考虑转动阻抗对砂力学特性影响的离散元分析

基于离散元法进行一系列砂真三轴剪切模拟试验,探讨了颗粒间转动阻抗对砂宏细观力学特性的影响。分析了不同抗转动系数下砂的力学特性,并从细观角度解释了转动阻抗的影响机制。结果表明:随着抗转动系数的增加,偏应力峰值及其对应的峰值内摩擦角相应增加,同时应变软化现象逐渐加剧。在细观层面,从有效配位数、概率密度、颗粒间法向接触力和各向异性的角度分析转动阻抗的影响机理。研究进一步发现,转动阻抗抑制了砂颗粒之间的相对转动,导致砂颗粒之间的平均配位数降低;砂颗粒间强接触力概率密度及接触力大小均随着抗转动系数的增大而增大;通过三维直方图直观定性分析由不同转动阻抗对法向接触力以及应力诱发各向异性的影响,同时结合第二不变量表征组构张量和法向接触力张量的各向异性,发现各向异性系数均随着抗转动系数的增大而增大。     

非饱和Q2原状黄土工程特性试验

为了研究非饱和Q2原状黄土的破坏形式、变形、强度和屈服特性,采用SJ-1A型三轴剪力仪改造的非饱和土三轴剪切试验测试系统进行了5组非饱和Q2原状黄土的三轴固结排水剪切试验。试验结果表明:非饱和Q2原状黄土在三轴条件下,呈剪切破坏,破裂角一般在55°～61°;非饱和Q2原状黄土在低围压下呈剪胀性,在高围压下呈剪缩性;随着围压增大,应力应变曲线由软化向硬化发展。此外,通过εv-q/p关系曲线可以较好的确定非饱和Q2原状黄土在各围压下的屈服应力(py,qy),且研究发现随着围压的增加,屈服偏应力qy与屈服球应力py呈对数关系。     

非饱和粗、细颗粒混合土在动荷载作用下的细观力学响应

为了研究非饱和粗、细颗粒混合土在动荷载作用下的细观力学性质,进行了非饱和粗、细颗粒混合土动三轴的离散元数值分析。根据室内动三轴试验结果标定PFC2D接触模型参数,进行非饱和粗、细颗粒混合土动三轴离散元模拟,分析其细观力学机理。结果表明:离散元模拟结果与室内试验结果曲线拟合度基本一致,能较好地反映非饱和粗、细颗粒混合土在动荷载作用下力学特征。相同含水率条件下,粗、细颗粒混合土的累积动应变随动应力幅值的增加而增大;随围压的增加先小幅度增大后再大幅度减小。孔隙度随动应力幅值的增大而减小;随围压的增大也减小。试样颗粒在剪切过程中,上下端运动速度最大,整体呈现对称递减状,中部运动速度最小。     

基于离散元弹性边界模拟的砂土剪切行为分析

采用二维离散元方法开展数值双轴试验研究砂土剪切力学行为。将室内试验中橡皮膜对砂土试样的柔性包裹效应抽象为作用在试样边界颗粒上的指定法向压力,对传统离散元数值双轴试验进行了改进。改进后的离散元双轴试验能有效模拟室内试验中砂土试样剪切破坏后的侧向不均匀变形现象,并以此开展参数研究,探明了围压、颗粒摩擦因数等参数对砂土剪切行为的影响规律,最后从细观角度得到了剪切带形成过程与相关机理。研究结果表明:砂土应变软化与剪缩现象均随围压的增加而增强,剪胀效应则随围压增加而减弱;砂土变形模量随围压增大而增大,但增幅不明显;砂土残余强度基本不受围压影响,但峰值强度受围压影响明显,砂土峰值强度和对应的轴应变均随颗粒摩擦因数增大而增大,围压和颗粒摩擦因数对试样峰值强度的贡献是有限的;剪切带两侧的砂土颗粒均沿相反方向平移,接触力链主要沿加载方向分布,表现出卸载特性;剪切带内部的砂土颗粒出现相互错动,同时绕自身形心转动角位移较大,接触力链相应发生水平向偏转,出现明显的应变局部化现象,应变局部化首先发生在试样中心,此后迅速贯穿整个试样,同时砂土试样到达峰值强度。剪切带内部砂土颗粒结构疏松,颗粒间接触减弱,颗粒配位数减小,土体孔隙率增大。     

格宾网加筋土强度和变形特性的三维离散元细观模拟

为揭示格宾网加筋土强度和变形特性的细观力学本质,利用PFC3D三维离散元计算平台的FISH语言编写数值伺服程序实现大三轴试验环境和土颗粒模型生成算法,模拟大三轴素土试样应力-应变宏观响应校正土颗粒细观参数;然后,引入平行黏结构造格宾网颗粒流模型,通过模拟其室内拉伸试验校正格宾网模型细观参数;在此基础上,建立格宾网加筋土大三轴试样的三维颗粒数值模型模拟格宾网加筋土应力-应变关系,揭示格宾网加筋土颗粒之间接触力和内部剪切位移场的渐进发展规律。研究结果表明:格宾网加筋土颗粒模型数值试验能对其力学机理做出定量和定性预测;在试样两端和两层格宾网之间,分别形成"八"字形和""形倾斜剪切带;随着试样围压增加,试样内部剪切带范围缩小;加筋层数较少时,剪切滑移带范围较大;土颗粒接触力在整个格宾网截面内分布较均匀,在两层格宾网之间集中到试样截面的中部。     

不同应力路径下砂岩的宏细观力学响应特性

为了研究应力路径对砂岩的宏观、细观力学响应的影响,基于颗粒离散元方法构建了空心圆柱试样并开展了6组不同应力路径的试验,分别研究了砂岩试样在不同应力路径下的宏观应力-应变响应,以及细观法向与切向接触力的分布规律。研究结果表明：当试样内围压相同时,随着外围压的增加,试样破坏时的体积应变也随之增加,即试样的膨胀现象愈加明显;当试样的外围压相同时,随着试样内围压的增加,试样破坏时的体积应变随之先增长后减小。在中主应力系数不为0时,中主应力系数越大,试样的径向应变与环向应变之和的绝对值越大。在内围压相等的情况下,随着外围压的增加,试样的法向接触力增加。当外围压相等,内围压增大时,试样的法向接触力减小。     

深埋隧洞饱和原状Q2黄土三轴剪切特性试验

为进一步探讨饱和原状Q₂黄土在三轴应力状态下的变形、孔隙水压力变化以及强度特性,利用GDS多功能三轴仪,对甘肃引洮输水工程15^#隧洞原状黄土进行了常规三轴不排水剪切试验.通过对试验数据的整理与分析发现:在常规三轴不排水剪切试验下,原状Q₂黄土的应力-应变曲线呈应变软化型,表现为脆性破坏;随着围压的增大,曲线的软化性状减弱;在土的峰值强度出现前,变形几乎近似"弹性".土在剪切过程中产生正孔隙水压力,曲线在低围压下具有峰值压力,变化似软化型;在高围压下孔隙水压力随着轴向应变的增加而增大.随着围压的增大,原状Q₂黄土的破坏应力随之提高,有效应力路径曲线形态呈相似的直线形.     

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。     

板岩各向异性三轴蠕变特性的试验研究

为了研究板岩三轴蠕变特性,根据层理方向,对板岩进行0°和90°制备岩样,然后分别进行5 MPa、15 MPa和20 MPa围压的三轴蠕变试验。试验结果显示:围压和层理面是板岩蠕变的影响因素,围压越大,板岩的弹性模量和峰值强度越大。15 MPa围压下弹性模量和峰值强度各向异性度最大。同一围压下,平行层理面的峰值强度和弹性模量比垂直层理面的大。应力-应变曲线呈"厂"字形,板岩在低应力水平下蠕变很小,在临近破坏的高应力水平下有明显蠕变现象。围压越低,蠕变现象越明显,垂直层理面比平行层理面更易发生蠕变破坏。板岩每级加载都会出现瞬时应变且近似呈线性变化。板岩在最后一级加载下经历了初期蠕变、稳态蠕变和加速蠕变,在5 MPa和15 MPa围压下稳态蠕变期间有突变蠕变。板岩蠕变破裂形式主要沿层理面发生破坏,在低围压下附带张拉破坏,在高围压下附带剪切破坏。     

甘孜地区高填方回填土三轴试验研究

对甘孜地区非饱和高填方回填土(灰岩碎石土、全风化变质砂岩、粉质粘土)进行三轴不固结不排水试验研究,对不同压实度、不同含水量、不同围压下试样的破坏形态、破坏点轴向应变、应力应变关系、残余强度、抗剪强度指标等进行对比分析。试验结果表明:试样破坏形式与含水率和围压有关,含水率越高,围压越大越容易出现鼓胀破坏、越不容易出现剪切面;破坏点轴向应变与含水率和围压大小有关;分析三种土的粘聚力和内摩擦角随含水率的变化趋势发现甘孜地区粉质粘土遇水稳定性最差,灰岩碎石土遇水稳定性最好。     

角砾岩常规三轴压缩试验研究及模拟

为了研究角砾岩压缩破坏机制,采用先进的岩石全自动三轴压缩伺服仪对角砾岩进行多种围压的常规三轴压缩试验,岩石经历压密阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段、峰后破坏阶段这5个阶段.随着围压增大,峰值强度和残余强度增大,且残余强度比峰值强度增大的快,应力峰值对应的峰值应变与围压呈现出正线性关系.角砾岩试样破坏为剪切滑移破坏,且基本上呈对角破坏,存在主要贯通裂纹,在主贯通裂纹周围存在多条细小裂纹.从细观角度,建立细观损伤本构模型.运用该模型对角砾岩常规三轴压缩实验进行数值模拟,模拟结果表明,模拟值和实验值具有较好的一致性,从而验证了细观损伤模型对角砾岩模拟的适用性.     

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.     

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.     

三轴试样高径比对试验影响的颗粒流数值模拟

基于离散元软件PFC3D,通过编制可破碎的颗粒簇单元,模拟三轴试验中不同高径比试样应力应变特性的差异,通过比较强度和变形参数差异探讨适合粗粒土的高径比。研究结果表明:高径比越小,试验得到的内摩擦角越大,围压越大,由于颗粒破碎导致的内摩擦角越小;满足莫尔-库仑准则破坏面的最小高径比随着围压的增加而减小,但都大于现在室内试验常用的高径比;峰值强度随着高径比的增加而减小,随着围压的增大,不同高径比之间峰值强度相对误差减小;割线模量与高径比呈折线形关系;不同高径比之间割线模量的差异随高径比范围的不同而不同,且最小高径比的割线模量与现在室内试验常用高径比的割线模量在低围压下差异较大。依据模拟结果,认为粗粒土的三轴试样高径比应大于2.5。     

泾阳南塬阶地砂质粉土剪切特性试验研究

研究泾阳南塬阶地砂质粉土的剪切特性利用SLB-1A型应力应变控制式三轴蠕变剪切仪和SRS-150型环剪试验仪对饱和重塑砂质粉土分别进行不同围压下的三轴固结不排水剪切试验和控制法向应力、剪切速率的环剪试验。三轴固结不排水剪切试验研究表明:饱和砂质粉土在不同围压下均表现出严重的液化现象且随围压的增加液化势降低,并且得到了土体的孔隙水压力特征,稳定状态和强度参数特征。环剪试验研究表明:在控制剪切速率条件时,土体的峰值强度和残余强度随法向应力的增加而增加;在控制法向应力的条件下,在不同剪切速率条件下土体均表现出应变硬化的特征。砂质粉土饱和后力学强度急剧降低是该地区滑坡沿下垫层滑动的主要原因。     

西香高速泸沽湖特大型桥梁处碎石土力学特性研究

针对桥梁重力锚布设对碎石土堆积体稳定性的影响问题,文章以西香高速泸沽湖特大型桥梁为例,围绕该处碎石土的力学特征与变形参数,采用室内大型三轴试验与PFC-FLAC耦合的数值仿真技术,建立柔性边界条件下的三轴试验模型,分析该碎石土的变形破坏特征以及力学机制变化规律。研究结果表明：在三轴试验中围压与初始弹性模量Ei呈正相关性,随着碎石土试样中粗颗粒料含量增加,内聚力会减少而内摩擦角增加;拟合得到该处碎石土试样破坏强度与围压的线性关系式：σcre=2.95σ3+176.105;三轴试样在低围压下,上下锥形区域持续压密吸收能量,碎石土试样内部出现两条剪切带,整体呈“X”形,随着围压的增加,能量出现冗余并向剪切带外扩散,产生新的裂隙,掩盖了剪切带的区域化特征,导致剪切带逐渐减少并在围压达到400kPa时消失。该研究结果对碎石土堆积体稳定性问题具有一定的参考价值和指导意义。     

基于多晶离散元法的砂岩三轴压缩损伤特性

利用开源软件Neper生成Voronoi晶粒镶嵌体导入3DEC,建立考虑砂岩矿物成分的三维Voronoi多晶离散元模型.基于砂岩的实验室常规三轴压缩试验结果,进行了砂岩细观模型参数标定,开展了三轴压缩条件下非均质砂岩的细观损伤演化过程模拟.研究结果表明,低围压下岩石中产生的微裂纹主要为拉裂纹,伴随少量剪裂纹,而高围压下剪裂纹的生成数量明显增多,甚至峰值强度前剪裂纹的数量大于拉裂纹.试样内微裂纹的演化反映了砂岩在围压作用下的脆延性转化特性;砂岩出现明显的扩容现象,围压越大,扩容滞后越明显,且相应的扩容点应力占强度百分比增大.     

南京地区粉土的不排水三轴压缩试验

通过全自动三轴仪进行了南京地区粉土的三轴不排水的试验,研究了围压和干密度对应力-应变曲线、孔隙水压力曲线和有效主应力比曲线的影响.试验表明:高围压状态下粉土试样呈现出弱应变软化型,而低围压状态下呈现出应变稳定型;低围压下试样在加载初期产生正孔隙水压力,随后产生负孔隙水压力,其后基本保持稳定;干密度越大,主应力差峰值越大,表现出较大的剪胀性,孔隙水压力易出现负孔隙水压力;干密度值较高时,土样处于密实状态,表现出剪胀特性,有效主应力比-应变曲线近于应变软化型;围压较低、干密度较大时,试样易表现出软化特征,试样出现剪切带破坏,强度明显下降.     

粗粒含量对砂卵石土宏细观力学特性影响分析

摘 要: 砂卵石土粗粒含量对基坑及隧道围岩等稳定性影响较大,然而不同粗粒含量砂卵石土宏细观力学特性尚不明确。采用室内大型粗粒土三轴试验与数值三轴试验相结合的方法,对不同粗粒含量砂卵石土宏观及细观力学特性开展研究。研究结果表明：随着粗粒含量增加,砂卵石土的应力应变曲线表现为应变软化性;围压不变时,砂卵石土随着粗粒含量增加,应力峰值增大而达到峰值时的应变逐渐减小;建立了砂卵石土粗粒含量与内摩擦角和粘聚力等力学指标之间函数关系,随着粗粒含量的增加,砂卵石土的内摩擦角与粘聚力呈线性增大;提出了不同粗粒含量砂卵石土的接触模量、颗粒刚度比、摩擦系数、接触粘结强度等颗粒离散元细观参数。研究成果为砂卵石地层工程精细化设计及施工提供理论支撑。     

云雾山隧道围岩力学性质研究

对宜万铁路云雾山隧道灰岩进行室内三轴压缩试验研究,分析与比较了自然状态和饱和状态试样在不同围压下应力-应变关系曲线,结果表明,含水状态和围压对岩石的峰值强度、轴向应变及弹性模量均具有一定影响.在主应力空间内,利用线性莫尔-库伦强度准则拟合试验数据得到岩石的强度参数C,φ值,为该隧道工程的计算分析提供参考.对岩样的破坏特征进行分析后得出:在较低围压下,试样基本上为宏观单一断面的剪切破坏,随着围压的增大,试样有向两个相交的剪切面发展的趋势.