基于平行黏结模型的类岩石材料宏细观参数影响

为了研究材料宏观力学特性与细观参数的关系并进行细观参数标定,将平行黏结模型作为颗粒的接触模型,对颗粒流程序中的细观参数进行正交试验设计,结合室内试验确定类岩石材料的细观参数。结果表明:类岩石材料宏观弹性模量主要由颗粒模量、平行黏结模量以及半径乘子影响;法向黏结强度与切向黏结强度共同影响抗压强度,且不同黏结强度比对裂纹的分布有影响;泊松比主要由颗粒刚度控制,且颗粒刚度越大,剪切裂纹占比越大。物理试验与数值模拟的峰值应力接近,应力-应变曲线基本吻合,裂纹扩展形态一致,表明细观参数结果可靠,为其他岩石材料颗粒流模拟提供借鉴。     

垃圾炉渣力学性质的颗粒流模拟

基于离散单元法理论和PFC3D软件,采用平行胶结模型来模拟炉渣中的胶结作用,建立了城市垃圾炉渣的细观颗粒模型。将模型细观参数和材料宏观力学性质联系起来,标定了模型的细观力学参数,将数值模拟结果和室内试验数据进行了对比。结果表明:离散元方法可以较好的模拟炉渣的应力-应变变形关系;细部结构调整的变化速率是影响模型受力变形机制的主要因素;改变边界刚度,分析了边界刚度对剪切强度参数和压缩模量的影响。从细观角度揭示影响炉渣强度的因素,对离散单元法的应用有一定的价值。     

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.     

基于并行PSO算法的岩石细观力学参数反演研究

用颗粒流方法(PFC)模拟岩石细观参数的校准过程主要采用反复试验,既依赖于经验又费时。提出了一种基于并行粒子群优化(PSO)算法的细观力学参数反演方法,该方法 PSO算法中微粒的适应值取宏观力学参数模拟计算值和试验值间的误差平方和,采用Open MP技术实现了PSO算法的并行计算。实例计算结果表明,以反演结果作为计算参数,宏观力学参数模拟计算值与试验值相比,相对误差普遍低于4%;敏感性分析表明,细观参数之间不独立,岩石宏观力学参数与细观力学参数之间存在高度非线性关系;计算效率分析表明,并行PSO算法是一种高效自动的PFC模型细观力学参数反演方法。     

混合花岗岩加载细观力学特性及破裂演化规律

根据室内试验获得的岩石宏观物理力学参数及岩样切片扫描图,基于颗粒流理论和PFC程序建立混合花岗岩颗粒细观几何模型,标定模型材料细观力学参数,采用Fish语言编制加载命令流并调整相应函数,对岩石单轴和三轴压缩试验进行模拟.通过对试验与模拟应力-应变曲线、AE声发射与PFC程序中“Crack”裂纹监测成果等的综合比较研究,获得荷载作用下杏山铁矿-45 m水平混合花岗岩细观力学特性、微破裂行为以及岩石微裂隙发展与宏观破裂演化规律.通过对混合花岗岩单轴和不同围压下三轴压缩PFC模拟曲线与室内试验结果的比较可知,PFC模拟能准确地表征荷载下岩石颗粒的细观力学特性和运动学行为.     

基于两尺度模型的CRCP冲断区域剥落研究

为研究连续配筋混凝土路面(continuous reinforced concrete pavement,CRCP)冲断区域混凝土剥落机理,细观上采用离散元方法,宏观上采用有限元方法,基于宏观、细观两尺度模型对混凝土剥落展开研究。首先在分析混凝土剥落形成原因的基础上将剥落分为分层剥落和剪切剥落,并建立剥落力学分析模型;然后考虑水泥混凝土细观上由集料、胶凝材料及其界面组成,进行水泥混凝土抗压强度数值模拟试验,通过调试获得不同强度等级下混凝土的细观参数,以所得细观参数为基础,进行混凝土弯拉强度和抗剪强度细观数值模拟试验,得到其弹性模量、弯拉强度和抗剪强度,并将数值模拟试验结果与室内试验结果进行对比,将所得参数用于路面有限元建模和混凝土剥落机理分析;最后考虑冲断区域特点,建立CRCP宏观力学分析有限元模型,对车辆荷载、湿度梯度和温度梯度作用下的冲断区域剥落进行研究,并对混凝土细观参数(水泥掺量、水泥强度、界面强度等)和宏观影响因素(脱空、基层模量、路基模量等)的影响进行研究。研究结果表明:细观数值模拟试验结果与室内试验结果拟合良好;车辆荷载、湿度梯度和温度梯度作用下,剪切剥落不易发生,分层剥落较易发生;车辆荷载和外界环境作用下混凝土强度衰减、车辆超载和路基模量偏小是剥落产生的主要原因;路面设计选择材料时,适宜的集料类型及高强的水泥可有效减少剥落。     

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。     

基于正交试验的岩石细观力学参数数值研究

利用颗粒流程序,基于平直节理接触模型,进行了七因素三水平的正交数值试验,研究了接触面单元数N、平直节理模量Ec、平直节理刚度比kr、摩擦系数μ、平直节理抗拉强度σc、平直节理黏聚力c和平直节理内摩擦角θ等7种细观参数对岩石宏观力学参数的影响.研究结果表明:N、σc和c是影响岩石强度特性的显著性因素,岩石抗拉强度、单轴抗压强度和黏聚力与N呈负相关关系,与σc和c呈正相关关系;Ec和kr则是影响岩石变形特性的显著性因素,Ec主要对弹性模量起控制作用,kr主要影响岩石的泊松比和弹性模量,岩石的弹性模量与Ec呈正相关关系,与kr呈负相关关系,泊松比与kr呈正相关关系;摩擦系数对岩石宏观参数的影响与围压有关,围压可诱发颗粒间的剪切滑移机制;θ只对单轴抗压强度、黏聚力和内摩擦角产生一定的影响,但并不显著,对其余宏观参数几乎不产生影响;细观参数标定实例表明基于正交试验标定岩石细观力学参数的方法是可靠的.     

岩石非均匀特性的DDA方法模拟

采用非连续变形分析(discontinuous deformation analysis,DDA)方法,根据Weibull分布函数引入岩石细观非均匀性模型,对巴西圆盘的劈裂实验进行计算机模拟.在非均匀性模型中考虑弹性模量、泊松比和强度参数的非均匀性.非均匀圆盘和均匀圆盘模拟结果的对比表明,非均匀模型的引入使得细观尺度下采用线性本构能够得到岩石的宏观非线性力学响应,并且非均匀性的引入使得岩石表现出更低的宏观强度特性.通过对比只考虑弹性模量、泊松比的非均匀性和同时考虑弹性模量、泊松比和强度的非均匀性的模拟结果,发现考虑强度非均匀性的巴西圆盘宏观强度更低且裂纹的产生更加分散.研究工作有助于对岩石非均匀和非线性特性的理解及其数值模拟分析.     

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。     

含弧形裂隙花岗岩裂纹扩展特征PFC模拟

为了研究非直裂隙对岩石强度及破裂特征的影响,对含弧形裂隙岩样进行单轴压缩模拟,探讨弧形裂隙几何参数对试样宏细观力学行为的影响规律。首先,利用颗粒流程序(PFC)构建花岗岩试样数值模型,通过与完整和含单直裂隙试样室内试验结果进行比较,标定1组能够反映花岗岩力学特性的细观参数。在此基础上,对含不同裂隙倾角α和裂隙长短轴比γ的弧形裂隙试样进行单轴压缩模拟。研究结果表明：1)含弧形裂隙试样的峰值强度和弹性模量随着α增大而增大。当α=0°和45°时,试样的峰值强度和弹性模量随着γ的增大而增大;当α=90°时,试样的峰值强度和弹性模量随着γ的增大而减小。2)含弧形裂隙试样主要发生拉伸破坏,初始裂纹在裂隙尖端萌生,随着α增加,试样的破坏程度逐渐增大;γ主要影响裂纹类型、数量和萌生位置。3)首先在弧形裂隙尖端出现应力集中,初始裂纹产生后在裂纹尖端附近出现应力集中,微裂纹逐渐聚集、连通形成宏观裂纹,宏观裂纹的不断扩展导致试样破坏。     

混凝土初始损伤细观结构特性数值试验研究

细观结构特性是混凝土材料最重要的特性之一,细观结构参数的改变直接影响混凝土弹性模量、抗拉抗压强度等宏观力学性能变化.首先采用混凝土随机骨料模型进行混凝土细观数值试验,将混凝土看成由骨料、水泥砂浆以及两者之间的界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料,并在水泥砂浆中引入不同孔径、孔隙率的孔隙,使用有限元分析软件MSC.Marc,通过数值试验研究了孔径、孔隙率对混凝土抗拉抗压强度和弹性模量的影响规律.试验结果表明:混凝土弹性模量在同一孔径下随着孔隙率的增长呈线性下降,在同一孔隙率下随着孔径增大呈对数下降;混凝土抗拉抗压强度随着孔隙率和孔径增大呈对数下降.其次,将数值试验结果与经验公式进行了对比,验证数值试验结果的正确性.最后,根据数值试验结果,建立了混凝土初始损伤与孔隙率和孔径之间的关系,描绘了细观尺寸下混凝土的初始损伤面,为建立混凝土细观结构参数和宏观力学特性之间的联系,改善混凝土的力学性质打下了基础.     

岩石宏细观弹塑性损伤破坏对比研究

为了考虑岩石内细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出岩石弹塑性损伤增量本构方程,提出了在计算程序中用破坏单元网格消去法清晰模拟裂纹扩展的方法,解决了有限元模拟裂纹的难题,分别从宏观尺度和细观尺度研究了岩石Ⅰ型裂纹弹塑性损伤破坏问题.对比分析表明,宏观尺度研究Ⅰ型裂纹扩展符合断裂力学理论分析;细观尺度研究岩石破坏过程能深入解释细观破坏机理,岩石宏观破坏直接与其内部的细观损伤破坏有关;三维数值模拟破坏过程比二维破坏更为复杂;大理岩偏三点弯曲梁弹塑性损伤破坏数值模拟得到的结果与试验结果较为吻合,验证了新建细观尺度模型模拟岩石破坏问题的合理性.     

多组非贯通裂隙岩石的压缩特性数值研究

裂隙岩体力学性质研究是非常复杂的课题,非贯通裂隙岩石的力学行为与裂隙的几何产状密切相关,裂纹的扩展贯通直接影响岩石的破坏。采用改进刚体弹簧方法,以随机均布Voronoi图为基础,生成不同裂隙产状的岩石数值模型,模拟含多组非贯通裂隙岩石的细观起裂和扩展过程。从细观和宏观两个方面分析了预制裂隙的贯通模式及其对岩石宏观破坏模式的影响;并得到沿平面破坏、阶梯状破坏、沿次生块体转动破坏三种破坏模式。通过分析岩石渐进破坏过程揭示其破坏机理;且定量分析了裂隙岩石在强度上表现出的各向异性特征。将数值计算结果与已有的岩石试验结果对比分析,表明数值与试验结果吻合较好。     

水-岩相互作用对砂岩劣化效应的离散元模拟

以三峡库区消落带典型砂岩为研究对象,通过室内单轴压缩试验来获得水-岩作用对岩样的力学性质的劣化规律,并利用PFC2D离散元软件模拟单轴试验应力-应变曲线与室内水-岩作用试验曲线相符合的方式,来研究水-岩作用下三峡库区典型砂岩的微观力学参数的变化规律,揭示水-岩作用下岩石宏观力学性质的劣化机理.结果表明:在长期水-岩作用下,PFC2D数值模拟的细观参数变化规律与室内试验岩石的宏观力学参数的劣化规律基本一致;模拟得出的应力-应变曲线与室内试验结果匹配良好;数值试样的破坏模式变化规律性与室内试验的也完全一致.说明PFC2D数值模拟能够很好地模拟水-岩作用对砂岩的劣化效应,并反应岩石真实的劣化规律,同时也验证了水-岩作用对砂岩的劣化效应的显著性.     

基于PFC2D不同细观参数对生态混凝土宏观破坏分析

采用PFC2D离散元软件通过内嵌的Fish语言创建了不规则骨料,通过建立的生态混凝土数值模型利用控制变量法从不同细观力学参数对其双轴压缩破坏的影响进行了分析。研究结果表明:平均强度和标准差主要影响混凝土材料的不均匀性,不均质度越高,强度越低,裂纹空间分布越分散;摩擦系数主要影响应力应变曲线的形状和材料强度,摩擦系数越大,颗粒之间的咬合力越大,曲线下降段的残余强度也就越大;刚度比值和接触模量的增大均会造成颗粒之间形成刚性接触,平行黏接的作用会被削弱导致高抗拉应力和更多的张拉裂纹,最终宏观表现为张拉破坏。对混凝土数值模型的力学细观参数进行探究能够更好地对其进行参数的选择,为以后建立数值模型提供参考依据。     

基于相场法的岩石三点弯曲细观破坏数值模拟

岩石中裂纹的起裂、扩展和贯通等行为是研究岩石变形、强度及稳定性的关键力学问题,通过数值方法预测和分析裂纹扩展行为具有重要意义。相场法在严谨准确的理论框架内,克服了传统断裂力学理论及数值计算方法显式追踪裂纹面的挑战,能很好地模拟裂纹起裂、扩展、分叉和多裂纹相互贯通。本文通过裂纹扩展主要区域建立了能够反映岩石内部细观结构的多尺度模型,利用相场法从细观力学尺度预测和分析了岩石三点弯曲时内部裂纹的起裂、扩展和贯通的破坏过程,分析了矿物颗粒的位置分布和能量释放率等参数对裂纹扩展行为的影响规律。通过与室内岩石三点弯曲宏观和细观试验对比分析,结果表明,相场法能够很好地模拟和预测具有复杂细观结构的岩石内裂纹的萌生、扩展和贯通的破坏过程。     

岩石宏细观弹塑性损伤破坏对比研究

为了考虑岩石内细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出岩石弹塑性损伤增量本构方程,提出了在计算程序中用破坏单元网格消去法清晰模拟裂纹扩展的方法,解决了有限元模拟裂纹的难题,分别从宏观尺度和细观尺度研究了岩石I型裂纹弹塑性损伤破坏问题。对比分析表明,宏观尺度研究I型裂纹扩展符合断裂力学理论分析;细观尺度研究岩石破坏过程能深入解释细观破坏机理,岩石宏观破坏直接与其内部的细观损伤破坏有关;三维数值模拟破坏过程比二维破坏更为复杂;大理岩偏三点弯曲梁弹塑性损伤破坏数值模拟得到的结果与试验结果较为吻合,验证了新建细观尺度模型模拟岩石破坏问题的合理性。     

岩石细观强度离散元数值模拟中颗粒形状的影响

利用离散单元法,对3种不同成分的岩石样本进行强度数值模拟.通过改变岩石内部颗粒大小和形状,获得各个样本不同的强度值;利用颗粒形貌规律,分析岩石离散元建模时颗粒的组建规则.在不同单元组合方式下,进行双轴压缩试验和4点抗弯试验.结果表明,单一的圆盘形或圆球形模拟单元不能真正反映岩石内部的组织结构;弹性模量、抗压强度、抗弯强度和裂纹起始应力都随着单元组合方式不同而不同,单元组合方式越复杂,其数值也越大;配置不同单元组合形式的比例构建DEM样本,可以合理地模拟出岩石的细观强度值.     

基于多尺度分析的混凝土随机损伤本构关系

通过多尺度能量积分与能量损伤表达建立宏-细观尺度之间的联系,即混凝土宏观尺度的损伤演化可以通过细观单元的分析获得.根据随机细观单元的数值分析结果,积分得到基本细观单元能量的演化,分别计算受拉与受剪损伤的演化曲线.建议了实用的损伤演化公式,并基于基本单元分析获得随机损伤发展参数的均值、标准差及其概率密度分布.混凝土宏观试验的模拟结果验证了多尺度随机损伤本构模型的正确性.