基于MatDEM的岩石应力波传播与衰减特性敏感性分析

应力波的研究是岩石动力作用中的关键性问题。基于离散元法,文章对岩石样品开展数值模拟试验,以探究应力波传播和衰减的影响因素及规律。其中重点分析了岩石数值试样的单元半径、阻尼系数,以及入射波频率、振幅对应力波传播产生的影响,并结合真实试验结果进行对比分析。研究结果表明:离散元法能有效的模拟动力作用过程,数值岩样中应力波的传播变化规律与前人研究一致。岩样单元半径增大,导致岩样的不均匀性增加,散射衰减增强;阻尼系数越大,振幅在相同距离处衰减程度越大;岩样中入射波频率降低,波的传播趋势从对数衰减向线性衰减形式发展;加载波的振幅越大,应力波由于散射作用衰减程度越大,在相同传播距离的衰减率保持一定。

加载速率对岩石单轴压缩试验影响的数值模拟研究

在单轴压缩数值模拟试验中,加载速率由每次边界条件变化幅度和边界条件变化后的平衡计算时间这两个因素共同控制。同样的加载速率,两个因素的不同组合也会对加载效果有很大的影响。因此,探究以上两因素对岩石单轴压缩数值模拟试验的影响机制,可对高效进行高精度的各加载速率下的数值模拟试验起到积极作用。本文使用MatDEM软件,基于软件自动设定的加载区间以及标准平衡迭代,设置不同的应力施加步数Nd与平衡迭代比率Rb,进行不同加载速率下的数值模拟试验。模拟结果表明:(1)单步加载后平衡迭代次数越多(Rb越大),该步中应力波传播与动能衰减越充分。在最优阻尼条件下,当单步加载后平衡迭代次数等于40次(Rb等于0.8)时,每步加载中动能充分平衡,可以最低计算量取得准静态模拟结果;(2)单步加载应力增量越小(Nd越大),数值模拟试验精度越高;(3)当加载速率一定即计算量相同时,为保证更高的模拟试验精度,应采用低单步应力增量与低单步加载后平衡迭代次数(Nd大、Rb小)的加载方案。本文为定量研究岩石加载速率问题和相关数值模拟提供了参考。

颗粒形态对砂土抗剪强度影响的试验和离散元数值模拟

为研究颗粒形态对砂土抗剪强度的影响,制备了5组不同粒径的球形石英砂和颗粒形态不规则的实验室标准砂,并进行一系列的直剪试验;离散元法能有效地模拟砂土的离散性和不均匀性,基于高性能离散元分析软件MatDEM,通过二次开发,建立直剪试验三维模拟器,对直剪试验过程进行了数值模拟,并对比分析了试验和数值模拟结果。数据表明:(1)石英砂试样的自然休止角与其抗剪强度有着正相关性;(2)球形石英砂较实验室标准砂能更快达到峰值强度,但其值相对较低;标准砂存在着一定的黏聚力;(3)在直剪过程中,直剪盒中部颗粒的位移较周围颗粒不同,形成了明显的剪切带,并且球形石英砂试样的剪切带内颗粒的位移更小;(4)砂土直剪试验中配位数与剪应力有着良好的正相关性。本文结果表明,在相同的荷载条件下不规则颗粒形态的石英砂的抗剪强度要明显大于球形石英砂。

川藏铁路线V形深切河谷地形地震放大效应数值模拟

V形河谷场地能产生地震动放大效应,并加剧地震的破坏作用和灾害效应。基于高性能离散元软件MatDEM,对规则V形河谷以及真实河谷地形下的放大效应进行数值模拟研究。结果表明,对于规则V形河谷,在地震波水平入射的情况下,背波坡面产生明显的地震动加速度放大效应,并在临近谷底处最为强烈;随着河谷坡角的增大,放大效应增大。数值模拟结果和解析解具有一致的趋势和规律,并符合现场观测现象。将模型进一步应用于川藏铁路线日扎深切河谷的分析,发现地形微小的转折将会影响到波的传播,临近谷底处的加速度放大效应与规则地形较为一致。离散元法能有效地模拟河谷中地震波的传播、反射、散射等现象,可用于川藏铁路沿线复杂条件下的动力作用灾害效应分析。