核级石墨PFC^(2D)模型的宏细观参数分析

颗粒流软件PFC能够很好地处理非连续介质力学的问题,模拟核级石墨的损伤和断裂过程具有独特的优势。在采用PFC^(2D)模拟核级石墨时,为了增加模拟的便捷性,实现了PFC^(2D)细观参数的快速标定。本文首先设计了四因素四水平的正交试验,分析了核级石墨的宏观参数与PFC^(2D)的细观参数关系;然后基于建立的核级石墨宏细观参数的关系,采用PFC^(2D)模拟石墨IG11的三点弯曲试验,并从位移场变形、荷载-位移曲线和断裂参数三个方面验证其宏细观参数关系的正确性。结果表明,弹性模量E随平节理模量E_(c)的增加线性增加;抗拉强度σ_(t)随平节理抗拉强度σ_(b)的增加线性增加;泊松比ν随平节理刚度比k_(n)/k_(s)的增加先增大后减小;数值模拟的位移场变化和荷载-裂缝口张开位移P-CMOD曲线与试验结果较吻合,此外,断裂参数的最大误差不超过3.57%。

落石冲击力评定模拟试验及PFC^(2D)数值模拟

落石冲击力的大小对山体防护结构的设计和落石灾害预防至关重要。基于不同规范冲击力计算公式的模拟试验研究,发现单体落石的冲击力大小随着落石质量、下落速度的增大呈非线性增加,且落石质量比下落速度对落石冲击力的影响更为显著。通过PFC^(2D)数值模拟及国内不同规范冲击力计算公式运算结果对比分析发现,物理试验中实测的最大冲击力与PFC^(2D)数值模拟结果同《危岩落石柔性防护网工程技术规范(试行)》(T∕CAGHP 066—2019)和《油气输送管道工程地质灾害防治设计规范》(SY/T 7040—2021)中公式的计算结果较为接近。对于质量超过2.4 kg的小尺度单体落石,计算的冲击力值建议增加30%。

单轴压缩下饱和裂隙红砂岩力学特性试验及PFC^(2D)模拟

为研究饱和状态下裂隙红砂岩力学特性,对不同预制裂隙角度的饱和红砂岩进行了单轴压缩试验和PFC^(2D)数值模拟,结果表明,单轴压缩下饱和裂隙红砂岩变形可划分为五个阶段:孔隙压实阶段、弹性变形阶段、新裂纹产生和生长阶段、岩样裂纹发展加速阶段和断裂失稳阶段。在不同角度下,应力和应变均随着角度的增大逐渐增大,且试样破坏类型以剪切破坏为主。试样损伤程度随着角度逐渐增大,裂隙对试样的损伤呈现出先增大后减小的趋势,其中在45°时裂隙对试样的损伤最大。数值模拟结果表明模拟所得试样主要破坏形式与试验试样破坏形式相同,均为剪切破坏,裂纹主要分布于裂隙上下两个尖端,且以剪切裂纹为主,伴有少量拉伸裂纹。研究结果对富水地区地下岩柱稳定性的评价具有参考价值。

断续节理直剪试验与PFC^2D数值模拟分析

在以往有关断续节理模型试验和数值模拟的研究基础上,设计不同连通情况和法向应力的断续节理模型材料直剪试验,并采用颗粒流离散元软件PFC2D对模型试验进行全真数值模拟。以贯通节理试样、完整试样的剪应力–应变数值模拟曲线和模型试验曲线吻合作为PFC细观力学参数选取准则,并利用获得的细观力学参数对共面断续节理试样直剪试验进行数值重现。对比分析数值模拟曲线和模型试验曲线,对断续节理受剪贯通的力学机制进行研究。根据模型试验和数值试验的成果,分析断续节理预剪面上应力随剪应变的演化过程,发现剪切过程中的剪胀效应使得岩桥承担更多的压应力,从而提高了岩桥的抗剪强度。对断续节理岩体在直剪加载条件下的破坏机制进行讨论,将整个剪切过程分为线弹性阶段、初裂阶段、峰值阶段、峰后阶段及残余阶段5个阶段。

柔性石笼挡墙土压力的PFC^(2D)数值模拟

使用国际上先进的颗粒流离散元程序——PFC2D,根据工程实际情况,建立了石笼挡土墙的PFC2D模型,使其发生向内和向外两种平移模式,测量土中相应深度的土压力,对整体进行了观测和研究。结果表明,(1)墙体向外平移时,在约1 m的深度范围内,各种位移量下的应力值比较接近,在5 m深度处,各种位移量情况下几乎同时达到侧向土压力和竖向土压力的最大值。(2)墙体向内平移时,在1.5 m的深度范围内,各种位移量下的土压力值比较接近而且与深度呈严格的线性关系;在2 m处,土压力都达到了极大值,之后土压力与深度呈现出明显的非线性,逐渐减小,从而提出了主动土压力和被动土压力的深度范围。

基于PFC^(2D)软件的柿树沟泥石流运动过程数值模拟

为了解泥石流的启动及运动过程,以栾川县柿树沟泥石流堆积体为例,基于堆积体室内大型直剪试验指标,利用PFC2D模拟软件对其启动及运动过程进行仿真数值模拟,分析了不同工况下堆积体的运动速度场、应力场及位移场,研究了崩滑松散碎屑堆积物质启动、形成泥石流的过程和机制。结果表明,强降雨是柿树沟沟内松散堆积体启动形成泥石流的触发因素;中雨工况下,地表径流的冲刷力仅对堆积体表层有影响,但堆积体整体形态基本无变化;暴雨工况下,泥石流沟上游的洪水迫使土石颗粒脱离堆积体表面,后缘表层土体首先开始运动,产生的推挤力不断推动前方堆积土体向前运动,坡面形态发生显著变化;暴雨时间越长,堆积土体的运动速度和位移也越大,最终导致堆积体发生连锁式破坏,形成泥石流。

垮落区注浆充填压实特性的PFC^(2D)模拟试验

首次采用了颗粒流程序PFC2D模拟垮落区充填中煤层采出、顶板垮落、充填的整个动态过程;为研究垮落区注浆充填压实特性,建立了122个PFC2D模型进行了数值模拟试验,分别研究了垮落区的充填量,作用在充填体上的载荷Q,充填体的弹性模量和胶结特性等4个因素与垮落区充填压实特性的关系.结果表明,垮落区的充填量是影响垮落区充填体压实特性的首要因素,充填体的弹性模量和充填体上所加载荷大小对垮落区充填的压实特性影响显著,充填体的胶结特性对垮落区的压实特性影响有限.PFC2D是研究垮落区注浆充填的有效手段.

基于PFC^(2D)的镁碳质耐火材料断裂行为模拟研究

将镁碳质耐火材料视为骨料和细粉基质组成的两相复合材料,采用基于离散元的颗粒流模拟软件PFC2D,将材料离散成刚性颗粒组成的模型,把颗粒细观参数的变化与宏观力学特性联系起来,构建镁碳质耐火材料在1000℃下的试验模型,模拟试样三点弯曲的载荷-位移曲线,对材料裂纹的扩展进行分析,并通过改变摩擦系数、平行粘结刚度比、孔隙率以及平行粘结弹性模量,对比分析细观参数对载荷力峰值大小的影响情况。结果表明,采用PFC2D可准确模拟镁碳质耐火材料在三点弯曲时的断裂行为;材料的摩擦系数和平行粘结弹性模量与试样所受最大载荷力呈正比关系,而孔隙率和平行粘结刚度比与试样所受最大载荷力呈反比关系。

基于PFC^(2D)的植生混凝土虚拟试验研究

以植生混凝土为研究对象,采用离散单元法,通过Fish语言编写了二维不规则骨料的植生混凝土虚拟试件开发程序,建立了植生混凝土的数值模型,分析了数值试验中的应力-应变、体应变、裂纹数以及能量响应的变化规律。结果表明,基于离散元理论和PFC2D程序能够有效地模拟植生混凝土在单轴压缩状态下裂纹的生成、扩展以及破坏的全过程,为进一步研究植生混凝土的破裂机理奠定基础。

土石混合料振动击实试验的PFC^(2D)模拟研究

笔者在文中针对土石混合料振动击实过程中颗粒运动规律和密度形成机理问题,引入PFC2D颗粒离散元方法,模拟了一定级配条件下不同土石比的土石混合料的振动击实过程,探讨土石混合料振动击实中颗粒的微观运动和结构性能,得到了一些比较理想的结论.

砂井地基堆载沉降的PFC^(2D)模拟

砂井是利用土的排水固结原理来处理软弱地基的代表性施工技术。针对现有的软基沉降计算和预测方法存在的不足,利用离散单元法中二维颗粒元法PFC2D建立了砂井二维模型,对砂井地基堆载沉降过程进行二维离散元仿真模拟。采用由2～7个不同组合方式的簇单元来体现软基的孔隙率,改进了PFC2D中的水位降深模型,分析了软基沉降过程中水位的变化规律。模拟与现场实测结果的对比表明:模拟沉降值与实测值基本吻合。

地下采矿引起地表塌陷离散元PFC^(2D)数值模拟研究

采用离散元PFC^(2D)建立了地质剖面颗粒流模型,研究了矿体开采过程中上覆岩层裂缝形成与发展过程,揭示上覆岩层逐渐垮塌崩落的机理。结果表明,随着矿体的开采,裂隙不断向上发展,裂隙数增加。开采矿体后形成的采空区造成了上覆岩层的拉裂⁃剪裂破坏,岩层中不断有新生裂缝产生。上覆岩层主要以拉裂缝发展为主,在拉裂缝发展区域两端产生部分剪破坏裂缝,在空区两端已经出现向上发展的裂缝集聚,是空区顶板逐渐垮塌崩落的征兆。开采第3分层和第4分层矿体后,出现了局部顶板垮塌现象,且垮塌崩落逐渐发展为整个采空区顶板垮塌,最终垮塌崩落至地表,在地表初步形成一个小塌陷坑。塌陷坑发展过程依据裂隙数可细分为平稳发展时期、缓慢发展时期、快速发展时期和结束发展时期,揭示了井下矿体开采致使上覆岩层拉裂⁃空区两端剪裂⁃整体垮塌崩落的形成机理。

PFC^(2D)平节理模型细观参数标定方法

细观参数的快速准确确定对PFC正确模拟岩石力学性能非常重要。目前,平节理模型细观参数的标定研究均未考虑对泊松比和压拉比有很大影响的黏结比例φ_(b)和影响岩石强度及裂纹产生难易程度的黏结强度变异系数R_(sd)这两个细观参数,且未考虑作为判断围岩损伤范围重要指标的宏观参数起裂强度σ_(ci)。在参数中新增φ_(b),R_(sd)和σ_(ci),采用正交数值试验方法研究了平节理模型8个细观参数与岩石6个宏观参数之间的相关性,确定了各宏观参数与主要细观参数之间的拟合关系,并分析了宏细观参数间的趋势关系。在此基础上,提出了平节理模型细观参数的标定流程,然后根据片麻花岗岩物理试验的宏观力学参数确定了模型的细观参数并进行数值试验,模拟结果与物理试验结果基本吻合,说明标定流程可行。

基于PFC^(2D)的冬瓜山铜矿爆破参数优化

以铜陵冬瓜山铜矿采场爆破为研究对象,基于矿山爆破设计参数,建立了PFC^(2D)数值爆破模型,对拟定的12组不同爆破参数进行模拟优化试验,通过分析不同参数下模拟爆破效果及监测点的应力值,得出最优爆破参数为:排距2.5 m、孔距2.5 m;现场生产实践证实,采用此爆破参数时能达到良好的爆破效果,验证了PFC^(2D)数值程序模拟爆破的可行性。

基于PFC^(2D)-COMSOL的煤层水力压裂增透促抽瓦斯数值模拟研究

为了对水力压裂后的瓦斯抽采效果进行研究,将PFC^(2D)数值模拟与COMSOL数值模拟结合运用,提出了一种几何模型图像像素级处理方法,该方法将PFC^(2D)水力压裂后的裂隙几何模型导入到COMSOL软件中,完成了2个数值模拟软件之间的结合,实现了对水力压裂煤层进行瓦斯抽采的数值模拟。研究结果表明:40 MPa与20 MPa注水压力相比,注水压裂的范围较大,产生的裂隙数量较多,裂隙扩展范围较大,压裂效果好;且相同抽采时间下,40 MPa注水压裂的煤层瓦斯抽采范围和抽采流量大,水力压裂可以提高煤层的瓦斯抽采效果,与实际工程应用效果相符。

基于PFC^(2D)的柿子树坪滑坡变形特征模拟研究

柿子树坪滑坡近年来受雨季持续性降雨以及当地基础建设的影响,发生了多次小规模滑塌,目前滑坡威胁范围包括:村民33户156人,通村公路约320 m。通过现场调查以及勘探结果,分析导致该滑坡发生变形的因素。根据不同工况下的滑坡稳定性的计算结果,借助PFC^(2D)软件对该滑坡的破坏过程以及变形特征进行模拟分析。结果表明,该滑坡在土体饱和状态下,首先发生蠕滑变形,并因自重作用的影响使得变形量的逐渐增加,坡脚处应力持续积累,最先出现剪出破坏,并不断向后发展,导致整体滑动,表现出典型的牵引式破坏。并在运动过程中呈现出前缘沿接触面发生滑移、坡顶出现张拉裂缝、中部锁固段剪断的阶段性变形特征。此研究结果与现场勘察结果相吻合,可为该滑坡的防治提供参考。

岩石PFC^(2D)模型细观参数确定方法研究

目前对标定方法的应用大多围绕单轴压缩试验展开,而仅通过单轴试验建立的数值模型在拉伸强度和强度包络线方面与实际试验吻合度较差。因此基于单轴压缩试验、单轴拉伸试验和三轴压缩试验,采用正交试验设计方法对平行黏结模型细观参数标定方法进行了研究。利用多因素方差分析确定了模型细观参数对宏观力学指标的影响程度,并建立了宏观力学参数与细观参数之间的关系。在此基础上提出了与岩石弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、启裂强度、拉压强度比及摩擦角相匹配的细观参数确定方法。研究结果表明:采用标定方法建立的数值模型的宏观力学参数以及单轴压缩应力-应变曲线与室内试验结果相近,能够很好地反映岩石单轴和三轴条件下的破坏模式,证明了标定方法的可行性。二维颗粒流程序PFC^(2D)对试验极限主应力关系曲线的拟合程度较差,这可能是由于平行黏结模型将形状不规则的矿物颗粒理想化为圆形颗粒,而颗粒形状可能会影响到颗粒间的咬合作用。

基于PFC^(2D)的高填黄土减载明洞土体固结蠕变分析

为探究黄土固结蠕变对减载明洞(cut-and-cover tunnel, CCT)周围土压力及土体位移的影响,首先通过离散元软件PFC^(2D)建立虚土减载的高填黄土明洞(high-filled cut-and-cover tunnel, HFCCT)模型,研究了明洞洞顶土压力,不同填方深度处的竖向土压力和竖向位移,填土表面沉降及土颗粒接触力链随黄土(填土和虚土)固结蠕变的演化规律,并就相关影响因素[虚土(relatively low-compacted soil, RLC)厚度、宽度、矢跨比]变化对考虑土体固结蠕变条件下明洞受力的影响进行了参数化分析,确定了虚土减载时的最佳参数取值。结果表明:虚土减载时,由于其压实度较低,压缩性较大,能够在土体内部激发土拱效应,具有减载效果;随着土体的固结蠕变,土颗粒间的接触趋于紧密,压缩性降低,土拱效应逐渐消失,减载效果被削弱;伴随土体的固结蠕变,减载明洞各层的竖向土压力及竖向位移呈现先增大、后回调、最终稳定的特征;明洞顶的接触力链由稀疏变为密集,分布趋于均匀,说明固结蠕变促进了土体内部的应力重分布,土颗粒间接触更加紧密,各土层的应力分布趋于均匀;当土体的固结蠕变基本稳定时,填土表面的竖向沉降量将达到累积沉降量的90%以上。明洞在考虑土体固结蠕变影响时,虚土的最佳减载厚度为6.0 m,最佳减载宽度为12.8 m,最佳矢跨比为0.7。

基于PFC^(2D)的不同倾角组合孔洞岩石力学特性及破坏特征

天然岩体中存在不同几何形状的裂隙和孔洞缺陷,这些孔洞缺陷改变了岩体的力学特性,是引起围岩失稳的关键因素。对组合孔洞缺陷模型进行研究,有助于围岩的稳定性控制。采用二维颗粒流(PFC^(2D))软件对不同倾角组合孔洞缺陷的岩石进行单轴压缩试验,研究这些缺陷对岩石力学特性和破坏特征的影响。结果表明:孔洞缺陷的存在降低了岩石的单轴抗压强度、峰值应变、起裂应力和损伤应力,加速了裂纹的产生,促进了岩石的破坏;不同倾角对试样力学性能和损伤程度的影响不同,随着倾角的增大基本呈先降低后升高的趋势;裂纹产生前,各模型的拉应力集中区分布在孔洞的上、下端部,压应力集中区分布在孔洞的左右两侧;模型破坏后,压应力集中区域沿孔洞的左右端部转移至模型的左右两侧。

基于PFC^2D的某矿区反倾岩质边坡稳定性分析

基于离散元二维颗粒流程序(PFC^2D),以某矿区岩质边坡为研究对象,采用单轴压缩模拟试验对边坡各岩土层的细观力学参数进行标定,建立边坡的颗粒流模型,对边坡的运动过程及破坏机理进行分析。结果表明,边坡中部较破碎岩土层处首先发生剪切破坏,由于重力挤压作用,坡脚处岩土层挤压破坏滑出并在坡脚处堆积,坡顶失去底部土体支撑作用产生拉张裂缝后向下滑动,最终导致边坡整体失稳破坏。研究结果与实际边坡情况基本吻合,可为矿区安全开采及灾害防治提供参考。