混凝土层间直剪试验的离散元模拟研究

混凝土的层间结合情况影响结构整体的剪切性能,因此,需要重点研究混凝土层面的抵抗剪切变形的能力.在采用颗粒流离散元软件模拟整浇混凝土直剪试验的基础上,通过生成随机椭球表示层间缺陷,并将细观缺陷作为弱夹杂考虑到离散元接触模型中,模拟层面直接剪切试验的非线性行为.试验结果表明：正压力越大,试件竖直方向的剪胀越小,而层面破坏时接触的拉裂纹数比例有所增高;非整体浇筑引入的层间缺陷削弱了层面的抗剪强度;层面剪切强度的黏聚力比摩擦系数受层面缺陷的影响更加敏感.本文的研究结果为混凝土层面剪切性能的离散元数值模拟和破坏过程研究提供了参考.     

考虑颗粒破碎的粗粒土直剪试验离散元模拟

为了分析粗粒土的剪切力学特性,采用离散元软件PFC2D模拟考虑颗粒破碎的粗粒土直剪试验,提供了制备可发生破碎的单颗粒粗粒土试样方法,以及改变离散元试样孔隙率的方法。在不同竖向压力作用下对粗粒土试样模拟直剪试验,分析剪应力、体应变与剪切位移的关系,剪切前后应力状态,剪切后速度分布情况。改变粗粒土试样的孔隙率和颗粒间黏聚力,分析粗粒土剪切强度的影响因素。研究表明,试样先剪缩再剪胀,剪应力峰值、残余强度随着竖向压力的增大而增大。应力场受剪前均匀分布,受剪后分布不均匀。剪切带内外颗粒处于不同的运动状态,剪切带内速度变化梯度较大。在相同竖向压力作用下,剪切强度随孔隙率增大而减小,随黏聚力增大而增大。     

土工格室与砂土拉拔试验离散元细观分析

为研究土工格室加筋砂土的界面作用特性,采用离散元程序(PFC3D)建立土工格室加筋砂土的拉拔试验数值模型,分析了拉拔过程中的筋土界面位移、格室节点受力及界面接触力和孔隙率等宏细观参数的变化规律,揭示了土工格室加筋砂土在拉拔过程中筋土界面作用的宏细观机理。结果表明:格室拉拔阻力主要由格室纵肋界面摩擦阻力及格室横肋的被动承载力组成,界面摩擦阻力在前期发挥主要作用,而横肋的被动承载力在后期发挥主要作用;筋土界面区域的土体接触力和局部孔隙率随拉拔位移发生疏密相间的变化,界面区域砂土发生脱空,同时局部土体产生剪胀作用,对应界面孔隙率增大;宏观上随着拉拔位移增加,颗粒挤密咬合能力增强,对应的细观参数(界面接触力和界面局部孔隙率)发生起伏变化,界面区域接触力增大从而使得拉拔阻力随格室拉拔位移的增大而增大。     

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。     

基于离散元的碎片尺寸随机的颗粒破碎模拟方法

依据天然堆石颗粒的破碎特性,构建了子颗粒粒径随机的碎片替换模式,即立方体替换模式.采用立方体替换模式可得到符合天然堆石颗粒破碎特性的子颗粒粒径分布.单轴压缩模拟试验表明,与子颗粒粒径固定的4球和18球替换模式相比,立方体替换模式能提高试样级配曲线的连续性,并改善中间粒径缺失的问题.对比不同子颗粒数量替换模式的模拟结果可知,立方体替换模式对应试样的接触数目和平均接触力分布符合替换模式子颗粒数量对分布的影响规律;剔除无接触和单接触颗粒后,3种替换模式的细观力学特性的变化规律一致,表明立方体替换模式可以用于模拟粗粒土的颗粒破碎.     

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。     

储层页岩直剪破断特性及细观演化机制

以露头页岩为研究对象,开展不同层理倾角页岩的直剪试验,研究剪切全过程的4个阶段,同时开展基于颗粒离散元的页岩直剪全过程研究,与试验数据对比验证数值模型的可行性,从细观角度分析直剪全过程的能量演化规律,提出各向异性特征表征方法,并通过全过程的声发射变化解释细观裂缝的演化机制,阐明裂缝扩展与细观能量演化机制的一致性,研究不同时刻的层理页岩裂缝扩展规律及力链图,与对应层理倾角页岩的破坏模式进行对比,进一步探讨90°层理页岩剪切破断的裂缝特征,揭示不同层理页岩直剪全过程的裂缝演化机制。结果表明：法向应力增大能更大程度地抑制层理开裂,而剪切速率增大能更快速地达到峰值强度但降低抗剪强度;不同层理倾角页岩的破坏模式各异,0°沿层理面剪切滑移破坏,30°层理开裂为沿层理的雁列状裂缝,60°剪切破裂面呈曲线型。     

煤矸石推剪试验的颗粒离散元细观模拟

以现场推剪试验为基础,基于二维颗粒离散元(two dimensional particle flow code,PFC^2D)建立煤矸石推剪试验模型.通过不同级配和孔隙率反映治理前后不同密实度的矸石散粒体,较好地模拟煤矸石现场推剪试验的推力-位移曲线;对比分析治理前后推剪模型推力-位移曲线的差异性,从细观力学角度验证推剪试验中矸石颗粒的运动规律.颗粒离散元模拟结果表明：治理前后推剪模型都存在接触力沿滑裂面传递的现象;由于碾压作用,治理后推剪模型的接触力呈倒月牙形分布;治理后煤矸石试样在推剪完成后,其颗粒接触力与水平方向的夹角比治理前更大,集中分布区域更狭窄.通过颗粒位移矢量图确定推剪试验的滑裂面,解决了煤矸石推剪试验中滑裂面难以确定的问题.     

短时冻区残积土细观破坏过程的离散元模拟

为明确短时冻区残积土体细观破坏规律,以福建省短时冻区典型残积土为例,基于三轴试验数据对不同短时冻融次数下残积土的细观参数进行标定,同时分析围压及冻融次数下残积土细观破坏过程.结果表明:残积土在压缩过程中,逐步呈现出一个菱形区域,最终菱形区域会形成一个剪切面.残积土压缩时破坏过程可分为弹性变形阶段、塑性发展与强度峰值阶段以及峰后破坏三个阶段.残积土的稳定性会因土体周围围压的上升和土体冻融次数的减少而提高,同样也会增加残积土的抗剪强度.     

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.     

直剪条件下钙质砂强度及颗粒破碎

钙质砂的主要成分是碳酸钙,由于其特殊成因,钙质砂具有孔隙特征。为了深入研究粒径、含水率及剪切速率对钙质砂强度及颗粒破碎特性的影响,在不同粒径、含水率和剪切速率等因素下对钙质砂进行直剪试验。试验结果表明：(1)钙质砂的抗剪强度和内摩擦角与粒径之间存在正相关的关系,小粒径(<1.0 mm)情况下,粒径和竖向压力不再是影响颗粒破碎的主要因素,大粒径(>1.0 mm)情况下,颗粒破碎程度出现剧增现象,粒间咬合和约束的存在是此现象的主要原因。(2)粒间水膜和颗粒损伤的存在,导致钙质砂的内摩擦角随着含水率的升高逐渐减小,含水率和内摩擦角之间呈指数函数关系。相对破碎随着含水率的升高先减小后增大。(3)颗粒在剪切过程中存在翻滚现象,但过大的剪切速率会使得颗粒直接从中间位置剪切,钙质砂的内摩擦角随着剪切速率的增大呈现先减小再增大的现象,相对破碎则是随着剪切速率的增大呈现先减小后增大的趋势。     

粗砂滑坡离心模型试验及离散元细观模拟

为了探明砂土滑坡的力学机理,采用自行研制的降雨诱发滑坡离心模型试验装置,进行粗砂滑坡离心模型试验,基于试验结果,采用改进后的离散元数值模拟程序对滑坡过程进行细观研究,从细观和非饱和角度对离心模型试验进行补充。研究结果表明：粗砂滑坡发生的细观机理为坡体中的水无法及时排出,导致土颗粒悬浮在水颗粒中,土颗粒间的接触减少甚至脱离,土颗粒间的相互作用力转化为土颗粒与水颗粒之间的作用力,土体出现流体特征,抗剪强度丧失。滑坡的发展表现为两种可能的形式：各处水颗粒施加给土颗粒的作用力与此位置土颗粒的接触力正好相等,表现为整体滑动;水颗粒施加给土颗粒的作用力等于土颗粒重力和前部土颗粒的接触力之和,表现为后部滑坡向前部发展。     

球磨机转筒临界转速与脱离角的计算

本文给出了球磨机转筒临界转速的定义，并由此导出确定临界转速的方法，在分析钢球在转筒内运动的基础上，导出钢球脱离角的计算公式。     

岩石、混凝土的临界状态模型

由于土、岩石、混凝土应力－应变关系的内在相似性，尝试用临界状态土力学的概念描述岩石和混凝土的力学行为，从而使土、岩石、混凝土走出各自的力学范畴，在临界状态概念的基础上实现本构关系和强度理论的统一     

考虑物态变化的六参数砂土本构模型

以往的大多数砂土本构模型仅采用相对密度作指标,把初始密度不同的砂土当作不同的材料,需采用多组不同的材料参数。本文基于状态参数概念,提出了一个数学描述简单、仅有6个材料参数的砂土本构模型。该模型能够同时考虑相对密度和有效围压两个因素对材料物态变化的影响,并只用一组材料参数即可描述较大的围压和密度范围内砂土的排水应力应变响应。通过不同围压和初始密度条件下的三轴排水试验结果与数值模拟结果的对比,初步验证了模型的有效性。     

排水条件下饱和砂土单调剪切特性试验研究

应用大连理工大学研发的土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪,控制试验过程的平均主应力和中主应力系数保持恒定,改变主应力方向,针对相对密度为30%、60%的饱和福建标准砂,进行一系列排水单调剪切试验.主要探讨排水条件下主应力方向和相对密度对砂土应力-应变关系、有效内摩擦角及体变特性的影响.试验结果表明:主应力方向对饱和砂土的单调剪切特性具有显著影响;不同主应力方向对应的应力-应变关系所表现出的变化规律取决于水平面与竖直面上受到的剪应力作用,相变及峰值广义剪应力和有效内摩擦角与主应力方向角之间存在抛物线型关系.同时相对密度的影响也不容忽略;同中密砂相比,松砂的剪缩现象明显,其峰值抗剪强度降低.     

基于离散元模拟的不同挡土墙位移模式下非极限主动土压力

针对刚性挡土墙主动位移过程中砂土非极限主动土压力问题,利用PFC2D^分别对挡土墙绕墙顶转动(RB)模式、绕墙顶转动(RT)模式和平动(T)模式下砂土主动破坏过程进行模拟分析。分析结果表明,不同位移模式下土体内摩擦角及墙土摩擦角调动规律存在差异。挡土墙主动位移过程中,RB模式下土体破坏从墙顶开始,向墙脚发展,土楔体内部只有靠近墙背侧区域出现主应力偏转现象,并且土楔体中内摩擦角调动值均能达到极限值。RT模式下,土体破坏沿着墙背和滑裂面从墙脚开始,向土体表面发展,墙后土楔体中上部区域主应力偏转角度较大,形成了大主应力拱,与此对应的是该区域内摩擦角调动值相对初始内摩擦角减小。T模式下,土体破坏分别沿着墙背从墙顶向墙脚发展以及沿着滑裂面从墙脚向土体表面发展,墙后土楔体内部会出现小主应力拱,并且内摩擦角调动值从初始内摩擦角增加,但达不到极限值。     

单向应力状态点分析在工程测试中的应用研究

应用材料的应力状态分析理论,在几何形状复杂的工程构件中找到一些靠近棱边的特殊位置点,其在不受表面力时处于单向应力状态,且主应力方向与棱边平行,因此可以方便地测量出这些点的应力应变。在此基础上,将测试结果与有限元仿真结果进行对比分析,有助于对理论模型的有效性和可靠性进行判定。