PFC3D颗粒流模拟纳米黏土改良黄土三轴试验

基于PFC3D软件研究不同纳米材料、掺量、围压、干密度对改良黄土力学性能的影响,确定改良黄土宏细观之间的参数关系,通过建立改良黄土数值模型、三轴试验,获得了改良黄土的应力–应变曲线。将数值模拟的结果与室内试验的结果相比较,通过数值模拟和室内三轴试验,得出的改良黄土抗剪强度指标基本吻合。试验结果表明:(1)围压一定时,改良黄土试样偏应力随纳米黏土掺量的增加而增大;改良黄土的应力与应变正相关,不同围压时,表现为软化型和强硬化型;(2)当凹凸棒土掺量小于2%时,数值模拟得到的抗剪强度总体小于室内试验得到的抗剪强度,材料大于2%时则相反;(3)纳米蒙脱土改良黄土数值试样材料掺量小于等于4%时,数值模拟得到的抗剪强度大于室内试验的抗剪强度,大于4%则相反。

基于PFC^(2D)颗粒流模拟的青砂岩冲击破裂能耗特性定量化表征

冲击载荷效应影响着岩体的稳定性,目前研究主要集中于岩石宏观破裂特征及能量演化规律,且大多属于定性研究,缺乏细观层面定量化表征。结合室内试验与细观参数标定,建立了青砂岩宏观-细观力学响应关系,分析了青砂岩在不同瞬时冲击速率下的破裂特点、裂纹数量、断裂时间与能量利用效率。结果表明:青砂岩破裂特征可分为局部、扩展及加剧破坏模式,裂纹扩展规律呈底部萌生、X状共轭斜面、密集扩展模式,裂纹扩展时间由快速增加逐渐趋于平缓,平均值为275μs;青砂岩能量利用效率分为缓慢增加、快速增加及稳定增加阶段,最大能量利用效率为10.851%;同时,通过拟合得到青砂岩破裂微单元数量、总裂纹数量、裂纹生成时间及能量利用效率与瞬时冲击速率的定量化关系。研究结果可为岩石破碎工艺参数合理选择提供指导。

土的室内平面应变试验的颗粒流模拟

作为颗粒流理论实际应用的前期可行性研究 ,针对具有凝聚力和无凝聚力的两类典型的内摩擦地质材料粘性土与砂土进行了材料试样室内平面应变试验结果的颗粒流PFC2D仿真 .对比研究表明利用颗粒流理论所建立起来的PFC2D数值仿真试验模型是能够通过改变计算模型中颗粒单元的性质 ,以及颗粒集合体的级配特征等给出与真实材料土工试验类似的本构行为的 .这种可行性最根本的意义在于基于颗粒流理论的数值仿真试验能够突破常规土工试验在仪器设备能力及试验条件上的局限性 ,对实际土样的本构行为作出理论方面的某种预测 .此外针对颗粒流仿真试样的细观力学特征与物理试样宏观力学响应之间的关系进行了参数研究 ,并揭示了一些规律 .这些工作对颗粒流理论在岩土工程实际应用方面的研究和开发有一定的参考价值 .

盾构隧道垂直土压力松动效应的颗粒流模拟

通过对比室内三轴试验和颗粒流程序双轴数值试验结果,确定了颗粒流模拟砂土的细观参数;通过对室内挡板下落试验的颗粒流数值模拟,验证了颗粒流模拟土拱效应的可行性。在此基础上对盾构隧道垂直土压力的松动效应进行了颗粒流模拟,分析了不同盾尾空隙、不同埋深、不同直径和不同围岩时作用在管片上的土压力、土体位移和土体颗粒接触力的变化情况。结果表明,土拱效应主要发生在隧道上部1～2倍隧道直径的范围内,隧道顶部土体通过土拱效应可大幅度减少作用在隧道上的土压力。

粘性土室内平面应变试验的颗粒流模拟

作为颗粒流理论实际应用的前期可行性研究,针对具有凝聚力的内摩擦材料粘性土进行了室内平面应变试验结果的颗粒流仿真。对三维颗粒流数值仿真技术(PFC2D)的4组数值仿真结果和粘土试样室内平面应变试验的实测曲线进行了对比,研究表明利用颗流理论所建立起来的PFC2D数值仿真试验模型是能够通过改变计算模型中颗粒单元的性质,以及颗粒集合体的级配特征等给出与真实材料土工试验类似的本构行为的,这种可行性最根本的意义在于基于颗粒流理论的数值仿真试验能够突破常规土工试验在仪器设备能力、试验条件上的局限性,对实际土样的本构行为做出理论方面的预测。此外针对颗粒流仿真试样的细观力学特征与物理试样宏观力学响应之间的关系进行了参数研究,并揭示了一些规律。

TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟

采用颗粒流再现了锦屏大理岩脆—延—塑性转化特征,利用获得的细观参数建立TBM滚刀破岩离散元模型,模拟了单个TBM滚刀侵入断续单裂隙岩体过程,分析了裂隙倾角和围压对滚刀破岩效果的影响规律,最后从细观层面探讨了滚刀破岩机理。结果表明:含单裂隙岩体在单刀作用下,总体上表现为压缩性破坏、规则裂纹萌生与扩展、粉核区形成和主裂纹贯通4个阶段;当裂隙水平时翼裂纹萌生于裂隙中部,裂隙倾角较小时翼裂纹萌生于距尖端一定距离处,随着裂隙倾角的增大翼裂纹在裂隙尖端萌生。随着围压的增大,粉核区的范围逐渐变大,在高围压作用下出现侧向裂纹向自由面扩展;裂隙岩体比完整岩石更容易发生破坏,而且不同倾角裂隙岩体破坏难易程度也有所不同,总体上表现为:15°<45°<60°<0°<30°<90°<75°破岩由易到难。有围压条件下破岩难于无围压条件,且困难程度随着围压的提高而增大。

渗透压—应力耦合作用下煤体常规三轴试验的颗粒流模拟

为了研究在渗透压-应力耦合作用下围压和瓦斯压力对煤体变形破坏规律的影响,借助PFC2D软件进行了340组抗压及抗拉试验模拟,建立了煤体宏观力学参数与细观参数之间的关系。利用平行黏结模型和推导得出的细观参数,对煤体进行了不同围压和瓦斯压力条件下常规三轴试验的颗粒流模拟,并将模拟结果与物理试验结果进行对比及误差分析,对煤体宏观力学参数的变化规律进行了总结。分析结果表明,经过推导得到的宏细观参数关系,可以控制模拟结果的误差在10%之内,能较好地模拟煤体的力学特征;围压增大时,煤体的抗压强度、残余强度及弹性模量呈增大趋势,泊松比以及煤体的破裂角度变小,与物理试验所得围压对煤体的刚度和强度起增强作用的结论一致;瓦斯压力的升高会导致煤体抗压强度,残余强度及弹性模量减小,泊松比以及煤体破裂角度变大,验证了物理试验中瓦斯压力对煤体强度具有劣化作用的结论。

粗粒料动三轴试验颗粒流模拟对称性研究

以粗粒料动三轴数值模拟为例,分析了不同对称模型(1/2,1/4,1/8,1/12)条件下,粗粒料动剪切模量和阻尼比的变化规律。计算结果表明,不同对称模型的计算结果存在一定的差异,但其变化规律基本一致,随着模型对称比例的增大动剪切模量逐渐增大,阻尼比逐渐减小,计算时间成倍减少。分析了颗粒生成过程中不均匀性对试验结果的影响。计算结果表明:1/8模型动剪切模量和阻尼比影响较小;1/12模型动剪切模量影响较大,阻尼比影响较小。建议在动力分析过程中采用1/8模型即可。

降雨诱发残积土陡坡坡面冲刷破坏颗粒流模拟

为了明确降雨诱发的残积土陡坡坡面冲刷破坏机理,以福建省典型残积土陡坡为例,采用离散元模拟技术,依据所标定的参数,通过等效降雨法模拟陡坡坡面冲刷剥落过程,并分析冲刷速度对陡坡坡面冲刷破坏的影响规律。结果表明:陡坡仅在坡面浅层产生冲刷剥落破坏现象,其他部分未发生明显变形,陡坡整体形态保持良好;各时间点陡坡坡面土体颗粒的接触模型与其陡坡形态具有很好的一致性;冲刷破坏过程从初始存在黏聚力的接触黏结模型转变为黏聚力为0的抗转动线性模型;陡坡剥落后各颗粒间大部分为无黏性接触,呈松散土颗粒状,但是部分仍服从接触黏结模型,剥落类型为碎块状剥落;低流速径流冲刷时,剥落量从坡顶层到坡脚层呈现先减小后增大的趋势;流速越大,则坡脚冲蚀坑与深度越明显,坡面剥蚀厚度与总剥蚀量越大,并且坡顶层颗粒剥落量基本不变,而下层剥落量逐渐增大。

基于实际分布的花岗岩颗粒流模拟几何模型

岩石通常由不同组分组成,这些组分之间的类别差异与相互作用决定了岩石的宏观物理力学性质。以花岗岩为例,使用灰度阈值分割技术确定岩石中细观组分的具体类别与实际位置,使用平行连接表征颗粒间的胶结物,使用簇粒和聚粒分别表征黑云母、长石和石英,建立了考虑细观组分实际类型和分布的花岗岩颗粒流数值模拟的几何模型。结果表明:使用数字图像处理所得组分类型和位置可以作为建立数值模拟几何模型的基本数据;不同组分可以使用簇粒和聚粒来表征;不同组分的细观物理力学参数对花岗岩宏观力学行为有较大影响。由于细观组分的实际分布与细观物理力学性质控制了岩石的变形破坏过程,本文方法为研究岩石材料力学行为提供了一条新的研究途径。

土的工程力学性质的颗粒流模拟

基于颗粒流理论,引入不同的颗粒接触连接本构模型,分别建立了砂土和粘性土的颗粒流模型.通过颗粒流数值模型试验,对砂土和粘性土的室内平面应变试验及其剪切带形成和发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压下颗粒流试样与室内试验的应力应变关系曲线,基本再现了砂土和粘性土试样应力应变关系.通过砂土和粘性土PFC试样剪切带模拟表明,当围压较小时试样内部颗粒位移量小而且分布范围较广,当围压增大时,试样内部颗粒位移量也增大,而且发生较大位移颗粒的分布范围趋于集中,同时随着围压的增大试样内部形成明显的剪切带.无论砂土还是粘性土的PFC试样,随着围压的增加剪切带的形状趋于集中,而且剪切带宽度在减小.在围压很小时,试样内形成大的破坏区域,在围压较大时出现明显的线破坏区.这些规律基本与室内试验结果相似.

温度对混凝土力学性质影响的颗粒流模拟研究

为探索混凝土在热力耦合作用下的宏观力学性质和微裂纹的变化规律,采用PFC软件中的热模块,对5种温度下的混凝土试块进行了数值模拟分析。研究结果表明:(1)温度和峰值强度呈现负相关关系,单轴抗压强度和弹性模量随温度的变化服从幂函数关系,且温度对于强度和变形参数的影响不同,强度相较于变化参数而言,对温度更加敏感。(2)随着温度的升高,由热破裂所造成的损伤不断增加,热损伤集中在界面过渡区。随着温度的升高,混凝土的破坏模式由剪切破坏逐渐转变为劈裂破坏。(3)600℃属于临界温度,在600℃之前,宏观力学性质和微裂纹扩展均变化剧烈;超过600℃以后,宏观力学性质的劣化和微裂纹的发展均放缓。

双层堤基管涌的三维颗粒流模拟

基于三维颗粒流程序PFC3D,对北江大堤石角段存在争议的堤基管涌问题进行了数值仿真研究.在对实际管涌的堤基环境进行概化的基础上,建立了三维堤基的颗粒流模型,通过流固耦合分析,实现了堤基管涌发展以及颗粒流失全过程的模拟.对基岩不透水和透水2种情况分别建模,分析比较了不同的基岩透水边界条件下管涌演化的机理,通过FISH语言编程得到了不同基岩条件下颗粒流失量的变化规律.研究结果表明,基岩透水条件的存在,会加速管涌的演化,并可能导致更严重的破坏险情.砂土层细颗粒的迅速移出,会引起较大颗粒的流失,在覆盖层下发生接触冲刷,对堤基的稳定性构成威胁,且基岩的透水作用对砂土层的影响比卵砾石层更为突出.颗粒流模拟的结果反映了管涌演化的宏观现象和颗粒流失的细观规律,取得现场试验难以测量的颗粒流失规律,证明了颗粒流方法应用于管涌模拟的适用性,为进一步采用颗粒流方法研究管涌问题提供了新思路,对管涌的抢险加固具有一定的指导作用.

级配对粗粒土力学特性影响的颗粒流模拟研究

运用三维颗粒流软件PFC3D的内置FISH语言,进行二次开发,模拟粗粒土真实级配,建立一个研究高铁填方路基粗粒土力学特性的颗粒流模型,标定了表征粗粒土细观力学性质的模型参数,并验证了模型的有效性。考虑粗粒土曲率系数和不均匀系数对颗粒级配的影响,模拟并研究了五种不同级配下粗粒土在三种不同围压下的力学特性。结果表明:当粗粒土有效粒径与中值粒径及限制粒径的差距过大时,粗粒土中颗粒填充及致密性将变差,变形增大,强度降低;级配良好且不均匀系数较大,其力链分布越均匀,颗粒的挤压效果越显著,力的传递和分配也越均匀。

应力路径对砂土剪切模量影响的颗粒流模拟

剪切模量是衡量土体变形能力大小的一个重要指标,影响土的剪切模量的因素有很多,如平均有效主应力,孔隙比,超固结比等。本文主要研究不同应力路径对砂土剪切模量的影响。基于颗粒流理论的离散元数值模拟,对于不同的固结方式和应力路径对剪切模量的影响进行了数值模拟,固结方式采用等压固结和K0固结,当平均应力达到150kPa,再沿着六条不同的应力路径进行剪切。研究表明,由固结方式不同造成的偏应力,影响了土的结构,导致K0固结后试样在压缩时配位数较低,孔隙率较大,剪切模量衰减程度较大,但当试样拉伸时,所得的结果刚好相反。当应力路径不同时,沿着均应力为正的应力路径,试样处于压缩阶段,配位数一直处于上升趋势,孔隙率降低,剪切模量衰减程度也随之减小。

应力波在非线性变形节理处传播规律的颗粒流模拟研究

岩体节理会对岩体中应力波的传播产生显著影响,研究节理岩体中应力波的传播规律对于爆破破岩、抗震与防爆等均具有重要实际意义和理论价值。运用FISH语言对光滑节理模型中的细观节理法向刚度进行修改,建立了具有非线性变形特性的岩石节理颗粒流模型,模拟分析了应力波在非线性变形节理处的传播特性,获得了节理刚度、应力波振幅和应力波频率对透反射系数的影响规律,并从细观角度揭示了应力波与节理相互作用的机理。结果表明:节理刚度对应力波透反射系数会产生较大影响,刚度越大透射系数越大,反射系数则越小。当节理刚度达到某一临界值后,透射系数增长缓慢并趋于稳定值;入射波幅值越大,透射系数越大,反射系数则越小;应力波透射系数随入射波频率的增加而减小,节理表现出高频滤波特性。

煤样三轴循环加卸载力学特征颗粒流模拟

基于煤样常规三轴试验,使用颗粒流程序PFC得到了一组能够较真实反映煤样宏观力学行为的细观参数。在此基础上,对煤样进行不同围压下循环加卸载颗粒流模拟试验,分析了不同围压下煤样的宏观参数、裂纹扩展过程及其之间的关系。通过分析弹性模量和塑性应变随加载轴向应变的变化规律,表明弹性模量随加载轴向应变先增大后减小、塑性应变随加载轴向应变先稳定增加后快速变化,证明了使用颗粒流程序模拟循环加卸载是可行的。其后对循环加卸载过程进行分析,结果表明裂纹数目的非"记忆"行为随加载的进行逐渐加强,峰后微裂纹主要产生于宏观裂纹之间的相互摩擦。结合裂纹在试样内的破裂过程分析,表明剪切带的形成是造成弹性模量和塑性应变出现拐点的主要原因,对试样在循环荷载作用下的破裂过程有了一定的认识。

细观结构的非均质性对花岗岩强度及变形影响的颗粒流模拟

基于等效晶质模型建模方法,利用颗粒流软件PFC^2D实现对花岗岩细观结构的重建,开展了一系列不同围压下的花岗岩常规三轴压缩试验研究。揭示了晶体粒径分布所造成的细观结构上的非均质性和Mohr–Coulomb强度准则和Hoek–Brown强度准则中各参数的关系以及对岩石脆性的影响。研究结果表明,非均质性对岩样受压加载情况下的应力–应变曲线具有显著的影响。随着非均质因子增加,岩石由均质变为非均质,弹性模量逐渐减小,泊松比增加。随着非均质性因子的增加,岩石抗压强度减小、内聚力增加、内摩擦角减小。对同一类花岗岩而言,Mohr–Coulomb强度准则和Hoek–Brown强度准则中各参数的取值并非恒定,而是一定程度上依赖于内部的细观结构。当岩石细观结构变化时,两种强度准则中的参数也随之改变。细观结构的非均质性对岩石的脆性指标影响较大,随着非均质性因子的增加,岩石脆性指标减小。

周期荷载作用下煤岩声发射特征的颗粒流模拟

为研究周期荷载应力水平对煤样声发射特征的影响,采用PFC数值软件开展了3种不同应力水平的等幅周期荷载数值模拟试验,分析了周期荷载应力水平对煤样破坏循环次数、声发射计数及损伤演化特征的影响。研究结果表明:周期荷载作用下,煤样破坏过程中的声发射活动呈现初始、相对平静和活跃三阶段演化规律,且在煤样破坏前的周期荷载卸载阶段及低应力水平阶段几乎没有声发射活动;周期荷载上限应力水平的微小提高会加快煤样的破坏过程。提出了声发射比率的概念,当声发射比率大于1时,表明煤样即将发生破坏。声发射比率可作为预测现场工程煤体失稳的重要指标。

砂卵石地层隧道开挖过程中上覆土体应力变化的颗粒流模拟研究

为研究砂卵石隧道开挖过程中洞顶上覆土体的应力变化规律,以某市轨道交通1号线砂卵石地层中地铁隧道开挖为研究背景,采用PFC^(2D)颗粒流程序,建立隧道-土体颗粒流模型,对台阶法隧道开挖全过程引起的洞顶上覆土层的应力扰动规律进行细观数值模拟研究。研究结果表明:1)开挖初期,隧道上覆土层的应力扰动作用明显,上覆土体有一个明显的应力重新分配到再平衡过程;2)环形开挖对洞顶上覆土层产生的应力扰动最为明显;3)开挖对竖向应力产生的扰动作用强于水平应力。本文研究结果与实际工程较为吻合,分析结果可为今后砂粒卵石地层隧道施工提供指导。