基于颗粒流离散元的粘性土三轴剪切试验数值模拟

为了研究粘性土体的工程力学性质,本文通过对粘性试样进行室内三轴固结排水试验,得到了试样土体的应力—应变关系曲线以及强度指标,基于颗粒流离散元法的原理,利用PFC3D软件建立三轴试样模型,并设定颗粒间的接触为接触黏结模型,通过颗粒流数值试验对细观参数进行标定,从细观角度对粘性土的工程力学特性做了一定的研究。对比了不同围压下数值试验与室内试验的应力应变关系曲线,得到了较好的模拟效果。分析细观参数的变化对粘性土的应力—应变关系曲线的影响,得出边界条件、孔隙率、粘结强度、摩擦系数、接触刚度等细观参数的取值对粘性土的宏观力学性质有着显著的影响并对影响规律做了探讨,为今后的三轴试验颗粒流数值模拟提供了有价值的参考。     

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.     

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.     

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。     

基于柔性边界的非饱和土三轴试验及离散元分析

非饱和土三轴试验的离散元模拟,对于从细观角度揭示其力学特性至关重要,但目前研究多采用刚性边界条件.使用黏结球颗粒代替橡胶膜,实现围压柔性加载.在此基础上,提出非饱和土三轴数值试验模拟流程,并进行不同围压下的三轴数值试验.从宏观破坏形态和细观剪切带、配位数、接触力等方面研究不同围压下非饱和土的力学特征.结果表明：非饱和土力学特性受围压影响较大,峰值应力和弹性模量随围压增大而增大,围压越大,剪胀性越小;试样主要表现为鼓胀破坏,破坏后剪切带在形态上呈对称的“X”形,剪切带的形成开始于颗粒的转动,到达峰值应力时,内部转动颗粒发生贯通,剪切带基本成型,围压越大,剪切带上转动颗粒数目和转动角度越小;配位数先增加后减少,与体应变变化趋势一致,且随围压增大而增大;剪切使法向接触力概率密度函数峰值左移,并且使法向接触力不均匀性增大,围压越大,法向接触力分布越均匀.该研究成果可为从细观认识非饱和土的力学行为提供途径.     

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。     

基于颗粒离散元模型的岩石蠕变模拟试验

为了从岩石颗粒之间不连续特征的角度研究其永久变形行为,基于颗粒流理论,采用颗粒离散元方法对微观颗粒之间的接触赋予Burgers模型,进行岩石二维离散元虚拟单轴蠕变试验。采用单因素法研究分析颗粒粒径、摩擦因数、颗粒法向与切向刚度比对流变特性模拟值的影响。从单轴蠕变压缩的轴向蠕变及轴向蠕变速率曲线的离散元模拟值与其解析解对比可以看出:模拟结果与解析解具有较高的吻合性;为更加明确地表示出蠕变不同阶段,选用对数蠕变柔量来进行解析解与模拟值的比对,蠕变初始阶段,PFC压缩模型会低估蠕变柔量,而在稳定蠕变阶段,两者具有高度的一致。数值模拟与解析解结果对比验证颗粒流Burgers模型适合用于岩石蠕变试验研究中,可为岩石蠕变的后续深入研究提供有益的参考。     

堆积碎石土剪切特性的三轴试验

堆积碎石土是不同于土和岩体的一种不连续非均匀介质,以其作为坡体物质的滑坡广泛分布于中国西南及西北地区。考虑连续强降雨雨后滑坡的失稳机理,分析不同含石量、含水率和周围压力状态下堆积碎石土的主应力差-应变曲线、孔压-应变曲线、破坏形态以及相应的抗剪强度指标的变化规律。研究结果表明:由于碎石的存在,堆积碎石土的主应力差-应变曲线大多呈"台阶状"分布并具有应变硬化现象;含石量和含水率是影响堆积碎石土剪切特性的关键因素,当含水率不变,随含石量增大,黏聚力减小,内摩擦角增大;当含石量不变,随含水率增大,黏聚力先增大后减小,内摩擦角减小;存在某一最佳含石量和最优含水率组合下的堆积碎石土抗剪强度最大,该组合指标特征可作为判断连续强降雨雨后堆积碎石土滑坡失稳临界状态的理论支撑依据之一。     

土的直接剪切试验三维数值模拟研究

土的直接剪切试验,在土力学试验教学中有重要的地位.同时,试验所得到的土体物理参数,可以直接应用到工程实践中.考虑计算机仿真在教学过程中有重要辅助作用,因此,采用国际流行的有限差分数值软件FLAC3D对土的直接剪切试验进行三维数值模拟,对土样在剪切过程中的应力和应变状态进行了分析,并将所得到数值解与理论解进行了比较,结果比较吻合.研究表明,计算机仿真能较好反映直接剪切试验结果,有利于学生通过使用数值仿真软件达到学习掌握土力学直剪实验的方法步骤和进行试验结果分析,对土力学试验教学是一个补充手段.     

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.     

土石坝动力离心模型试验颗粒流数值模拟

以长河坝离心模型试验为基础,开展颗粒流细观数值模拟研究,分析大坝在不同地震加速度和离心加速度下的动力响应(加速度和位移)和破坏模式,并对长河坝双向振动台模型试验进行了数值模拟分析.数值模拟结果表明:数值模拟规律与离心振动台试验规律基本一致,坝体的地震破坏模式为坝顶局部滑动破坏;同一高程坝坡位置的动力响应大于心墙位置;随...     

基于离散元方法的根土复合体冻融损伤数值模拟研究

为探究在冻融环境条件影响下根系对边坡稳定性所发挥的积极效应,基于离散元方法对冻融循环作用下根土复合体的力学特性进行研究。利用PFC软件,提出一种新的冻融损伤模拟方法,对黄土进行不同冻融循环次数下的模拟。利用此方法,黄土在不同循环次数下无侧限抗压强度的模拟结果和试验结果较为吻合,证明了此方法的可行性。之后建立根系模型,模拟根土复合体的UU三轴试验,并对根土复合体的数值模型进行参数标定。进一步探究根系角度对根土复合体强度的影响效应,并对不同冻融循环次数下根土复合体的强度特性进行数值模拟研究。结果表明：所提出的冻融损伤模拟方法可以较好地模拟黄土在冻融循环作用下的劣化效应;根系的存在会提高土体的强度特性,在相同的冻融循环次数下,根土复合体的强度均高于素土,并且根土复合体的强度会随着冻融循环次数的增加先下降后趋于平缓;当根系倾角为90°时,对土体的强度提高效应最大,并且在冻融循环作用下,强度下降较低。当根系倾角为0°时,对土体的强度提高最小。研究成果为从细观角度探究根土复合体的冻融损伤机理提供了新途径,并且可为寒区生态边坡工程建设提供指导意义。     

基于颗粒离散元的土石混合体直剪试验模拟研究

土石混合体是一种由高强度块石和低强度土体组成的非连续非均质材料,力学性质受土体、块石及土石接触面三者共同控制.本文为研究块石含量及土体性质对混合体力学特征及变形破坏形态的影响,利用颗粒离散元理论和PFC2D程序,生成了可描述块石非规则形态的团粒(clump)结构,建立了土石混合体直剪试验离散元模型,以室内直剪试验结果作...     

基于离散元的南海软黏土剪切变形模拟

软黏土剪切变形是决定海洋构筑物、管线安全存在的重要因素,离散元能有效模拟黏土剪切变形。通过对南海神狐海域原状软黏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黏土的细观参数组合。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。     

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。     

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。     

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。     

砂土堆积试验的组合Clump颗粒离散元模拟

为研究颗粒形状对砂土力学性质的影响,以室内试验结果为基础,采用离散元软件PFC3D模拟了颗粒堆积试验。选取球形度为颗粒形状特征系数,生成一系列球形度为0.33~1.0的Clump颗粒,用PFC软件对颗粒之间分别赋予不同的摩擦系数共模拟了81种试样。通过将模拟结果与室内试验结果对比以验证采用球形度模拟砂土的可行性,探讨了颗粒球形度及摩擦系数对颗粒堆积体宏观响应和细观组构变化的影响。结果表明:组合Clump颗粒试样的最大孔隙比与最小孔隙比与室内实测结果基本一致,验证了该方法的可行性;试样的自然休止角及孔隙率均与颗粒摩擦系数存在正相关关系,平均接触数则随摩擦系数增大而减小;根据颗粒球形度统计结果在离散元中模拟砂土颗粒可直接采用实际颗粒的摩擦系数;该方法对传统散体颗粒的细观模拟研究方法进行了改进,能够弥补离散元中用圆球颗粒模拟不规则颗粒的不足。     

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。     

基于离散元法的二元颗粒流剪切分离机理分析

为了解决颗粒分离的解释机制众多、尚未完全统一的问题,进一步揭示剪切分离更深刻的机制,采用开源软件LIGGGHTS构建三维离散元剪切模型,分析大颗粒周围的空间排列结构,探讨摩擦力、壁面、尺寸差异、惯性等因素对空间结构变化的影响。结果表明：大颗粒能够向上爬升是在2种机制共同作用下进行的;小颗粒群在竖直方向存在速度梯度,层与层的动量传递发生损耗;大颗粒的尺寸效应体现在对前上方小颗粒动量传递模式的改变,由此产生空隙;大颗粒前期靠挤压上升,空隙的产生是大颗粒上升的充分条件;大颗粒后期在后传递颗粒的旋转传动下,沿着小颗粒表面上升。