岩土体颗粒破碎的离散元数值模拟技术综述

该文概述了岩土体颗粒破碎的理论研究价值及工程意义。结合颗粒破碎物理试验研究现状,综合阐述了目前数值模拟技术的优势和方法,并认为离散元方法的数值模拟可以更有效地对岩土体颗粒破碎进行研究。总结分析了在离散元方法中研究颗粒破碎的两种方法,黏结模型和颗粒破碎模型。     

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.     

地震滑坡运动过程的离散元模拟分析

地震滑坡灾害具有范围广、滑动速度快和突发性强等特点,往往造成重大的财产损失和人员伤亡。我国西南地区位于地震重灾区,地质灾害频发。文章以处于龙门山断裂带的某地震滑坡为例,利用PFC颗粒流程序模拟地震滑坡的运动过程,对滑坡体在滑动前后的位置和滑坡体的运动范围进行分析,得出滑坡体的岩性对滑坡的运动范围和运动方式影响很大,且滑坡体中的颗粒在滑动中是自由运动。     

落地式钢筒仓卸料的模型试验研究

进行了落地式钢筒仓模型的卸料试验,通过改变卸料口的直径和位置研究了8种不同卸料状况下仓壁应变随时间的变化情况.采用全站仪较精确地测定了钢筒仓模型的几何形状,确定了钢筒仓模型的初始缺陷,证明了初始缺陷对钢筒仓模型应变具有较大的影响.通过对各种卸料状况下仓壁应变随时间变化的比较分析表明,卸料口的大小以及卸料口的偏心位置对于不同位置处仓壁的应变具有不同的影响,在0.8倍筒仓直径至1.6倍筒仓直径的高度范围内仓壁应变随时间变化比较剧烈,在偏心卸料时靠近卸料口位置的仓壁应变变化比较剧烈,仓壁动态应变的最大变化量约为静态应变的3-4倍.试验研究表明在实际工程中应充分考虑偏心卸料对仓壁受力性能带来的巨大影响.     

不同裂隙张开度下岩石材料破坏的颗粒离散元模拟

岩体结构对岩体工程灾害具有一定的控制作用,为了研究硬性结构面在岩体破坏中所起的作用,从裂隙张开度对岩石破坏过程和破坏模式的影响出发,建立不同裂隙倾角下不同张开度的颗粒离散元数值模型,进行单轴压缩数值试验,结果表明：岩样的主要破坏模式既与裂隙的张开度有关,又受裂隙倾角影响;裂隙张开度较小岩样,通过裂纹迅速发展,在峰值强度时就趋于贯通;而裂隙张开度较大岩样,引起最终破坏的裂隙尖端张拉裂纹在峰值强度后才出现;且存在极限相对裂隙张开度,对岩样的受力破坏起裂隙干扰作用.     

筒仓侧压力的颗粒流数值模拟

本文采用基于离散单元法的颗粒流程序建立了一种筒仓缩尺模型,首先对筒仓缩尺模型进行了静态侧压力的数值模拟,并把模拟结果与原型筒仓的Janssen计算值进行了比较;接着在静态侧压力符合的基础上,对该模型筒仓进行了卸料过程的模拟,并得出筒仓卸料时的动态侧压力值的变化情况和最大动态侧压力值及超压来数的大小.     

基于EDEM的粮食立筒仓卸料动态侧压力研究

立筒仓卸料过程中,贮料流态不断变化,仓壁压力随之表现出不同变化规律。为研究卸料过程中贮料在粮食立筒仓中的流动状态和速度分布、贮料对仓壁产生的动态侧压力以及相应超压系数,采用离散元仿真软件EDEM对粮食立筒仓卸料过程进行模拟,分别选定两种不同卸料速度工况,并结合试验结果对比分析动态侧压力。结果表明：通过直接观察和整体流量指数分析筒仓内贮料流动状态,贮料流态与其所处的筒仓位置有关,发展进程为整体流动—管状流动—漏斗型流动;EDEM仿真模拟与试验结果的静态侧压力值接近、动态侧压力分布规律一致,且超压系数误差在合理范围内;卸料整体过程中,流速快工况的超压系数均大于流速慢工况;筒仓仓壁下部1/3hn范围内的动态侧压力突增最为明显,贮料内部不断重复动态拱过程致使仓壁卸料压力呈现不同震荡分布,且该位置的超压系数高于现行规范的水平侧压力修正系数Ch。EDEM离散元卸料仿真进行动态侧压力研究具有可行性,研究成果可为筒仓结构安全设计提供参考。     

基于三维离散元的弃渣边坡变形过程模拟

以某隧道弃渣边坡为研究对象,采用野外调查、室内试验等方法对弃渣体的力学参数和坡体结构特征进行测定与分析,利用三维离散元软件 PFC3D 对弃渣边坡变形至滑动过程进行数值模拟。结果表明：(1)弃渣体由几乎无黏结的碎石块组成,运用线性模型能够符合实际情况。采用筛分测定的级配与概化形状后生成的颗粒簇模拟弃渣碎石较为合理。(2)弃渣边坡下部的碎石位移增加最快,上部的碎石位移次之。边坡的变形范围从坡体下部与上部向坡体中部扩张,变形区域在中部连为一体。坡表开始滑动时,弃渣边坡变形区域与地面的夹角约等于弃渣碎石自然休止角。(3)变形区分界面发生“台阶-圆弧-台阶-圆弧”的变化并向坡内扩展,在此过程中坡体表面碎石的位移最先达到失稳临界点,失稳时碎石顺着坡面逐层滑动。     

砂砾土颗粒三维形态分布特征及其离散元模拟

砂砾土是一种典型的具有非均质性、非连续性及构成结构效应的砂-砾混合料,混合料中砂粒与砾粒的接触状态对其力学特性影响显著.使用图像处理技术提取了砂砾土中不同粒径砾粒的三维尺寸(长轴长度、中轴长度、短轴长度以及长短轴比)和棱角系数,研究了三维尺寸和棱角系数的均值、标准差和统计分布,结果表明其具有统计自相似性特点.采用多面体...     

颗粒物质局部变形的离散元模拟

在外加载荷作用下的变形分析是目前颗粒物质研究的热点问题之一．利用改进的离散单元法,对随机分布的颗粒物质在平面应变状态下的变形进行了研究,并分析了初始空隙比、围压、摩擦系数等因素对颗粒物质局部变形特征和整体稳定性的影响．数值模拟结果表明：在平面应变状态下,颗粒物质内部会出现两个相互交叉的剪切面,并且局部变形特征会随着竖向应变的增大而发生变化,这些特征和目前存在的实验结果具有较好的一致性．同时,沿着两个剪切滑移面的切向速度廓线表现为两种不同的模式,一种呈类流态模式,另一种呈类固态模式．最后对各种材料参数和因素对颗粒物质局部变形特征的影响进行了详细讨论．     

中心口锥底料罐中离散颗粒卸料特性的实验与仿真研究

为了研究颗粒物料在中心口圆锥底料罐中的卸料特性,采用离散单元法建立颗粒力学模型,在EDEMTM软件平台上构建半罐模型进行仿真分析,并通过实验来检测其精度。在此基础上进行整罐卸料仿真,研究料罐半锥角、颗粒形状和材质等因素对卸料过程的影响。结果表明,所建的离散单元力学模型和仿真模型比较准确地描述了颗粒卸料过程;随着料罐半锥角的减小,颗粒间的挤压力逐渐增大,颗粒轴向速率逐渐加快,相应缩短了卸料时间;球形颗粒密度越大时,颗粒间挤压力越大,卸料速率也越高;与球形颗粒相比,立方体颗粒间的挤压力更大,其在卸料口处的轴向速率相对较慢,所需卸料时间更多。     

Microscopic study on stress-strain relation of granular materials

A biaxial shearing test on granular materials is numerically simulated by distinct element method （DEM）. The evolution of the microstructures of granular materials during isotropic compression and shearing is investigated, on which a yield function is derived. The new yield function has a similar form as the one used in the modified Cam-clay model and explains the yield characteristics of granular materials under the isotropic compression and shear process through the change of the contact distribution N（θ） defining the contacts at particle contact angle θ.     

颗粒材料修正的微形态连续体模型研究

基于细观力学给出了1个颗粒材料的修正的微形态连续体模型。在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且对颗粒间的相对运动进行分解,认为颗粒的细观真实运动(包括平动和转动)是由细观平均运动与1个表征相对于平均运动的波动组成。对微曲率进行对称修正,推导得到了与对称应变张量共轭的对称柯西应力张量,与对称微曲率张量共轭的对称偶应力张量,以及与非对称相对应变张量(微曲率张量)共轭的非对称相对应力张量(偶应力张量)。基于运动分解与对称修正,最终得到了1个颗粒材料的1阶微形态宏观本构关系。宏观本构关系包括应力-应变关系,偶应力-微曲率关系,以及相对应力(偶应力)-相对应变(微曲率)关系。宏观本构模量通过表征细观信息的接触刚度、内部长度参数等识别。     

基于离散元法的长短轴之比对散粒材料抗剪强度影响分析

杆状颗粒由于其形状与砾石、药品和谷物等真实颗粒的形状接近而受到研究者们的关注,其形状特征常用长短轴之比进行表征.以往许多学者曾通过离散元法研究过在相同孔隙率下杆状颗粒长短轴之比对其抗剪强度的影响,但在相同相对密度下的研究并不多见.通过控制颗粒摩擦因数形成具有相同相对密度的试样,研究了0%、35%、65%及100%相对密度下颗粒的长短轴之比对试样抗剪强度的影响规律.另外,还进行了相同孔隙率下的试验以进行结果对比.研究结果表明,相同相对密度下,峰值状态和临界状态时试样剪应力随长短轴之比增大而增大,与相同孔隙率下的结果一致,但峰值剪应力增大幅值要比相同孔隙率下的小.另外,对不同长短轴之比下试样内摩擦角进行分析,发现临界状态时内摩擦角随长短轴之比增大而增大,而峰值状态时内摩擦角受长短轴之比的影响相对较小.最后从试样剪胀性方面进行了分析,阐述了以上现象发生的机理.     

颗粒物质在二维竖直环仓内的输运及隆起现象

采用2个共轴圆筒组成了一个环形容器,在竖直振动激励下,使颗粒物质在这个二维无水平边界的容器中振动,观察到颗粒物质出现显著的隆起及输运现象,通过跟踪拍摄方法测量了这种隆起运动对振动频率的依赖关系。     

颗粒材料力学特性的数值模拟

针对颗粒介质特殊的力学特性,研究了二维颗粒堆积体中力的传递与分布,应用离散元理论建立数值模拟模型,并计算了堆积体中的接触力.结果表明,计算结果与物理试验现象较为吻合,在模拟中同时反映了颗粒介质中的拱效应和双峰现象.     

一种可伸缩的粒计算知识获取方法

粒计算是一种新的智能信息处理理论,它很大程度上模拟了人脑认识和解决问题的过程.通过对信息表分层粒化模型的研究,引入了粒分布链表的概念来生成粒子,并改进了一个粒计算算法.改进算法使用数据库技术对原始数据集进行粒化来生成粒分布链表,能够直接处理海量数据集,同时不影响原算法的有效性.通过试验测试了该方法的有效性及可伸缩性.     

大断面组合式顶管机掘进排渣离散元仿真

顶管法已在地下工程中广泛应用,但对新型超大断面组合式顶管机掘进排渣过程中土体的运动和力学响应仍缺乏研究。本文建立了世界最大断面组合式顶管机的等尺寸模型,利用离散元法模拟顶管机的掘进排渣过程,研究排渣速度对土体运动行为和力学响应的影响。模拟结果表明,最佳的掘进-排渣速度比约为0.6 cm/rev,土仓流动性受上下两个半截面底部两侧刀盘的影响,滞排时土压随掘进累积增大,存在地表隆起倾向;超排时土压小于静止土压力,上覆土体随掘进由局部破坏发展为整体破坏。     

基于SRTM DEM数据的清水江流域地表水文模拟

为了检验航天飞机雷达地形测绘使命(SRTM)生产的数字高程数据在地表水文模拟分析中的应用效果,以贵州省内清水江流域为例,利用ArcHydroTools以CGIAR.CSI SRTM 90m数据和国家基础地理信息系统1:400万数字水系图为数据源,进行了流域地表水文模拟.分析结果表明:以CGIAR-CSI SRTM 90 m数据为基础提取的数字河网的空间分布与实际情况十分接近,提取的数字流域界线与水文部门基本相符,说明CGIAR-CSI SRTM90 m数据在数字地形分析的诸多领域,特别是地表水文模拟分析方面必将有着十分广泛的应用前景.