可燃冰沉积物宏细观力学特性真三轴试验离散元模拟

为了研究孔隙填充型可燃冰沉积物在复杂应力状态下的力学特性,采用三维离散元法对孔隙填充型可燃冰沉积物试样进行在不同平均应力、不同中主应力系数下的真三轴压缩模拟试验,研究平均应力和中主应力系数对宏、细观力学性质的影响以及细观力学机制的演化与宏观力学特性的联系。结果表明:平均应力的取值主要影响可燃冰沉积物的峰值强度;大、中、小主应力以及大、中、小主应变受到中主应力系数的取值影响较大,其变化趋势与颗粒接触的强接触组构主值表现出良好的相似性;在三向应力不等的情况下,可燃冰沉积物的破坏强度符合Lade-Duncan准则;随着中主应力系数逐渐增大,XY平面上的法向接触力更倾向于朝着中主应力方向发展。     

可燃冰沉积物宏细观力学特性真三轴试验离散元模拟

为了研究孔隙填充型可燃冰沉积物在复杂应力状态下的力学特性,采用三维离散元法对孔隙填充型可燃冰沉积物试样进行在不同平均应力、不同中主应力系数下的真三轴压缩模拟试验,研究平均应力和中主应力系数对宏、细观力学性质的影响以及细观力学机制的演化与宏观力学特性的联系。结果表明:平均应力的取值主要影响可燃冰沉积物的峰值强度;大、中、小主应力以及大、中、小主应变受到中主应力系数的取值影响较大,其变化趋势与颗粒接触的强接触组构主值表现出良好的相似性;在三向应力不等的情况下,可燃冰沉积物的破坏强度符合Lade-Duncan准则;随着中主应力系数逐渐增大,XY平面上的法向接触力更倾向于朝着中主应力方向发展。     

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。     

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。     

密实和松散颗粒材料等吸力三轴剪切试验离散元数值模拟

从宏微观角度应用离散元研究吸力对密实和松散颗粒材料强度的影响.应用分层欠压法生成固定孔隙比的密实和松散长方体试样(长-宽-高=1-1-2),在不同围压下固结,基于作者提出的相似理论,将吸力接触模型植入PFC3D中,计算吸力引起的颗粒间作用力.在等围压和等吸力下,对长方体试样进行三轴剪切试验,测得在剪切过程中轴向应力、轴向应变等宏观量和平均配位数、接触组构等微观量.研究结果表明:吸力能提高土的抗剪强度,提高试样的平均配位数;随着竖向应力增大,颗粒间接触主方向向竖直方向偏转;在相同吸力下,围压越大,接触点数越多,由吸力引起的抗剪强度越大.     

基于柔性边界的非饱和土三轴试验及离散元分析

非饱和土三轴试验的离散元模拟,对于从细观角度揭示其力学特性至关重要,但目前研究多采用刚性边界条件.使用黏结球颗粒代替橡胶膜,实现围压柔性加载.在此基础上,提出非饱和土三轴数值试验模拟流程,并进行不同围压下的三轴数值试验.从宏观破坏形态和细观剪切带、配位数、接触力等方面研究不同围压下非饱和土的力学特征.结果表明：非饱和土力学特性受围压影响较大,峰值应力和弹性模量随围压增大而增大,围压越大,剪胀性越小;试样主要表现为鼓胀破坏,破坏后剪切带在形态上呈对称的“X”形,剪切带的形成开始于颗粒的转动,到达峰值应力时,内部转动颗粒发生贯通,剪切带基本成型,围压越大,剪切带上转动颗粒数目和转动角度越小;配位数先增加后减少,与体应变变化趋势一致,且随围压增大而增大;剪切使法向接触力概率密度函数峰值左移,并且使法向接触力不均匀性增大,围压越大,法向接触力分布越均匀.该研究成果可为从细观认识非饱和土的力学行为提供途径.     

红粘土侧向卸荷真三轴试验及其力学特性分析

采用刚柔复合型真三轴仪,模拟基坑实际开挖过程,进行了三向主应力不同的单面侧向卸荷真三轴试验,分析了侧向卸载和竖向加载条件下红粘土的应力应变关系、变形破损过程及其强度参数随基坑开挖的变化特点。根据红粘土强度参数在基坑开挖过程中的变化特点和工程实践确定强度折减系数,采用双强度折减法对土体强度参数进行分步折减,并选用FLAC 3D程序和摩尔库伦模型对红粘土深基坑工程开挖的力学过程进行数值模拟。结果表明,加卸载条件下红粘土变形破损的力学机制完全不同,土体强度参数随基坑开挖深度的增大而减小,变化的范围、幅度和速度以递增方式变化。在相同竖向荷载条件下,开挖过程的土体较受压过程的土体更易变形破损而失稳。     

XAGT-1型真三轴压力室结构完善和饱和砂土真三轴试验

介绍了西安理工大学开发的XAGT-1型真三轴仪。分析了该仪器在进行砂土真三轴试验过程中存在的问题,并提出了相应的完善措施。介绍了使用该仪器所进行的砂土的不同b值的应力路径试验。从试验结果发现,固结围压较低时,随着中主应力比增大,广义剪应力与广义剪应变曲线有硬化型逐渐转化为软化型;π平面上饱和砂土的破坏曲线轨迹比较接近于松冈—中井准则。固结围压较小时,随着中主应力比增大,强度试验点与松冈—中井准则的差异逐渐增大,固结围压较大时,达到200 kPa时,强度试验点与松冈—中井准则基本一致。     

密实散粒体宏微观特性的直剪试验离散元数值分析

为了分析直剪试验中试样内部的应力、应变状态,采用离散元商业软件PFC2D在不同围压下对密实散粒体进行了大量的数值模拟,分析了试验的边界效应,应力偏转,应力、应变路径以及颗粒群的微观运动状态.模拟结果表明:边界摩擦影响室内直剪试验的测试结果,所得密实散粒体的强度指标偏高,内摩擦角存在1.5°的误差;剪切过程中,主应力大小和方向均发生变化,中心点主应力偏转约44°.由剪切带内外颗粒运动状态和应力、应变路径分析可知,剪切带内部是主要的剪胀区,存在大幅度的加卸载反应,并且应力路径峰值超出了试样峰值强度包线;剪切带外体变较小,主要处于加载状态,应力路径峰值未超出试样残余强度包线.     

不同应力路径下砂岩真三轴试验及数值模拟

利用TRW-3000室内真三轴试验系统开展不同应力路径下的真三轴加载、卸载试验,研究其相应的力学特性,在此基础上开展PFC3D数值模拟对比试验,探讨细观裂纹演化规律.研究结果表明:岩石最大、最小主应力差(σ1-σ3)与中间主应力σ2呈线性相关;基于Drucker-Prager准则拟合不同应力路径下岩石强度效果良好;与加...     

基于三轴压缩数值试验的岩石损伤特性

为研究岩石的损伤特性,基于连续损伤力学理论和岩石微元强度服从Weibull分布函数,利用FLAC3D有限差分数值模拟软件,在围压分别为3,6,10 MPa的情况下,对岩石进行了不同变形参数(E和μ)和强度参数(c和φ)的常规三轴压缩数值试验研究。数值试验结果表明,(1)在加载初期,岩石出现负损伤(压密强化效应),随着轴向应力的增大,割线模量减小,泊松比增大;(2)黏聚力或内摩擦角或围压越大,岩石抗压强度越高,岩石变形过程中的塑性变形阶段越长;(3)损伤起点对应的轴向应变不随强度参数(c和φ)的变化而变化,但随计算初始弹性模量的增大而减小,随围压的增大而增大;(4)泊松比对岩石力学特性和损伤特性影响甚少,可忽略不计。     

柔性边界三轴压缩条件下胶结型水合物沉积物力学特性的离散元模拟

首先,提出了一种胶结型水合物沉积物离散元试样的生成方法,并采用FLAC3D和PFC3D耦合方法创建了侧面柔性边界条件,生成了不同饱和度的水合物试样;其次,考虑水合物的胶结效应,引入线性平行胶结模型并由室内试验结果标定了接触模型参数;第三,根据数值模拟结果分析了水合物沉积物的强度和变形破坏特性;最后,从力链和能量角度揭示...     

重塑黄土剪切屈服及破坏特性的真三轴试验

岩土体的剪切屈服和破坏面是岩土工程研究的基础.利用重塑黄土的真三轴试验,测试分析不同含水量重塑黄土在不同固结应力、不同中主应力比条件下的剪切应力-应变曲线.依据测试结果,以应变为条件进一步分析剪切屈服面和破坏面的变化规律.分析表明:一定含水量条件下,不同初始固结应力重塑黄土在同一π平面上的破坏面趋于一致;在一定的初始应力条件下,不同含水量重塑黄土在同一π平面上的破坏面形状基本相似,随着含水量的增大,破坏面逐渐向内收缩,但曲面的形状基本相似;子午平面内不同含水量重塑黄土的强度线均呈直线,且交汇于p轴的同一点,即不同含水量重塑黄土的强度破坏面为具有同一顶点的曲面锥;通过不同应变条件下π平面上屈服面的比较可以看出,各屈服面与破坏面具有相似性.     

牛圈沟滑坡离散元数值分析

采用离散元方法,对5·12汶川地震诱发的牛圈沟滑坡动力过程进行数值模拟,通过与实际滑坡堆积形态和运动特点对比反演离散元模型参数,分析了不同基底摩擦系数时滑坡运动距离、堆积形态、内部颗粒运动规律以及运动过程的能量转换关系,有效地再现了地震诱发的滑坡动力过程,为西南地区潜在灾害预测与防治提供理论支持和技术指导.     

基于离散元方法的沥青混合料虚拟三轴剪切试验三维模拟

基于离散元方法建立了沥青混合料的细观力学结构模型,并通过虚拟三轴剪切试验,模拟验证了该模型的合理性.首先,开发了基于方孔筛工作机制的粗集料生成算法,建立了不规则形状的颗粒,使得粗集料的形状控制多样化和精确化.然后,将具有实际纵向分布特征的空隙相引入到沥青混合料的细观结构模型中,取代了传统方法中空隙随机分布的处理模式.结合室内试验和虚拟试验,获取了中高温条件下的沥青砂浆接触本构模型参数.虚拟三轴剪切试验的模拟结果以及对沥青混合料抗剪强度的预测结果验证了建立的细观结构力学模型的合理性,离散元虚拟试件产生的剪切破坏和实际试件破坏形态一致,由虚拟试验得到的抗剪强度和实际结果基本吻合.     

沥青混合料三维离散元虚拟单轴蠕变试验

为了从沥青混合料不连续特征的角度研究其永久变形行为,采用离散元方法进行了沥青混合料三维离散元虚拟单轴蠕变试验,生成了包含粗集料、沥青砂浆及空隙的沥青混合料三维离散元虚拟试件,对虚拟试件微观组成成分之间的接触赋予了相应的微观接触模型,并采用基于时温等效原理的方法对粘弹性离散元模型的计算效率进行了优化,最后将三维虚拟试验结果与二维虚拟试验及室内试验结果进行了比较.研究表明:时温等效原理能够大大减少粘弹性离散元模型的计算时间;三维虚拟试验结果与室内试验结果相差无几,二维虚拟试验结果大于三维虚拟试验及室内试验结果,且随着荷载的增大差异也随之增大.     

沥青混合料单轴压缩试验的离散元仿真

沥青混合料是一种具有非连续性特征的道路材料,而当前的道路设计理论却将其处理成连续均质体系,这使得材料的细观力学性质得不到应有的考虑。为突破常规数值方法基于连续性的理想假设,进行了某级配的沥青混合料单轴压缩试验的离散元模拟,并将模拟试验与室内试验进行了比较。结果表明,离散单元数值方法能够通过改变计算模型中颗粒单元的性质给出与实际试验相符的本构行为。此外,还针对离散元仿真试件的细观力学特征对沥青混合料本构行为的影响进行了初步的参数研究,并揭示了一些规律,这对于离散元方法今后在道路材料和结构工程中的实际应用提供了有益的指导。     

胶结型深海能源土升温降压联合分解离散元分析

将一个新近提出的考虑温度-水压-力学综合影响的二维微观胶结模型引入离散元商业软件PFC2D中生成水合物胶结型能源土,通过在双轴试验过程中同时改变温度与反(水)压,在良好排水、排气的条件下模拟了被认为有较好开发前景的升温降压联合开采法,为探索可燃冰开采新方法提供参考.试验结果表明,偏应力小于净砂样破坏偏应力时,开采完成后土体未发生破坏;偏应力大于净砂样破坏偏应力时,开采完成后土体内会产生若干条未充分发展的剪切带;此外,对分解四个不同阶段的微观变量,如接触分布、平均纯转动速率及准静态速度场,进行了较为详细地分析.     

真三轴岩爆试验下三类岩石力学特性及声发射特性研究

为研究同一矿山环境下不同岩性岩石的岩爆发生发展规律,利用真三轴试验系统和声发射监测系统对大理岩、花岗岩、矽卡岩进行应变型岩爆模拟,并对三类岩石的力学特性和声发射特征参数进行分析.研究结果表明：三类岩石的三轴抗压强度从高到低依次为矽卡岩、花岗岩、大理岩.三类岩石在岩爆模拟过程中均可划分为孔隙压密阶段、弹性变形阶段、裂隙稳定扩展阶段、裂隙不稳定扩展阶段、岩爆后阶段.三类岩石在孔隙压密阶段的声发射特征参数均表现为累计振铃计数和累计绝对能量小幅增长、b值轻微波动,说明此阶段三类岩石内部产生的裂纹均较少.大理岩与矽卡岩均在裂隙不稳定扩展阶段开始出现累计振铃计数和累计绝对能量的大幅增长以及b值的剧烈波动,花岗岩则从弹性变形阶段就开始出现这些变化,说明花岗岩内部破裂的发生时间更早.在破坏形式上,大理岩与矽卡岩的张拉破坏占比更大,花岗岩则发生张剪混合破坏.