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。

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。

无底柱分段崩落法进路顶部压力变化规律的PFC^2D模拟

以无底柱分段崩落法为研究对象,采用颗粒流数值模拟软件PFC^(2D)研究了在大量放矿时采场底部及侧壁突发的高动态应力变化规律,并通过两种不同的回采顺序对放矿时放矿口附近的压力增高区、压力降低区范围的变化进行了模拟分析。结果表明:随着放矿的进行其侧壁压力峰值逐渐增大,顶部压力降低区的范围随着工作面的推进逐渐减小,直至消失。两翼向中间回采时采场底部将产生应力集中,其采场底部压力将远大于一翼向另一翼回采。

PFC^2D滑坡阻河机理及冲击致灾数值模拟研究

为进一步完善建立在离散元程序上的滑坡汇河阻河致灾机理的数值模拟,以ball-wall方法建立滑坡模型,对滑坡涌入河道后的堆积体形态进行研究。结果表明:在坡高、河宽、方量三个影响因素中,河宽对于滑坡是否阻河占首要地位,在河宽较小时滑坡入河后容易阻河,河宽较大时则不易阻河。方量和坡高对堆积体形态也有一定的影响,坡高越高,方量越大越容易造成阻河。滑坡的最大冲击荷载受到河宽和坡高的双重影响,坡高越高,河宽越小冲击力越大。

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%。

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。

基于数字图像的非均质岩土材料细观结构PFC^(2D)模型

提出了一种基于数字图像处理的非均质岩土材料细观结构PFC2D数值计算模型自动生成方法,并采用VC++.NET编写了相应的接口程序.从而实现了非均质材料细观结构PFC2D软件建模的快速、真实及自动化等优点.通过对土石混合体这一典型非均质岩土材料的建模及分析实例,建立了土石混合体真实的细观结构PFC2D数值计算模型.分析计算表明,基于数字图像处理的PFC2D模型生成技术不但提高了建模和数值模拟分析的精度,而且对于进一步研究土石混合体等非均质材料的细观力学特征具有重要的意义.

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)岩石颗粒破碎强度和能量的分形模型

颗粒的破碎强度随着粒径的增大而减小,即颗粒破碎的尺寸效应,分形模型为解释固体颗粒破碎的尺寸效应提供了可行的方法。根据岩石颗粒破碎时的分形特征,采用Sammis破碎准则,通过模拟分析得出岩石颗粒破碎能量和强度的分形模型,建立和验证用分维D来表示岩石颗粒破碎的能量和强度准则,得出并验证了岩石颗粒破碎分维的确定方法。利用离散元软件PFC^(2D)的黏结颗粒模型BPM(Bonded Particle Model)模拟了小孔隙率n=0.12和大孔隙率n=0.3,即密实和松散两种情况。其中小孔隙率采用在模型上添加小颗粒的新方法,分别做了400组粒径不等的数值模拟试验,从粒径与破碎强度、破碎能量之间的关系和应力-应变曲线3个方面进行了统计,验证了岩石颗粒破碎强度与分维D的理论关系为σf∝dD-3,并得出颗粒破碎时的能量和与分维D之间的关系为Ef∝dD-1。验证了分形理论在分析颗粒破碎的尺寸效应中的较好应用,为确定岩石颗粒的破碎强度和岩石堆砌体剪切强度提供新的方法和参考意见。

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%。

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。

柔性石笼挡墙变形受力的PFC^(2D)数值模拟

石笼挡墙作为一种新型的挡土结构,在国内的应用还不够多,同时在已建或待建的挡土工程中,也出现了传统的挡土结构很难解决的情况,文章针对这种状况,引入了石笼挡墙这种柔性构筑物,并建立了石笼挡墙的PFC2D模型,从对墙面侧向位移的量测中,提出了行车荷载对挡墙的影响深度,研究了石笼墙背土压力,对回填土的受力特性划分了5个阶段,阐明了经过初期的荷载作用,挡墙与回填土的共同体达到了平衡状态,分析了挡墙墙背的侧向位移,指出了这种柔性结构能很好地消散土压力的作用。

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。

基于PFC^(2D)的某金矿低贫化放矿数值模拟实验

某金矿采用无底柱分段崩落法回采,堑沟进路结构出矿。随着开采深度的逐渐增加,矿石品位降低,矿岩愈发破碎,稳固性较差,导致矿石回采率降低,贫化率增大。为优化放矿结构参数,提高矿石回收率,利用PFC^(2D)数值模拟软件对出矿进路间距为6,7,8,9 m时低贫化放矿过程进行数值模拟实验。通过侧面放矿和不同进路间距正面放矿数值模拟,得到零贫化和低贫化时的贫化损失率。实验结果表明,放矿截止品位在30%时,最佳出矿进路间距为7 m;堑沟结构放矿时,60°以上倾角适合自溜出矿;厚大矿体开采时,低贫化放矿模式可有效提高矿石回收率。结果为矿山低贫化放矿工作提供了有利的理论指导。

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。