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.     

TJ-1模拟月壤颗粒几何特性

颗粒几何特性是颗粒材料的一个重要物理性质,是决定颗粒材料力学性质的一个重要因素.针对软着陆模型试验所用的TJ-1模拟月壤颗粒进行了体视显微镜扫描,获取数字图像后用图形处理软件对各粒径组的颗粒进行了几何特性各指标参数的量化统计,获得了模拟月壤颗粒在延伸度、圆度和凹凸度等的具体数值,为进一步研究TJ-1模拟月壤物理力学性质与颗粒几何特性的关系提供了相关试验数据.试验结果表明:TJ-1模拟月壤颗粒具有棱角、钩角、锯齿等不规则结构,表面相对凹凸,大粒径颗粒具有明显的蜂窝状气孔结构;颗粒形状各异,主要形状有长条状、类三角形和类四边形.最后对TJ-1模拟月壤颗粒和真实月壤颗粒在几何特性方面进行了对比分析.     

土-结构接触界面的宏细观参数敏感性分析

为了研究土-结构接触界面各种微观参数对宏观响应的影响,从土的细观结构出发,采用二维离散元法进行双轴剪切数值试验,对颗粒间摩擦因数、颗粒形状、孔隙比、法向应力以及刚度比等参数进行灵敏度分析,得出各种微观参数对宏观响应的影响,建立接触界面颗粒材料微宏观参数的跨尺度关联,揭示接触界面处的颗粒材料力学行为的细观机理.结果表明:摩擦因数、孔隙比、颗粒形状和法向应力对接触界面的峰值强度影响较大,刚度比对接触界面的峰值强度影响较小;摩擦因数、法向应力和刚度比对弹性模量影响显著,其中摩擦因数与内摩擦角近似成正比,且对土体的抗剪强度和剪胀性影响较大.组合圆弧颗粒比圆形颗粒更接近真实砂粒形状,模拟效果更好;其临界强度和临界孔隙比不受初始孔隙比的影响,且组合圆弧颗粒体的抗剪强度受法向应力影响,法向应力越大,颗粒体抗剪强度越大.研究结果为接触界面的材料优化、改性等提供理论参考.     

非贯通节理岩体抗剪强度影响因素分析

基于修正的Lajtai岩桥破坏理论,研究连通率、形貌节理起伏角、法向压力等因素对非贯通节理岩体抗剪强度的影响,利用人工混凝土模拟类岩石材料,并进行直剪实验论证.结果表明:非贯通节理岩体抗剪强度与起伏角大小成正相关关系,与连通率成负相关关系;其他影响因素相同时,法向压力越大,非贯通节理岩体抗剪强度越大.     

非连续剪切面的剪切过程模拟

在各类边坡工程中,坡体的破坏失稳过程往往就是其内部非连续剪切面的剪切贯通过程,这类剪切面的综合抗剪强度与非连续剪切面的分布状态有关.采用颗粒离散元方法,利用颗粒流模拟软件PFC建立了非连续剪切面的平面环剪模型,并模拟了剪切过程.模拟结果反映出非连续剪切面的综合抗剪能力除了与抗剪强度强弱区比例有关,还与非连续的分布形态有关;剪切过程中的颗粒间接触关系和接触应力的变化反映出剪切面的剪切破坏过程.     

砂土抗剪强度数值模拟的关键技术研究

利用二维颗粒流软件PFC 2D对砂土的抗剪强度进行研究。通过建立数值试样模型、设立相对合理参数、引用"橡皮膜"程序等方法对砂土的三轴剪切试验进行数值模拟,模拟的结果较好地反映了砂土的力学性质。     

基于离散元法的长短轴之比对散粒材料抗剪强度影响分析

杆状颗粒由于其形状与砾石、药品和谷物等真实颗粒的形状接近而受到研究者们的关注,其形状特征常用长短轴之比进行表征.以往许多学者曾通过离散元法研究过在相同孔隙率下杆状颗粒长短轴之比对其抗剪强度的影响,但在相同相对密度下的研究并不多见.通过控制颗粒摩擦因数形成具有相同相对密度的试样,研究了0%、35%、65%及100%相对密度下颗粒的长短轴之比对试样抗剪强度的影响规律.另外,还进行了相同孔隙率下的试验以进行结果对比.研究结果表明,相同相对密度下,峰值状态和临界状态时试样剪应力随长短轴之比增大而增大,与相同孔隙率下的结果一致,但峰值剪应力增大幅值要比相同孔隙率下的小.另外,对不同长短轴之比下试样内摩擦角进行分析,发现临界状态时内摩擦角随长短轴之比增大而增大,而峰值状态时内摩擦角受长短轴之比的影响相对较小.最后从试样剪胀性方面进行了分析,阐述了以上现象发生的机理.     

颗粒形状对交通荷载条件下砂土力学性能的影响分析

交通荷载长期作用下,软土地基的稳定性会受到很大影响;作为持力层的砂土也会因此受到影响。利用空心扭剪仪模拟交通荷载条件下主应力轴旋转角变化对砂土强度的影响进行研究。为了研究砂土颗粒形状对主应力轴旋转角的响应,利用三种不同砂土颗粒(丰铺砂、玻璃微珠和Ottawa砂)在不同应力加载路径下砂土试样强度进行对比分析。研究结果表明,不同形状的砂土颗粒非共轴现象差异较大,试样的强度也出现不同;形状相同但粒径不同的玻璃微珠的应力应变曲线也存在差异。     

颗粒形状对交通荷载条件下砂土力学性能的影响

交通荷载长期作用下,软土地基的稳定性会受到很大影响;作为持力层的砂土也会因此受到影响。利用空心扭剪仪模拟交通荷载条件下主应力轴旋转角变化对砂土强度的影响进行研究。为了研究砂土颗粒形状对主应力轴旋转角的响应,利用三种不同砂土颗粒(丰铺砂、玻璃微珠和Ottawa砂)在不同应力加载路径下砂土试样强度进行对比分析。研究结果表明,不同形状的砂土颗粒非共轴现象差异较大,试样的强度也出现不同;形状相同但粒径不同的玻璃微珠的应力应变曲线也存在差异。     

月壤工程地质特性综述

根据国内外的最新研究成果,综述了近年来月壤工程地质力学特性研究的新进展.首先简述了月壤的矿物特征与化学成分,分析了月壤的级配、颗粒形态与孔隙率等物理性质;然后总结了月壤的变形特性与强度特征,阐述了目前模拟月壤的主要类别,及其内摩擦角、弹性参数等力学参数的研究成果;最后指出月壤研究中存在的问题,即模拟月壤试验必须注意环境变量(如弱重力)及化学成分对于工程地质性质的影响,同时应加强对月壤动力性质方面的研究.     

颗粒形状对砂性土宏细观力学性质的影响

针对多数关于颗粒形状对砂性土宏细观力学性质的影响方面的研究中忽略的两个问题,天然砂性土中颗粒的随机不规则形状和对比试验中颗粒的体积不相等问题,基于已有的研究成果,对天然的硅质粗砂做了直剪试验,然后通过离散元程序PFC对其进行模拟,并设计了基于圆形颗粒的对比试验。试验结果表明,颗粒形状只有在较高的法向应力下才可以增加砂性土的剪切峰值强度,当法向应力较低时,不规则形状颗粒组成的砂性土的剪切峰值强度还不如圆形颗粒组成的砂性土,且当颗粒间的摩擦作用较弱时会有类似的现象,临界值强度并没有因颗粒形状的不规则而有明显差别。对此结果的细观机理也做了浅析,认为在较低法向应力时,圆形砂性土较大的剪胀角是其剪切峰值强度较大的主要原因。     

基于不规则颗粒的砾岩力学性能数值模拟研究

砾岩非均质性强,力学性质复杂。本文基于离散元方法,使用三维激光扫描技术获取了真实砾石的颗粒形态,建立了含不同粒径颗粒的砾岩三维数值模型。基于此数值模型开展单轴抗压模拟实验,将实验结果与均质数值岩心对比,分析了砾岩破坏形式和规律,讨论了颗粒粒径大小和颗粒形态对砾岩力学性质的影响。结果表明:在加载过程中,由于砾石颗粒的阻碍,裂缝需绕过砾石颗粒逐步贯通,从而导致岩样的位移和破坏形式较为复杂,没有形成与均质岩心类似的剪切带。在加载初期裂纹数目少、增加缓慢,在应力峰值附近裂纹数量迅速增加,岩样瞬间破坏,表现出较为明显的“鼓涨”效应。砾石颗粒粒径对砾岩的破坏机理和形式影响不明显,但随着粒径的增加,砾岩单轴抗压强度和弹性模量降低。相对于圆形颗粒,基于真实砾石颗粒形态的数值模型,能够模拟砾石间的摩擦力,拥有更高的强度,能更好的反应砾岩力学性质。     

基于Voronoi块体模型的砂岩力学特性研究

PFC软件中球形颗粒和平行黏结接触模型(PBM)被广泛应用于岩石力学特性模拟研究.然而,球形颗粒和PBM存在两个明显缺陷:球形颗粒与岩石材料的晶粒形状相差较大;无侧限抗压强度与抗拉强度之比(压拉比)偏低.基于此,以山西吕梁地区典型砂岩为例,通过Voronoi剖分建立刚性块体数值试样,并使用软化黏结接触模型(SBM)对砂岩试样进行模拟分析.研究结果表明,基于刚性块体和SBM的数值模拟相较于传统基于球形颗粒和PBM的数值模拟而言,主要具有3个优点:与球形颗粒试样相比,刚性块体间自锁效应增大,刚性块体模型间的配位数明显提高,更能模拟真实砂岩的晶粒形状和晶粒间力学行为;软化黏结模型能模拟出砂岩更大的压拉比,更能真实表征砂岩在多应力路径下的力学特性;采用基于刚性块体和SBM的数值模型能够真实反映砂岩典型的剪切破坏模式.     

堆积体直剪试验颗粒流细观数值模拟研究

作为一种非均匀、非均质、多相体系的松散岩土介质,堆积体力学性质的研究颇受国内外众多学者关注和重视。以室内重塑样直剪试验结果为依据,可确定基于现场试验颗粒粒度累积曲线和三维颗粒离散元方法建立的堆积体直剪试验模型土石颗粒细观力学参数。在此基础上进行不同岩性、不同含石量的堆积体直剪试验模拟研究,结果表明:堆积体直剪试验剪切屈服面并非一个平面,而是存在一个带内变形以设计剪切平面为基准呈S形变化的剪切带,块石最大粒径越大剪切面影响范围越广,块石刚度越大剪切面则越粗糙;介质抗剪切强度特性在很大程度上受控于岩块的含量和岩性,块石和块石间的咬合力是造成介质内摩擦角较高的根源;在高围压下介质特性表现为应变硬化、低剪胀率,但不排除表现为剪缩的可能,而在低围压下则容易发生剪胀、软化现象,这与重塑样试验结果基本一致;颗粒摩擦系数与含石量呈二次抛物线递增关系,但剪切过程中应变能随摩擦能增加先升后降;黏聚力随基质颗粒刚度增加而提高,而随充填介质颗粒刚度增加而降低;数值试验与室内试验吻合程度较好表明,该方法可作为工程堆积体确定力学参数的有益补充。     

染色石膏颗粒一维压缩破碎与形状演化

使用染色石膏颗粒研究颗粒破碎过程中的形状演化,采用基于正交视图的拍照识别方法获取颗粒形状,借助Weibull分布函数对颗粒形状的统计分布进行定量表征,分析了染色石膏颗粒一维压缩破碎前后的颗粒形状特征。结果表明:破碎产生的颗粒与亲代颗粒粒径相差越大,其表面越粗糙、圆度越差、越扁平,且形状因子分布越不均匀;存活颗粒相比亲代颗粒形状变得更规则,形状因子分布趋向于均一化,而破碎颗粒的形状演化则完全相反;由于整体试样既包含存活颗粒又包含破碎颗粒,其形状演化规律未表现出明显的一致性。     

剪切盒尺寸与平均粒径对砂土抗剪强度的影响

利用大尺寸直剪仪、常规四联直剪仪试验系统与颗粒流程序PFC2D,对三种不同平均粒径与一种单粒组砂样进行室内直剪试验与数值模拟试验,探讨平均粒径与剪切盒尺寸对砂土抗剪强度的影响机制。首先,进行武汉地区深基坑砂土在不同平均粒径下及单一粒组砂样的直剪试验,获得武汉地区砂土的宏观力学特性,并对其结果进行分析。其次,对单一粒组的砂样在四联直剪仪上进行试验,并将试验所得结果与大尺寸直剪试验结果进行对比分析。最后,进行与室内直剪试验匹配的和补充的PFC2D数值模拟试验,得到通过室内物理试验难以得到的对砂土强度有影响的因素,即多种不同尺寸的剪切盒对砂土试验的影响,进一步分析剪切盒尺寸与砂土抗剪强度的关系。     

纤维增强悬臂复合薄板固有特性分析与验证

采用理论与实际相结合的方式,对悬臂状态下纤维增强复合薄板的固有特性进行了分析与验证.首先,基于双向梁函数法,推导了具任意纤维角度下该类型复合薄板的最大动能和应变能,明确了利用该方法获取固有频率和模态振型的原理.然后,编写了Matlab计算程序,并给出了分析纤维增强悬臂薄板固有特性的具体流程.最后,搭建了固有特性测试系统,并以TC500碳纤维/树脂复合薄板为研究对象,进行了实际测试.验证结果表明,基于双向梁函数法的纤维增强复合薄板固有频率计算结果与实验结果的误差在3.7%~9.7%,且前5阶振型结果也与测试振型结果一致,进而验证了所提出的理论分析方法的正确性.