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。     

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。     

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:...     

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。     

考虑粗骨料破碎的混凝土力学特性细观模拟

基于离散元方法,采用三维扫描技术获得粗骨料真实形态,并通过黏结颗粒模型实现粗骨料破碎,构建混凝土粗骨料-砂浆-ITZ的三相离散元模型,从细观层次探究粗骨料破碎对混凝土变形和破坏特性的影响.结果 表明:含有不同可破碎粗骨料质量分数的混凝土应力-应变曲线变化趋势基本相同,峰值应力和峰值应变整体上随可破碎粗骨料质量分数的增加...     

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。     

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。     

单轴压缩条件下含层理煤岩力学特性的细观研究

层理是煤层的主要构造标志,通过CT扫描与扫描电镜开展层理的观察,采用室内试验及PFC2D程序,构建含不同层理倾角的煤岩试样,对其进行单轴压缩试验,研究其在不同层理倾角条件下的强度、破坏模式及裂纹分布情况。研究结果表明：1) 在单轴压缩条件下,试样的抗压强度试验值与计算值均随着层理倾角的增大呈现出先减小后增大的规律,近似为“V”字形,当层理倾角为0°时均取得最大值,当层理倾角为60°时均取得最小值。2) 当层理倾角为0°时,试样破坏模式为脆性破坏,高速弹射出大量碎屑,表现出很强的冲击能力;当倾角为30°,45°与60°时,试样破坏模式为剪切破坏,破裂面与层理面平行;当倾角为90°时,试样破坏模式为劈裂破坏,破裂面与轴向力方向呈小角度。3) 当层理倾角为0°与90°时,试样裂纹主要集中于加载端部与试样中部,且其发展方向与加载方向呈一定夹角,其中以张拉型裂纹为主,含少量剪切型裂纹;当倾角为30°,45°与60°时,裂纹主要沿层理面发展,以张拉型裂纹为主,含少量剪切型裂纹。     

混凝土缺陷细观多尺度研究

目的 基于细观多尺度理论,针对含初始缺陷(气孔)的混凝土强度,进行参数化研究.方法 制作不同缺陷水平的立方体混凝土试件,进行单轴压缩试验;在此基础上,基于Monte Carlo法,编制Python脚本程序,驱动ABAQUS随机有限元平台,进行混凝土三级配骨料颗粒2D和3D细观模拟研究.结果 球形骨料混凝土损伤的3D数值...     

偏心率对颗粒介质次生各向异性的影响

颗粒介质的细观组构各向异性与宏观力学特性有密切的跨尺度联系,而颗粒形态特征对其组构各向异性的演化又起着重要的作用。除了颗粒的球度、棱角度、粗糙度以外,作者关注到颗粒形态特征中的偏心也是一个重要的影响因素,而至今很少有关于它的研究。本文采用所在团队自编的非球离散元程序SudoDEM构建了基于扩展超级椭球的偏心颗粒模型,开展了不同偏心颗粒的真三轴剪切模拟,探究偏心率对颗粒介质次生各向异性的影响,进而揭示颗粒介质宏观力学响应的细观机理。结果表明：细观组构各向异性随偏心率增大呈不同程度发展,共同承担着宏观抗剪强度的提升,同时配位数更大,滑动接触比例更高,接触力网格不均匀性也愈明显,这主要因为颗粒偏心增强了颗粒间的互锁咬合;法向接触力在次生各向异性中权重最大,法向支向量各向异性可忽略不计,切向接触力与切向支向量的各向异性受颗粒偏心影响较为敏感,在偏心颗粒试样中对强度贡献不可忽略;因偏心率而提高的弱接触、滑动接触比例间接导致了法向接触力各向异性向切向接触力各向异性转化。     

糯米浆灰土无侧限压缩和三轴剪切离散元分析

糯米浆灰土是一种常见的遗址保护建筑材料,为研究糯米浆灰土压缩加载过程中的糯米-石灰胶结破坏和接触组构演化情况,采用离散单元法开展了糯米浆灰土无侧限压缩和三轴剪切离散元模拟。首先基于软胶结模型考虑糯米浆-石灰的强度特征,制备了糯米浆灰土离散元试样;然后通过参数敏感性分析为试样赋予合理的接触模型等效模量和胶结强度参数,最后对试样开展无侧限和三轴压缩模拟。结果表明：离散元模拟能再现糯米浆灰土加载试验的主要特征;加载过程中胶结破坏数量先缓后快增加,最终趋于平缓,胶结破坏呈现一定的聚集效应;无侧限压缩下胶结接触主要发生拉伸破坏,随着围压增加,剪切破坏接触数量增加;试样偏组构快速增加段为胶结破坏诱发。     

胶结颗粒料力学行为与声发射信号特征

胶结颗粒料是由胶结流体填充密实堆积颗粒体部分孔隙得到,硬化后的胶结流体限制颗粒的转动和移动,赋予颗粒材料整体性力学行为。该文基于自流可控灌浆技术制备胶结颗粒料试样,其中采用高强度的陶瓷球作为颗粒料骨架,胶结流体为自密实水泥净浆。通过单轴压缩试验研究了胶结基质含量对胶结颗粒料力学行为的影响,同时采用声发射量测系统对试样加载过程进行监测。研究结果表明：胶结颗粒料以脆性破坏为主,峰值前的应力应变曲线可分为压密阶段和线弹性段;峰值后,低胶结量的试样存在应变硬化现象和第二峰值,第二峰值强度远低于材料的峰值强度,随着胶结基质含量的提高,应变硬化现象逐渐消失。胶结颗粒料的峰值强度随胶结基质体积分数线性变化且拟合直线通过原点。压密阶段应变长度随着胶结基质体积分数的增加呈线性增大,而胶结基质体积分数对线弹性段应变长度无明显影响。当胶结颗粒料的胶结基质含量较低时,其声发射信号主要集中在峰值点附近;提高胶结基质含量,声发射信号产生时间前移至线弹性段;进一步增加胶结基质体积分数,声发射事件在压密阶段中期出现,并在线弹性段快速增强后维持在高水平。该研究成果有助于进一步理解胶结颗粒料的力学行为,同时对砂岩、砾岩、堆石混凝土和灌浆胶结砂土也具有重要参考价值。     

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。     

非规则颗粒与滚筒球磨机相互作用的离散元–有限元耦合分析

非规则颗粒形态显著影响球磨机中颗粒材料的运动行为,同时对球磨机结构产生不同的力学响应。采用超二次曲面方程描述非规则颗粒材料,并发展了离散元（discrete element method,DEM）–有限元（finite element method, FEM）耦合算法以分析非规则颗粒材料与滚筒球磨机间的相互作用。在该算法中,滚筒球磨机被划分为一系列四边形单元,并且超二次曲面颗粒与球磨机间的接触判断可转化为超二次曲面颗粒与四边形单元间的接触判断。将计算得到的碰撞力向节点插值,该节点力作为载荷条件在有限元中进行隐式动力学求解,并通过求解颗粒运动方程和有限元动力方程实现颗粒运动更新和结构力学响应分析。进一步分析了滚筒球磨机中球体、圆柱体和立方体颗粒材料的运动行为以及滚筒球磨机的变形及应力分布规律。研究结果表明：颗粒形状显著影响球磨机研磨效果和球磨机结构位移;立方体颗粒具有最好的研磨效果,而圆柱体颗粒比球体颗粒具有更好的研磨效果;在结构位移上,立方体颗粒有最大的峰值位移,其次是圆柱体和球体颗粒;相比于规则的球体颗粒,超二次曲面颗粒有不规则的表面形状,这会导致更好的研磨效果和更大的结构位移。     

柔性约束颗粒阻尼耗能特性研究

提出了用于分析柔性约束颗粒阻尼（豆包阻尼）的柔性约束新算法．利用离散单元法研究了豆包阻尼的运动及耗能特性，结果表明，豆包阻尼是一种随振动幅值和振动频率呈非线性变化的阻尼结构．同时，系统地研究了豆包结构参数变化对其耗能的影响规律，为豆包阻尼的工程应用提供了指导．     

外热式回转窑横截面内散体物料的传热特性

针对外热式回转窑横截面内散体物料传热问题,建立颗粒−筒壁导热、颗粒−颗粒导热的数学模型,使用离散元软件EDEM及二次开发工具C++对散体物料在滚落模式下的传热过程进行数值模拟,研究单个颗粒温度演化以及不同参数对物料传热特性的影响。研究结果表明：单个颗粒温度在平流层升温−活动层降温的循环中逐步升高,颗粒沿径向的“移位”现象对传热影响较大;加热过程中在散体物料内部存在“冷核”区域;转速不影响物料的平均温度,但影响物料温度分布的均匀性,转速越高,温度均匀性越好;填充率越小,物料平均温度越高,但物料温度的均匀性随着填充率变小呈现先减小后增大的趋势。     

Discrete element simulations of two wetting effects on granular materials

To explore the microscopic responses of granular materials to wetting,the inter-particle lubrication effect and particle breakage in an odometer were simulated using a two-dimensional discrete element method.The lubrication effect was modeled by reduction of the inter-particle friction coefficient and particle breakage was initiated by decreasing the particle strength.Once the strength of the particles decreased to a threshold value,the particles began to break so that new contacts could be established to transfer the external loads.Numerical simulations successfully reproduced the additional compaction of the material and the intensification of the horizontal stress in addition to the microscopic responses of the granular assemblies.The microscopic interpretation of the earth pressure coefficient at rest and the evolution of the grain number distribution during particle breaking were also investigated.     

三维离散元法软件开发研究

提出由机械部件的CAD模型建立其三维离散元法分析模型,在此基础上实现CAD软件与自主研制的三维离散元法分析软件的集成,从而构建一种集设计和性能分析评价为一体的与散粒材料接触作用的机械部件的通用数字化设计方法和集成设计分析软件,为相关机械部件结构和尺寸参数的优化设计奠定了基础.介绍了自主研制的三维离散元法分析软件的结构、主要功能及关键技术的实现方法,包括提出的实边界和虚边界的概念等.     

地震诱发滑坡形成机理与动态模型研究

根据福建某山区公路边坡滑坡情况,应用基于离散单元理论的颗粒流数值模拟程序,运用典型地震波,建立波在连续介质与离散介质中的传播等效关系,模拟地震作用下边坡离散介质的动力边界条件.通过分析地震过程中边坡内部颗粒的位移、速度、应力以及边坡细观组构变化,如孔隙率、接触数、滑动比时程分布情况,探求地震诱发滑坡的形成机理.     

基于离散元的南海软粘土剪切变形模拟

软粘土剪切变形是决定海洋构筑物、管线安全存在的重要因素,离散元能有效模拟粘土剪切变形。通过对南海神狐海域原状软粘土开展固结不排水三轴试验,得到离散元模拟所需宏观剪切强度参数指标;采用试错法调整细观参数使得双轴压缩模拟结果与室内试验相吻合,标定出一组适用于南海软粘土的细观参数组合。离散元模拟结果得到,在应变达到5.3%时,土体发生破坏,形成一条与X轴反方向为49°的剪切带;应变增加到10%时,倾角增大到57°。测量圆对剪切带内外的应变进行监测得到,剪切带内土体初始应变较大,在达到4%应变后不再继续发生变形;剪切带边缘区域,土体应变持续增大;剪切带外应变较小。一般的室内三轴试验无法得到剪切带内外土体应变变化定量数据,离散元模拟是对室内三轴试验的重要补充。