律、内摩擦角符合二次函数拟合的规律。考虑应力修正后原状与重塑麦秆土黏聚力较修正前提高了24%、内摩擦角较修正前提高了18%;未经修正的原状与重塑麦秆土在麦秆含量为0.58%时具有相同的黏聚力,在麦秆含量为0.37%时具有相同的内摩擦角;考虑应力修正后的原状与重塑麦秆土在麦秆含量为0.65%时具有相同的黏聚力,在麦秆含量为0.40%时具有相同的内摩擦角;在交汇点之后麦秆土抗剪强度指标增速表现为原状大于重塑。     

一种胶凝原油剪切测试的新方法

对用旋转流变仪和管流试验装置研究胶凝原油剪切破坏特性的试验测试方法进行总结,发现油品的压缩性、收缩性,承受单向剪应力等因素会对测试结果产生影响。基于岩土等材质的剪切破坏试验方法的分析,借鉴测定土体强度的直剪法,使用数显测力计测试剪切应力,利用步进电机精确控制剪切速率,消除固有内阻的影响,通过空气浴来实现测试温度的控制,开发出胶凝原油直剪测试装置。试验结果表明,测试装置具有良好的可靠性和准确性,直接剪切试验能够较好地反映出胶凝原油的剪切屈服破坏过程。     

建筑垃圾在高速公路路基填筑中的现场直剪试验研究*

采用一种适用于大颗粒的新型现场直剪试验仪,对建筑垃圾进行了直剪试验,分析建筑垃圾的剪切强度特性。建筑垃圾的现场组分分析结果表明,建筑垃圾主要由碎砖、碎石、混凝土等废料组成。对碾压成型后的建筑垃圾进行筛分试验,分析了建筑垃圾级配,得到了建筑垃圾颗粒破碎的分维。根据现场大型直剪试验结果,得到了不同正应力下剪应力-剪切位移和剪应力-正应力的关系曲线,确定了建筑垃圾剪切强度的峰值和残余值参数,峰值黏聚力和内摩擦角分别为40 kPa和36°,残余黏聚力和内摩擦角分别为23 kPa和32°,相比于普通填土,建筑垃圾的剪切强度较大。     

Scale dependence of direct shear tests

Direct shear test has been widely used to measure the shear strength of soils and other particulate materials in industry because of its simplicity. However, the results can be dependent on the specimen size. The ASTM （American Society for Testing and Materials） publications suggest that for testing soils the shear box should be at least ten times the diameter of the largest particle and the height of the box should be no more than half of its diameter. These guidelines are empirically based. A series of two-dimensional numerical direct shear tests are performed to investigate this scaling effect. By analyzing the bulk friction, particle translation and rotation, percentage of sliding, average volume （area） and shear strain and the evolution of the shear band, we find that the traditional guidelines for direct shear tests are questionable. Scaling dependency of bulk friction on the property of granular materials is clearly present. Our current analysis points out that the scaling effects can vary significantly depending on the particle properties other than their sizes. Of all the parameters we observed, particle rotation appears to have a decisive correlation with the bulk friction. Formation of a shear band is universal. As the shearing progresses, particle rotation begins to concentrate near the shear plane. By defining the width of a shear band as the standard deviation of the distribution of translational gradient or the standard deviation of the distribution of particle rotation, quantitative evolutions of shear band are presented. Both measures of the shear band width dropped rapidly during pre-failure stage. After peak stress both measures begin to approach steady state as the bulk friction stabilizes to the residual stage. These observations suggest that structure formation inside the shear band controls the scaling effect.     

测试水流冲刷剪切作用的试验研究

为了测试水流对水工混凝土的冲刷作用 ,研制了一种改型的水流剪切力测试仪 ,可以在水中不受正压力的影响 ,测试水流产生的剪切作用。这种设备制作简单、成本低廉 ,不需要特殊材料和专门加工。经过标定后 ,测试数据很精确。利用这种仪器进行大量的、不同检测环境的试验 ,根据采集的数据给出了水流剪切作用力与水压力、水流速度、冲刷角度及含沙量等参数之间的关系     

水泥土泥皮下土与结构接触面的单剪特性

采用大型单剪仪进行粗粒土与混凝土接触面在水泥土泥皮(粘土中掺入水泥)条件下的剪切试验,揭示泥皮条件下接触面的力学特性与机理.试验结果表明,峰值强度以及剪胀发生所对应的位置与法向应力大小有关,峰值强度所对应的剪应变滞后于产生剪胀的位置.剪切破坏时,在同一高度处,法向应力越大,切向位移也越大;同样的法向应力及高度处,切向位移随水泥含量的提高而增大.以单剪试验为原型,采用颗粒流模拟程序PFC建立水泥土泥皮条件下粗粒土与混凝土接触面的单剪模型,通过对接触面试验试样内部特征点在剪切过程中运动状态的追踪,分析了土体的扰动高度及其主要影响因素.研究发现,扰动高度与粗粒土的最大粒径、法向应力以及粗糙程度(有无泥皮)等有关.对粗粒土,靠近结构面3～4倍最大粒径的区域内土颗粒切向位移明显,形成明显的剪切错动带,因此,建议该剪切错动带厚度为有厚度接触面单元厚度.     

钙质结核土及其大型直剪试验研究

淮北平原钙质结核土是一种区域性特殊土,其工程地质性质领域的研究基本处于空白状态。其力学特性研究的开展,受到钙质结核的限制,传统小型试样的室内试验制样困难,甚至根本无法开展试验。文章采取和制作了多组钙质结核土原状和重塑土样,进行了大型直接剪切试验;分析了原状钙质结核土的级配特征,获得了原状土样的强度指标,并根据重塑土样的试验研究了土体c、φ值之间的变化关系。     

固结煤矸石抗剪强度特征试验

依据现场大型剪切试验和室内直剪试验,研究了固结煤矸石的抗剪强度特性。试验剪应力-剪位移过程曲线表明,一定含水率条件下的固结煤矸石呈现明显的粘塑性体力学特性。以现场大型剪切试验煤矸石作为试样配料进行了室内直剪试验,分析了含水率和密实度对良好固结煤矸石试样剪应力-剪位移试验曲线以及抗剪强度参数的影响,在此基础上探讨了试样内煤及其它细颗粒的状态变化对固结煤矸石抗剪强度的弱化作用机理,最后对比分析了现场大型剪切试验抗剪强度参数值和室内直剪试验抗剪强度参数值的差异及其产生的主要原因。     

不同袋内材料对土工袋单元体静动力剪切特性的影响

为了进一步研究不同袋内填充材料对土工袋单元体在静动力作用下剪切特性的影响,采用室内大型剪切系统对不同袋内填充材料土工袋单元体进行了一系列单剪试验和循环剪切试验。结果表明：土工袋单元体表现出的剪切变形规律基本符合摩尔-库仑屈服准则,其抗剪强度主要由土工袋表面张力和袋内土体颗粒之间的摩擦力共同提供;不同袋内填充材料对土工袋单元体的剪切变形特性有一定的影响,相对于壤土土工袋、碎石土工袋,天然河砂土工袋单元体的抗剪强度、阻尼消能效果与抵抗变形的能力均相对更好,因此从抗剪强度及减振消能特性的角度看,实际减隔震工程中采用河砂装填是一个较好的选择。